Et integreret mikroenhedssystem til koralvækst og overvågning

Summary

Denne protokol beskriver udviklingen af et modulært kontrollerbart mikroenhedssystem, der kan anvendes til langsigtet dyrkning og overvågning af havkoraller.

Abstract

Koraller er grundlæggende organismer i marine og kystnære økosystemer. Med fremskridt inden for koralbeskyttelsesforskning i de senere år er præcis kontrol af koralkulturmiljøet meget efterspurgt efter koralbevarelse og undersøgelse. Her udviklede vi et semi-lukket koralkultur-mikroenhedssystem som en multifunktionel platform, der kan give nøjagtig og programmerbar temperaturkontrol, et sterilt indledende miljø, langsigtet stabil vandkvalitet, en justerbar koncentration af opløst ilt og et tilpasset lysspektrum til koraller. På grund af det modulære design kan koralkultursystemet opgraderes eller ændres ved at installere ønskelige nye moduler eller fjerne eksisterende. I øjeblikket kan prøvekorallerne under passende forhold og med korrekt systemvedligeholdelse overleve i mindst 30 dage i en sund tilstand. På grund af det kontrollerbare og sterile oprindelige miljø kan dette koralkultursystem desuden understøtte forskning i det symbiotiske forhold mellem koraller og tilknyttede mikroorganismer. Derfor kan dette mikroenhedssystem anvendes til at overvåge og undersøge havkoraller på en relativt kvantitativ måde.

Introduction

Forringelsen af koralrevets økosystemer har fundet sted over hele verden i løbet af de sidste 70 år. I betragtning af alle de store koralområder i Mellemamerika¹, Sydøstasien 2,3,4,5,6, Australien ^7,8 og Østafrika⁹ er den globale dækning af koralrev halveret siden 1950’erne¹⁰. Dette massetab af koralrev har resulteret i økologiske og økonomiske problemer. For eksempel konkluderede forskere ved at spore tilstedeværelsen / fraværet og overflod af alle slags koralafhængige fisk i 8 år, at koralnedgangen direkte har forårsaget et betydeligt fald i fiskenes biodiversitet og overflod i Papua Ny Guinea¹¹. Dette resultat viste, at koralnedgangen ikke kun kan underminere koralrevbaserede biologiske systemer, men også reducere fiskeriindtægterne.

Gennem årtier med feltundersøgelser, herunder direkte overvågning, telemåling og datasammenligning, har det videnskabelige samfund identificeret flere faktorer, der forårsager massekoralnedgangen. En væsentlig årsag til massekoralnedgangen er koralblegning forårsaget af høje havvandstemperaturer^12,13. Ved at kombinere blegning og meteorologiske optegnelser har forskere konkluderet, at koralblegning sker hyppigere i El Niño-Southern Oscillation faser¹⁴. En anden grund til koralnedgangen er havforsuring. På grund af den øgede CO₂ -koncentration i både atmosfæren og havvandet opløses calciumcarbonat hurtigere end før, hvilket forårsager nedskalere netkoralrevsforkalkning¹⁵. Det er faktisk blevet konkluderet, at når CO₂ -koncentrationen i atmosfæren når over 500 ppm, vil titusinder af mennesker lide, og koralrevene risikerer betydelig forringelse og symbiodiniumfrigørelse^16,17. Der er andre faktorer, der også kan påvirke koraloverlevelse, såsom kystforurenende stoffer, der forårsager eller fremskynder koralnedgang. Forskere på Hawaii målte kulstof-, ilt- og nitrogenisotoperne i koraller sammen med det opløste uorganiske carbonat og de relaterede næringsstoffer (NH₄ ⁺, PO₄ 3-, NO₂ ^– og NO₃ ^– ) og konkluderede, at forurening fra landet forstørrede kystforsuring og bioerosion af koraller¹⁸. Ud over forurening truer urbanisering også koraloverlevelse og forårsager relativt lav arkitektonisk kompleksitet i koraller, som afsløret af en undersøgelse af koraloverlevelsesstatus i Singapore, Jakarta, Hong Kong og Okinawa. Virkningen af menneskeskabte stressfaktorer og de overlejrede virkninger af klimaændringer fører således til udbredt reduceret biodiversitet på koralrev og et dermed forbundet fald i koralernes økologiske funktion og modstandsdygtighed¹⁹.

