サンゴの成長とモニタリングのための統合マイクロデバイスシステム
Summary
このプロトコルは、海珊瑚の長期的な養殖とモニタリングに適用できるモジュール式の制御可能なマイクロデバイスシステムの開発について説明しています。
Abstract
サンゴは、海洋および沿岸の生態系における基本的な生物です。近年のサンゴ保護研究の進展に伴い、サンゴの保全と研究のために、サンゴの養殖環境の正確な制御が強く求められています。ここでは、正確でプログラム可能な温度制御、無菌の初期環境、長期安定した水質、調整可能な溶存酸素濃度、およびサンゴのカスタマイズされた光スペクトルを提供できる、多機能プラットフォームとしてセミクローズドサンゴ培養マイクロデバイスシステムを開発しました。モジュラー設計により、サンゴ培養システムは、望ましい新しいモジュールを取り付けたり、既存のモジュールを取り外したりすることで、アップグレードまたは変更できます。現在、適切な条件と適切なシステムメンテナンスにより、サンプルサンゴは健康な状態で少なくとも30日間生き残ることができます。さらに、このサンゴ培養システムは、初期環境が制御可能で無菌であるため、サンゴと関連微生物の共生関係の研究を支援することができます。したがって、このマイクロデバイスシステムは、比較的定量的な方法で海サンゴを監視および調査するために適用できます。
Introduction
サンゴ礁の生態系の悪化は、過去70年間にわたって世界中で発生しています。中央アメリカ1、東南アジア2,3,4,5,6、オーストラリア7,8、東アフリカ9のすべての主要なサンゴ礁地域を考慮すると、サンゴ礁の世界的な被覆率は1950年代から半減しています10。このサンゴ礁の大量損失は、生態学的および経済的問題を引き起こしました。例えば、サンゴに依存するあらゆる種類の魚類の生息/不在と個体数を8年間追跡することで、研究者たちは、サンゴの減少がパプアニューギニアの魚類の生物多様性と個体数の大幅な減少を直接引き起こしていると結論付けました11。この結果は、サンゴの減少がサンゴ礁ベースの生物学的システムを損なうだけでなく、漁業収入を減少させる可能性があることを証明しました。
何十年にもわたる直接モニタリング、リモートセンシング、データ比較などのフィールド調査により、科学界はサンゴの大量減少を引き起こすいくつかの要因を特定しました。サンゴの大量減少の主な原因の1つは、高い海水温によって引き起こされるサンゴの白化です12,13。白化現象と気象学的記録を組み合わせることで、科学者たちは、サンゴの白化現象がエルニーニョ・南方振動のフェーズでより頻繁に起こっていると結論付けました14。サンゴの減少のもう一つの理由は、海洋酸性化です。大気中と海水中の両方でCO2濃度が上昇したため、炭酸カルシウムは以前よりも速く溶解し、サンゴ礁の石灰化の規模が縮小する15。実際、大気中のCO2濃度が500ppmを超えると、数千万人が苦しみ、サンゴ礁は著しい劣化と共生菌の剥離のリスクにさらされると結論付けられています16,17。サンゴの減少を引き起こしたり加速させたりする沿岸汚染物質など、サンゴの生存に影響を与える可能性のある他の要因もあります。ハワイの研究者は、サンゴの炭素、酸素、窒素の同位体を、溶存無機炭酸塩および関連栄養素(NH4+、PO43-、NO2-、およびNO3-)とともに測定し、陸地からの汚染がサンゴの沿岸酸性化と生物侵食を拡大したと結論付けました18.汚染に加えて、都市化はサンゴの生存を危険にさらし、シンガポール、ジャカルタ、香港、沖縄でのサンゴの生存状況に関する研究で明らかになったように、サンゴの構造の複雑さを比較的低くします。したがって、人為的ストレス要因の影響と気候変動の重なり合った影響は、サンゴ礁の生物多様性の広範な減少と、それに伴うサンゴの生態学的機能と回復力の低下につながっています19。
また、サンゴの生理機能には、窒素固定、キチン分解、有機化合物の合成、免疫20などの微生物が多数関与しており、サンゴ礁の劣化を考える際には、これらの微生物を含める必要があることにも注意が必要です。サンゴ礁などの自然環境では、不十分な水循環、藻類の滲出液、藻類の異常増殖など、多くの要因が低酸素または無酸素状態を引き起こします。この現象は、サンゴおよびサンゴ関連微生物の個体群分布に悪影響を及ぼします。たとえば、ベトナムの科学者は、ニャチャン、フーコック、ウジュンゲラムでは、サンゴの アクロポラフォルモサ の細菌組成が、さまざまな場所で溶存酸素の影響を受ける可能性があることを発見しました21。米国の研究者は、サンゴの低酸素状態または無酸素状態を調査し、藻類の滲出液が微生物活動を媒介し、局所的な低酸素状態を引き起こし、すぐ近くでサンゴの死亡率を引き起こす可能性があることを発見しました。また、サンゴは酸素濃度の低下に耐えられるが、曝露時間と酸素濃度の組み合わせによって決定される所定の閾値を超える程度であることもわかった22。インドの研究者は、 Noctiluca scintillans 藻類が繁殖すると、溶存酸素が2 mg / Lに減少することを発見しました。 この濃度を下回ると、 Acropora montiporacan の約70%が低酸素状態のために死にました23。
上記のすべての事実と要因は、環境の変化がサンゴ礁の劣化につながることを示唆しています。特定の条件下でサンゴ礁を養殖・研究するためには、サンゴ礁が生息する制御可能な微視的環境を正確かつ包括的に構築することが重要です。通常、科学者は温度、光、水の流れ、栄養素に焦点を当てています。しかし、海水中の溶存酸素濃度、微生物の存在量、微生物の多様性など、他の特徴は一般的に無視されています。この目的のために、私たちのグループは、比較的制御された環境でサンゴポリプを培養するために小型機器を適用する可能性を探りました24,25。この研究では、サンゴ養殖用のモジュール式マイクロデバイスシステムを設計および構築しました。このモジュール式マイクロデバイスシステムは、温度、光スペクトル、溶存酸素濃度、栄養素、微生物などの点で制御可能な微小環境を提供することができ、拡張とアップグレードの能力を備えています。
