نظام جهاز دقيق متكامل لنمو المرجان ومراقبته
Summary
يصف هذا البروتوكول تطوير نظام أجهزة دقيقة معيارية يمكن التحكم فيها يمكن تطبيقها على استزراع ورصد الشعاب المرجانية البحرية على المدى الطويل.
Abstract
الشعاب المرجانية هي كائنات أساسية في النظم الإيكولوجية البحرية والساحلية. مع تقدم أبحاث حماية الشعاب المرجانية في السنوات الأخيرة ، هناك طلب كبير على التحكم الدقيق في بيئة الاستزراع المرجاني للحفاظ على المرجان ودراسته. هنا ، قمنا بتطوير نظام جهاز صغير لاستزراع المرجان شبه مغلق كمنصة متعددة الوظائف ، والتي يمكن أن توفر تحكما دقيقا وقابلا للبرمجة في درجة الحرارة ، وبيئة أولية معقمة ، وجودة مياه مستقرة على المدى الطويل ، وتركيز أكسجين مذاب قابل للتعديل ، وطيف ضوئي مخصص للشعاب المرجانية. ونظرا للتصميم المعياري، يمكن تحديث نظام استزراع المرجان أو تعديله عن طريق تركيب وحدات جديدة مرغوبة أو إزالة الوحدات الموجودة. حاليا ، في ظل الظروف المناسبة ومع صيانة النظام المناسبة ، يمكن لعينة الشعاب المرجانية البقاء على قيد الحياة لمدة 30 يوما على الأقل في حالة صحية. علاوة على ذلك ، نظرا للبيئة الأولية التي يمكن التحكم فيها والمعقمة ، يمكن لنظام الاستزراع المرجاني هذا دعم البحث في العلاقة التكافلية بين الشعاب المرجانية والكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بها. لذلك ، يمكن تطبيق نظام الجهاز الصغير هذا لمراقبة الشعاب المرجانية البحرية والتحقيق فيها بطريقة كمية نسبيا.
Introduction
وقد حدث تدهور النظم الإيكولوجية للشعاب المرجانية في جميع أنحاء العالم على مدى السنوات ال 70 الماضية. بالنظر إلى جميع المناطق المرجانية الرئيسية في جميع أنحاء أمريكا الوسطى1 ، وجنوب شرق آسيا2،3،4،5،6 ، وأستراليا7،8 ، وشرق إفريقيا9 ، انخفضت التغطية العالمية للشعاب المرجانية إلى النصف منذ خمسينيات القرن العشرين10. وقد أدى هذا الفقدان الشامل للشعاب المرجانية إلى مشاكل بيئية واقتصادية. على سبيل المثال ، من خلال تتبع وجود / غياب ووفرة جميع أنواع الأسماك المعتمدة على الشعاب المرجانية لمدة 8 سنوات ، خلص الباحثون إلى أن انخفاض الشعاب المرجانية قد تسبب بشكل مباشر في انخفاض كبير في التنوع البيولوجي للأسماك ووفرتها في بابوا غينياالجديدة 11. أثبتت هذه النتيجة أن تدهور المرجان لا يمكن أن يقوض النظم البيولوجية القائمة على الشعاب المرجانية فحسب ، بل يقلل أيضا من دخل مصايد الأسماك.
