Zawiesiny bentosowe odgrywają istotną rolę w funkcjonowaniu ekosystemów morskich 1. Filtrując duże ilości wody 2,3, usuwają i wydalają cząstki stałe (plankton i detrytus) oraz rozpuszczone związki 1 (i zawarte w nich odniesienia) i są ważnym czynnikiem sprzężenia bentosowo-pelagicznego 4,5 i obiegu składników odżywczych 6,7. Dokładny pomiar cząstek stałych i rozpuszczonych związków usuwanych i wydalanych przez zawiesiny bentosowe (takie jak gąbki, worki, wieloszczety i małże) ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia ich fizjologii, metabolizmu i ekologii żywienia. Wraz z pomiarami wydajności pompowania umożliwia również ilościowe określenie strumieni składników odżywczych, w których pośredniczą te organizmy, oraz ich wpływu ekologicznego na jakość wody, a także na procesy w skali ekosystemu.
Wybór odpowiedniej metody pomiaru szybkości usuwania i produkcji cząstek stałych i rozpuszczonych przez filtry zawiesinowe jest kluczowe dla uzyskania wiarygodnych danych dotyczących ich aktywności żywieniowej 8. Jak zauważyli Riisgård i inni, niewłaściwe metodologie zniekształcają wyniki, zniekształcają warunki doświadczalne, prowadzą do nieprawidłowych szacunków spożycia i wydalania niektórych substancji oraz mogą prowadzić do błędnej kwantyfikacji strumieni składników odżywczych przetwarzanych przez te organizmy.
Dwie najczęściej stosowane metody pomiaru strumieni cząstek stałych i rozpuszczonych składników odżywczych w filtratorach obejmują albo inkubację (techniki pośrednie), albo jednoczesne zbieranie wody z otoczenia i wydychanej (techniki bezpośrednie). Techniki inkubacji opierają się na pomiarze szybkości zmian stężenia cząstek stałych i rozpuszczonych składników odżywczych w inkubowanej wodzie oraz oszacowaniu szybkości produkcji lub usuwania w porównaniu z odpowiednimi kontrolami 8. Jednak zamknięcie organizmu w komorze inkubacyjnej może zmienić jego zachowanie podczas karmienia i pompowania z powodu zmian w naturalnym reżimie przepływu, z powodu spadku stężenia tlenu i/lub stężenia pokarmu, lub z powodu nagromadzenia związków wydalniczych w wodzie inkubacyjnej 7,9 (i odniesienia do niej). Oprócz skutków zamknięcia i zmodyfikowanego zaopatrzenia w wodę, główna stronniczość technik inkubacji wynika z efektów refiltracji (zob. na przykład 10). Chociaż niektóre z tych problemów metodologicznych zostały przezwyciężone dzięki zastosowaniu odpowiedniej objętości i kształtu naczynia inkubacyjnego 11 lub wprowadzeniu systemu recyrkulacyjnego dzbana dzwonowego in situ12, technika ta często zaniża tempo usuwania i produkcji. Ilościowe określenie metabolizmu rozpuszczonych związków, takich jak rozpuszczony azot organiczny (DON) i węgiel (DOC) lub nieorganiczne składniki odżywcze, okazało się szczególnie podatne na błędy systematyczne spowodowane technikami inkubacji 13.
