Et integrert mikroenhetssystem for korallvekst og overvåking

Summary

Denne protokollen beskriver utviklingen av et modulært styrbart mikroenhetssystem som kan brukes til langsiktig dyrking og overvåking av sjøkoraller.

Abstract

Koraller er grunnleggende organismer i marine og kystnære økosystemer. Med utviklingen av korallbeskyttelsesforskning de siste årene, er presis kontroll av korallkulturmiljøet svært etterspurt etter korallbevaring og studier. Her utviklet vi et semi-lukket korallkulturmikroenhetssystem som en multifunksjonell plattform, som kan gi nøyaktig og programmerbar temperaturkontroll, et sterilt startmiljø, langsiktig stabil vannkvalitet, en justerbar oppløst oksygenkonsentrasjon og et tilpasset lysspekter for koraller. På grunn av den modulære designen kan korallkultursystemet oppgraderes eller modifiseres ved å installere ønskelige nye moduler eller fjerne eksisterende. For tiden, under passende forhold og med riktig systemvedlikehold, kan prøvekorallene overleve i minst 30 dager i en sunn tilstand. Videre, på grunn av det kontrollerbare og sterile startmiljøet, kan dette korallkultursystemet støtte forskning på det symbiotiske forholdet mellom koraller og tilhørende mikroorganismer. Derfor kan dette mikroenhetssystemet brukes til å overvåke og undersøke sjøkoraller på en relativt kvantitativ måte.

Introduction

Forverringen av korallrevets økosystemer har skjedd over hele verden de siste 70 årene. Tatt i betraktning alle de store korallområdene i Mellom-Amerika¹, Sørøst-Asia 2,3,4,5,6, Australia ^7,8 og Øst-Afrika^9, er den globale dekningen av korallrev halvert siden^{1950-tallet 10}. Dette massetapet av korallrev har resultert i økologiske og økonomiske problemer. For eksempel, ved å spore tilstedeværelsen / fraværet og overflod av alle slags korallavhengige fisk i 8 år, konkluderte forskerne med at korallnedgangen direkte har forårsaket en betydelig reduksjon i fiskens biologiske mangfold og overflod i Papua Ny-Guinea¹¹. Dette resultatet viste at korallnedgangen ikke bare kan undergrave korallrevbaserte biologiske systemer, men også redusere fiskeriinntektene.

Over flere tiår med feltundersøkelser, inkludert direkte overvåking, fjernmåling og datasammenligning, har det vitenskapelige samfunn identifisert flere faktorer som forårsaker massekorallnedgangen. En viktig årsak til massiv korallnedgang er korallbleking forårsaket av høye sjøvannstemperaturer^12,13. Ved å kombinere bleking og meteorologiske poster har forskere konkludert med at korallbleking skjer oftere i El Niño-sørlige oscillasjonsfaser¹⁴. En annen årsak til korallnedgangen er havforsuring. På grunn av den økte_{CO2-konsentrasjonen} i både atmosfæren og sjøvannet, løses kalsiumkarbonat raskere enn før, noe som forårsaker nedskalering av netto korallrev¹⁵. Faktisk har det blitt konkludert med at når CO₂ -konsentrasjonen i atmosfæren når over 500 ppm, vil titalls millioner mennesker lide, og korallrevene vil være i fare for betydelig forverring og symbiodiniumavløsning^16,17. Det er andre faktorer som også kan påvirke koralloverlevelse, for eksempel innaskjærs forurensninger som forårsaker eller akselererer korallnedgang. Forskere på Hawaii målte karbon-, oksygen- og nitrogenisotoper i koraller, sammen med det oppløste uorganiske karbonatet og de relaterte næringsstoffene (NH 4 ⁺, PO₄ 3-, NO₂ ^– og NO₃ ^– ), og konkluderte med at forurensning fra landet forstørret kystforsuring og bioerosjon av koraller¹⁸. Videre til forurensning truer urbanisering også koralloverlevelse og forårsaker relativt lav arkitektonisk kompleksitet i koraller, som avslørt av en studie om koralloverlevelsesstatus i Singapore, Jakarta, Hong Kong og Okinawa. Dermed fører virkningen av menneskeskapte stressorer og de overlagrede effektene av klimaendringer til utbredt redusert biologisk mangfold på korallrev og en tilhørende nedgang i koralløkologisk funksjon og motstandskraft¹⁹.