Det skal også bemærkes, at et stort antal mikroorganismer deltager i korallernes fysiologiske funktioner, herunder nitrogenfiksering, chitinnedbrydning, syntese af organiske forbindelser og immunitet²⁰, og disse mikroorganismer bør således medtages, når man overvejer koralrevforringelse. I naturlige miljøer, såsom koralrev, forårsager mange faktorer hypoxiske eller anoxiske tilstande, herunder utilstrækkelig vandcirkulation, algeekssudat og algeovervækst. Dette fænomen påvirker populationsfordelingen af koraller og koralrelaterede mikroorganismer negativt. For eksempel fandt vietnamesiske forskere, at i Nha Trang, Phu Quoc og Ujung Gelam kunne bakteriesammensætningen i korallen Acropora Formosa blive påvirket af opløst ilt forskellige steder²¹. Forskere i USA udforskede hypoxiske eller anoxia betingelser i koraller og fandt ud af, at algeekssudater kan formidle mikrobiel aktivitet, hvilket fører til lokaliserede hypoxiske tilstande, hvilket kan forårsage koraldødelighed i umiddelbar nærhed. De fandt også, at koraller kunne tolerere reducerede iltkoncentrationer, men kun over en given tærskel bestemt af en kombination af eksponeringstid og iltkoncentration²². Forskere i Indien fandt, at når Noctiluca scintillans alger blomstrede, faldt det opløste ilt til 2 mg / L. Under denne koncentration døde ca. 70% af Acropora montiporacan på grund af hypoxiske tilstande²³.

Alle ovennævnte kendsgerninger og faktorer tyder på, at miljøændringer fører til forringelse af koralrev. For at dyrke og studere revkoraller under visse betingelser er det vigtigt nøjagtigt og omfattende at opbygge et kontrollerbart mikroskopisk miljø for revkoraller at bebo. Normalt fokuserer forskere på temperatur, lys, vandstrøm og næringsstoffer. Imidlertid ignoreres andre funktioner, såsom koncentrationen af opløst ilt, overflod af mikroorganismer og mikroorganismediversitet i havvandet, ofte. Til dette formål har vores gruppe undersøgt muligheden for at anvende lille udstyr til dyrkning af koralpolypper i et relativt kontrolleret miljø^24,25. I dette arbejde designede og opbyggede vi et modulært mikroenhedssystem til koralkultur. Dette modulære mikroenhedssystem kan give et kontrollerbart mikromiljø med hensyn til temperatur, lysspektrum, koncentration af opløst ilt, næringsstoffer og mikroorganismer osv. Og har kapacitet til udvidelse og opgradering.

Moduler og funktioner på enheden
Mikroenhedssystemet blev inspireret af Berlin-systemet²⁶, men der anvendes ingen levende sten i det nuværende system. Som vist i figur 1 består det nuværende system af seks hovedmoduler, to børsteløse motorpumper, en gaspumpe, en gennemstrømnings-UV-lampe, en strømforsyning, visse elektroniske styringskomponenter og de tilhørende ledninger og skruer. De seks hovedmoduler inkluderer et havvandslagermodul (med en luftpumpe og temperatursensor), et temperaturkontrolmodul, et algerensningsmodul, et mikrobielt rensningsmodul, et aktivt kulrensningsmodul og et koralkulturmodul.

Enhedens arkitektur
Som vist i figur 2 og figur 3 kan det samlede mikroenhedssystem opdeles vandret i to rum med et temperaturkontrolmodul imellem. Af sikkerhedsmæssige årsager placeres alle de havvandsholdige moduler og dele i det venstre rum, kaldet kulturrummet. De andre elektroniske dele placeres i det rigtige rum, kaldet det elektroniske rum. Begge rum er forseglet eller pakket i skaller. Temperaturreguleringsmodulet er fastgjort i en skilleplade imellem. Kulturrummets skal indeholder en bundplade og tre skruefastgørelsesplader. Dette design sikrer rumtæthed og letter driften af systemet. Derudover favoriserer tætheden nøjagtig temperaturkontrol. Skallen på det elektroniske rum indeholder en bundplade, to skruefastgørelsesplader og et frontkontrolpanel.

Vandcirkulation
En indre og ydre havvandscirkulationssløjfe forbundet til havvandslagermodulet blev prædesignet. Den indre cirkulationssløjfe forbinder med succes havvandslagermodulet, temperaturkontrolmodulet, gennemstrømnings-UV-lampen, algerensningsmodulet og det mikrobielle rensningsmodul. Denne cirkulationssløjfe har til formål at give passende fysiokemiske og fysiologiske havvandsforhold for korallerne, og der er ikke behov for hyppig vedligeholdelse. Algerensningsmodulet indeholder Chaetomorpha-alger , som optager de ekstra næringsstoffer (nitrat og fosfat) i vandet. Det mikrobielle rensningsmodul indeholder bakteriekultursubstratet, som dyrker mikrobiomet for at overføre nitrit og ammonium til nitrat til vandrensning. Alle disse moduler skal kun udskiftes under kritiske omstændigheder.