Na przełomie lat 60-tych i 70-tych, Henry Reiswig 9,14,15 był pionierem w stosowaniu bezpośrednich technik do ilościowego określania usuwania cząstek przez gigantyczne karaibskie gąbki, poprzez oddzielne pobieranie próbek wody wdychanej i wydychanej przez organizmy in situ. Ze względu na trudności w zastosowaniu techniki Reiswiga na mniejszych karmach zawiesinowych i w trudniejszych warunkach podwodnych, większość badań w tej dziedzinie ograniczała się do laboratorium (in vitro) z zastosowaniem głównie technik inkubacji pośredniej16. Yahel i jego koledzy dostosowali technikę bezpośredniego in situ Reiswiga do pracy w warunkach na mniejszą skalę. Ich metoda, oznaczona jako InEx 16, opiera się na jednoczesnym podwodnym pobieraniu próbek wody wdychanej (In) i wydychanej (Ex) przez niezakłócone organizmy. Różne stężenia substancji (np. bakterii) w parze próbek (InEx) stanowią miarę zatrzymywania (lub produkcji) tej substancji przez zwierzę. Technika InEx wykorzystuje rurki z otwartym zakończeniem i opiera się na strumieniu prądu wytwarzanym przez aktywność pompującą badanego organizmu w celu pasywnego zastąpienia wody otoczenia w rurze zbiorczej. Podczas gdy Yahel i jego współpracownicy z powodzeniem zastosowali tę technikę w badaniu ponad 15 różnych taksonów zawiesin (np. 17), metoda ta jest ograniczona przez wysoki poziom wymaganej praktyki i doświadczenia, przez niewielki rozmiar niektórych otworów prądowych oraz przez warunki morskie.
Aby pokonać te przeszkody, opracowaliśmy alternatywną technikę opartą na kontrolowanym zasysaniu próbki wody przez maleńkie rurki (średnica zewnętrzna < 1,6 mm). Naszym celem było stworzenie prostego, niezawodnego i niedrogiego urządzenia, które umożliwiłoby czyste i kontrolowane pobieranie próbek wody in situ z bardzo określonego punktu, takiego jak otwór wylotowy dozowników zawiesiny bentosowej. Aby metoda była skuteczna, musi być nieinwazyjna, aby nie wpływać na reżim przepływu w otoczeniu ani nie modyfikować zachowania badanych organizmów. Prezentowane tutaj urządzenie określa się mianem VacuSIP. Jest to uproszczenie systemu SIP opracowanego przez Yahela i wsp. (2007) 18 w odniesieniu do punktowego pobierania próbek w głębinach morskich na podstawie ROV. VacuSIP jest znacznie tańszy niż oryginalny SIP i został przystosowany do pracy w oparciu o SCUBA. System został zaprojektowany zgodnie z zasadami przedstawionymi i przetestowanymi przez Wrighta i Stephensa (1978) 19 oraz Møhlenberga i Riisgårda (1978) 20 dla warunków laboratoryjnych.
Chociaż system VacuSIP został zaprojektowany do badań in situ metabolizmu zawiesin bentosowych, może być również używany do badań laboratoryjnych i wszędzie tam, gdzie wymagana jest kontrolowana i czysta, punktowa próbka wody. System jest szczególnie przydatny, gdy wymagana jest integracja przez dłuższy czas (min-godziny) lub filtracje in situ. VacuSIP jest z powodzeniem stosowany w laboratorium Yahel od 2011 roku, a także został wykorzystany w dwóch ostatnich badaniach strumieni składników odżywczych, w których pośredniczą gatunki gąbek karaibskich i śródziemnomorskich 21 (Morganti i wsp.).
Użycie specyficznych próbników, wydłużony czas pobierania próbek oraz warunki terenowe, w których stosuje się VacuSIP, pociągają za sobą pewne odchylenia od standardowych protokołów oceanograficznych dotyczących zbierania, filtrowania i przechowywania próbek dla wrażliwych analitów. Aby zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia przez system VacuSIP lub ryzyko modyfikacji próbki wody przez aktywność bakterii po pobraniu, przetestowaliśmy różne procedury filtracji i przechowywania in situ. Zbadano różne urządzenia filtrujące, naczynia zbiorcze i procedury przechowywania w celu uzyskania najbardziej odpowiedniej techniki analizy rozpuszczonych związków nieorganicznych (PO43-, NOx-, NH4+, SiO4) i organicznych (DOC + DON) oraz pobierania próbek ultraplanktonu (<10 μm) i cząstek organicznych (POC + PON). Aby jeszcze bardziej zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia, zwłaszcza w warunkach polowych, liczba etapów obsługi została zredukowana do absolutnego minimum. Format wizualny, w którym przedstawiona jest metoda, jest zorientowany na ułatwienie odtwarzalności i skrócenie czasu potrzebnego do skutecznego zastosowania techniki.
