Um sistema integrado de microdispositivos para crescimento e monitoramento de corais

Summary

Este protocolo descreve o desenvolvimento de um sistema modular de microdispositivos controláveis que pode ser aplicado para o cultivo e monitoramento de corais marinhos a longo prazo.

Abstract

Os corais são organismos fundamentais nos ecossistemas marinhos e costeiros. Com o avanço das pesquisas de proteção de corais nos últimos anos, o controle preciso do ambiente da cultura de corais é altamente demandado para conservação e estudo de corais. Aqui, desenvolvemos um sistema de microdispositivo de cultura de coral semi-fechado como uma plataforma multifuncional, que pode fornecer controle de temperatura preciso e programável, um ambiente inicial estéril, qualidade de água estável a longo prazo, uma concentração ajustável de oxigênio dissolvido e um espectro de luz personalizado para corais. Devido ao design modular, o sistema de cultura de corais pode ser atualizado ou modificado instalando novos módulos desejáveis ou removendo os existentes. Atualmente, sob condições adequadas e com manutenção adequada do sistema, os corais da amostra podem sobreviver por pelo menos 30 dias em estado saudável. Além disso, devido ao ambiente inicial controlável e estéril, este sistema de cultura de corais pode apoiar pesquisas sobre a relação simbiótica entre corais e microrganismos associados. Portanto, este sistema de microdispositivos pode ser aplicado para monitorar e investigar corais marinhos de forma relativamente quantitativa.

Introduction

A deterioração dos ecossistemas recifais de coral vem ocorrendo em todo o mundo nos últimos 70 anos. Considerando todas as principais áreas de corais na América Central¹, Sudeste Asiático 2,3,4,5,6, Austrália ^7,8 e África Oriental^9, a cobertura global de recifes de coral caiu pela metade desde a década de 1950¹⁰. Essa perda em massa de recifes de corais resultou em problemas ecológicos e econômicos. Por exemplo, ao rastrear a presença/ausência e abundância de todos os tipos de peixes dependentes de corais por 8 anos, os pesquisadores concluíram que o declínio dos corais causou diretamente uma diminuição substancial na biodiversidade e abundância de peixes na Papua-Nova Guiné¹¹. Este resultado provou que o declínio dos corais pode não só minar os sistemas biológicos baseados nos recifes de coral, mas também reduzir os rendimentos da pesca.

Ao longo de décadas de pesquisas de campo, incluindo monitoramento direto, sensoriamento remoto e comparação de dados, a comunidade científica identificou vários fatores que causam o declínio em massa dos corais. Uma das principais razões para o declínio maciço dos corais é o branqueamento dos corais causado pelas altas temperaturas da água do mar^12,13. Combinando branqueamento e registros meteorológicos, os cientistas concluíram que o branqueamento de corais está acontecendo com mais frequência nas fases de El Niño-Oscilação Sul¹⁴. Outra razão para o declínio dos corais é a acidificação dos oceanos. Devido ao aumento da concentração de CO₂ na atmosfera e na água do mar, o carbonato de cálcio dissolve-se mais rapidamente do que antes, causando calcificação em recifes de coral¹⁵. De fato, concluiu-se que quando a concentração de CO₂ na atmosfera atingir acima de 500 ppm, dezenas de milhões de pessoas sofrerão, e os recifes de coral estarão em risco de deterioração significativa e desprendimento de simbiodínio^16,17. Existem outros fatores que também podem afetar a sobrevivência dos corais, como poluentes costeiros que causam ou aceleram o declínio dos corais. Pesquisadores no Havaí mediram os isótopos de carbono, oxigênio e nitrogênio nos corais, juntamente com o carbonato inorgânico dissolvido e os nutrientes relacionados (NH₄⁺, PO₄ 3^–, NO₂⁻ e NO₃⁻), e concluíram que a poluição da terra ampliou a acidificação costeira e a bioerosão dos corais¹⁸. Além da poluição, a urbanização também coloca em risco a sobrevivência dos corais e causa uma complexidade arquitetônica relativamente baixa nos corais, como revelado por um estudo sobre o status de sobrevivência dos corais em Cingapura, Jacarta, Hong Kong e Okinawa. Assim, o impacto dos estressores antropogênicos e os efeitos sobrepostos das mudanças climáticas estão levando à redução generalizada da biodiversidade nos recifes de coral e a um declínio associado na função ecológica e resiliência dos corais¹⁹.

