Ett integrerat mikroenhetssystem för koralltillväxt och övervakning
Summary
Detta protokoll beskriver utvecklingen av ett modulärt kontrollerbart mikroenhetssystem som kan användas för långsiktig odling och övervakning av havskoraller.
Abstract
Koraller är grundläggande organismer i marina och kustnära ekosystem. Med framstegen inom korallskyddsforskning under de senaste åren är exakt kontroll av korallkulturmiljön mycket efterfrågad för korallbevarande och studier. Här utvecklade vi ett halvslutet mikroenhetssystem för korallodling som en multifunktionell plattform, som kan ge noggrann och programmerbar temperaturkontroll, en steril initial miljö, långsiktigt stabil vattenkvalitet, en justerbar koncentration av löst syre och ett skräddarsytt ljusspektrum för koraller. Tack vare den modulära designen kan korallodlingssystemet uppgraderas eller modifieras genom att installera önskvärda nya moduler eller ta bort befintliga. För närvarande, under lämpliga förhållanden och med korrekt systemunderhåll, kan provkorallerna överleva i minst 30 dagar i ett friskt tillstånd. Dessutom, på grund av den kontrollerbara och sterila initiala miljön, kan detta korallodlingssystem stödja forskning om det symbiotiska förhållandet mellan koraller och associerade mikroorganismer. Därför kan detta mikroenhetssystem användas för att övervaka och undersöka havskoraller på ett relativt kvantitativt sätt.
Introduction
Försämringen av korallrevens ekosystem har skett över hela världen under de senaste 70 åren. Med tanke på alla större korallområden i Centralamerika1, Sydostasien 2,3,4,5,6, Australien 7,8 och Östafrika9 har den globala täckningen av korallrev halverats sedan 1950-talet 10. Denna massiva förlust av korallrev har resulterat i ekologiska och ekonomiska problem. Till exempel, genom att spåra närvaron/frånvaron och överflödet av alla typer av korallberoende fiskar under 8 år, drog forskarna slutsatsen att korallminskningen direkt har orsakat en betydande minskning av fiskens biologiska mångfald och överflöd i Papua Nya Guinea11. Detta resultat bevisade att korallminskningen inte bara kan underminera korallrevsbaserade biologiska system utan också minska fiskeinkomsterna.
Under årtionden av fältundersökningar, inklusive direkt övervakning, fjärranalys och datajämförelse, har det vetenskapliga samfundet identifierat flera faktorer som orsakar massminskningen av koraller. En viktig orsak till massminskningen av koraller är korallblekning orsakad av höga havsvattentemperaturer12,13. Genom att kombinera blekning och meteorologiska data har forskare kommit fram till att korallblekning sker oftare i El Niño-Southern Oscillation faser14. En annan orsak till korallernas nedgång är havsförsurning. På grund av den ökade CO2 -koncentrationen i både atmosfären och havsvattnet löses kalciumkarbonat upp snabbare än tidigare, vilket orsakar förkalkning av korallrev15. Faktum är att man har kommit fram till att när CO2 -koncentrationen i atmosfären når över 500 ppm kommer tiotals miljoner människor att drabbas, och korallreven kommer att riskera att försämras avsevärt och symbiodinium lossnar16,17. Det finns andra faktorer som också kan påverka korallernas överlevnad, till exempel föroreningar vid kusten som orsakar eller påskyndar korallernas nedgång. Forskare på Hawaii mätte kol-, syre- och kväveisotoperna i koraller, tillsammans med det lösta oorganiska karbonatet och de relaterade näringsämnena (NH4+, PO4 3–, NO2− och NO3−), och drog slutsatsen att föroreningar från marken förstärkte kustförsurningen och bioerosionen av koraller18. Utöver föroreningar äventyrar urbaniseringen också korallernas överlevnad och orsakar relativt låg arkitektonisk komplexitet hos koraller, vilket avslöjas av en studie om korallernas överlevnadsstatus i Singapore, Jakarta, Hong Kong och Okinawa. Effekterna av antropogena stressfaktorer och de överlagrade effekterna av klimatförändringar leder således till en utbredd minskning av den biologiska mångfalden på korallreven och en tillhörande försämring av korallernas ekologiska funktion och motståndskraft19.