Det skal også bemerkes at et stort antall mikroorganismer deltar i korallers fysiologiske funksjoner, inkludert nitrogenfiksering, kitinnedbrytning, syntese av organiske forbindelser og immunitet²⁰, og disse mikroorganismer bør derfor inkluderes når man vurderer korallrevforringelse. I naturlige miljøer, som korallrev, forårsaker mange faktorer hypoksiske eller anoksiske forhold, inkludert utilstrekkelig vannsirkulasjon, algeekssudat og algevekst. Dette fenomenet påvirker populasjonsfordelingen av koraller og korallrelaterte mikroorganismer negativt. For eksempel fant vietnamesiske forskere at i Nha Trang, Phu Quoc og Ujung Gelam kunne bakteriesammensetningen i korallen Acropora Formosa påvirkes av oppløst oksygen på forskjellige steder²¹. Forskere i USA utforsket hypoksiske eller anoksiske forhold i koraller og fant at algekssudater kan formidle mikrobiell aktivitet, noe som fører til lokaliserte hypoksiske forhold, noe som kan forårsake koralldødelighet i direkte nærhet. De fant også at koraller kunne tolerere reduserte oksygenkonsentrasjoner, men bare over en gitt terskel bestemt av en kombinasjon av eksponeringstid og oksygenkonsentrasjon²². Forskere i India fant at når Noctiluca scintillans alger blomstret, ble det oppløste oksygenet redusert til 2 mg / L. Under denne konsentrasjonen døde ca 70% av Acropora montiporacan på grunn av hypoksiske forhold²³.

Alle ovennevnte fakta og faktorer tyder på at miljøforandringer fører til forverring av korallrev. For å dyrke og studere revkoraller under visse forhold, er det viktig å nøyaktig og omfattende bygge opp et kontrollerbart mikroskopisk miljø for revkoraller å bo. Normalt fokuserer forskere på temperatur, lys, vannstrøm og næringsstoffer. Imidlertid blir andre funksjoner, som oppløst oksygenkonsentrasjon, overflod av mikroorganismer og mangfold av mikroorganismer i sjøvannet, ofte ignorert. For dette formål har vår gruppe undersøkt muligheten for å bruke lite utstyr til å dyrke korallpolypper i et relativt kontrollert miljø^24,25. I dette arbeidet designet og bygde vi opp et modulært mikroenhetssystem for korallkultur. Dette modulære mikroenhetssystemet kan gi et kontrollerbart mikromiljø når det gjelder temperatur, lysspektrum, oppløst oksygenkonsentrasjon, næringsstoffer og mikroorganismer, etc., og har kapasitet til utvidelse og oppgradering.

Moduler og funksjoner på enheten
Mikroenhetssystemet ble inspirert av Berlin-systemet²⁶, men ingen levende bergarter brukes i dagens system. Som vist i figur 1 består det nåværende systemet av seks hovedmoduler, to børsteløse motorpumper, en bensinpumpe, en gjennomstrømnings-UV-lampe, en strømforsyning, visse elektroniske kontrollkomponenter og tilhørende ledninger og skruer. De seks hovedmodulene inkluderer en sjøvannslagringsmodul (med luftpumpe og temperatursensor), en temperaturkontrollmodul, en algerensingsmodul, en mikrobiell rensemodul, en aktivt kullrensingsmodul og en korallkulturmodul.

