Summary
Этот протокол описывает разработку модульной управляемой системы микроустройств, которая может быть применена для долгосрочного культивирования и мониторинга морских кораллов.
Abstract
Кораллы являются основными организмами в морских и прибрежных экосистемах. В связи с развитием исследований в области защиты кораллов в последние годы, точный контроль среды коралловых культур очень востребован для сохранения и изучения кораллов. Здесь мы разработали полузакрытую систему микроустройств для культивирования кораллов в качестве многофункциональной платформы, которая может обеспечить точный и программируемый контроль температуры, стерильную начальную среду, долгосрочное стабильное качество воды, регулируемую концентрацию растворенного кислорода и настраиваемый спектр света для кораллов. Благодаря модульной конструкции систему культивирования кораллов можно модернизировать или модифицировать, устанавливая новые модули или удаляя существующие. В настоящее время, при надлежащих условиях и при надлежащем системном обслуживании, образцы кораллов могут выживать не менее 30 дней в здоровом состоянии. Кроме того, благодаря контролируемой и стерильной исходной среде, эта система культивирования кораллов может способствовать исследованиям симбиотических отношений между кораллами и связанными с ними микроорганизмами. Таким образом, эта система микроустройств может быть применена для мониторинга и исследования морских кораллов относительно количественным образом.
Introduction
Ухудшение экосистем коралловых рифов происходит во всем мире на протяжении последних 70 лет. С учетом всех основных коралловых районов в Центральной Америке1, Юго-Восточной Азии 2,3,4,5,6, Австралии 7,8 и Восточной Африке9 глобальный охват коралловых рифов сократился вдвое с 1950-х годов10. Эта массовая потеря коралловых рифов привела к экологическим и экономическим проблемам. Например, отслеживая присутствие/отсутствие и численность всех видов коралловых рыб в течение 8 лет, исследователи пришли к выводу, что сокращение численности кораллов непосредственно вызвало существенное снижение биоразнообразия и численности рыб в Папуа-Новой Гвинее. Этот результат доказал, что сокращение кораллов может не только подорвать биологические системы, основанные на коралловых рифах, но и снизить доходы от рыболовства.
За десятилетия полевых исследований, включая прямой мониторинг, дистанционное зондирование и сравнение данных, научное сообщество выявило несколько факторов, вызывающих массовое сокращение кораллов. Одной из основных причин массового сокращения кораллов является обесцвечивание кораллов, вызванное высокой температурой морской воды12,13. Объединив данные об обесцвечивании и метеорологические данные, ученые пришли к выводу, что обесцвечивание кораллов происходит чаще в фазах Эль-Ниньо-Южного колебания14. Еще одна причина сокращения кораллов – закисление океана. Из-за повышенной концентрацииСО2 как в атмосфере, так и в морской воде карбонат кальция растворяется быстрее, чем раньше, вызывая кальцификацию коралловых рифов15. Действительно, был сделан вывод, что когда концентрацияСО2 в атмосфере достигнет выше 500 ppm, пострадают десятки миллионов людей, а коралловые рифы окажутся под угрозой значительного ухудшения состояния и отрыва симбиодиниума16,17. Существуют и другие факторы, которые также могут повлиять на выживание кораллов, такие как прибрежные загрязнители, вызывающие или ускоряющие сокращение кораллов. Исследователи на Гавайях измерили изотопы углерода, кислорода и азота в кораллах, а также растворенный неорганический карбонат и связанные с ним питательные вещества (NH4+, PO4 3-, NO2− и NO3−) и пришли к выводу, что загрязнение с суши усиливает закисление побережья и биоэрозиюкораллов. Помимо загрязнения, урбанизация также ставит под угрозу выживание кораллов и вызывает относительно низкую архитектурную сложность кораллов, как показало исследование состояния выживания кораллов в Сингапуре, Джакарте, Гонконге и Окинаве. Таким образом, воздействие антропогенных стрессоров и наложенные на них последствия изменения климата приводят к повсеместному сокращению биоразнообразия коралловых рифов и связанному с этим снижению экологической функции и устойчивости кораллов19.