Det bör också noteras att ett stort antal mikroorganismer deltar i korallernas fysiologiska funktioner, inklusive kvävefixering, kitinnedbrytning, syntes av organiska föreningar och immunitet20, och dessa mikroorganismer bör därför inkluderas när man överväger försämring av korallrev. I naturliga miljöer, såsom korallrev, orsakar många faktorer hypoxiska eller anoxiska förhållanden, inklusive otillräcklig vattencirkulation, algutsöndring och algöverväxt. Detta fenomen påverkar populationsfördelningen av koraller och korallrelaterade mikroorganismer negativt. Till exempel fann vietnamesiska forskare att i Nha Trang, Phu Quoc och Ujung Gelam kunde bakteriesammansättningen i korallen Acropora Formosa påverkas av löst syre på olika platser21. Forskare i USA undersökte hypoxiska eller anoxiiska förhållanden i koraller och fann att algexsudat kan förmedla mikrobiell aktivitet, vilket leder till lokaliserade hypoxiska förhållanden, vilket kan orsaka koralldöd i direkt närhet. De fann också att koraller kunde tolerera minskade syrekoncentrationer, men bara över ett givet tröskelvärde som bestämdes av en kombination av exponeringstid och syrekoncentration22. Forskare i Indien fann att när Noctiluca scintillans alger blommade, minskade det lösta syret till 2 mg/L. Under denna koncentration dog cirka 70 % av Acropora montiporacan på grund av syrebrist.
Alla ovan nämnda fakta och faktorer tyder på att miljöförändringar leder till försämring av korallreven. För att odla och studera revkoraller under vissa förhållanden är det viktigt att noggrant och omfattande bygga upp en kontrollerbar mikroskopisk miljö för revkoraller att leva i. Normalt fokuserar forskare på temperatur, ljus, vattenflöde och näringsämnen. Men andra egenskaper, såsom koncentrationen av löst syre, förekomsten av mikroorganismer och mångfalden av mikroorganismer i havsvattnet, ignoreras ofta. För detta ändamål har vår grupp undersökt möjligheten att använda liten utrustning för att odla korallpolyper i en relativt kontrollerad miljö24,25. I detta arbete designade och byggde vi upp ett modulärt mikroenhetssystem för korallodling. Detta modulära mikroenhetssystem kan ge en kontrollerbar mikromiljö när det gäller temperatur, ljusspektrum, koncentration av löst syre, näringsämnen och mikroorganismer, etc., och har kapacitet för expansion och uppgradering.
Enhetens moduler och funktioner
Mikroenhetssystemet har inspirerats av Berlin-system26, men inga levande stenar används i det nuvarande systemet. Som visas i figur 1 består det nuvarande systemet av sex huvudmoduler, två borstlösa motorpumpar, en gaspump, en genomströmnings-UV-lampa, en strömförsörjning, vissa elektroniska styrkomponenter och tillhörande ledningar och skruvar. De sex huvudmodulerna inkluderar en lagringsmodul för havsvatten (med en luftpump och temperatursensor), en temperaturkontrollmodul, en algreningsmodul, en mikrobiell reningsmodul, en reningsmodul för aktivt kol och en korallodlingsmodul.
Enhetens arkitektur
Som visas i figur 2 och figur 3 kan det övergripande mikroenhetssystemet delas horisontellt i två fack med en temperaturkontrollmodul emellan. Av säkerhetsskäl är alla moduler och delar som innehåller havsvatten placerade i det vänstra facket, som kallas odlingsfacket. De andra elektroniska delarna är placerade i det högra facket, som kallas det elektroniska facket. Båda facken är förseglade eller förpackade i skal. Temperaturkontrollmodulen är fixerad i en skiljeplatta däremellan. Kulturfackets skal innehåller en golvlist och tre skruvfästplattor. Denna design säkerställer att facket är tätt och underlättar driften av systemet. Dessutom gynnar tätheten noggrann temperaturkontroll. Skalet på det elektroniska facket innehåller en golvlist, två skruvfästplattor och en främre kontrollpanel.