على مدى عقود من المسوحات الميدانية ، بما في ذلك المراقبة المباشرة والاستشعار عن بعد ومقارنة البيانات ، حدد المجتمع العلمي عدة عوامل تسبب انخفاض كتلة المرجان. أحد الأسباب الرئيسية لانخفاض كتلة المرجان هو ابيضاض المرجان الناجم عن ارتفاع درجات حرارة مياه البحر12,13. من خلال الجمع بين سجلات التبييض والأرصاد الجوية ، خلص العلماء إلى أن ابيضاض المرجان يحدث بشكل متكرر في مراحل التذبذب الجنوبي للنينيو14. سبب آخر لانخفاض الشعاب المرجانية هو تحمض المحيطات. بسبب زيادة تركيز CO2 في كل من الغلاف الجوي ومياه البحر ، تذوب كربونات الكالسيوم بشكل أسرع من ذي قبل ، مما يتسبب في تكلس صافي الشعاب المرجانية15. في الواقع ، تم استنتاج أنه عندما يصل تركيز CO2 في الغلاف الجوي إلى أكثر من 500 جزء في المليون ، سيعاني عشرات الملايين من الناس ، وستكون الشعاب المرجانية معرضة لخطر التدهور الكبير وانفصال التكافل16,17. هناك عوامل أخرى يمكن أن تؤثر أيضا على بقاء المرجان ، مثل الملوثات الشاطئية التي تسبب أو تسرع تدهور المرجان. قام الباحثون في هاواي بقياس نظائر الكربون والأكسجين والنيتروجين في الشعاب المرجانية ، جنبا إلى جنب مع الكربونات غير العضوية الذائبة والمغذيات ذات الصلة (NH4+ و PO4 3– و NO2− و NO3−) ، وخلصوا إلى أن التلوث من الأرض أدى إلى تضخيم التحمض الساحلي والتآكل البيولوجي للشعاب المرجانية18. بالإضافة إلى التلوث ، فإن التحضر يعرض أيضا بقاء المرجان للخطر ويسبب تعقيدا معماريا منخفضا نسبيا في الشعاب المرجانية ، كما كشفت دراسة عن حالة بقاء المرجان في سنغافورة وجاكرتا وهونغ كونغ وأوكيناوا. وبالتالي ، فإن تأثير الضغوطات البشرية المنشأ والآثار المتراكبة لتغير المناخ تؤدي إلى انخفاض التنوع البيولوجي على نطاق واسع على الشعاب المرجانية وما يرتبط بذلك من انخفاض في الوظيفة الإيكولوجية المرجانية والقدرة على الصمود19.
وتجدر الإشارة أيضا إلى أن عددا كبيرا من الكائنات الحية الدقيقة تشارك في الوظائف الفسيولوجية للشعاب المرجانية ، بما في ذلك تثبيت النيتروجين ، وتحلل الكيتين ، وتوليف المركبات العضوية ، والمناعة20 ، وبالتالي يجب تضمين هذه الكائنات الحية الدقيقة عند النظر في تدهور الشعاب المرجانية. في البيئات الطبيعية ، مثل الشعاب المرجانية ، تسبب العديد من العوامل حالات نقص الأكسجين أو نقص الأكسجين ، بما في ذلك عدم كفاية دوران المياه ، وإفرازات الطحالب ، وفرط نمو الطحالب. تؤثر هذه الظاهرة سلبا على التوزيع السكاني للكائنات الحية الدقيقة المرجانية والمرجانية. على سبيل المثال ، وجد العلماء الفيتناميون أنه في نها ترانج وفو كووك وأوجونغ جيلام ، يمكن أن يتأثر التركيب البكتيري في المرجان Acropora Formosa بالأكسجين المذاب في مواقع مختلفة21. استكشف الباحثون في الولايات المتحدة ظروف نقص الأكسجين أو نقص الأكسجين في الشعاب المرجانية ووجدوا أن إفرازات الطحالب يمكن أن تتوسط في النشاط الميكروبي ، مما يؤدي إلى ظروف نقص الأكسجين الموضعية ، والتي قد تسبب وفيات المرجان في المنطقة المجاورة مباشرة. ووجدوا أيضا أن الشعاب المرجانية يمكن أن تتحمل تركيزات الأكسجين المنخفضة ولكن فقط فوق عتبة معينة يحددها مزيج من وقت التعرض وتركيز الأكسجين22. وجد الباحثون في الهند أنه عندما ازدهرت طحالب Noctiluca scintillans ، انخفض الأكسجين المذاب إلى 2 مجم / لتر. تحت هذا التركيز ، مات حوالي 70٪ من Acropora montiporacan بسبب ظروف نقص الأكسجين23.
