Un sistema integrado de microdispositivos para el crecimiento y monitoreo de corales

Summary

Este protocolo describe el desarrollo de un sistema modular de microdispositivos controlables que se puede aplicar para el cultivo y monitoreo a largo plazo de corales marinos.

Abstract

Los corales son organismos fundamentales en los ecosistemas marinos y costeros. Con el avance de la investigación sobre la protección de los corales en los últimos años, el control preciso del entorno del cultivo de corales es muy solicitado para la conservación y el estudio de los corales. Aquí, desarrollamos un sistema de microdispositivos de cultivo de coral semicerrado como una plataforma multifuncional, que puede proporcionar un control de temperatura preciso y programable, un entorno inicial estéril, una calidad del agua estable a largo plazo, una concentración de oxígeno disuelto ajustable y un espectro de luz personalizado para los corales. Debido al diseño modular, el sistema de cultivo de coral puede actualizarse o modificarse mediante la instalación de nuevos módulos deseables o la eliminación de los existentes. Actualmente, en condiciones apropiadas y con un mantenimiento adecuado del sistema, los corales de muestra pueden sobrevivir durante al menos 30 días en un estado saludable. Además, debido al ambiente inicial controlable y estéril, este sistema de cultivo de corales puede apoyar la investigación de la relación simbiótica entre los corales y los microorganismos asociados. Por lo tanto, este sistema de microdispositivos se puede aplicar para monitorear e investigar los corales marinos de una manera relativamente cuantitativa.

Introduction

El deterioro de los ecosistemas de arrecifes de coral ha estado ocurriendo en todo el mundo durante los últimos 70 años. Teniendo en cuenta todas las principales áreas de coral en América Central¹, el Sudeste Asiático 2,3,4,5,6, Australia ^7,8 y África Oriental^9, la cobertura mundial de los arrecifes de coral se ha reducido a la mitad desde la década de 1950¹⁰. Esta pérdida masiva de arrecifes de coral ha dado lugar a problemas ecológicos y económicos. Por ejemplo, al rastrear la presencia/ausencia y abundancia de todo tipo de peces que dependen de los corales durante 8 años, los investigadores concluyeron que la disminución de los corales ha causado directamente una disminución sustancial de la biodiversidad y abundancia de peces en Papúa Nueva Guinea¹¹. Este resultado demostró que la disminución de los corales no solo puede socavar los sistemas biológicos basados en los arrecifes de coral, sino también reducir los ingresos de la pesca.

A lo largo de décadas de estudios de campo, que incluyen monitoreo directo, teledetección y comparación de datos, la comunidad científica ha identificado varios factores que causan la disminución masiva de corales. Una de las principales razones de la disminución masiva de los corales es el blanqueamiento de los corales causado por las altas temperaturas del agua de mar^12,13. Al combinar el blanqueamiento y los registros meteorológicos, los científicos han llegado a la conclusión de que el blanqueamiento de los corales está ocurriendo con mayor frecuencia en las fases de El Niño-Oscilación del Sur¹⁴. Otra razón para la disminución de los corales es la acidificación de los océanos. Debido al aumento de la concentración de_CO2 tanto en la atmósfera como en el agua de mar, el carbonato de calcio se disuelve más rápido que antes, lo que provoca una calcificación neta de los arrecifes de coral a menor escala¹⁵. De hecho, se ha llegado a la conclusión de que cuando la concentración de_CO2 en la atmósfera supera las 500 ppm, decenas de millones de personas sufrirán y los arrecifes de coral correrán el riesgo de sufrir un deterioro significativo y un desprendimiento de simbiodinio^16,17. Hay otros factores que también pueden afectar a la supervivencia de los corales, como los contaminantes costeros que causan o aceleran el declive de los corales. Investigadores en Hawái midieron los isótopos de carbono, oxígeno y nitrógeno en los corales, junto con el carbonato inorgánico disuelto y los nutrientes relacionados (NH₄⁺, PO₄ 3-, NO₂– y NO₃^–), y concluyeron que la contaminación de la tierra magnificó la acidificación costera y la bioerosión de los corales¹⁸. Además de la contaminación, la urbanización también pone en peligro la supervivencia de los corales y provoca una complejidad arquitectónica relativamente baja en los corales, como revela un estudio sobre el estado de supervivencia de los corales en Singapur, Yakarta, Hong Kong y Okinawa. Así pues, el impacto de los factores de estrés antropogénicos y los efectos superpuestos del cambio climático están dando lugar a una reducción generalizada de la biodiversidad en los arrecifes de coral y a la consiguiente disminución de la función ecológica y la resiliencia de los corales¹⁹.