Vattnets cirkulation
En inre och yttre cirkulationsslinga för havsvatten ansluten till havsvattenlagringsmodulen var förkonstruerad. Den inre cirkulationsslingan ansluter framgångsrikt havsvattenlagringsmodulen, temperaturkontrollmodulen, genomströmnings-UV-lampan, algreningsmodulen och mikrobiell reningsmodulen. Denna cirkulationsslinga syftar till att ge lämpliga fysiokemiska och fysiologiska havsvattenförhållanden för korallerna, och inget frekvent underhåll behövs. Algreningsmodulen innehåller Chaetomorpha-alger , som absorberar de extra näringsämnena (nitrat och fosfat) i vattnet. Den mikrobiella reningsmodulen innehåller bakterieodlingssubstratet, som odlar mikrobiomet för att överföra nitrit och ammonium till nitrat för vattenrening. Alla dessa moduler behöver endast bytas ut under kritiska omständigheter.
Den yttre cirkulationsslingan förbinder successivt havsvattenlagringsmodulen, korallodlingsmodulen och modulen med aktivt kol. Denna cirkulationsslinga syftar till att ge ljus, täthet, vattenström och hög havsvattenkvalitet till korallerna. Havsvattnet kan fyllas på genom ett vatteninlopp och ett vattenutlopp. Tillsatser tillsätts genom en trevägsventil, och havsvattenprovet kan också extraheras från denna ventil för inspektion. Luft kan pumpas in genom ett luftintag och släppas ut från ett luftutlopp.
Elektronisk design
En 220 V AC-strömförsörjning med strömbrytare och säkring används för hela systemet. Ingångseffekten är uppdelad i fyra grenar. Den första grenen går till en 12 V DC-strömförsörjning, som direkt driver värmepanelen, kylpanelen och kylfläkten. Denna gren driver också indirekt två pumpar och två belysningspaneler genom en fyrkanalig likströmstransformator. Den andra grenen går till en PID-temperaturregulator. Den tredje grenen går till en luftpumps strömförsörjning. Den sista grenen ansluts till en UV-lampas strömförsörjning. Ett halvledarrelä ansluter PID-temperaturregulatorn och kylpanelen i temperaturkontrollmodulen. Ett vanligt relä används för att ansluta PID-temperaturregulatorn och värmepanelen. Den fyrkanaliga likströmstransformatorn omvandlar spänningen till den som krävs.
Det finns två kontrollpaneler på den högra delen av systemet. Det finns fyra strömbrytare och en styrenhet för UV lamp på den övre panelen, inklusive en huvudströmbrytare, en UV-lampströmbrytare, en luftpumpsströmbrytare och en temperaturkontrollbrytare. Huvudströmbrytaren styr systemets 12 V-strömförsörjning.
En PID-temperaturregulator, en cykeltimer, en fyrkanals DC-transformator och en trekanals timer finns på frontpanelen. PID-temperaturregulatorn justerar vattentemperaturen genom att styra värme- och kylpanelerna i temperaturkontrollmodulen. Temperaturkontrollmodulen fungerar bara när den inre cirkulationspumpen fungerar och vattnet rinner förbi temperaturkontrollmodulen. Cykeltimern är ansluten till luftpumpens kraftledning. Dess syfte är att tilldela arbetstiden till luftpumpen. Det finns också en trekanalig timer utplacerad i det elektroniska facket. Denna timer styr arbetstiden för luftpumpen, korallljus och algljus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta korallodlingssystem är utformat för att simulera och ge en relativt naturlig eller anpassad mikromiljö för koraller att transplanteras in i och överleva. Samtidigt, som en egenutvecklad utrustning, måste detta system vara pålitligt, användarvänligt och säkert. Till exempel, när det gäller temperaturkontroll, bör havsvattentemperaturen kontrolleras på lämpligt sätt baserat på de dagliga miljöförhållandena. Systemet testades genom att odla korallen i 1 månad, vilket bekräftade systemets tillför…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av State Key Development Programs for Basic Research of China (2021YFC3100502).
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 |
References
- Gardner, T. A., Côté, I. M., Gill, J. A., Grant, A., Watkinson, A. R. Long-term region-wide declines in Caribbean corals. Science. 301 (5635), 958-960 (2003).
- Kennedy, E. V., et al. Coral reef community changes in Karimunjawa national park, Indonesia: assessing the efficacy of management in the face of local and global stressors. Journal of Marine science and Engineering. 8 (10), 760-787 (2020).
- Cleary, D. F., et al. Coral reefs next to a major conurbation: a study of temporal change (1985−2011) in coral cover and composition in the reefs of Jakarta, Indonesia. Marine Ecology Progress Series. 501, 89-98 (2014).
