Mercan Büyümesi ve İzlenmesi için Entegre Bir Mikro Cihaz Sistemi
Summary
Bu protokol, deniz mercanlarının uzun süreli kültürlenmesi ve izlenmesi için uygulanabilecek modüler kontrol edilebilir bir mikro cihaz sisteminin geliştirilmesini açıklamaktadır.
Abstract
Mercanlar, deniz ve kıyı ekosistemlerinde temel organizmalardır. Son yıllarda mercan koruma araştırmalarının ilerlemesiyle birlikte, mercan kültürü ortamının hassas kontrolü, mercan koruma ve çalışma için oldukça talep görmektedir. Burada, doğru ve programlanabilir sıcaklık kontrolü, steril bir başlangıç ortamı, uzun vadeli istikrarlı su kalitesi, ayarlanabilir çözünmüş oksijen konsantrasyonu ve mercanlar için özelleştirilmiş bir ışık spektrumu sağlayabilen çok işlevli bir platform olarak yarı kapalı bir mercan kültürü mikro cihaz sistemi geliştirdik. Modüler tasarım sayesinde, mercan kültürü sistemi, istenen yeni modüller takılarak veya mevcut modüller çıkarılarak yükseltilebilir veya değiştirilebilir. Şu anda, uygun koşullar altında ve uygun sistem bakımı ile, örnek mercanlar sağlıklı bir durumda en az 30 gün hayatta kalabilir. Ayrıca, kontrol edilebilir ve steril başlangıç ortamı nedeniyle, bu mercan kültürü sistemi, mercanlar ve ilişkili mikroorganizmalar arasındaki simbiyotik ilişkiye yönelik araştırmaları destekleyebilir. Bu nedenle, bu mikro cihaz sistemi, deniz mercanlarını nispeten nicel bir şekilde izlemek ve araştırmak için uygulanabilir.
Introduction
Mercan resifi ekosistemlerinin bozulması son 70 yılda dünya çapında meydana gelmektedir. Orta Amerika 1, Güneydoğu Asya 2,3,4,5,6, Avustralya 7,8 ve Doğu Afrika9’daki tüm büyük mercan alanları göz önüne alındığında, mercan resiflerinin küresel kapsamı 1950’lerden bu yana yarı yarıya azalmıştır10. Mercan resiflerinin bu kitlesel kaybı, ekolojik ve ekonomik sorunlara neden olmuştur. Örneğin, araştırmacılar 8 yıl boyunca mercanlara bağımlı her türlü balığın varlığını/yokluğunu ve bolluğunu izleyerek, mercan düşüşünün doğrudan Papua Yeni Gine’deki balık biyoçeşitliliğinde ve bolluğunda önemli bir azalmaya neden olduğu sonucuna vardılar11. Bu sonuç, mercanların azalmasının sadece mercan resiflerine dayalı biyolojik sistemleri baltalamakla kalmayıp aynı zamanda balıkçılık gelirlerini de azaltabileceğini kanıtladı.
