Summary
Denne protokol beskriver udviklingen af et modulært kontrollerbart mikroenhedssystem, der kan anvendes til langsigtet dyrkning og overvågning af havkoraller.
Abstract
Koraller er grundlæggende organismer i marine og kystnære økosystemer. Med fremskridt inden for koralbeskyttelsesforskning i de senere år er præcis kontrol af koralkulturmiljøet meget efterspurgt efter koralbevarelse og undersøgelse. Her udviklede vi et semi-lukket koralkultur-mikroenhedssystem som en multifunktionel platform, der kan give nøjagtig og programmerbar temperaturkontrol, et sterilt indledende miljø, langsigtet stabil vandkvalitet, en justerbar koncentration af opløst ilt og et tilpasset lysspektrum til koraller. På grund af det modulære design kan koralkultursystemet opgraderes eller ændres ved at installere ønskelige nye moduler eller fjerne eksisterende. I øjeblikket kan prøvekorallerne under passende forhold og med korrekt systemvedligeholdelse overleve i mindst 30 dage i en sund tilstand. På grund af det kontrollerbare og sterile oprindelige miljø kan dette koralkultursystem desuden understøtte forskning i det symbiotiske forhold mellem koraller og tilknyttede mikroorganismer. Derfor kan dette mikroenhedssystem anvendes til at overvåge og undersøge havkoraller på en relativt kvantitativ måde.
Introduction
Forringelsen af koralrevets økosystemer har fundet sted over hele verden i løbet af de sidste 70 år. I betragtning af alle de store koralområder i Mellemamerika1, Sydøstasien 2,3,4,5,6, Australien 7,8 og Østafrika9 er den globale dækning af koralrev halveret siden 1950'erne10. Dette massetab af koralrev har resulteret i økologiske og økonomiske problemer. For eksempel konkluderede forskere ved at spore tilstedeværelsen / fraværet og overflod af alle slags koralafhængige fisk i 8 år, at koralnedgangen direkte har forårsaget et betydeligt fald i fiskenes biodiversitet og overflod i Papua Ny Guinea11. Dette resultat viste, at koralnedgangen ikke kun kan underminere koralrevbaserede biologiske systemer, men også reducere fiskeriindtægterne.
Gennem årtier med feltundersøgelser, herunder direkte overvågning, telemåling og datasammenligning, har det videnskabelige samfund identificeret flere faktorer, der forårsager massekoralnedgangen. En væsentlig årsag til massekoralnedgangen er koralblegning forårsaget af høje havvandstemperaturer12,13. Ved at kombinere blegning og meteorologiske optegnelser har forskere konkluderet, at koralblegning sker hyppigere i El Niño-Southern Oscillation faser14. En anden grund til koralnedgangen er havforsuring. På grund af den øgede CO2 -koncentration i både atmosfæren og havvandet opløses calciumcarbonat hurtigere end før, hvilket forårsager nedskalere netkoralrevsforkalkning15. Det er faktisk blevet konkluderet, at når CO2 -koncentrationen i atmosfæren når over 500 ppm, vil titusinder af mennesker lide, og koralrevene risikerer betydelig forringelse og symbiodiniumfrigørelse16,17. Der er andre faktorer, der også kan påvirke koraloverlevelse, såsom kystforurenende stoffer, der forårsager eller fremskynder koralnedgang. Forskere på Hawaii målte kulstof-, ilt- og nitrogenisotoperne i koraller sammen med det opløste uorganiske carbonat og de relaterede næringsstoffer (NH4 +, PO4 3-, NO2 - og NO3 - ) og konkluderede, at forurening fra landet forstørrede kystforsuring og bioerosion af koraller18. Ud over forurening truer urbanisering også koraloverlevelse og forårsager relativt lav arkitektonisk kompleksitet i koraller, som afsløret af en undersøgelse af koraloverlevelsesstatus i Singapore, Jakarta, Hong Kong og Okinawa. Virkningen af menneskeskabte stressfaktorer og de overlejrede virkninger af klimaændringer fører således til udbredt reduceret biodiversitet på koralrev og et dermed forbundet fald i koralernes økologiske funktion og modstandsdygtighed19.
Det skal også bemærkes, at et stort antal mikroorganismer deltager i korallernes fysiologiske funktioner, herunder nitrogenfiksering, chitinnedbrydning, syntese af organiske forbindelser og immunitet20, og disse mikroorganismer bør således medtages, når man overvejer koralrevforringelse. I naturlige miljøer, såsom koralrev, forårsager mange faktorer hypoxiske eller anoxiske tilstande, herunder utilstrækkelig vandcirkulation, algeekssudat og algeovervækst. Dette fænomen påvirker populationsfordelingen af koraller og koralrelaterede mikroorganismer negativt. For eksempel fandt vietnamesiske forskere, at i Nha Trang, Phu Quoc og Ujung Gelam kunne bakteriesammensætningen i korallen Acropora Formosa blive påvirket af opløst ilt forskellige steder21. Forskere i USA udforskede hypoxiske eller anoxia betingelser i koraller og fandt ud af, at algeekssudater kan formidle mikrobiel aktivitet, hvilket fører til lokaliserede hypoxiske tilstande, hvilket kan forårsage koraldødelighed i umiddelbar nærhed. De fandt også, at koraller kunne tolerere reducerede iltkoncentrationer, men kun over en given tærskel bestemt af en kombination af eksponeringstid og iltkoncentration22. Forskere i Indien fandt, at når Noctiluca scintillans alger blomstrede, faldt det opløste ilt til 2 mg / L. Under denne koncentration døde ca. 70% af Acropora montiporacan på grund af hypoxiske tilstande23.