تشير جميع الحقائق والعوامل المذكورة أعلاه إلى أن التغير البيئي يؤدي إلى تدهور الشعاب المرجانية. لاستزراع ودراسة الشعاب المرجانية في ظل ظروف معينة ، من المهم بناء بيئة مجهرية يمكن التحكم فيها بدقة وشمولية لتعيش الشعاب المرجانية. عادة ، يركز العلماء على درجة الحرارة والضوء وتدفق المياه والمواد المغذية. ومع ذلك ، عادة ما يتم تجاهل ميزات أخرى ، مثل تركيز الأكسجين المذاب ، ووفرة الكائنات الحية الدقيقة ، وتنوع الكائنات الحية الدقيقة في مياه البحر. تحقيقا لهذه الغاية ، استكشفت مجموعتنا إمكانية تطبيق معدات صغيرة لاستزراع الاورام الحميدة المرجانية في بيئة خاضعة للرقابة نسبيا24,25. في هذا العمل ، قمنا بتصميم وبناء نظام جهاز دقيق معياري لتربية المرجان. يمكن أن يوفر نظام الجهاز الصغير المعياري هذا بيئة دقيقة يمكن التحكم فيها من حيث درجة الحرارة ، وطيف الضوء ، وتركيز الأكسجين المذاب ، والمغذيات ، والكائنات الحية الدقيقة ، وما إلى ذلك ، ولديه القدرة على التوسع والترقية.
وحدات ووظائف الجهاز
نظام الجهاز الصغير مستوحى من نظام برلين26 ، ولكن لا يتم استخدام الصخور الحية في النظام الحالي. كما هو موضح في الشكل 1 ، يتكون النظام الحالي من ست وحدات رئيسية ، ومضختين بدون فرش ، ومضخة غاز واحدة ، ومصباح واحد للأشعة فوق البنفسجية المتدفقة ، ومصدر طاقة واحد ، وبعض مكونات التحكم الإلكترونية ، والأسلاك والبراغي ذات الصلة. تشمل الوحدات الرئيسية الست وحدة تخزين مياه البحر (مع مضخة هواء ومستشعر درجة الحرارة) ، ووحدة التحكم في درجة الحرارة ، ووحدة تنقية الطحالب ، ووحدة تنقية الميكروبات ، ووحدة تنقية الفحم المنشط ، ووحدة استزراع المرجان.
بنية الجهاز
كما هو موضح في الشكل 2 والشكل 3 ، يمكن تقسيم نظام الجهاز الدقيق الكلي أفقيا إلى جزأين مع وحدة التحكم في درجة الحرارة بينهما. لأسباب تتعلق بالسلامة ، يتم وضع جميع الوحدات والأجزاء المحتوية على مياه البحر في المقصورة اليسرى ، والتي تسمى حجرة الاستزراع. يتم وضع الأجزاء الإلكترونية الأخرى في المقصورة اليمنى ، المسماة المقصورة الإلكترونية. كلا المقصورتين مختومة أو معبأة داخل أصداف. يتم تثبيت وحدة التحكم في درجة الحرارة في لوحة مقسم بينهما. تشتمل قشرة حجرة الاستزراع على لوح أساسي وثلاث لوحات تثبيت لولبية. يضمن هذا التصميم إحكام المقصورة ويسهل تشغيل النظام. بالإضافة إلى ذلك ، يفضل الضيق التحكم الدقيق في درجة الحرارة. يشتمل غلاف المقصورة الإلكترونية على لوح أساسي ولوحين مثبتين لولبيين ولوحة تحكم أمامية واحدة.
دوران المياه
تم تصميم حلقة دوران مياه البحر الداخلية والخارجية المتصلة بوحدة تخزين مياه البحر مسبقا. تربط حلقة الدوران الداخلية بنجاح وحدة تخزين مياه البحر ، ووحدة التحكم في درجة الحرارة ، ومصباح الأشعة فوق البنفسجية المتدفقة ، ووحدة تنقية الطحالب ، ووحدة التنقية الميكروبية. تهدف حلقة الدوران هذه إلى توفير ظروف مياه البحر الفيزيوكيميائية والفسيولوجية المناسبة للشعاب المرجانية ، ولا يلزم إجراء صيانة متكررة. تحتوي وحدة تنقية الطحالب على طحالب Chaetomorpha ، التي تمتص العناصر الغذائية الإضافية (النترات والفوسفات) في الماء. تحتوي وحدة التنقية الميكروبية على ركيزة الثقافة البكتيرية ، التي تزرع الميكروبيوم لنقل النتريت والأمونيوم إلى نترات لتنقية المياه. كل هذه الوحدات تحتاج إلى استبدالها فقط في ظل الظروف الحرجة.