- Sun, Y. F., Huang, L. T., McCook, L. J., Huang, H. Joint protection of a crucial reef ecosystem. Science. 337 (6611), 1163-1163 (2022).
- Huang, D. W., et al. Conservation of reef corals in the South China Sea based on species and evolutionary diversity. Biodiversity and Conservation. 25 (2), 331-344 (2016).
- Jiang, L., et al. Impacts of elevated temperature and pCO2 on the brooded larvae of Pocillopora damicornis from Luhuitou Reef, China: Evidence for local acclimatization. Coral Reefs. 39 (2), 331-344 (2020).
- Babcock, R. C., et al. Recurrent coral bleaching in north-western Australia and associated declines in coral cover. Marine and Freshwater Research. 72 (5), 620-632 (2021).
- Sweatman, H., Delean, S., Syms, C. Assessing loss of coral cover on Australia’s Great Barrier Reef over two decades, with implications for longer-term trends. Coral Reefs. 30 (2), 521-531 (2011).
- Elliott, J. A., Patterson, M. R., Staub, C. G., Koonjul, M., Elliott, S. M. Decline in coral cover and flattening of the reefs around Mauritius (1998-2010). PeerJ. 6, e6014 (2018).
- Eddy, T. D., et al. Global decline in capacity of coral reefs to provide ecosystem services. One Earth. 4 (9), 1278-1285 (2021).
- Jones, G. P., McCormick, M. I., Srinivasan, M., Eagle, J. V. Coral decline threatens fish biodiversity in marine reserves. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (21), 8251-8253 (2004).
- Hughes, T. P., et al. Global warming and recurrent mass bleaching of corals. Nature. 543 (7645), 373-377 (2017).
- Carpenter, K. E., et al. One-third of reef-building corals face elevated extinction risk from climate change and local impacts. Science. 321 (5888), 560-563 (2008).
- Hughes, T. P., et al. Spatial and temporal patterns of mass bleaching of corals in the Anthropocene. Science. 359 (6371), 80-83 (2018).
- Albright, R., et al. Reversal of ocean acidification enhances net coral reef calcification. Nature. 531 (7594), 362-365 (2016).
- Hoegh-Guldberg, O., et al. Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification. Science. 318 (5857), 1737-1742 (2007).
- Mason, R. A. Decline in symbiont densities of tropical and subtropical scleractinian corals under ocean acidification. Coral Reefs. 37 (3), 945-953 (2018).
- Prouty, N. G., et al. Vulnerability of Coral reefs to bioerosion from land-based sources of pollution. Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (12), 9319-9331 (2017).
- Heery, E. C., et al. Urban coral reefs: Degradation and resilience of hard coral assemblages in coastal cities of East and Southeast Asia. Marine Pollution Bulletin. 135, 654-681 (2018).
- Rosenberg, E., Koren, O., Reshef, L., Efrony, R., Zilber-Rosenberg, I. The role of microorganisms in coral health, disease and evolution. Nature Reviews: Microbiology. 5 (5), 355-362 (2007).
- Bui, V. N., et al. Diversity and biogeography of coral mucus-associated bacterial communities: The case of Acropora formosa. Journal of Marine Science and Engineering. 11 (1), 74 (2023).
- Hass, A. F., Smith, J. E., Thompson, M., Deheyn, D. D. Effects of reduced dissolved oxygen concentrations on physiology and fluorescence of hermatypic corals and benthic algae. PeerJ. 2, 235 (2014).
- Raj, K. D., et al. Low oxygen levels caused by Noctiluca scintillans bloom kills corals in Gulf of Mannar, India. Scientific Reports. 10 (1), 22133 (2020).
- Luo, Y. S., Zhao, J. L., He, C. P., Lu, Z. H., Lu, X. L. Miniaturized platform for individual coral polyps culture and monitoring. Micromachines. 11 (2), 127 (2020).
- Pang, A. P., Luo, Y. S., He, C. P., Lu, Z. H., Lu, X. L. A polyp-on-chip for coral long-term culture. Scientific Reports. 10 (1), 6964 (2020).
- Yan, L. I., et al. Effects of live rock removal of dissolved inorganic nitrogen in coral aquaria. Acta Oceanologica Sinica. 36 (12), 87-94 (2017).