Следует также отметить, что большое количество микроорганизмов участвует в физиологических функциях кораллов, включая азотфиксацию, разложение хитина, синтез органических соединений и иммунитет20, и эти микроорганизмы, таким образом, должны быть включены при рассмотрении вопроса об ухудшении состояния коралловых рифов. В естественной среде, такой как коралловые рифы, многие факторы вызывают гипоксические или бескислородные условия, включая недостаточную циркуляцию воды, экссудат водорослей и чрезмерный рост водорослей. Это явление негативно сказывается на распределении популяций кораллов и связанных с ними микроорганизмов. Например, вьетнамские ученые обнаружили, что в Нячанге, Фукуоке и Уджунг-Геламе бактериальный состав коралла Acropora Formosa может подвергаться влиянию растворенного кислорода в разных местах21. Исследователи из Соединенных Штатов изучили условия гипоксии или аноксии у кораллов и обнаружили, что экссудат водорослей может опосредуть микробную активность, приводя к локализованным гипоксическим условиям, которые могут вызвать гибель кораллов в непосредственной близости. Они также обнаружили, что кораллы могут переносить пониженную концентрацию кислорода, но только выше заданного порога, определяемого комбинацией времени воздействияи концентрации кислорода. Исследователи из Индии обнаружили, что при цветении водорослей Noctiluca scintillans содержание растворенного кислорода снизилось до 2 мг/л. Ниже этой концентрации около 70% Acropora montiporacan погибли из-за гипоксическихусловий.
Все вышеперечисленные факты и факторы говорят о том, что изменение окружающей среды приводит к ухудшению состояния коралловых рифов. Для культивирования и изучения рифовых кораллов в определенных условиях важно точно и всесторонне создать контролируемую микроскопическую среду для обитания рифовых кораллов. Обычно ученые сосредотачиваются на температуре, освещении, потоке воды и питательных веществах. Однако другие характеристики, такие как концентрация растворенного кислорода, обилие микроорганизмов и разнообразие микроорганизмов в морской воде, обычно игнорируются. С этой целью наша группа исследовала возможность применения небольшого оборудования для культивирования коралловых полипов в относительно контролируемой среде24,25. В этой работе мы спроектировали и построили модульную систему микроустройств для культуры кораллов. Эта модульная система микроустройств может обеспечить контролируемую микросреду с точки зрения температуры, светового спектра, концентрации растворенного кислорода, питательных веществ, микроорганизмов и т. д., а также имеет возможность расширения и модернизации.
Модули и функции устройства
Система микроустройств была вдохновлена берлинской системой26, но в нынешней системе не используются живые камни. Как показано на рисунке 1, текущая система состоит из шести основных модулей, двух бесщеточных насосов с двигателем, одного газового насоса, одной проточной УФ-лампы, одного источника питания, некоторых электронных компонентов управления, а также соответствующих проводов и винтов. Шесть основных модулей включают в себя модуль хранения морской воды (с воздушным насосом и датчиком температуры), модуль контроля температуры, модуль очистки водорослей, модуль микробной очистки, модуль очистки активированного угля и модуль культуры кораллов.
Архитектура устройства
Как показано на рисунке 2 и рисунке 3, вся система микроустройств может быть разделена по горизонтали на два отсека с модулем контроля температуры между ними. Из соображений безопасности все модули и детали, содержащие морскую воду, помещены в левый отсек, называемый отсеком для культур. Остальные электронные компоненты размещаются в правом отсеке, называемом электронным отсеком. Оба отсека запечатаны или упакованы в оболочки. Между ними модуль контроля температуры закреплен в разделительной пластине. Оболочка культурального отделения включает в себя плинтус и три пластины для винтового крепления. Такая конструкция обеспечивает герметичность отсека и облегчает эксплуатацию системы. Кроме того, герметичность способствует точному контролю температуры. Оболочка электронного отсека включает в себя плинтус, две пластины винтового крепления и одну переднюю панель управления.
