一种用于珊瑚生长与监测的集成微装置系统

摘要

本方案描述了一种模块化可控微装置系统的开发，该系统可用于海珊瑚的长期培养与监测。

摘要

珊瑚是海洋和沿海生态系统中的基础生物。近年来，随着珊瑚保护研究的不断推进，对珊瑚培养环境进行精确控制的需求日益增长。本文中，我们开发了一种半封闭式珊瑚培养微型装置系统，作为一种多功能平台，可为珊瑚提供精确且可编程的温度控制、无菌的初始环境、长期稳定的水质、可调节的溶解氧浓度以及可定制的光谱条件。得益于模块化设计，该珊瑚培养系统可通过安装所需的新模块或移除现有模块进行升级或改造。目前，在适当条件下并配合系统的合理维护，样品珊瑚可在健康状态下存活至少30天。此外，由于具备可控且无菌的初始环境，该珊瑚培养系统可支持珊瑚与其相关微生物之间共生关系的研究。因此，该微型装置系统可用于对海洋珊瑚进行相对定量的监测与研究。

引言

在过去70年中，全球范围内的珊瑚礁生态系统持续退化。综合中美洲¹、东南亚^2,3,4,5,6、澳大利亚^7,8和东非⁹所有主要珊瑚分布区域的数据，自20世纪50年代以来，全球珊瑚礁覆盖面积已减少一半¹⁰。珊瑚礁的大规模丧失已引发严重的生态与经济问题。例如，研究人员通过对各类依赖珊瑚生存的鱼类存在与否及其丰度进行为期8年的追踪，得出结论：巴布亚新几内亚的珊瑚衰退已直接导致鱼类生物多样性和丰度显著下降¹¹。该结果证明，珊瑚衰退不仅会破坏以珊瑚礁为基础的生物系统，还会降低渔业收入。

数十年来的野外调查，包括直接监测、遥感观测和数据对比，科学界已确定了导致珊瑚大规模衰退的多个因素。其中一个重要原因是海水温度升高引发的珊....

方案

本研究所用的珊瑚为实验室培养的Seriatopora caliendrum。所有珊瑚均由中科院南海海洋研究所友情提供。

1. 检查与启动

注意：在组装系统之前，必须对每个模块单独进行密封性和功能测试。应使用去离子水测试模块的密封性。所有模块组件的商用信息详见材料表。

1. 模块间连接的密封性测试
   1. 连接所有模块和泵（图1，并确保水流在系统中循环至少30分钟。
   2. 检查所有接缝是否存在可能的泄漏问题。若任何粘合接缝处发生泄漏，需从外部涂抹粘合胶。若任何连接接缝处发生泄漏，应再次拧紧连接，并检查密封垫圈是否需要更换。
2. 加载中
   1. 紧度测试后，抽空并干燥内部水分。
   2. 加载适当的内容。
      注意：例如，将细菌培养基质加载到微生物纯化模块中， 刺松藻 将藻类装入藻类纯化模块中。
3. 组装并测试整个系统
   1. 加载后，使用螺丝将模块固定在基板上。
   2. 将内循环模块与外循环模块连接（不包括珊瑚培养模块）。
   3. 对于海水循环....

结果

温度控制精度
系统温度通常根据珊瑚物种设定为 23–28 °C。然而，温度波动是影响珊瑚存活的最重要因素之一，因此温度控制精度是珊瑚培养系统的关键决定因素。可使用温度传感器和独立的数据采集器（温度范围为 9 °C 至 32 °C）来检测珊瑚培养模块中的温度控制精度。我们将系统海水温度设定为 24 °C，并同时测量海水温度和室内温度。如图 4所示，红色曲线代表测得的室内温度波动，黑色曲线代表珊瑚培养模块中测得的海水温度波动。在连续 14 小时的监测中，实测平均温度为 23.8 °C，标准偏差为 0.1 °C，表明系统对海水温度的控制较为精确。

珊瑚培养结果
通常，当环境条件满足珊瑚的生存需求时，健康的珊瑚会自由伸展其触手，如图5所示。该标准通常可用于验证珊瑚的状态，并用于检测是否存在环境胁迫因素。如图5B所示，样品珊瑚的触手.......

讨论

该珊瑚培养系统旨在模拟并为珊瑚移植后存活提供相对自然或可定制的微环境。同时，作为一种自主研发的设备，该系统需要具备可靠性、易用性和安全性。例如，在温度控制方面，应根据每日环境条件对海水温度进行适当调控。通过将珊瑚培养1个月对系统进行了测试，证实了该系统的可靠性。

与普通的海水缸或水族箱相比²⁶，根据我们的珊瑚培养实验，在设定好培养参数/条件（包括添加剂配方、换水计划、循环速度（水泵功率或电压）、光照强度、气泵开关时间比例以及光照时间）后，每日维护和操作所需时间少于10分钟。此外，在此期间未发生任何漏电、短路、过载或其他事故，表明该系统具有良好的用户友好性和安全性。

然而，需要注意的是，系统检查、启动、珊瑚移植/成像以及常规维护是本方案中必不可少的关键步骤。设备内部漏水和设备部件老化可能是长时间运行后出现的两个问题。希望复制该系统的读者必须重视并妥善处理这些问题。

从人工微生态系统角度来看，该模块化平台能够在实验室可控环境中研.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
12V 直流电源	德力西电气有限公司	CDKU-S150W	12V12.5A
3% 过氧化氢溶液	山东安捷高科消毒科技有限公司	NULL	NULL
75% 乙醇溶液	山东安捷高科消毒科技有限公司	NULL	NULL
空气泵	重庆优嘉供应链管理有限公司	NHY-001	NULL
空气灭菌滤器	北京_capsid_过滤设备有限公司	S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-A	NULL
相机	SONY	Α7r4-ILCE-76M4A	NULL
珊瑚营养液	Red Sea Aquatics 有限公司	22101	珊瑚营养
Coral pro 盐（海盐）	Red Sea Aquatics 有限公司	R11231	NULL
循环定时器	乐清尚金仪器设备有限公司	CN102A	220V 版本
双闭式快速接头	JOSOT 有限公司	NL4-2103T	NULL
流通式紫外灯	中山新升电子技术有限公司	211	NULL
四通道变压器	东莞尚固时代电子科技有限公司	LM2596	NULL
微距镜头	SONY	FE 90mm F2.8 Macro G OSS	NULL
微生物组来源溶液	广州百奥微生物技术有限公司	303	NULL
迷你摄影棚	绍兴上虞摄影器材厂	CM-45	NULL
PID 温度控制器	广东东启 电气有限公司	TE9-SC18W	SSR 版本
水泵（用于水）	中祥泵业有限公司	ZX43D	海水版本
纯水机	Kemflo （南京）环境科技有限公司	kemflo A600	NULL
固态继电器	德力西电气有限公司	DD25A	NULL
表面活性剂	广州立白集团有限公司	Libai 洗涤剂	NULL
三通道定时器	乐清长虹智能科技有限公司	CHE325-3	220V 版本
水灭菌滤器	北京_capsid_过滤设备有限公司	S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-L	NULL