Doğrudan izleme, uzaktan algılama ve veri karşılaştırması da dahil olmak üzere onlarca yıllık saha araştırmaları, bilim camiası, kitlesel mercan düşüşüne neden olan çeşitli faktörleri belirledi. Kitlesel mercan düşüşünün önemli bir nedeni, yüksek deniz suyu sıcaklıklarının neden olduğu mercan ağarmasıdır12,13. Bilim adamları, ağartma ve meteorolojik kayıtları birleştirerek, mercan ağartmasının El Niño-Güney Salınım fazları14’te daha sık meydana geldiği sonucuna vardılar. Mercan düşüşünün bir başka nedeni de okyanus asitlenmesidir. Hem atmosferde hem de deniz suyunda artanCO2 konsantrasyonu nedeniyle, kalsiyum karbonat eskisinden daha hızlı çözünür ve küçük ölçekli net mercan resifi kalsifikasyonuna neden olur15. Nitekim atmosferdeki CO2 konsantrasyonu 500 ppm’nin üzerine çıktığında on milyonlarca insanın zarar göreceği ve mercan resiflerinin önemli ölçüde bozulma ve simbiyodinyum dekolmanı riski altında olacağı sonucuna varılmıştır16,17. Kıyı kirleticilerinin mercan azalmasına neden olması veya hızlanması gibi mercanların hayatta kalmasını etkileyebilecek başka faktörler de vardır. Hawaii’deki araştırmacılar, çözünmüş inorganik karbonat ve ilgili besin maddeleri (NH 4 +, PO4 3-, NO2 − ve NO3 −) ile birlikte mercanlardaki karbon, oksijen ve azot izotoplarını ölçtüler ve karadan kaynaklanan kirliliğin mercanların kıyı asitlenmesini ve biyolojik erozyonunu büyüttüğü sonucuna vardılar 18. Kirliliğe ek olarak, kentleşme mercanların hayatta kalmasını da tehlikeye atıyor ve Singapur, Jakarta, Hong Kong ve Okinawa’daki mercanların hayatta kalma durumu üzerine yapılan bir çalışmanın ortaya koyduğu gibi mercanlarda nispeten düşük mimari karmaşıklığa neden oluyor. Bu nedenle, antropojenik stres faktörlerinin etkisi ve iklim değişikliğinin üst üste binen etkileri, mercan resifleri üzerindeki biyolojik çeşitliliğin yaygın olarak azalmasına ve buna bağlı olarak mercan ekolojik işlevinde ve esnekliğinde bir düşüşe yol açmaktadır19.
Ayrıca, azot fiksasyonu, kitin ayrışması, organik bileşiklerin sentezi ve bağışıklık20 dahil olmak üzere mercanların fizyolojik işlevlerine çok sayıda mikroorganizmanın katıldığı ve bu mikroorganizmaların mercan resiflerinin bozulması göz önüne alındığında dahil edilmesi gerektiği belirtilmelidir. Mercan resifleri gibi doğal ortamlarda, yetersiz su sirkülasyonu, alg eksüdası ve alg aşırı büyümesi dahil olmak üzere birçok faktör hipoksik veya anoksik koşullara neden olur. Bu fenomen, mercan ve mercanlarla ilgili mikroorganizmaların popülasyon dağılımlarını olumsuz yönde etkilemektedir. Örneğin, Vietnamlı bilim adamları, Nha Trang, Phu Quoc ve Ujung Gelam’da, mercan Acropora Formosa’daki bakteri bileşiminin farklı yerlerde çözünmüş oksijenden etkilenebileceğini buldular21. Amerika Birleşik Devletleri’ndeki araştırmacılar, mercanlardaki hipoksik veya anoksi koşullarını araştırdılar ve alg eksüdalarının mikrobiyal aktiviteye aracılık edebildiğini ve yakın çevrede mercan ölümlerine neden olabilecek lokalize hipoksik koşullara yol açabildiğini buldular. Ayrıca, mercanların azaltılmış oksijen konsantrasyonlarını tolere edebildiğini, ancak yalnızca maruz kalma süresi ve oksijen konsantrasyonunun bir kombinasyonu ile belirlenen belirli bir eşiğin üzerinde22 bulundu. Hindistan’daki araştırmacılar, Noctiluca scintillans algleri çiçek açtığında, çözünmüş oksijenin 2 mg / L’ye düştüğünü buldular. Bu konsantrasyonun altında, Acropora montiporacan’ın yaklaşık% 70’i hipoksik koşullar nedeniyle öldü23.