Циркуляция воды
Был предварительно спроектирован внутренний и внешний контур циркуляции забортной воды, соединенный с модулем хранения морской воды. Внутренний контур циркуляции успешно соединяет модуль хранения морской воды, модуль контроля температуры, проточную УФ-лампу, модуль очистки водорослей и модуль микробной очистки. Этот циркуляционный контур направлен на обеспечение подходящих физико-химических и физиологических условий морской воды для кораллов, и не требует частого ухода. Модуль очистки водорослей содержит водоросли Chaetomorpha , которые поглощают дополнительные питательные вещества (нитраты и фосфаты) из воды. Модуль микробной очистки содержит бактериальный культуральный субстрат, который культивирует микробиом для преобразования нитритов и аммония в нитраты для очистки воды. Все эти модули нуждаются в замене только в критических обстоятельствах.
Внешняя циркуляционная петля последовательно соединяет модуль хранения морской воды, модуль культуры кораллов и модуль активированного угля. Эта циркуляционная петля направлена на обеспечение света, герметичности, течения воды и высокого качества морской воды для кораллов. Морскую воду можно освежать через входное и выходное отверстия для воды. Добавки добавляются через трехходовой клапан, и из этого клапана также может быть извлечена проба морской воды для проверки. Воздух может нагнетаться через воздухозаборник и выводиться из воздуховыпускного отверстия.
Электронный дизайн
Для всей системы используется источник питания переменного тока 220 В с выключателем и предохранителем. Входная мощность разделена на четыре ветви. Первая ветвь идет к источнику питания 12 В постоянного тока, который напрямую питает нагревательную панель, панель охлаждения и вентилятор охлаждения. Эта ветвь также косвенно питает два насоса и две панели освещения через четырехканальный трансформатор постоянного тока. Вторая ветвь идет к ПИД-регулятору температуры. Третья ветвь идет к источнику питания воздушного насоса. Последняя ветка подключается к источнику питания УФ-лампы. Твердотельное реле соединяет ПИД-регулятор температуры и панель охлаждения в модуле термостатирования. Штатное реле используется для подключения ПИД-регулятора температуры и нагревательной панели. Четырехканальный трансформатор постоянного тока преобразует напряжение в требуемое.
В правой части системы расположены две панели управления. На верхней панели расположены четыре переключателя и один контроллер для УФ-лампы, включая главный выключатель питания, выключатель питания УФ-лампы, переключатель воздушного насоса и переключатель управления температурой. Главный выключатель питания управляет питанием системы 12 В.
На передней панели расположены ПИД-регулятор температуры, таймер циклов, четырехканальный трансформатор постоянного тока и трехканальный таймер. ПИД-регулятор температуры регулирует температуру воды, управляя панелями нагрева и охлаждения в модуле контроля температуры. Модуль контроля температуры работает только тогда, когда работает внутренний циркуляционный насос и вода протекает мимо модуля контроля температуры. Таймер цикла подключается к линии питания воздушного насоса. Его назначение заключается в назначении периода рабочего времени воздушному насосу. В электронном отсеке также развернут трехканальный таймер. Этот таймер управляет периодом времени работы воздушного насоса, кораллового света и освещения водорослей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Кораллы, использованные в данном исследовании, были Seriatopora caliendrum, которые культивируются в нашей лаборатории. Все кораллы были любезно предоставлены Институтом океанологии Южно-Китайского моря Университета Китайской академии наук.
1. Осмотр и ввод в эксплуатацию
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед сборкой системы каждый модуль должен быть протестирован на герметичность и функционирование по отдельности. Для проверки герметичности модуля следует использовать деионизированную воду. Подробная информация обо всех компонентах модуля приведена в таблице материалов.
- Испытание на герметичность межмодульного соединения
- Подключите все модули и насосы (Рисунок 1) и убедитесь, что вода течет по системе по кругу в течение не менее 30 минут.