デバイスのモジュールと機能
マイクロデバイスシステムはベルリンシステム26に触発されたが、現在のシステムではライブロックは使用されていない。図1に示すように、現在のシステムは、6つのメインモジュール、2つのブラシレスモーターポンプ、1つのガスポンプ、1つのフロースルーUVランプ、 1つの電源、特定の電子制御コンポーネント、および関連するワイヤーとネジで構成されています。6つの主要モジュールには、海水貯留モジュール(エアポンプと温度センサー付き)、温度制御モジュール、藻類浄化モジュール、微生物浄化モジュール、活性炭浄化モジュール、サンゴ培養モジュールが含まれます。
デバイスのアーキテクチャ
図2と図3に示すように、マイクロデバイスシステム全体を水平方向に2つのコンパートメントに分割し、その間に温度制御モジュールを挟むことができます。安全上の理由から、すべての海水を含むモジュールと部品は、培養コンパートメントと呼ばれる左側のコンパートメントに配置されます。他の電子部品は、電子コンパートメントと呼ばれる右側のコンパートメントに配置されます。両方のコンパートメントは密封されているか、シェル内に梱包されています。温度制御モジュールは、その間の仕切り板に固定されています。培養コンパートメントのシェルには、ベースボードと3つのネジ固定プレートが含まれています。この設計により、コンパートメントの気密性が保証され、システムの操作が容易になります。さらに、気密性は正確な温度制御を支持します。電子コンパートメントのシェルには、ベースボード、2つのネジ固定プレート、および1つのフロントコントロールパネルが含まれています。
水循環
海水貯留モジュールに接続された内側と外側の海水循環ループは、事前に設計されました。内部循環ループは、海水貯蔵モジュール、温度制御モジュール、フロースルーUVランプ、藻類浄化モジュール、および微生物浄化モジュールを正常に接続します。この循環ループは、サンゴに適した生理学的および生理学的海水条件を提供することを目的としており、頻繁なメンテナンスは必要ありません。藻類精製モジュールには、水中の余分な栄養素(硝酸塩とリン酸塩)を吸収する Chaetomorpha 藻類が含まれています。微生物浄化モジュールには、微生物叢を培養して亜硝酸塩とアンモニウムを硝酸塩に移し、浄水する細菌培養基質が含まれています。これらのモジュールはすべて、重大な状況下でのみ交換する必要があります。
外側の循環ループは、海水貯留モジュール、サンゴ培養モジュール、および活性炭モジュールを連続して接続します。この循環ループは、サンゴに光、気密性、水流、および高い海水質を提供することを目的としています。海水は、水の入口と出口からリフレッシュできます。添加剤は三方弁を介して添加され、検査のためにこの弁から海水サンプルを抽出することもできます。空気は吸気口から送り込み、排気口から排出することができます。
電子設計
システム全体には、スイッチとヒューズを備えた220 V AC電源が使用されます。入力電力は 4 つの分岐に分かれています。最初の分岐は12 V DC電源に接続され、加熱パネル、冷却パネル、および冷却ファンに直接電力を供給します。また、この分岐は、4チャンネルのDCトランスを介して2つのポンプと2つの照明パネルに間接的に電力を供給します。2 番目の分岐は PID 温度コントローラーに送られます。3番目のブランチは、エアポンプ電源に行きます。最後の分岐はUVランプ電源に接続します。ソリッドステートリレーは、PID温度コントローラと温度制御モジュールの冷却パネルを接続します。通常のリレーを使用して、PID温度コントローラーと加熱パネルを接続します。4チャンネルのDCトランスは、電圧を必要な電圧に変換します。
システムの右側には 2 つのコントロールパネルがあります。天板には、主電源スイッチ、UVランプ電源スイッチ、エアポンプスイッチ、温度制御スイッチなど、UVランプ用のスイッチとコントローラーが1つずつあります。主電源スイッチは、システムの12V電源を制御します。
PID温度コントローラ、サイクルタイマ、4チャンネルDCトランス、および3チャンネルタイマがフロントパネルにあります。PID温度コントローラは、温度制御モジュール内の加熱および冷却パネルを制御することにより、水温を調整します。温度制御モジュールは、内部循環ポンプが作動していて、水が温度制御モジュールを通過して流れている 場合にのみ 機能します。サイクルタイマーはエアポンプの電源ラインに接続されています。その目的は、エアポンプに作業期間を割り当てることです。電子コンパートメントにも3チャンネルのタイマーが配置されています。このタイマーは、エアポンプ、コーラルライト、および藻類ライトの作業時間を制御します。
Protocol
Representative Results
Discussion
このサンゴ培養システムは、サンゴが移植されて生き残るための比較的自然な微小環境またはカスタマイズされた微小環境をシミュレートして提供するように設計されています。一方、自社開発の機器として、このシステムは信頼性が高く、ユーザーフレンドリーで、安全である必要があります。例えば、温度管理では、海水温は日々の環境状況に応じて適切に管理する必要があります。サ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究は、中国国家基礎研究重点発展計画(2021YFC3100502)の支援を受けて行われた。
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 |
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