Yukarıda belirtilen tüm gerçekler ve faktörler, çevresel değişimin mercan resiflerinin bozulmasına yol açtığını göstermektedir. Resif mercanlarını belirli koşullar altında kültürlemek ve incelemek için, resif mercanlarının yaşaması için kontrol edilebilir bir mikroskobik ortamı doğru ve kapsamlı bir şekilde oluşturmak önemlidir. Normalde, bilim adamları sıcaklık, ışık, su akışı ve besinlere odaklanır. Bununla birlikte, deniz suyundaki çözünmüş oksijen konsantrasyonu, mikroorganizma bolluğu ve mikroorganizma çeşitliliği gibi diğer özellikler genellikle göz ardı edilir. Bu amaçla, grubumuz nispeten kontrollü bir ortamda mercan poliplerini kültürlemek için küçük ekipman uygulama olasılığını araştırmıştır24,25. Bu çalışmada, mercan kültürü için modüler bir mikro cihaz sistemi tasarladık ve kurduk. Bu modüler mikro cihaz sistemi, sıcaklık, ışık spektrumu, çözünmüş oksijen konsantrasyonu, besinler ve mikroorganizmalar vb. açısından kontrol edilebilir bir mikro ortam sağlayabilir ve genişletme ve yükseltme kapasitesine sahiptir.
Cihazın modülleri ve işlevleri
Mikro cihaz sistemiBerlin sistemi 26’dan esinlenmiştir, ancak mevcut sistemde canlı kaya kullanılmamaktadır. Şekil 1’de gösterildiği gibi, mevcut sistem altı ana modül, iki fırçasız motor pompası, bir gaz pompası, bir akışlı UV lambası, bir güç kaynağı, belirli elektronik kontrol bileşenleri ve ilgili teller ve vidalardan oluşur. Altı ana modül, bir deniz suyu deposu modülü (bir hava pompası ve sıcaklık sensörü ile), bir sıcaklık kontrol modülü, bir yosun arıtma modülü, bir mikrobiyal arıtma modülü, bir aktif kömür arıtma modülü ve bir mercan kültürü modülü içerir.
Cihaz mimarisi
Şekil 2 ve Şekil 3’te gösterildiği gibi, genel mikro cihaz sistemi, aralarında bir sıcaklık kontrol modülü bulunan yatay olarak iki bölmeye ayrılabilir. Güvenlik nedeniyle, deniz suyu içeren tüm modüller ve parçalar, kültür bölmesi adı verilen sol bölmeye yerleştirilmiştir. Diğer elektronik parçalar, elektronik bölme adı verilen sağ bölmeye yerleştirilir. Her iki bölme de kabuklar içinde mühürlenir veya paketlenir. Sıcaklık kontrol modülü, aradaki bir bölücü plakaya sabitlenmiştir. Kültür bölmesinin kabuğu bir süpürgelik ve üç vida sabitleme plakası içerir. Bu tasarım, bölme sızdırmazlığını sağlar ve sistemin çalışmasını kolaylaştırır. Ek olarak, sızdırmazlık, doğru sıcaklık kontrolünü destekler. Elektronik bölmenin kabuğu bir süpürgelik, iki vidalama plakası ve bir ön kontrol paneli içerir.
Su sirkülasyonu
Deniz suyu deposu modülüne bağlı bir iç ve dış deniz suyu sirkülasyon döngüsü önceden tasarlanmıştır. İç sirkülasyon döngüsü, deniz suyu deposu modülünü, sıcaklık kontrol modülünü, akışlı UV lambasını, yosun arıtma modülünü ve mikrobiyal arıtma modülünü başarıyla bağlar. Bu sirkülasyon döngüsü, mercanlar için uygun fizyokimyasal ve fizyolojik deniz suyu koşullarını sağlamayı amaçlar ve sık bakım gerektirmez. Yosun arıtma modülü, sudaki ekstra besin maddelerini (nitrat ve fosfat) emen Chaetomorpha yosunu içerir. Mikrobiyal saflaştırma modülü, nitrit ve amonyumun su arıtımı için nitrata aktarılması için mikrobiyomu geliştiren bakteri kültürü substratını içerir. Tüm bu modüllerin yalnızca kritik koşullar altında değiştirilmesi gerekir.
