Un système de micro-dispositifs intégré pour la croissance et la surveillance des coraux

Summary

Ce protocole décrit le développement d’un système modulaire de micro-dispositifs contrôlables qui peut être appliqué à la culture et à la surveillance à long terme des coraux marins.

Abstract

Les coraux sont des organismes fondamentaux dans les écosystèmes marins et côtiers. Avec l’avancement de la recherche sur la protection des coraux ces dernières années, un contrôle précis de l’environnement de culture des coraux est très demandé pour la conservation et l’étude des coraux. Ici, nous avons développé un système de micro-dispositifs de culture de coraux semi-fermé en tant que plate-forme multifonctionnelle, qui peut fournir un contrôle précis et programmable de la température, un environnement initial stérile, une qualité d’eau stable à long terme, une concentration d’oxygène dissous réglable et un spectre lumineux personnalisé pour les coraux. Grâce à sa conception modulaire, le système de culture du corail peut être mis à niveau ou modifié en installant de nouveaux modules souhaitables ou en supprimant ceux qui existent déjà. À l’heure actuelle, dans des conditions appropriées et avec un entretien adéquat du système, les coraux échantillons peuvent survivre pendant au moins 30 jours dans un état sain. De plus, en raison de l’environnement initial contrôlable et stérile, ce système de culture corallienne peut soutenir la recherche sur la relation symbiotique entre les coraux et les micro-organismes associés. Par conséquent, ce système de micro-dispositifs peut être appliqué pour surveiller et étudier les coraux marins de manière relativement quantitative.

Introduction

La détérioration des écosystèmes des récifs coralliens s’est produite dans le monde entier au cours des 70 dernières années. Si l’on considère toutes les principales zones coralliennes d’Amérique centrale¹, d’Asie du Sud-Est², ³, ⁴, ⁵, ⁶,^{d’Australie 7,8} et d’Afrique de l’Est^9, la couverture mondiale des récifs coralliens a diminué de moitié depuis les années 1950¹⁰. Cette perte massive de récifs coralliens a entraîné des problèmes écologiques et économiques. Par exemple, en retraçant la présence/l’absence et l’abondance de toutes sortes de poissons dépendants des coraux pendant 8 ans, les chercheurs ont conclu que le déclin des coraux a directement causé une diminution substantielle de la biodiversité et de l’abondance des poissons en Papouasie-Nouvelle-Guinée¹¹. Ce résultat a prouvé que le déclin des coraux peut non seulement saper les systèmes biologiques basés sur les récifs coralliens, mais aussi réduire les revenus de la pêche.

Au cours de décennies d’études sur le terrain, y compris la surveillance directe, la télédétection et la comparaison des données, la communauté scientifique a identifié plusieurs facteurs à l’origine du déclin massif des coraux. L’une des principales raisons du déclin massif des coraux est le blanchissement des coraux causé par les températures élevées de l’eau de mer^12,13. En combinant le blanchissement et les données météorologiques, les scientifiques ont conclu que le blanchissement des coraux se produit plus fréquemment dans les phases El Niño-Oscillation australe¹⁴. Une autre raison du déclin des coraux est l’acidification des océans. En raison de l’augmentation de la concentration de CO₂ dans l’atmosphère et l’eau de mer, le carbonate de calcium se dissout plus rapidement qu’auparavant, provoquant une calcification nette des récifs coralliens¹⁵. En effet, il a été conclu que lorsque la concentration de_CO2 dans l’atmosphère atteindra plus de 500 ppm, des dizaines de millions de personnes en souffriront, et les récifs coralliens seront exposés à un risque de détérioration significative et de détachement du symbiodinium^16,17. Il existe d’autres facteurs qui peuvent également affecter la survie des coraux, tels que les polluants côtiers qui provoquent ou accélèrent le déclin des coraux. Des chercheurs d’Hawaï ont mesuré les isotopes du carbone, de l’oxygène et de l’azote dans les coraux, ainsi que le carbonate inorganique dissous et les nutriments associés (NH₄⁺, PO₄ 3^–, NO₂− et NO₃⁻), et ont conclu que la pollution de la terre amplifiait l’acidification côtière et la bioérosion des coraux¹⁸. Outre la pollution, l’urbanisation met également en danger la survie des coraux et entraîne une complexité architecturale relativement faible chez les coraux, comme l’a révélé une étude sur l’état de survie des coraux à Singapour, Jakarta, Hong Kong et Okinawa. Ainsi, l’impact des facteurs de stress anthropiques et les effets superposés du changement climatique entraînent une réduction généralisée de la biodiversité sur les récifs coralliens et un déclin associé de la fonction écologique et de la résilience des coraux¹⁹.

