מערכת מיקרו-מכשירים משולבת לגדילה וניטור של אלמוגים
Summary
פרוטוקול זה מתאר את הפיתוח של מערכת מיקרו-התקנים מודולרית הניתנת לשליטה, שניתן ליישם לצורך טיפוח וניטור ארוכי טווח של אלמוגי ים.
Abstract
אלמוגים הם אורגניזמים בסיסיים במערכות אקולוגיות ימיות וחופיות. עם התקדמות המחקר להגנה על אלמוגים בשנים האחרונות, בקרה מדויקת של סביבת גידול האלמוגים מבוקשת מאוד לשימור ומחקר אלמוגים. כאן, פיתחנו מערכת מיקרו-מכשירים סגורה למחצה של תרבית אלמוגים כפלטפורמה רב-תפקודית, שיכולה לספק בקרת טמפרטורה מדויקת וניתנת לתכנות, סביבה התחלתית סטרילית, איכות מים יציבה לטווח ארוך, ריכוז חמצן מומס מתכוונן וספקטרום אור מותאם אישית לאלמוגים. בשל העיצוב המודולרי, ניתן לשדרג או לשנות את מערכת תרביות האלמוגים על ידי התקנת מודולים חדשים רצויים או הסרת מודולים קיימים. כיום, בתנאים מתאימים ועם תחזוקה נאותה של המערכת, אלמוגי הדגימה יכולים לשרוד לפחות 30 יום במצב בריא. יתר על כן, בשל הסביבה הראשונית הניתנת לשליטה וסטרילית, מערכת תרביות אלמוגים זו יכולה לתמוך במחקר על הקשר הסימביוטי בין אלמוגים למיקרואורגניזמים הקשורים אליהם. לכן, ניתן ליישם את מערכת המיקרו-התקנים הזו כדי לנטר ולחקור אלמוגי ים באופן כמותי יחסית.
Introduction
הידרדרות המערכות האקולוגיות של שוניות האלמוגים מתרחשת ברחבי העולם ב-70 השנים האחרונות. בהתחשב בכל אזורי האלמוגים העיקריים ברחבי מרכז אמריקה1, דרום מזרח אסיה 2,3,4,5,6, אוסטרליה 7,8 ומזרח אפריקה9, הכיסוי העולמי של שוניות האלמוגים הצטמצם בחצי מאז1950 10. אובדן המוני זה של שוניות אלמוגים גרם לבעיות אקולוגיות וכלכליות. לדוגמה, על ידי מעקב אחר נוכחות/היעדר ושפע של כל מיני דגים תלויי אלמוגים במשך 8 שנים, החוקרים הגיעו למסקנה כי ירידת האלמוגים גרמה ישירות לירידה משמעותית במגוון הביולוגי ובשפע של דגים בפפואה גינאה החדשה11. תוצאה זו הוכיחה כי הידלדלות האלמוגים יכולה לא רק לערער את המערכות הביולוגיות המבוססות על שוניות האלמוגים, אלא גם להפחית את הכנסות הדגה.
במשך עשרות שנים של סקרי שטח, כולל ניטור ישיר, חישה מרחוק והשוואת נתונים, הקהילה המדעית זיהתה מספר גורמים לירידה ההמונית באלמוגים. אחת הסיבות העיקריות לירידה ההמונית באלמוגים היא הלבנת אלמוגים הנגרמת על ידי טמפרטורות גבוהות של מי ים12,13. על ידי שילוב של הלבנה ורשומות מטאורולוגיות, מדענים הגיעו למסקנה כי הלבנת אלמוגים מתרחשת בתדירות גבוהה יותר בשלבי תנודה אל-ניניו-דרום14. סיבה נוספת לדעיכת האלמוגים היא החמצת האוקיינוסים. בשל ריכוזCO2 מוגבר הן באטמוספרה והן במי הים, סידן פחמתי מתמוסס מהר יותר מבעבר, מה שגורם להסתיידות שונית אלמוגים נטו15. ואכן, המסקנה היא שכאשר ריכוז ה-CO2 באטמוספירה יגיע ליותר מ-500 ppm, עשרות מיליוני אנשים יסבלו, ושוניות האלמוגים יהיו בסיכון להידרדרות משמעותית ולניתוק סימביודיניום 16,17. ישנם גורמים אחרים שיכולים גם הם להשפיע על הישרדות אלמוגים, כגון מזהמים בחופים הגורמים או מאיצים את הידרדרות האלמוגים. חוקרים בהוואי מדדו את איזוטופי הפחמן, החמצן והחנקן באלמוגים, יחד עם הקרבונט האנאורגני המומס וחומרי המזון הקשורים אליו (NH4+, PO4 3–, NO2− ו-NO3–), והגיעו למסקנה שהזיהום מהיבשה הגביר את ההחמצה והשחיקה הביולוגית של אלמוגיםלאורך החוף 18. בהמשך לזיהום, העיור גם מסכן את הישרדות האלמוגים וגורם למורכבות אדריכלית נמוכה יחסית באלמוגים, כפי שעולה ממחקר על מצב הישרדות האלמוגים בסינגפור, ג’קרטה, הונג קונג ואוקינאווה. לפיכך, ההשפעה של גורמי עקה אנתרופוגניים וההשפעות של שינויי האקלים מובילים לצמצום נרחב במגוון הביולוגי על שוניות האלמוגים ולירידה נלווית בתפקוד האקולוגי של האלמוגים ובחוסנם19.