Deve-se notar também que um grande número de microrganismos participa das funções fisiológicas dos corais, incluindo a fixação de nitrogênio, a decomposição de quitina, a síntese de compostos orgânicos e a imunidade²⁰, devendo, portanto, esses microrganismos ser incluídos quando se considera a deterioração dos recifes de coral. Em ambientes naturais, como recifes de coral, muitos fatores causam condições hipóxicas ou anóxicas, incluindo circulação insuficiente de água, exsudato algal e crescimento excessivo de algas. Esse fenômeno afeta negativamente a distribuição populacional de microrganismos relacionados a corais e corais. Por exemplo, cientistas vietnamitas descobriram que, em Nha Trang, Phu Quoc e Ujung Gelam, a composição bacteriana do coral Acropora Formosa poderia ser afetada pelo oxigênio dissolvido em diferentes locais²¹. Pesquisadores nos Estados Unidos exploraram condições de hipóxia ou anóxia em corais e descobriram que exsudatos algais podem mediar a atividade microbiana, levando a condições hipóxicas localizadas, que podem causar mortalidade de corais nas imediações. Eles também descobriram que os corais podiam tolerar concentrações reduzidas de oxigênio, mas apenas acima de um determinado limiar determinado por uma combinação do tempo de exposição e da concentração de oxigênio²². Pesquisadores na Índia descobriram que, quando as algas Noctiluca scintillans floresceram, o oxigênio dissolvido diminuiu para 2 mg/L. Abaixo dessa concentração, cerca de 70% de Acropora montiporacan morreu devido a condições hipóxicas²³.

Todos os fatos e fatores acima mencionados sugerem que as mudanças ambientais levam à deterioração dos recifes de coral. Para cultivar e estudar corais recifais sob certas condições, é importante construir de forma precisa e abrangente um ambiente microscópico controlável para os corais recifais habitarem. Normalmente, os cientistas se concentram em temperatura, luz, fluxo de água e nutrientes. No entanto, outras características, como a concentração de oxigênio dissolvido, abundância de microrganismos e diversidade de microrganismos na água do mar, são comumente ignoradas. Para tanto, nosso grupo tem explorado a possibilidade de aplicação de pequenos equipamentos para cultura de pólipos de corais em um ambiente relativamente^{controlado24,25}. Neste trabalho, projetamos e construímos um sistema modular de microdispositivos para a cultura de corais. Este sistema modular de micro-dispositivos pode fornecer um micro-ambiente controlável em termos de temperatura, espectro de luz, concentração de oxigênio dissolvido, nutrientes e microrganismos, etc., e tem a capacidade de expansão e atualização.

Módulos e funções do dispositivo
O sistema de microdispositivos foi inspirado no sistema de Berlim²⁶, mas não são usadas rochas vivas no sistema atual. Como mostrado na Figura 1, o sistema atual é composto por seis módulos principais, duas motobombas brushless, uma bomba de gás, uma lâmpada UV de fluxo, uma fonte de alimentação, certos componentes de controle eletrônico e os fios e parafusos relacionados. Os seis módulos principais incluem um módulo de armazenamento de água do mar (com uma bomba de ar e sensor de temperatura), um módulo de controle de temperatura, um módulo de purificação de algas, um módulo de purificação microbiana, um módulo de purificação de carvão ativado e um módulo de cultura de coral.

Arquitetura do dispositivo
Como mostrado na Figura 2 e na Figura 3, o sistema global de microdispositivos pode ser dividido horizontalmente em dois compartimentos com um módulo de controle de temperatura no meio. Por razões de segurança, todos os módulos e peças contendo água do mar são colocados no compartimento esquerdo, denominado compartimento de cultura. As demais peças eletrônicas são colocadas no compartimento direito, denominado compartimento eletrônico. Ambos os compartimentos são selados ou embalados dentro de conchas. O módulo de controle de temperatura é fixado em uma placa divisória no meio. O invólucro do compartimento de cultura inclui um rodapé e três placas de fixação por parafuso. Este design garante a estanqueidade do compartimento e facilita a operação do sistema. Além disso, a estanqueidade favorece o controle preciso da temperatura. O invólucro do compartimento eletrônico inclui um rodapé, duas placas de fixação por parafuso e um painel de controle frontal.