- Проверьте все швы на предмет возможных протечек. Если в каком-либо из склеивающих швов возникает протекание, нанесите клей с внешней стороны. Если в каком-либо из соединительных швов возникает утечка, снова затяните соединение и проверьте, не нужно ли менять уплотнительную прокладку.
- Погрузка
- После проверки герметичности опорожните и высушите воду внутри.
- Загрузите соответствующее содержимое.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, субстрат бактериальной культуры загружается в модуль микробной очистки, а водоросли Chaetomorpha загружаются в модуль очистки водорослей.
- Сборка и тестирование всей системы
- После загрузки закрепите модули на плинтусе с помощью саморезов.
- Соедините модули внутренней циркуляции с модулями внешней циркуляции (без модуля коралловых культур).
- Для перфузии морской воды впрыскивайте морскую воду через входное отверстие в модуле хранения морской воды. Когда уровень воды на 3 см выше, чем входные отверстия насосов, включите насосы и продолжайте нагнетание морской воды до тех пор, пока внутренние циркуляционные модули не заполнятся морской водой, а в модуле хранения морской воды останется место для воздуха (высотой 3 см).
ПРИМЕЧАНИЕ: Морская вода готовится с использованием чистой воды и морской соли (см. Таблицу материалов).
- Системный тест
- Включите все переключатели и установите напряжение обоих насосов морской воды на 9 В. Установите температуру воды на 25 °C.
- Установите таймер цикла на «1 минута включения и 1 минута выключения». Установите все три канала трехканального таймера на «9:00 утра вкл.» и «5:00 вечера выключено».
- Следите за системой не менее 24 часов на предмет любых неисправностей. Если проблема не обнаружена, то система готова к следующему шагу операции.
ПРИМЕЧАНИЕ: Важно очистить все пузырьки во всех модулях, кроме модуля хранения морской воды. Всю систему можно слегка приподнять и встряхнуть, чтобы переместить пузырьки от входного отверстия модуля к выходному.
2. Создание микробной среды
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед трансплантацией кораллов необходимо создать благоприятную для кораллов микробную среду. Для культивирования микроорганизмов в системе, особенно в модуле микробной очистки, в качестве микробного источника для системы нитрификации следует добавить разбавленный раствор пробиотиков.
- Добавление источника микробиома
- Добавьте 1 мл коммерческого исходного раствора микробиома (см. таблицу материалов) в 500 мл морской воды при перемешивании.
- Введите 50 мл вышеуказанного разбавленного раствора и 10 мкл коммерческого питательного раствора для кораллов (см. Таблицу материалов) в циркуляционную систему.
- Культура микробиома
- Включите насос внутренней циркуляции и воздушный насос для культивирования микробиома в течение 21 дня. Требования к содержанию кислорода в микробиоме определяют пропорции своевременного и выключенного воздушного насоса.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг направлен на культивирование микробиома очистки морской воды и стимулирование роста полезного для кораллов микробиома в системе. В этом процессе морская вода начинает мутнеть со второго по четвертый день после инъекции микробиома. После этого процесса культивирования микробиома должна быть установлена способность системы к деградации питательных веществ. Следует отметить, что для удовлетворения различных экспериментальных требований для создания среды микробиома могут использоваться различные источники микробиома.
- Включите насос внутренней циркуляции и воздушный насос для культивирования микробиома в течение 21 дня. Требования к содержанию кислорода в микробиоме определяют пропорции своевременного и выключенного воздушного насоса.
3. Пересадка и рост кораллов
- Пересадка кораллов
- Отрежьте необработанные коралловые ветви с длинными чешуйками 3-5 см, а затем приклейте эти коралловые ветви к напечатанным на 3D-принтере опорным основаниям для кораллов (Дополнительный файл кодирования 1).
- Поместите эти образцы коралловых ветвей обратно в оригинальный резервуар с морской водой не менее чем на 7 дней для восстановления.
- Закрепите опорное основание коралла на блоке вращения с помощью клея. Соберите модуль коралловых культур и подключите его к внешнему контуру циркуляции.