כמו כן יש לציין כי מספר רב של מיקרואורגניזמים משתתפים בתפקודים הפיזיולוגיים של אלמוגים, כולל קיבוע חנקן, פירוק כיטין, סינתזה של תרכובות אורגניות וחסינות20, ולכן מיקרואורגניזמים אלה צריכים להיכלל כאשר בוחנים את הידרדרות שוניות האלמוגים. בסביבות טבעיות, כגון שוניות אלמוגים, גורמים רבים גורמים לתנאים היפוקסיים או אנוקסיים, כולל זרימת מים לא מספקת, הפרשה של אצות וצמיחת יתר של אצות. תופעה זו משפיעה לרעה על התפלגות האוכלוסייה של מיקרואורגניזמים הקשורים לאלמוגים ואלמוגים. לדוגמה, מדענים וייטנאמים מצאו כי ב Nha Trang, Phu Quoc, ו Ujung Gelam, הרכב חיידקים באלמוג Acropora Formosa יכול להיות מושפע על ידי חמצן מומס במקומות שונים21. חוקרים בארצות הברית חקרו מצבים היפוקסיים או אנוקסיה באלמוגים ומצאו כי הפרשה של אצות יכולה לתווך פעילות מיקרוביאלית, מה שמוביל לתנאים היפוקסיים מקומיים, שעלולים לגרום לתמותת אלמוגים בסביבה הקרובה. הם גם מצאו כי אלמוגים יכולים לסבול ריכוזי חמצן מופחתים, אך רק מעל סף נתון שנקבע על ידי שילוב של זמן החשיפה וריכוז החמצן22. חוקרים בהודו מצאו כי כאשר אצות Noctiluca scintillans פרחו, החמצן המומס ירד ל -2 מ”ג / ליטר. מתחת לריכוז זה, כ -70% של Acropora montiporacan מתו בגלל תנאים היפוקסיים23.
כל העובדות והגורמים הנ”ל מצביעים על כך ששינוי סביבתי מוביל להידרדרות שוניות האלמוגים. כדי לגדל ולחקור אלמוגי שוניות בתנאים מסוימים, חשוב לבנות באופן מדויק ומקיף סביבה מיקרוסקופית נשלטת עבור אלמוגי שוניות להתגורר בה. בדרך כלל, מדענים מתמקדים בטמפרטורה, אור, זרימת מים וחומרי מזון. עם זאת, בדרך כלל מתעלמים ממאפיינים אחרים, כגון ריכוז החמצן המומס, שפע המיקרואורגניזמים ומגוון המיקרואורגניזמים במי הים. לשם כך, הקבוצה שלנו בחנה את האפשרות ליישם ציוד קטן על פוליפים אלמוגים בתרבית בסביבה מבוקרת יחסית24,25. בעבודה זו תכננו ובנינו מערכת מיקרו-מכשירים מודולרית לתרביות אלמוגים. מערכת מיקרו-מכשירים מודולרית זו יכולה לספק מיקרו-סביבה נשלטת במונחים של טמפרטורה, ספקטרום אור, ריכוז חמצן מומס, חומרים מזינים, מיקרואורגניזמים וכו ‘, ויש לה את היכולת להתרחב ולשדרג.
מודולים ופונקציות של המכשיר
מערכת המיקרו-מכשירים נוצרה בהשראת מערכת ברלין26, אך לא נעשה שימוש בסלעים חיים במערכת הנוכחית. כפי שניתן לראות באיור 1, המערכת הנוכחית כוללת שישה מודולים עיקריים, שתי משאבות מנוע ללא מברשות, משאבת דלק אחת, מנורת UV אחת זורמת, ספק כוח אחד, רכיבי בקרה אלקטרוניים מסוימים והחוטים והברגים הקשורים. ששת המודולים העיקריים כוללים מודול אחסון מי ים (עם משאבת אוויר וחיישן טמפרטורה), מודול בקרת טמפרטורה, מודול טיהור אצות, מודול טיהור מיקרוביאלי, מודול טיהור פחם פעיל ומודול תרבית אלמוגים.
ארכיטקטורת התקן
כפי שניתן לראות באיור 2 ובאיור 3, ניתן לחלק אופקית את מערכת המיקרו-התקנים הכוללת לשני תאים עם מודול בקרת טמפרטורה ביניהם. מטעמי בטיחות, כל המודולים והחלקים המכילים מי ים ממוקמים בתא השמאלי, הנקרא תא התרבית. שאר החלקים האלקטרוניים ממוקמים בתא הימני, הנקרא התא האלקטרוני. שני התאים אטומים או ארוזים בתוך פגזים. מודול בקרת הטמפרטורה קבוע בלוח חוצץ ביניהם. מעטפת תא התרבות כוללת לוח בסיס ושלושה לוחות קיבוע ברגים. עיצוב זה מבטיח אטימות לתא ומקל על פעולת המערכת. בנוסף, ההידוק מעדיף בקרת טמפרטורה מדויקת. מעטפת התא האלקטרוני כוללת לוח בסיס, שני לוחות קיבוע ברגים ולוח בקרה קדמי אחד.