Enhetsarkitektur
Som vist i figur 2 og figur 3, kan det samlede mikroenhetssystemet horisontalt deles inn i to rom med en temperaturkontrollmodul i mellom. Av sikkerhetsmessige årsaker er alle sjøvannsholdige moduler og deler plassert i venstre rom, kalt kulturrommet. De andre elektroniske delene er plassert i riktig rom, kalt det elektroniske rommet. Begge rommene er forseglet eller pakket i skall. Temperaturkontrollmodulen er festet i en skilleplate i mellom. Skallet på kulturrommet inneholder et baseboard og tre skruefesteplater. Denne utformingen sikrer tetthet i rommet og letter driften av systemet. I tillegg favoriserer tettheten nøyaktig temperaturkontroll. Skallet til det elektroniske rommet inkluderer en baseboard, to skruefesteplater og ett kontrollpanel foran.

Vann sirkulasjon
En indre og ytre sjøvannssirkulasjonssløyfe koblet til sjøvannslagermodulen ble forhåndsdesignet. Den indre sirkulasjonssløyfen kobler vellykket sjøvannslagringsmodulen, temperaturkontrollmodulen, gjennomstrømnings-UV-lampen, algerensingsmodulen og mikrobiell rensingsmodul. Denne sirkulasjonssløyfen har som mål å gi egnede fysiokjemiske og fysiologiske sjøvannsforhold for korallene, og det er ikke nødvendig med hyppig vedlikehold. Algerensemodulen inneholder Chaetomorpha alger, som absorberer de ekstra næringsstoffene (nitrat og fosfat) i vannet. Den mikrobielle rensemodulen inneholder bakteriekultursubstratet, som dyrker mikrobiomet for å overføre nitritt og ammonium til nitrat for vannrensing. Alle disse modulene må bare byttes ut under kritiske omstendigheter.

Den ytre sirkulasjonssløyfen forbinder suksessivt sjøvannslagringsmodulen, korallkulturmodulen og den aktiverte kullmodulen. Denne sirkulasjonssløyfen har som mål å gi lys, tetthet, vannstrøm og høy sjøvannskvalitet til korallene. Sjøvannet kan ledes opp gjennom et vanninntak og et vannutløp. Tilsetningsstoffer tilsettes gjennom en treveisventil, og sjøvannsprøven kan også ekstraheres fra denne ventilen for inspeksjon. Luft kan pumpes inn gjennom et luftinntak og slippes ut fra et luftutløp.

Elektronisk design
En 220 V vekselstrømforsyning med en bryter og en sikring brukes til hele systemet. Inngangseffekten er delt inn i fire grener. Den første grenen går til en 12 V DC strømforsyning, som direkte driver varmepanelet, kjølepanelet og kjøleviften. Denne grenen driver også indirekte to pumper og to belysningspaneler gjennom en firekanals DC-transformator. Den andre grenen går til en PID-temperaturregulator. Den tredje grenen går til en luftpumpe strømforsyning. Den siste grenen kobles til en UV-lampe strømforsyning. Et solid state-relé kobler PID-temperaturregulatoren og kjølepanelet i temperaturkontrollmodulen. Et vanlig relé brukes til å koble PID-temperaturregulatoren og varmepanelet. Den firekanals DC-transformatoren konverterer spenningen til det som kreves.

Det er to kontrollpaneler på høyre del av systemet. Det er fire brytere og en kontroller for UV-lampen på topppanelet, inkludert en hovedstrømbryter, en UV-lampebryter, en luftpumpebryter og en temperaturkontrollbryter. Hovedstrømbryteren styrer systemets 12 V strømforsyning.

En PID-temperaturregulator, en syklustimer, en firekanals DC-transformator og en trekanals timer er på frontpanelet. PID-temperaturregulatoren justerer vanntemperaturen ved å kontrollere varme- og kjølepanelene i temperaturkontrollmodulen. Temperaturkontrollmodulen fungerer bare når den indre sirkulasjonspumpen fungerer og vannet strømmer forbi temperaturkontrollmodulen. Syklustimeren er koblet til luftpumpens kraftledning. Hensikten er å tilordne arbeidstidsperioden til luftpumpen. Det er også en trekanals timer utplassert i det elektroniske rommet. Denne timeren styrer arbeidstidsperioden for luftpumpen, koralllys og algelys.