Przegląd systemu
Aby pobrać próbkę wody pompowanej in situ z dysz zawiesinowych z otworami wydechowymi tak małymi jak 2 mm, najpierw wizualizuje się aktywność pompowania każdej próbki poprzez uwolnienie przefiltrowanej wody morskiej barwionej fluoresceiną obok otworu (otworów) inhalatora i obserwowanie jej przepływu z otworu prądowego 16 (zobacz również Rysunek 2B w 18). Woda wdychana i wydychana przez badaną próbkę (prąd bieżący i wydechowy) jest następnie pobierana jednocześnie za pomocą pary maleńkich rurek zainstalowanych na specjalnie skonstruowanym manipulatorze lub na dwóch "ramionach" odwróconego elastycznego przenośnego statywu (rysunek 1 i film uzupełniający 1). Woda wdychana przez badany organizm jest zbierana poprzez ostrożne umieszczenie bliższego końca jednej rurki wewnątrz lub w pobliżu otworu wziewnego badanego organizmu. Identyczna rurka jest następnie umieszczana w kryzie prądowej. Operacja ta wymaga należytej ostrożności, aby uniknąć kontaktu lub niepokojenia zwierzęcia, np. przez ponowne zawieszenie osadu. Aby rozpocząć pobieranie próbek, nurek przekłuwa przegrodę w naczyniu zbiorczym za pomocą igły strzykawki przymocowanej do dystalnego końca każdej probówki, pozwalając zewnętrznemu ciśnieniu wody wtłoczyć próbkę wody do naczynia przez rurkę do pobierania próbek. Zasysanie jest inicjowane przez podciśnienie wytworzone wcześniej w fiolkach oraz przez różnicę ciśnień między wodą zewnętrzną a opróżnionym pojemnikiem na próbkę.
Aby zapewnić czyste zbieranie wydychanej wody i uniknąć przypadkowego zassania wody z otoczenia 16, częstotliwość próbkowania wody musi być utrzymywana na znacznie niższym poziomie (<10%) niż szybkość przepływu prądu. Szybkość ssania jest kontrolowana przez długość rury i jej średnicę wewnętrzną (ID). Mała średnica wewnętrzna zapewnia również znikomą objętość martwą (< 200 μl na metr wężyka). Pobieranie próbek przez dłuższy czas (od minut do godzin) umożliwia zintegrowanie nieodłącznej niejednolitości większości substancji będących przedmiotem zainteresowania. Aby zapewnić odpowiednie zachowanie próbek podczas długotrwałych podwodnych sesji pobierania próbek, a także do transportu do laboratorium, w przypadku wrażliwych analitów zaleca się filtrację in situ. Dobór naczyń do pobierania próbek, zespołu filtracyjnego i przewodów jest podyktowany badanymi organizmami i konkretnym pytaniem badawczym. Opisany poniżej protokół zakłada, że interesujący jest pełny profil metaboliczny (przegląd znajduje się na rysunku 2). Jednak modułowy charakter protokołu pozwala na łatwą modyfikację w celu dostosowania do prostszych lub nawet bardzo różnych schematów próbkowania. Aby uzyskać pełny profil metaboliczny, protokół pobierania próbek powinien obejmować następujące kroki: (1) wizualizację przepływu; (2) Pobieranie próbek odżywiania ultraplanktonem (plankton < 10 μm); (3) Pobieranie próbek wychwytu i wydalania nieorganicznych składników pokarmowych (przy użyciu wbudowanych filtrów); (4) Pobieranie próbek rozpuszczonych substancji organicznych i ich wydalanie (przy użyciu filtrów liniowych); 5) Wprowadzanie i wydalanie cząstek stałych (przy użyciu filtrów liniowych); (6) Powtórz krok 2 (karmienie ultraplanktonem w ramach kontroli jakości); (7) Wizualizacja przepływu.
Gdy jest to logistycznie wykonalne, zaleca się, aby pomiary profilu metabolicznego były połączone z szybkością pompowania (np. metoda prędkości frontu barwnika, w 16), jak również z pomiarami oddychania. Pomiary te najlepiej wykonywać na początku i na końcu sesji pobierania próbek. Do pomiaru oddechu preferowane są podwodne optody lub mikroelektrody.