סירקולציית מים
לולאת סירקולציית מי ים פנימית וחיצונית המחוברת למודול אחסון מי הים תוכננה מראש. לולאת הסירקולציה הפנימית מחברת בהצלחה את מודול אחסון מי הים, מודול בקרת הטמפרטורה, מנורת UV זורמת, מודול טיהור אצות ומודול טיהור מיקרוביאלי. לולאת סירקולציה זו נועדה לספק תנאי מי ים פיסיוכימיים ופיזיולוגיים מתאימים לאלמוגים, ואין צורך בתחזוקה תכופה. מודול טיהור האצות מכיל אצות Chaetomorpha , אשר סופגות את חומרי המזון הנוספים (חנקות ופוספט) במים. מודול הטיהור המיקרוביאלי מכיל את מצע תרבית החיידקים, אשר מטפח את המיקרוביום כדי להעביר ניטריט ואמוניום לחנקות לטיהור מים. כל המודולים האלה צריכים להיות מוחלפים רק בנסיבות קריטיות.
לולאת הסירקולציה החיצונית מחברת ברציפות את מודול מאגר מי הים, מודול תרבית האלמוגים ומודול הפחם הפעיל. לולאת סירקולציה זו נועדה לספק אור, לחץ, זרם מים ואיכות מי ים גבוהה לאלמוגים. ניתן לרענן את מי הים דרך כניסת מים ושקע מים. תוספים מתווספים דרך שסתום משולש, וניתן גם לחלץ את דגימת מי הים משסתום זה לבדיקה. ניתן לשאוב אוויר דרך כניסת אוויר ולפרוק אותו משקע אוויר.
עיצוב אלקטרוני
ספק כוח AC של 220 וולט עם מתג ונתיך משמש לכל המערכת. כוח הקלט מחולק לארבעה ענפים. הענף הראשון הולך לספק כוח DC 12 V, אשר מפעיל ישירות את לוח החימום, לוח הקירור ומאוורר הקירור. ענף זה גם מפעיל בעקיפין שתי משאבות ושני לוחות תאורה באמצעות שנאי DC בעל ארבעה ערוצים. הענף השני הולך לבקר טמפרטורה PID. הענף השלישי הולך לספק כוח משאבת אוויר. הענף האחרון מתחבר לספק כוח של מנורת UV. ממסר מצב מוצק מחבר את בקר הטמפרטורה PID ואת לוח הקירור במודול בקרת הטמפרטורה. ממסר רגיל משמש לחיבור בקר הטמפרטורה PID ולוח החימום. שנאי DC בעל ארבעה ערוצים ממיר את המתח לנדרש.
ישנם שני לוחות בקרה בחלק הימני של המערכת. ישנם ארבעה מתגים ובקר אחד עבור מנורת UV בלוח העליון, כולל מתג הפעלה ראשי, מתג הפעלה של מנורת UV, מתג משאבת אוויר ומתג בקרת טמפרטורה. מתג ההפעלה הראשי שולט בספק הכוח של 12 V של המערכת.
בקר טמפרטורה PID, טיימר מחזור, שנאי DC בעל ארבעה ערוצים וטיימר תלת-ערוצי נמצאים בלוח הקדמי. בקר הטמפרטורה PID מתאים את טמפרטורת המים על ידי שליטה בלוחות החימום והקירור במודול בקרת הטמפרטורה. מודול בקרת הטמפרטורה פועל רק כאשר משאבת הסירקולציה הפנימית פועלת והמים זורמים מעבר למודול בקרת הטמפרטורה. טיימר המחזור מחובר לקו החשמל של משאבת האוויר. מטרתו היא להקצות את תקופת העבודה למשאבת האוויר. יש גם טיימר תלת ערוצי הפרוס בתא האלקטרוני. טיימר זה שולט על משך זמן העבודה של משאבת האוויר, אור האלמוגים ואור האצות.
Protocol
Representative Results
Discussion
מערכת תרביות אלמוגים זו מתוכננת לדמות ולספק מיקרו-סביבה טבעית יחסית או מותאמת אישית עבור אלמוגים להשתלה ולשרוד. בינתיים, כציוד שפותח בעצמו, מערכת זו צריכה להיות אמינה, ידידותית למשתמש ובטוחה. לדוגמה, במונחים של בקרת טמפרטורה, טמפרטורת מי הים צריכה להיות מבוקרת כראוי בהתבסס על הנסיבות הסבי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי תוכניות פיתוח מפתח המדינה למחקר בסיסי של סין (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).
