用于珊瑚生长和监测的集成微型设备系统
Summary
该协议描述了模块化可控微型设备系统的开发，该系统可用于海珊瑚的长期养殖和监测。
Abstract
珊瑚是海洋和沿海生态系统中的基本生物。近年来，随着珊瑚保护研究的进步，对珊瑚养殖环境的精确控制对珊瑚保护和研究的需求越来越大。在这里，我们开发了一种半封闭的珊瑚养殖微器件系统作为多功能平台，可以提供精确可编程的温度控制、无菌的初始环境、长期稳定的水质、可调节的溶解氧浓度以及为珊瑚定制的光谱。由于采用模块化设计，珊瑚养殖系统可以通过安装所需的新模块或移除现有模块来升级或修改。目前，在适当的条件下和适当的系统维护下，样本珊瑚可以在健康状态下存活至少 30 天。此外，由于可控和无菌的初始环境，这种珊瑚养殖系统可以支持对珊瑚与相关微生物之间共生关系的研究。因此，这种微型设备系统可以应用于以相对定量的方式监测和研究海珊瑚。
Introduction
在过去的70年里，珊瑚礁生态系统的恶化一直在世界范围内发生。考虑到中美洲1、东南亚2、3、4、5、6、澳大利亚 7、8 和东非9 的所有主要珊瑚区，自 1950 年代以来，全球珊瑚礁覆盖率已减半10.珊瑚礁的大规模丧失导致了生态和经济问题。例如，通过追踪 8 年来各种依赖珊瑚的鱼类的存在/不存在和丰度，研究人员得出结论，珊瑚的减少直接导致巴布亚新几内亚鱼类生物多样性和丰度大幅下降11.这一结果证明，珊瑚数量减少不仅会破坏珊瑚礁生物系统，还会减少渔业收入。
经过几十年的实地调查，包括直接监测、遥感和数据比较，科学界已经确定了导致大规模珊瑚数量下降的几个因素。珊瑚大规模减少的一个主要原因是海水温度高引起的珊瑚白化12,13。通过结合白化和气象记录，科学家们得出结论，在厄尔尼诺-南方涛动阶段14中，珊瑚白化更频繁地发生。珊瑚数量减少的另一个原因是海洋酸化。由于大气和海水中的 CO2 浓度增加，碳酸钙的溶解速度比以前快，导致净珊瑚礁钙化15。事实上，已经得出的结论是，当大气中的 CO2 浓度达到 500 ppm 以上时，数千万人将遭受痛苦，珊瑚礁将面临严重恶化和共生分离的风险16,17。还有其他因素也会影响珊瑚的生存，例如导致或加速珊瑚衰退的近海污染物。夏威夷的研究人员测量了珊瑚中的碳、氧和氮同位素，以及溶解的无机碳酸盐和相关营养物质（NH4+、PO43-、NO2-和NO3–），并得出结论，来自陆地的污染放大了珊瑚的沿海酸化和生物侵蚀18.除了污染之外，城市化还危及珊瑚的生存，并导致珊瑚的建筑复杂性相对较低，正如一项对新加坡、雅加达、香港和冲绳珊瑚生存状况的研究所揭示的那样。因此，人为压力因素的影响和气候变化的叠加影响正在导致珊瑚礁生物多样性的广泛减少，以及珊瑚生态功能和复原力的下降19。
还应该注意的是，大量的微生物参与珊瑚的生理功能，包括固氮、几丁质分解、有机化合物的合成和免疫20，因此，在考虑珊瑚礁退化时，应将这些微生物包括在内。在珊瑚礁等自然环境中，许多因素会导致缺氧或缺氧状况，包括水循环不足、藻类渗出物和藻类过度生长。这种现象对珊瑚和珊瑚相关微生物的种群分布产生了负面影响。例如，越南科学家发现，在芽庄、富国岛和乌戎格拉姆，珊瑚 鹿角藻中的 细菌组成可能受到不同位置溶解氧的影响21。美国的研究人员探索了珊瑚的缺氧或缺氧条件，发现藻类渗出物可以介导微生物活动，导致局部缺氧条件，这可能导致附近的珊瑚死亡。他们还发现，珊瑚可以忍受降低的氧气浓度，但只能超过由暴露时间和氧气浓度22共同确定的给定阈值。印度的研究人员发现，当 夜 光藻类大量繁殖时，溶解氧降至2毫克/升，低于此浓度，约70%的 鹿角 藻因缺氧条件而死亡23。
上述所有事实和因素都表明，环境变化导致珊瑚礁的恶化。为了在一定条件下对珊瑚礁进行养殖和研究，准确、全面地构建珊瑚礁栖息的可控微观环境非常重要。通常，科学家关注温度、光线、水流和营养物质。然而，其他特征，如海水中的溶解氧浓度、微生物丰度和微生物多样性，通常被忽视。为此，我们小组探索了在相对受控的环境中应用小型设备培养珊瑚虫的可能性24,25。在这项工作中，我们设计并建立了一个用于珊瑚养殖的模块化微型设备系统。这种模块化微器件系统可以在温度、光谱、溶解氧浓度、营养物质、微生物等方面提供可控的微环境，并具有扩展和升级的能力。