Den ydre cirkulationssløjfe forbinder successivt havvandslagermodulet, koralkulturmodulet og aktivt kulmodulet. Denne cirkulationssløjfe har til formål at give korallerne lys, tæthed, vandstrøm og høj havvandskvalitet. Havvandet kan forfriskes gennem et vandindtag og et vandudløb. Tilsætningsstoffer tilsættes gennem en trevejsventil, og havvandsprøven kan også ekstraheres fra denne ventil til inspektion. Luft kan pumpes ind gennem et luftindtag og udledes fra et luftudtag.

Elektronisk design
En 220 V vekselstrømsforsyning med afbryder og sikring bruges til hele systemet. Indgangseffekten er opdelt i fire grene. Den første gren går til en 12 V DC strømforsyning, som direkte driver varmepanelet, kølepanelet og køleventilatoren. Denne gren driver også indirekte to pumper og to belysningspaneler gennem en firekanals DC-transformer. Den anden gren går til en PID-temperaturregulator. Den tredje gren går til en luftpumpe strømforsyning. Den sidste gren tilsluttes en UV-lampe strømforsyning. Et solid state-relæ forbinder PID-temperaturregulatoren og kølepanelet i temperaturreguleringsmodulet. Et almindeligt relæ bruges til at forbinde PID-temperaturregulatoren og varmepanelet. Firekanals DC-transformeren konverterer spændingen til det, der kræves.

Der er to kontrolpaneler på højre del af systemet. Der er fire kontakter og en controller til UV-lampen på toppanelet, herunder en hovedafbryder, en UV-lampeafbryder, en luftpumpekontakt og en temperaturreguleringsafbryder. Hovedafbryderen styrer systemets 12 V strømforsyning.

En PID-temperaturregulator, en cyklustimer, en firekanals DC-transformer og en trekanals timer er på frontpanelet. PID-temperaturregulatoren justerer vandtemperaturen ved at styre varme- og kølepanelerne i temperaturreguleringsmodulet. Temperaturreguleringsmodulet fungerer kun , når den indre cirkulationspumpe fungerer, og vandet strømmer forbi temperaturreguleringsmodulet. Cyklustimeren er tilsluttet luftpumpens strømledning. Dens formål er at tildele arbejdstidsperioden til luftpumpen. Der er også en trekanals timer indsat i det elektroniske rum. Denne timer styrer arbejdstidsperioden for luftpumpen, korallys og algelys.

Protocol

Korallerne, der blev brugt til denne undersøgelse, var Seriatopora caliendrum, som dyrkes i vores laboratorium. Alle korallerne blev venligst leveret af South China Sea Institute of Oceanology, University of Chinese Academy of Sciences. 1. Inspektion og opstart BEMÆRK: Hvert modul skal testes for tæthed og funktion individuelt, før systemet samles. Deioniseret vand skal bruges til at teste modulets tæthed. Kommercielle detaljer om alle m…

Representative Results

Nøjagtighed af temperaturkontrolSystemtemperaturen er normalt indstillet til 23-28 °C afhængigt af koralarten. Men som en af de vigtigste faktorer kan temperaturudsving stærkt påvirke koraloverlevelsen. Derfor er temperaturreguleringsnøjagtighed en afgørende faktor for koralkultursystemet. En temperatursensor og en uafhængig dataindsamler med et temperaturområde fra 9 °C til 32 °C kan bruges til at teste nøjagtigheden af temperaturreguleringen i koralkulturmodulet. Vi indstiller systemets…

Discussion

Dette koralkultursystem er designet til at simulere og give et relativt naturligt eller tilpasset mikromiljø for koraller, der skal transplanteres ind i og overleve. I mellemtiden skal dette system som et selvudviklet udstyr være pålideligt, brugervenligt og sikkert. For eksempel med hensyn til temperaturregulering bør havvandets temperatur styres passende baseret på de daglige miljøforhold. Systemet blev testet ved at dyrke korallen i 1 måned, hvilket bekræfter systemets pålidelighed.

<p class="jove_content…

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