Il convient également de noter qu’un grand nombre de micro-organismes participent aux fonctions physiologiques des coraux, notamment la fixation de l’azote, la décomposition de la chitine, la synthèse de composés organiques et l’immunité²⁰, et que ces micro-organismes doivent donc être inclus dans l’examen de la détérioration des récifs coralliens. Dans les environnements naturels, tels que les récifs coralliens, de nombreux facteurs provoquent des conditions hypoxiques ou anoxiques, notamment une circulation insuffisante de l’eau, l’exsudat d’algues et la prolifération d’algues. Ce phénomène affecte négativement la répartition des populations de coraux et de micro-organismes liés aux coraux. Par exemple, des scientifiques vietnamiens ont découvert qu’à Nha Trang, Phu Quoc et Ujung Gelam, la composition bactérienne du corail Acropora Formosa pouvait être affectée par l’oxygène dissous à différents endroits²¹. Des chercheurs aux États-Unis ont exploré les conditions hypoxiques ou d’anoxie chez les coraux et ont découvert que les exsudats d’algues peuvent médier l’activité microbienne, conduisant à des conditions hypoxiques localisées, ce qui peut entraîner la mortalité des coraux dans le voisinage immédiat. Ils ont également constaté que les coraux pouvaient tolérer des concentrations d’oxygène réduites, mais seulement au-dessus d’un seuil donné déterminé par une combinaison du temps d’exposition et de la concentration en oxygène²². Des chercheurs indiens ont découvert que lorsque les algues Noctiluca scintillans proliféraient, l’oxygène dissous diminuait à 2 mg/L. En dessous de cette concentration, environ 70 % des Acropora montiporacan mouraient en raison de conditions hypoxiques²³.

Tous les faits et facteurs mentionnés ci-dessus suggèrent que le changement environnemental entraîne la détérioration des récifs coralliens. Pour cultiver et étudier les coraux récifaux dans certaines conditions, il est important de construire avec précision et de manière exhaustive un environnement microscopique contrôlable pour que les coraux récifaux puissent l’habiter. Normalement, les scientifiques se concentrent sur la température, la lumière, le débit d’eau et les nutriments. Cependant, d’autres caractéristiques, telles que la concentration d’oxygène dissous, l’abondance des micro-organismes et la diversité des micro-organismes dans l’eau de mer, sont généralement ignorées. À cette fin, notre groupe a exploré la possibilité d’appliquer de petits équipements pour cultiver des polypes coralliens dans un environnement relativement contrôlé^24,25. Dans ce travail, nous avons conçu et construit un système modulaire de micro-dispositifs pour la culture du corail. Ce système modulaire de micro-dispositifs peut fournir un micro-environnement contrôlable en termes de température, de spectre lumineux, de concentration d’oxygène dissous, de nutriments et de micro-organismes, etc., et a la capacité d’expansion et de mise à niveau.

Modules et fonctions de l’appareil
Le système de micro-dispositifs a été inspiré par le système de Berlin²⁶, mais aucune roche vivante n’est utilisée dans le système actuel. Comme le montre la figure 1, le système actuel comprend six modules principaux, deux motopompes sans balais, une pompe à essence, une lampe UV à circulation, une alimentation électrique, certains composants de commande électronique, ainsi que les fils et les vis associés. Les six modules principaux comprennent un module de stockage d’eau de mer (avec une pompe à air et un capteur de température), un module de contrôle de la température, un module de purification des algues, un module de purification microbienne, un module de purification du charbon actif et un module de culture de coraux.

Architecture de l’appareil
Comme le montrent les figures 2 et 3, l’ensemble du système de micro-dispositifs peut être divisé horizontalement en deux compartiments avec un module de contrôle de la température entre les deux. Pour des raisons de sécurité, tous les modules et pièces contenant de l’eau de mer sont placés dans le compartiment de gauche, appelé compartiment de culture. Les autres pièces électroniques sont placées dans le compartiment de droite, appelé compartiment électronique. Les deux compartiments sont scellés ou emballés dans des coquilles. Le module de contrôle de la température est fixé dans une plaque de séparation entre les deux. La coque du compartiment de culture comprend une plinthe et trois plaques de fixation à vis. Cette conception assure l’étanchéité du compartiment et facilite le fonctionnement du système. De plus, l’étanchéité favorise un contrôle précis de la température. La coque du compartiment électronique comprend une plinthe, deux plaques de fixation à vis et un panneau de commande avant.