- Визуализация роста кораллов
ПРИМЕЧАНИЕ: Для оценки роста кораллов необходимо получить изображения кораллов с течением времени. Использование разъемного соединения позволяет удобно извлекать модуль коралловых культур из всей системы для визуализации. С этой целью сооружается мини-фотостудия с соответствующими условиями освещения. Камера с макрообъективом (см. Таблицу материалов) используется для съемки морфологии поверхности кораллов в разные периоды. Устройство вращения кораллов в модуле культуры может эксплуатироваться вне модуля в бесконтактном режиме. Вращая магнитную ручку, расположенную рядом с модулем, можно получать полноракурсные изображения кораллов.- Разместите камеру в верхней части студии и сделайте снимки с вертикального вида.
- Разместите модуль коралловых культур в мини-фотостудии, расположив кораллы в центре и внизу.
- Сделайте снимки кораллов, повернув внешнюю ручку.
ПРИМЕЧАНИЕ: Из соображений выживания кораллов время визуализации должно быть ограничено 15 минутами.
4. Регламентное обслуживание системы
ПРИМЕЧАНИЕ: Плановое техническое обслуживание включает в себя проверку утечек, проверку неисправностей, добавление присадок и замену морской воды.
- Проверка утечек
- Осмотрите плинтус на наличие пятен или капель воды. Поскольку защитная оболочка системы прозрачна, визуальный осмотр утечки воды прост и удобен. Этот осмотр необходимо проводить каждый день.
- Проверка неисправностей
- Убедитесь, что этот шаг включает в себя проверку температуры воды, насосов, напряжения света, состояния воздушного насоса и состояния таймера, включая визуальную проверку и запись заданной температуры воды, температуры в реальном времени, выходного напряжения трансформатора, настроек УФ-лампы и рабочего состояния таймера. Этот осмотр следует проводить каждый день.
ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые системные неисправности могут быть диагностированы на основе ненормальных звуков или необычных температур.
- Убедитесь, что этот шаг включает в себя проверку температуры воды, насосов, напряжения света, состояния воздушного насоса и состояния таймера, включая визуальную проверку и запись заданной температуры воды, температуры в реальном времени, выходного напряжения трансформатора, настроек УФ-лампы и рабочего состояния таймера. Этот осмотр следует проводить каждый день.
- Добавление добавок
ПРИМЕЧАНИЕ: Добавление добавок - это процесс добавления питательных веществ и других реагентов в систему.- Например, извлеките 10 мл морской воды с помощью шприца из трехходового клапана между модулем активированного угля и модулем морской воды.
- Растворите добавки в экстрагированной морской воде.
- Впрыскивайте раствор обратно в систему через трехходовой клапан. В реальных случаях типы, количества и частоты добавления добавок определяются качеством морской воды системы с учетом требований эксперимента.
- Водообмен
ПРИМЕЧАНИЕ: Регулярный водообмен может снизить концентрацию токсичных веществ и эвтрофикацию в системе культивирования. Если позволяют экспериментальные условия, замена морской воды может стать рутинной операцией.- Отключите питание всей системы и отсоедините кабель питания из соображений безопасности.
- Снимите модуль коралловых культур.
- Подсоедините наружный канализационный трубопровод к выпускному отверстию в модуле хранения морской воды.
- Поверните систему и поместите ее лицевой стороной вниз.
- Включите розетку. Дайте внутренней морской воде вытечь из системы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не используйте насос для откачки воды, так как внутреннее отрицательное давление может повредить систему. - Слейте необходимое количество морской воды и выключите выпускное отверстие. Количество сбрасываемой морской воды определяется физиологическим состоянием кораллов.
- Перезагрузите систему и впрыскивайте только что подготовленную морскую воду в систему через входное отверстие для воды.
- Установите модуль коралловых культур обратно в систему.
- Включите питание системы и подождите, пока вся система вернется в нормальное состояние.
5. Замена модуля
ПРИМЕЧАНИЕ: Если какой-либо модуль нуждается в замене из-за неисправности или в соответствии с экспериментальной схемой, важно заменить модуль, не приостанавливая и не оказывая негативного влияния на культуральный эксперимент.