También debe tenerse en cuenta que un gran número de microorganismos participan en las funciones fisiológicas de los corales, incluida la fijación de nitrógeno, la descomposición de la quitina, la síntesis de compuestos orgánicos y la inmunidad²⁰, por lo que estos microorganismos deben incluirse al considerar el deterioro de los arrecifes de coral. En entornos naturales, como los arrecifes de coral, muchos factores causan condiciones hipóxicas o anóxicas, incluida la circulación insuficiente del agua, el exudado de algas y el crecimiento excesivo de algas. Este fenómeno afecta negativamente a la distribución poblacional de los corales y de los microorganismos relacionados con los corales. Por ejemplo, científicos vietnamitas encontraron que en Nha Trang, Phu Quoc y Ujung Gelam, la composición bacteriana en el coral Acropora Formosa podría verse afectada por el oxígeno disuelto en^{diferentes lugares.} Investigadores en los Estados Unidos exploraron las condiciones hipóxicas o de anoxia en los corales y encontraron que los exudados de algas pueden mediar la actividad microbiana, lo que conduce a condiciones hipóxicas localizadas, que pueden causar la mortalidad de los corales en las inmediaciones. También descubrieron que los corales podían tolerar concentraciones reducidas de oxígeno, pero solo por encima de un umbral determinado por una combinación del tiempo de exposición y la concentración de oxígeno²². Investigadores en la India encontraron que cuando el alga Noctiluca scintillans florecía , el oxígeno disuelto disminuía a 2 mg/L. Por debajo de esta concentración, alrededor del 70% de Acropora montiporacan moría debido a condiciones hipóxicas²³.

Todos los hechos y factores mencionados anteriormente sugieren que el cambio ambiental conduce al deterioro de los arrecifes de coral. Para cultivar y estudiar los corales de arrecife bajo ciertas condiciones, es importante construir de manera precisa y exhaustiva un entorno microscópico controlable para que los corales de arrecife lo habiten. Normalmente, los científicos se centran en la temperatura, la luz, el flujo de agua y los nutrientes. Sin embargo, otras características, como la concentración de oxígeno disuelto, la abundancia de microorganismos y la diversidad de microorganismos en el agua de mar, se ignoran comúnmente. Con este fin, nuestro grupo ha explorado la posibilidad de aplicar pequeños equipos para el cultivo de pólipos coralinos en un ambiente relativamente controlado^24,25. En este trabajo, diseñamos y construimos un sistema modular de microdispositivos para el cultivo de corales. Este sistema modular de microdispositivos puede proporcionar un microentorno controlable en términos de temperatura, espectro de luz, concentración de oxígeno disuelto, nutrientes y microorganismos, etc., y tiene la capacidad de expansión y actualización.

Módulos y funciones del dispositivo
El sistema de microdispositivos se inspiró en el sistema de Berlín²⁶, pero no se utilizan rocas vivas en el sistema actual. Como se muestra en la Figura 1, el sistema actual consta de seis módulos principales, dos motobombas sin escobillas, una bomba de gas, una lámpara UV de flujo continuo, una fuente de alimentación, ciertos componentes de control electrónico y los cables y tornillos relacionados. Los seis módulos principales incluyen un módulo de almacenamiento de agua de mar (con una bomba de aire y un sensor de temperatura), un módulo de control de temperatura, un módulo de purificación de algas, un módulo de purificación microbiana, un módulo de purificación de carbón activado y un módulo de cultivo de coral.

Arquitectura del dispositivo
Como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3, el sistema general de microdispositivos se puede dividir horizontalmente en dos compartimentos con un módulo de control de temperatura en el medio. Por razones de seguridad, todos los módulos y piezas que contienen agua de mar se colocan en el compartimento izquierdo, denominado compartimento de cultivo. Las otras partes electrónicas se colocan en el compartimento derecho, llamado compartimento electrónico. Ambos compartimentos están sellados o empaquetados dentro de carcasas. El módulo de control de temperatura se fija en una placa divisoria en el medio. La carcasa del compartimento de cultivo incluye un zócalo y tres placas de fijación atornilladas. Este diseño garantiza la estanqueidad del compartimento y facilita el funcionamiento del sistema. Además, la estanqueidad favorece un control preciso de la temperatura. La carcasa del compartimento electrónico incluye un zócalo, dos placas de fijación atornilladas y un panel de control frontal.