Circulation de l’eau
Une boucle de circulation d’eau de mer intérieure et extérieure connectée au module de stockage d’eau de mer a été préconçue. La boucle de circulation interne relie avec succès le module de stockage d’eau de mer, le module de contrôle de la température, la lampe UV à circulation, le module de purification des algues et le module de purification microbienne. Cette boucle de circulation vise à fournir des conditions physico-chimiques et physiologiques d’eau de mer adaptées aux coraux, et aucun entretien fréquent n’est nécessaire. Le module de purification des algues contient des algues Chaetomorpha , qui absorbent les nutriments supplémentaires (nitrate et phosphate) dans l’eau. Le module de purification microbienne contient le substrat de culture bactérienne, qui cultive le microbiome pour transférer les nitrites et l’ammonium en nitrate pour la purification de l’eau. Tous ces modules ne doivent être remplacés que dans des circonstances critiques.

La boucle de circulation extérieure relie successivement le module de stockage d’eau de mer, le module de culture de coraux et le module de charbon actif. Cette boucle de circulation vise à fournir de la lumière, de l’étanchéité, du courant d’eau et une eau de mer de haute qualité aux coraux. L’eau de mer peut être rafraîchie par une entrée d’eau et une sortie d’eau. Les additifs sont ajoutés par une vanne à trois voies, et l’échantillon d’eau de mer peut également être extrait de cette vanne pour inspection. L’air peut être pompé par une entrée d’air et évacué par une sortie d’air.

Conception électronique
Une alimentation 220 V AC avec un interrupteur et un fusible est utilisée pour l’ensemble du système. La puissance d’entrée est divisée en quatre branches. La première branche va à une alimentation 12 V CC, qui alimente directement le panneau chauffant, le panneau de refroidissement et le ventilateur de refroidissement. Cette branche alimente également indirectement deux pompes et deux panneaux d’éclairage par l’intermédiaire d’un transformateur CC à quatre canaux. La deuxième branche va à un régulateur de température PID. La troisième branche va à l’alimentation d’une pompe à air. La dernière branche se connecte à une alimentation par lampe UV. Un relais statique relie le régulateur de température PID et le panneau de refroidissement dans le module de contrôle de température. Un relais régulier est utilisé pour connecter le régulateur de température PID et le panneau chauffant. Le transformateur CC à quatre canaux convertit la tension en tension requise.

Il y a deux panneaux de commande sur la partie droite du système. Il y a quatre interrupteurs et un contrôleur pour la lampe UV sur le panneau supérieur, y compris un interrupteur d’alimentation principal, un interrupteur d’alimentation de lampe UV, un interrupteur de pompe à air et un interrupteur de contrôle de la température. L’interrupteur d’alimentation principal contrôle l’alimentation 12 V du système.

Un régulateur de température PID, une minuterie de cycle, un transformateur CC à quatre canaux et une minuterie à trois canaux se trouvent sur le panneau avant. Le régulateur de température PID ajuste la température de l’eau en contrôlant les panneaux de chauffage et de refroidissement dans le module de contrôle de la température. Le module de contrôle de la température ne fonctionne que lorsque la pompe de circulation interne fonctionne et que l’eau s’écoule devant le module de contrôle de la température. La minuterie de cycle est connectée à la ligne d’alimentation de la pompe à air. Son but est d’attribuer la période de temps de travail à la pompe à air. Une minuterie à trois canaux est également déployée dans le compartiment électronique. Cette minuterie contrôle la période de travail de la pompe à air, de la lumière de corail et de la lumière d’algues.

Protocol

Les coraux utilisés pour la présente étude étaient des Seriatopora caliendrum, qui sont cultivés dans notre laboratoire. Tous les coraux ont été aimablement fournis par l’Institut océanographique de la mer de Chine méridionale de l’Université de l’Académie chinoise des sciences. 1. Inspection et mise en service REMARQUE : Chaque module doit être testé individuellement pour l’étanchéité et le fonctionnement avant d’a…

Representative Results

Précision du contrôle de la températureLa température du système est normalement réglée entre 23 et 28 °C selon les espèces de coraux. Cependant, en tant que l’un des facteurs les plus importants, la fluctuation de la température peut fortement affecter la survie des coraux. Par conséquent, la précision du contrôle de la température est un facteur décisif pour le système de culture du corail. Un capteur de température et un collecteur de données indépendant avec une plage de temp…

Discussion

Ce système de culture de coraux est conçu pour simuler et fournir un microenvironnement relativement naturel ou personnalisé dans lequel les coraux peuvent être transplantés et survivre. En même temps, en tant qu’équipement développé par nos soins, ce système doit être fiable, convivial et sûr. Par exemple, en termes de contrôle de la température, la température de l’eau de mer doit être contrôlée de manière appropriée en fonction des circonstances environnementales quotidiennes. Le système a ét…

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