- Для модуля хранения морской воды, модуля очистки водорослей, модуля микробной очистки или модуля очистки активированным углем выключите внутренний циркуляционный насос и ослабьте крепежные винты модуля.
- Отсоедините трубопроводы между двумя соединенными модулями и разберите заменяемый модуль из системы. Заключительным этапом является сборка нового модуля в систему, подсоединив трубопроводы и снова затянув крепежные винты.
ПРИМЕЧАНИЕ: Замена модуля контроля температуры несколько отличается. Во-первых, все провода нужно отсоединить от модуля. Затем откручиваются крепежные болты, а трубопроводы отсоединяются. После этого нагревательная панель демонтируется, а модуль разбирается с системой. Процесс установки модуля термостатирования является обратным процессом.
6. Выключение системы и восстановление системы в исходное состояние
ПРИМЕЧАНИЕ: Система в конечном итоге будет отключена после необходимого эксперимента по культивированию кораллов. Систему необходимо восстановить в исходное состояние.
- Завершение работы системы
- Выключите питание системы и отсоедините кабель питания.
- Откачайте морскую воду из системы.
- Разберите модули в следующем порядке: модуль культуры кораллов, модуль очистки активированного угля, модуль хранения морской воды, модуль очистки водорослей, модуль микробной очистки, ультрафиолетовая лампа, два циркуляционных насоса и модуль контроля температуры.
- Восстановление системы
- Очистите все модули чистой водой и поверхностно-активными веществами (см. Таблицу материалов).
- Простерилизуйте модули 3% раствором перекиси водорода.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не используйте органический растворитель для мытья модулей. - Сушите модули при температуре 40 °C в течение 12 часов. Убедитесь, что вся вода внутри системы испарилась.
- Очистите все трубопроводы и клапаны, используя одни и те же поверхностно-активные вещества.
7. Модификация для контролируемой среды микроорганизмов
ПРИМЕЧАНИЕ: Помимо эксперимента с культивированием кораллов, для некоторых специальных экспериментов, таких как получение контролируемой среды микроорганизмов в системе, виды и численность микробиома должны строго контролироваться. Наиболее инновационной особенностью нашей системы культивирования кораллов является то, что физиологическая активность кораллов может быть изучена в специфической микробной среде в относительно закрытой микроэкосистеме. Для выполнения этой функции требуется другая операционная процедура.
- Предстерилизационная подготовка
- Перед сборкой системы простерилизуйте все модули, трубопроводы и клапаны 3% раствором перекиси водорода.
- Стерилизовать субстрат бактериальной культуры в автоклаве.
- Простерилизуйте водоросли Chaetomorpha 75% раствором этанола и высушите стерильной бумагой.
- Модификация системы и стерилизация
- При сборке системы добавьте фильтр для стерилизации воздуха (см. Таблицу материалов) между воздушным насосом и модулем хранения морской воды.
- Добавьте фильтр для стерилизации воды между впускным и трехходовым клапанами. На этом этапе воздух и вода, впрыскиваемые в систему, стерилизуются.
- Введите озон в систему, чтобы устранить оставшийся микробиом.
- Смойте остатки дезинфицирующих средств стерильной морской водой три раза и введите стерильную морскую воду в систему.
- Только для создания микробной среды введите исходный раствор микробиома через выпускное отверстие для воды.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не используйте входное отверстие для воды для инъекции источника микробиома. Другие реагенты и морская вода по-прежнему закачиваются через водозаборное отверстие.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Точность контроля температуры
Температура системы обычно устанавливается на уровне 23-28 °C в зависимости от вида кораллов. Однако, как один из наиболее важных факторов, колебания температуры могут сильно повлиять на выживание кораллов. Следовательно, точность контроля температуры является решающим фактором для системы культивирования кораллов. Датчик температуры и независимый сборщик данных с диапазоном температур от 9 °C до 32 °C могут использоваться для проверки точности контроля температуры в модуле культуры кораллов. Мы установили температуру морской воды в системе на 24 °C и одновременно измерили морскую воду и температуру в помещении. Как показано на рисунке 4, красная кривая представляет измеренные колебания температуры в помещении, а черная кривая представляет измеренные колебания температуры морской воды в модуле культивирования кораллов. За 14 ч измеренная средняя температура составила 23,8 °C, а стандартное отклонение — 0,1 °C. Система контроля температуры морской воды была относительно точной.