Circulação de água
Um circuito de circulação de água do mar interno e externo conectado ao módulo de armazenamento de água do mar foi pré-projetado. O circuito de circulação interna conecta com sucesso o módulo de armazenamento de água do mar, o módulo de controle de temperatura, a lâmpada UV de fluxo, o módulo de purificação de algas e o módulo de purificação microbiana. Este circuito de circulação visa proporcionar condições físico-químicas e fisiológicas adequadas da água do mar para os corais, não sendo necessária manutenção frequente. O módulo de purificação de algas contém algas Chaetomorpha , que absorve os nutrientes extras (nitrato e fosfato) na água. O módulo de purificação microbiana contém o substrato de cultura bacteriana, que cultiva o microbioma para transferir nitrito e amônio em nitrato para purificação de água. Todos esses módulos precisam ser substituídos apenas em circunstâncias críticas.

O circuito de circulação externa conecta sucessivamente o módulo de armazenamento de água do mar, o módulo de cultura de corais e o módulo de carvão ativado. Este circuito de circulação visa fornecer luz, estanqueidade, corrente de água e alta qualidade da água do mar para os corais. A água do mar pode ser refrescada através de uma entrada de água e uma saída de água. Os aditivos são adicionados através de uma válvula de três vias, e a amostra de água do mar também pode ser extraída desta válvula para inspeção. O ar pode ser bombeado através de uma entrada de ar e descarregado de uma saída de ar.

Projeto eletrônico
Uma fonte de alimentação CA de 220 V com um interruptor e um fusível é usada para todo o sistema. A potência de entrada é dividida em quatro ramos. A primeira ramificação vai para uma fonte de alimentação de 12 V DC, que alimenta diretamente o painel de aquecimento, o painel de resfriamento e o ventilador de resfriamento. Este ramo também alimenta indiretamente duas bombas e dois painéis de iluminação através de um transformador DC de quatro canais. O segundo ramo vai para um controlador de temperatura PID. O terceiro ramo vai para uma fonte de alimentação da bomba de ar. O último ramo se conecta a uma fonte de alimentação de lâmpada UV. Um relé de estado sólido conecta o controlador de temperatura PID e o painel de resfriamento no módulo de controle de temperatura. Um relé normal é usado para conectar o controlador de temperatura PID e o painel de aquecimento. O transformador DC de quatro canais converte a tensão para a necessária.

Há dois painéis de controle na parte direita do sistema. Há quatro interruptores e um controlador para a lâmpada UV no painel superior, incluindo um interruptor de alimentação principal, um interruptor de alimentação de lâmpada UV, um interruptor de bomba de ar e um interruptor de controle de temperatura. O interruptor de alimentação principal controla a fonte de alimentação de 12 V do sistema.

Um controlador de temperatura PID, um temporizador de ciclo, um transformador DC de quatro canais e um temporizador de três canais estão no painel frontal. O controlador de temperatura PID ajusta a temperatura da água controlando os painéis de aquecimento e resfriamento no módulo de controle de temperatura. O módulo de controle de temperatura só funciona quando a bomba de circulação interna está funcionando e a água está passando pelo módulo de controle de temperatura. O temporizador de ciclo é conectado à linha de alimentação da bomba de ar. Seu objetivo é atribuir o período de tempo de trabalho à bomba de ar. Há um temporizador de três canais implantado no compartimento eletrônico também. Este temporizador controla o período de tempo de trabalho para a bomba de ar, luz de coral e luz de algas.

Protocol

Os corais utilizados para o presente estudo foram Seriatopora caliendrum, que são cultivados em nosso laboratório. Todos os corais foram gentilmente cedidos pelo Instituto de Oceanologia do Mar do Sul da China, Universidade da Academia Chinesa de Ciências. 1. Inspeção e partida NOTA: Cada módulo deve ser testado quanto à estanqueidade e função individualmente antes de montar o sistema. A água deionizada deve ser usada para testar a …

Representative Results

Precisão no controle de temperaturaA temperatura do sistema é normalmente ajustada para 23-28 °C, dependendo da espécie de coral. No entanto, como um dos fatores mais importantes, a flutuação da temperatura pode afetar fortemente a sobrevivência dos corais. Assim, a precisão do controle da temperatura é um fator decisivo para o sistema de cultura de corais. Um sensor de temperatura e um coletor de dados independente com uma faixa de temperatura de 9 °C a 32 °C podem ser usados para testar …

Discussion

Este sistema de cultura de corais é projetado para simular e fornecer um microambiente relativamente natural ou personalizado para os corais serem transplantados e sobreviverem. Enquanto isso, como um equipamento autodesenvolvido, esse sistema precisa ser confiável, fácil de usar e seguro. Por exemplo, em termos de controlo da temperatura, a temperatura da água do mar deve ser controlada adequadamente com base nas circunstâncias ambientais diárias. O sistema foi testado através da cultura do coral por 1 mês, conf…

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