Dış sirkülasyon döngüsü, deniz suyu deposu modülünü, mercan kültürü modülünü ve aktif kömür modülünü art arda birbirine bağlar. Bu sirkülasyon döngüsü, mercanlara ışık, sızdırmazlık, su akımı ve yüksek deniz suyu kalitesi sağlamayı amaçlamaktadır. Deniz suyu, bir su girişi ve bir su çıkışı ile yenilenebilir. Katkı maddeleri üç bir vana aracılığıyla eklenir ve deniz suyu numunesi de inceleme için bu vanadan çıkarılabilir. Hava, bir hava girişinden pompalanabilir ve bir hava çıkışından boşaltılabilir.
Elektronik tasarım
Tüm sistem için anahtarlı ve sigortalı 220 V AC güç kaynağı kullanılır. Giriş gücü dört şubeye ayrılmıştır. İlk dal, ısıtma paneline, soğutma paneline ve soğutma fanına doğrudan güç sağlayan 12 V DC güç kaynağına gider. Bu dal aynı zamanda dört kanallı bir DC transformatör aracılığıyla dolaylı olarak iki pompaya ve iki aydınlatma paneline güç sağlar. İkinci dal bir PID sıcaklık kontrol cihazına gider. Üçüncü şube bir hava pompası güç kaynağına gider. Son dal bir UV lamba güç kaynağına bağlanır. Katı hal rölesi, PID sıcaklık kontrol cihazını ve sıcaklık kontrol modülündeki soğutma panelini birbirine bağlar. PID sıcaklık kontrol cihazını ve ısıtma panelini bağlamak için normal bir röle kullanılır. Dört kanallı DC transformatör, voltajı gerekli olana dönüştürür.
Sistemin sağ tarafında iki adet kontrol paneli bulunmaktadır. Üst panelde UV lambası için bir ana güç anahtarı, bir UV lambası güç anahtarı, bir hava pompası anahtarı ve bir sıcaklık kontrol anahtarı dahil olmak üzere dört anahtar ve bir kontrolör vardır. Ana güç anahtarı, sistemin 12 V güç kaynağını kontrol eder.
Ön panelde bir PID sıcaklık kontrolörü, bir döngü zamanlayıcısı, dört kanallı bir DC transformatörü ve üç kanallı bir zamanlayıcı bulunur. PID sıcaklık kontrol cihazı, sıcaklık kontrol modülündeki ısıtma ve soğutma panellerini kontrol ederek su sıcaklığını ayarlar. Sıcaklık kontrol modülü yalnızca iç sirkülasyon pompası çalışırken ve su sıcaklık kontrol modülünden geçerken çalışır. Döngü zamanlayıcısı, hava pompası güç hattına bağlanır. Amacı, çalışma süresini hava pompasına atamaktır. Elektronik bölmede de üç kanallı bir zamanlayıcı var. Bu zamanlayıcı, hava pompası, mercan ışığı ve yosun ışığı için çalışma süresini kontrol eder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu mercan kültürü sistemi, mercanların nakledilmesi ve hayatta kalması için nispeten doğal veya özelleştirilmiş bir mikro ortamı simüle etmek ve sağlamak üzere tasarlanmıştır. Bu arada, kendi geliştirdiği bir ekipman olarak bu sistemin güvenilir, kullanıcı dostu ve güvenli olması gerekir. Örneğin, sıcaklık kontrolü açısından, deniz suyu sıcaklığının günlük çevre koşullarına göre uygun şekilde kontrol edilmesi gerekir. Sistem, mercanların 1 ay boyunca kültürlenmesiyle test ed…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin’in Temel Araştırmaları için Devlet Anahtar Geliştirme Programları (2021YFC3100502) tarafından desteklenmiştir.
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).