Protocol

Korallene som ble brukt til denne studien var Seriatopora caliendrum, som dyrkes i laboratoriet vårt. Alle korallene ble vennlig levert av South China Sea Institute of Oceanology, University of Chinese Academy of Sciences. 1. Inspeksjon og oppstart MERK: Hver modul må testes for tetthet og funksjon individuelt før montering av systemet. Deionisert vann bør brukes til å teste modulens tetthet. Kommersielle detaljer om alle modulkomponente…

Representative Results

Nøyaktighet ved temperaturkontrollSystemtemperaturen settes normalt til 23-28 °C, avhengig av korallart. Men som en av de viktigste faktorene kan temperatursvingninger sterkt påvirke koralloverlevelse. Derfor er temperaturkontrollnøyaktighet en avgjørende faktor for korallkultursystemet. En temperatursensor og en uavhengig datainnsamler med et temperaturområde fra 9 °C til 32 °C kan brukes til å teste temperaturkontrollnøyaktigheten i korallkulturmodulen. Vi satte systemets sjøvannstempera…

Discussion

Dette korallkultursystemet er designet for å simulere og gi et relativt naturlig eller tilpasset mikromiljø for koraller som skal transplanteres inn i og overleve. I mellomtiden, som et egenutviklet utstyr, må dette systemet være pålitelig, brukervennlig og trygt. For eksempel, når det gjelder temperaturkontroll, bør sjøvannstemperaturen kontrolleres hensiktsmessig basert på de daglige miljøforholdene. Systemet ble testet ved å dyrke korallen i 1 måned, noe som bekreftet systemets pålitelighet.

<p class=…

Materials

12V DC power supply	Delixi Electric Co., Ltd.	CDKU-S150W	12V12.5A
3% hydrogen peroxide solution	Shandong ANNJET High tech Disinfection Technology Co., Ltd	NULL	NULL
75% ethanol solution	Shandong ANNJET High tech Disinfection Technology Co., Ltd	NULL	NULL
Air pump	Chongyoujia Supply Chain Management Co., Ltd.	NHY-001	NULL
Air sterilizing filter	Beijing Capsid Filter Equipment Co., Ltd	S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-A	NULL
Camera	SONY	Α7r4-ILCE-76M4A	NULL
Coral nutrition solution	Red Sea Aquatics Co., Ltd.	22101	Coral nutrition
Coral pro salt (sea salt)	Red Sea Aquatics Co., Ltd.	R11231	NULL
Cycle timer	Leqing Shangjin Instrument Equipment Co., Ltd.	CN102A	220V version
Double closed quick connector	JOSOT Co., Ltd	NL4-2103T	NULL
Flow-through UV lamp	Zhongshan Xinsheng Electronic technology Co., Ltd.	211	NULL
Four-channel transformer	Dongguan Shanggushidai Electronic Technology Co., Ltd	LM2596	NULL
Macro lens	SONY	FE 90mm F2.8 Macro G OSS	NULL
Microbiome source solution	Guangzhou BIOZYM Microbial Technology Co., Ltd.	303	NULL
Mini-photo studio	Shaoxing Shangyu Photography Equipment Factory	CM-45	NULL
PID temperature controller	Guangdong Dongqi  Electric Co., Ltd.	TE9-SC18W	SSR version
Pump (for water)	Zhongxiang Pump Co., Ltd.	ZX43D	Seaswater version
Pure water machine	Kemflo (Nanjing) environmental technology Co, ltd	kemflo A600	NULL
Solid-state relay	Delixi Electric Co., Ltd.	DD25A	NULL
Surface active agents	Guangzhou Liby Group Co., Ltd.	Libai detergent	NULL
Three-channel timer	Leqing Changhong Intelligent Technology Co., Ltd.	CHE325-3	220V version
Water sterilizing filter	Beijing Capsid Filter Equipment Co., Ltd	S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-L	NULL