Результат культивирования кораллов
Как правило, здоровый коралл свободно протягивает свои щупальца, когда условия окружающей среды соответствуют требованиям выживания коралла, как показано на рисунке 5. Этот критерий, как правило, проверяет состояние коралла и может быть использован для проверки стрессовых факторов окружающей среды. Как показано на рисунке 5B, щупальца образца коралла вытянулись более чем на 1 месяц, не будучи потревоженными. Это указывает на то, что система обеспечивала кораллам подходящую среду выживания в течение длительного времени. Этот период культивирования должен быть достаточно длительным для большинства экспериментов и анализов кораллов в лаборатории. На рисунке 5 также видно, что морфологический анализ можно выполнить, визуализируя процесс роста кораллов.
Рисунок 1: Подключение модуля схемы для системы микроустройств. Прямоугольники со скругленными углами обозначают модули или насосы; Стрелки обозначают водопроводные или воздушные трубопроводы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Вид спереди системы микроустройства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Вид сверху на микроустройство. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Результаты эксперимента по контролю температуры морской воды. Красная кривая: колебания температуры в помещении; Черная кривая: измеренные колебания температуры морской воды в системе. Температура установки системы составляла 24 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Модуль коралловых культур с увеличенным изображением кораллов. (А) Для сравнения четыре коралла были расположены на соответствующих опорных основаниях, а в модуле коралловых культур – пустой. (B) Увеличенное изображение коралла Seriatopora caliendrum. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл кодирования 1: Проектирование для 3D-печати опорных оснований кораллов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эта система культивирования кораллов предназначена для моделирования и обеспечения относительно естественной или индивидуальной микросреды для пересадки кораллов и выживания. Между тем, как оборудование собственной разработки, эта система должна быть надежной, удобной и безопасной. Например, с точки зрения контроля температуры, температура морской воды должна контролироваться соответствующим образом в зависимости от повседневных условий окружающей среды. Система была протестирована путем культивирования коралла в течение 1 месяца, что подтвердило надежность системы.
По сравнению с обычными морскими аквариумами или аквариумами26, основанными на нашем эксперименте по культивированию кораллов, после настройки параметров/условий культивирования, включая формулу добавки, план водообмена, скорость циркуляции (мощность насоса или напряжение), интенсивность освещения, пропорции времени включения и выключения воздушного насоса, а также время освещения, период времени ежедневного обслуживания и работы составляет менее 10 минут. Кроме того, за этот период не произошло ни одной утечки электроэнергии, короткого замыкания, перегрузки или других инцидентов, что свидетельствует об удобстве и безопасности системы.
Тем не менее, следует отметить, что осмотр системы, ввод в эксплуатацию, трансплантация/визуализация кораллов и плановое техническое обслуживание являются важными и критическими шагами в протоколе. Утечка воды внутри устройства и старение деталей устройства могут быть двумя проблемами, которые могут возникнуть в течение относительно длительного периода времени. Аудитория, которая хочет воспроизвести эту систему, должна позаботиться об этих проблемах.
С точки зрения искусственной микроэкосистемы, эта модульная платформа может быть наделена способностью изучать микробиом, связанный с кораллами, в контролируемой среде в лаборатории, а не в полевых условиях, тем самым доказывая свою масштабируемость и экономическую эффективность. Таким образом, ожидается, что эта система культивирования кораллов поможет и ускорит исследования, связанные с кораллами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Данное исследование выполнено при поддержке Государственных ключевых программ развития фундаментальных исследований Китая (2021YFC3100502).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