تربط حلقة الدوران الخارجي على التوالي وحدة تخزين مياه البحر ووحدة زراعة المرجان ووحدة الفحم المنشط. تهدف حلقة الدوران هذه إلى توفير الضوء والضيق وتيار الماء وجودة مياه البحر العالية للشعاب المرجانية. يمكن تجديد مياه البحر من خلال مدخل المياه ومخرج المياه. تضاف المواد المضافة من خلال صمام ثلاثي الاتجاهات ، ويمكن أيضا استخراج عينة مياه البحر من هذا الصمام للفحص. يمكن ضخ الهواء من خلال مدخل الهواء وتفريغه من مخرج الهواء.
التصميم الإلكتروني
يتم استخدام مصدر طاقة تيار متردد 220 فولت مع مفتاح وفتيل للنظام بأكمله. تنقسم طاقة الإدخال إلى أربعة فروع. يذهب الفرع الأول إلى مصدر طاقة 12 فولت تيار مستمر ، والذي يعمل مباشرة على تشغيل لوحة التسخين ولوحة التبريد ومروحة التبريد. يعمل هذا الفرع أيضا بشكل غير مباشر على تشغيل مضختين ولوحتي إضاءة من خلال محول تيار مستمر رباعي القنوات. الفرع الثاني يذهب إلى جهاز تحكم في درجة الحرارة PID. الفرع الثالث يذهب إلى مصدر طاقة مضخة الهواء. يتصل الفرع الأخير بمصدر طاقة مصباح الأشعة فوق البنفسجية. يربط مرحل الحالة الصلبة وحدة التحكم في درجة الحرارة PID ولوحة التبريد في وحدة التحكم في درجة الحرارة. يتم استخدام مرحل منتظم لتوصيل وحدة التحكم في درجة الحرارة PID ولوحة التسخين. يقوم محول التيار المستمر رباعي القنوات بتحويل الجهد إلى الجهد المطلوب.
هناك نوعان من لوحات التحكم في الجزء الأيمن من النظام. هناك أربعة مفاتيح ووحدة تحكم واحدة لمصباح الأشعة فوق البنفسجية على اللوحة العلوية ، بما في ذلك مفتاح الطاقة الرئيسي ، ومفتاح طاقة مصباح الأشعة فوق البنفسجية ، ومفتاح مضخة الهواء ، ومفتاح التحكم في درجة الحرارة. يتحكم مفتاح الطاقة الرئيسي في مصدر الطاقة 12 فولت للنظام.
توجد وحدة تحكم في درجة الحرارة PID ، ومؤقت دورة ، ومحول تيار مستمر رباعي القنوات ، ومؤقت ثلاثي القنوات على اللوحة الأمامية. تقوم وحدة التحكم في درجة الحرارة PID بضبط درجة حرارة الماء عن طريق التحكم في ألواح التدفئة والتبريد في وحدة التحكم في درجة الحرارة. تعمل وحدة التحكم في درجة الحرارة فقط عندما تعمل مضخة الدوران الداخلية ويتدفق الماء عبر وحدة التحكم في درجة الحرارة. مؤقت الدورة متصل بخط طاقة مضخة الهواء. والغرض منه هو تعيين فترة وقت العمل لمضخة الهواء. هناك مؤقت ثلاثي القنوات منتشر في المقصورة الإلكترونية أيضا. يتحكم هذا المؤقت في فترة وقت العمل لمضخة الهواء وضوء المرجان وضوء الطحالب.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تصميم نظام الاستزراع المرجاني هذا لمحاكاة وتوفير بيئة دقيقة طبيعية أو مخصصة نسبيا للشعاب المرجانية التي سيتم زرعها والبقاء على قيد الحياة. وفي الوقت نفسه ، كجهاز مطور ذاتيا ، يجب أن يكون هذا النظام موثوقا وسهل الاستخدام وآمنا. على سبيل المثال ، فيما يتعلق بالتحكم في درجة الحرارة ، يجب ا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة من قبل برامج التنمية الرئيسية للدولة للبحوث الأساسية في الصين (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).