设备的模块和功能
微型设备系统的灵感来自柏林系统26，但目前的系统中没有使用活石。 如图1所示，目前的系统包括六个主要模块，两个无刷电机泵，一个气泵，一个流通式紫外灯，一个电源，某些电子控制元件以及相关的电线和螺钉。六个主要模块包括海水储存模块（带气泵和温度传感器）、温度控制模块、藻类净化模块、微生物净化模块、活性炭净化模块和珊瑚养殖模块。
设备架构
如图 2 和图 3 所示，整个微器件系统可以水平分为两个隔间，中间有一个温度控制模块。出于安全考虑，所有含海水的模块和部件都放置在左侧隔间中，称为培养隔间。其他电子部件放置在右侧隔间内，称为电子隔间。两个隔间都密封或包装在外壳内。温度控制模块固定在中间的分隔板中。培养室的外壳包括一个踢脚板和三个螺钉固定板。这种设计确保了隔间的密封性，并促进了系统的运行。此外，密封性有利于精确的温度控制。电子隔间的外壳包括一个踢脚线、两个螺丝固定板和一个前控制面板。
水循环
预先设计了与海水储存模块相连的内外海水循环回路。内循环回路成功连接海水储存模块、温控模块、流通式紫外灯、藻类净化模块、微生物净化模块。该循环回路旨在为珊瑚提供合适的理化生理和生理海水条件，无需经常维护。藻类净化模块含有 毛壳藻 ，可吸收水中多余的营养物质（硝酸盐和磷酸盐）。微生物净化模块包含细菌培养基质，培养微生物组，将亚硝酸盐和铵转化为硝酸盐进行水净化。所有这些模块只有在危急情况下才需要更换。
外循环回路依次连接海水储存模块、珊瑚养殖模块、活性炭模块。该循环回路旨在为珊瑚提供光线、密封性、水流和高海水质量。海水可以通过进水口和出水口进行刷新。添加剂通过三通阀添加，海水样品也可以从该阀中提取进行检查。空气可以通过进气口泵入，也可以从出风口排出。
电子设计
整个系统使用带有开关和保险丝的 220 V 交流电源。输入功率分为四个分支。第一个分支是 12 V 直流电源，直接为加热板、冷却板和冷却风扇供电。该分支还通过四通道直流变压器间接为两个泵和两个照明面板供电。第二个分支进入 PID 温度控制器。第三个分支是气泵电源。最后一个分支连接到UV灯电源。固态继电器连接PID温度控制器和温度控制模块中的冷却面板。常规继电器用于连接PID温度控制器和加热面板。四通道直流变压器将电压转换为所需的电压。
系统右侧有两个控制面板。顶部面板上有四个用于UV灯的开关和一个控制器，包括一个主电源开关、一个UV灯电源开关、一个气泵开关和一个温度控制开关。主电源开关控制系统的 12 V 电源。
PID温度控制器、周期定时器、四通道直流变压器和三通道定时器位于前面板上。PID温控器通过控制温控模块中的加热和冷却面板来调节水温。温控模块 仅在 内循环泵工作且水流过温控模块时才工作。循环计时器连接到气泵电源线。其目的是为气泵分配工作时间段。电子隔间中还部署了一个三通道定时器。该定时器控制气泵、珊瑚灯和藻类灯的工作时间段。
Protocol
Representative Results
Discussion
该珊瑚养殖系统旨在模拟和提供相对自然或定制的微环境，供珊瑚移植和生存。同时，作为自主研发的设备，该系统需要可靠、人性化、安全。例如，在温度控制方面，应根据日常环境情况适当控制海水温度。该系统通过培养珊瑚 1 个月进行了测试，证实了系统的可靠性。
与普通的海水缸或水族箱26相比，根据我们的珊瑚养殖实验，在设置了养殖参数/条件?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究得到国家重点发展的基础研究计划（2021YFC3100502）资助。
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 |
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