Circulación del agua
Se prediseñó un circuito de circulación de agua de mar interior y exterior conectado al módulo de almacenamiento de agua de mar. El circuito de circulación interna conecta con éxito el módulo de almacenamiento de agua de mar, el módulo de control de temperatura, la lámpara UV de flujo continuo, el módulo de purificación de algas y el módulo de purificación microbiana. Este circuito de circulación tiene como objetivo proporcionar condiciones fisicoquímicas y fisiológicas adecuadas para el agua de mar para los corales, y no se necesita un mantenimiento frecuente. El módulo de purificación de algas contiene algas Chaetomorpha , que absorben los nutrientes adicionales (nitrato y fosfato) en el agua. El módulo de purificación microbiana contiene el sustrato de cultivo bacteriano, que cultiva el microbioma para transferir nitrito y amonio al nitrato para la purificación del agua. Todos estos módulos deben reemplazarse solo en circunstancias críticas.

El bucle de circulación exterior conecta sucesivamente el módulo de almacenamiento de agua de mar, el módulo de cultivo de coral y el módulo de carbón activado. Este circuito de circulación tiene como objetivo proporcionar luz, estanqueidad, corriente de agua y alta calidad de agua de mar a los corales. El agua de mar se puede refrescar a través de una entrada de agua y una salida de agua. Los aditivos se agregan a través de una válvula de tres vías, y la muestra de agua de mar también se puede extraer de esta válvula para su inspección. El aire se puede bombear a través de una entrada de aire y descargarse desde una salida de aire.

Diseño electrónico
Para todo el sistema se utiliza una fuente de alimentación de 220 V CA con un interruptor y un fusible. La potencia de entrada se divide en cuatro ramas. La primera rama va a una fuente de alimentación de 12 V CC, que alimenta directamente el panel de calefacción, el panel de enfriamiento y el ventilador de enfriamiento. Esta rama también alimenta indirectamente dos bombas y dos paneles de iluminación a través de un transformador de CC de cuatro canales. La segunda rama va a un controlador de temperatura PID. La tercera rama va a una fuente de alimentación de bomba de aire. La última rama se conecta a una fuente de alimentación de lámpara UV. Un relé de estado sólido conecta el controlador de temperatura PID y el panel de enfriamiento en el módulo de control de temperatura. Se utiliza un relé normal para conectar el controlador de temperatura PID y el panel calefactor. El transformador de CC de cuatro canales convierte el voltaje al requerido.

Hay dos paneles de control en la parte derecha del sistema. Hay cuatro interruptores y un controlador para la lámpara UV en el panel superior, incluido un interruptor de alimentación principal, un interruptor de alimentación de la lámpara UV, un interruptor de bomba de aire y un interruptor de control de temperatura. El interruptor de alimentación principal controla la fuente de alimentación de 12 V del sistema.

Un controlador de temperatura PID, un temporizador de ciclo, un transformador de CC de cuatro canales y un temporizador de tres canales se encuentran en el panel frontal. El controlador de temperatura PID ajusta la temperatura del agua controlando los paneles de calefacción y refrigeración en el módulo de control de temperatura. El módulo de control de temperatura solo funciona cuando la bomba de circulación interna está funcionando y el agua fluye más allá del módulo de control de temperatura. El temporizador de ciclo está conectado a la línea de alimentación de la bomba de aire. Su propósito es asignar el período de tiempo de trabajo a la bomba de aire. También hay un temporizador de tres canales desplegado en el compartimento electrónico. Este temporizador controla el período de tiempo de trabajo de la bomba de aire, la luz de coral y la luz de algas.

Protocol

Los corales utilizados para el presente estudio fueron Seriatopora caliendrum, los cuales son cultivados en nuestro laboratorio. Todos los corales fueron amablemente proporcionados por el Instituto de Oceanología del Mar Meridional de China de la Universidad de la Academia China de Ciencias. 1. Inspección y puesta en marcha NOTA: Se debe probar la estanqueidad y el funcionamiento de cada módulo individualmente antes de ensamblar el sistema…

Representative Results

Precisión del control de temperaturaLa temperatura del sistema se establece normalmente en 23-28 °C, dependiendo de la especie de coral. Sin embargo, como uno de los factores más importantes, la fluctuación de la temperatura puede afectar en gran medida a la supervivencia de los corales. Por lo tanto, la precisión del control de la temperatura es un factor decisivo para el sistema de cultivo de corales. Se puede utilizar un sensor de temperatura y un colector de datos independiente con un rango …

Discussion

Este sistema de cultivo de corales está diseñado para simular y proporcionar un microambiente relativamente natural o personalizado para que los corales sean trasplantados y sobrevivan. Mientras tanto, como equipo de desarrollo propio, este sistema debe ser confiable, fácil de usar y seguro. Por ejemplo, en términos de control de la temperatura, la temperatura del agua de mar debe controlarse adecuadamente en función de las circunstancias ambientales diarias. El sistema se probó cultivando el coral durante 1 mes, l…

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