Alle ovennævnte kendsgerninger og faktorer tyder på, at miljøændringer fører til forringelse af koralrev. For at dyrke og studere revkoraller under visse betingelser er det vigtigt nøjagtigt og omfattende at opbygge et kontrollerbart mikroskopisk miljø for revkoraller at bebo. Normalt fokuserer forskere på temperatur, lys, vandstrøm og næringsstoffer. Imidlertid ignoreres andre funktioner, såsom koncentrationen af opløst ilt, overflod af mikroorganismer og mikroorganismediversitet i havvandet, ofte. Til dette formål har vores gruppe undersøgt muligheden for at anvende lille udstyr til dyrkning af koralpolypper i et relativt kontrolleret miljø24,25. I dette arbejde designede og opbyggede vi et modulært mikroenhedssystem til koralkultur. Dette modulære mikroenhedssystem kan give et kontrollerbart mikromiljø med hensyn til temperatur, lysspektrum, koncentration af opløst ilt, næringsstoffer og mikroorganismer osv. Og har kapacitet til udvidelse og opgradering.
Moduler og funktioner på enheden
Mikroenhedssystemet blev inspireret af Berlin-systemet26, men der anvendes ingen levende sten i det nuværende system. Som vist i figur 1 består det nuværende system af seks hovedmoduler, to børsteløse motorpumper, en gaspumpe, en gennemstrømnings-UV-lampe, en strømforsyning, visse elektroniske styringskomponenter og de tilhørende ledninger og skruer. De seks hovedmoduler inkluderer et havvandslagermodul (med en luftpumpe og temperatursensor), et temperaturkontrolmodul, et algerensningsmodul, et mikrobielt rensningsmodul, et aktivt kulrensningsmodul og et koralkulturmodul.
Enhedens arkitektur
Som vist i figur 2 og figur 3 kan det samlede mikroenhedssystem opdeles vandret i to rum med et temperaturkontrolmodul imellem. Af sikkerhedsmæssige årsager placeres alle de havvandsholdige moduler og dele i det venstre rum, kaldet kulturrummet. De andre elektroniske dele placeres i det rigtige rum, kaldet det elektroniske rum. Begge rum er forseglet eller pakket i skaller. Temperaturreguleringsmodulet er fastgjort i en skilleplade imellem. Kulturrummets skal indeholder en bundplade og tre skruefastgørelsesplader. Dette design sikrer rumtæthed og letter driften af systemet. Derudover favoriserer tætheden nøjagtig temperaturkontrol. Skallen på det elektroniske rum indeholder en bundplade, to skruefastgørelsesplader og et frontkontrolpanel.
Vandcirkulation
En indre og ydre havvandscirkulationssløjfe forbundet til havvandslagermodulet blev prædesignet. Den indre cirkulationssløjfe forbinder med succes havvandslagermodulet, temperaturkontrolmodulet, gennemstrømnings-UV-lampen, algerensningsmodulet og det mikrobielle rensningsmodul. Denne cirkulationssløjfe har til formål at give passende fysiokemiske og fysiologiske havvandsforhold for korallerne, og der er ikke behov for hyppig vedligeholdelse. Algerensningsmodulet indeholder Chaetomorpha-alger , som optager de ekstra næringsstoffer (nitrat og fosfat) i vandet. Det mikrobielle rensningsmodul indeholder bakteriekultursubstratet, som dyrker mikrobiomet for at overføre nitrit og ammonium til nitrat til vandrensning. Alle disse moduler skal kun udskiftes under kritiske omstændigheder.
Den ydre cirkulationssløjfe forbinder successivt havvandslagermodulet, koralkulturmodulet og aktivt kulmodulet. Denne cirkulationssløjfe har til formål at give korallerne lys, tæthed, vandstrøm og høj havvandskvalitet. Havvandet kan forfriskes gennem et vandindtag og et vandudløb. Tilsætningsstoffer tilsættes gennem en trevejsventil, og havvandsprøven kan også ekstraheres fra denne ventil til inspektion. Luft kan pumpes ind gennem et luftindtag og udledes fra et luftudtag.
Elektronisk design
En 220 V vekselstrømsforsyning med afbryder og sikring bruges til hele systemet. Indgangseffekten er opdelt i fire grene. Den første gren går til en 12 V DC strømforsyning, som direkte driver varmepanelet, kølepanelet og køleventilatoren. Denne gren driver også indirekte to pumper og to belysningspaneler gennem en firekanals DC-transformer. Den anden gren går til en PID-temperaturregulator. Den tredje gren går til en luftpumpe strømforsyning. Den sidste gren tilsluttes en UV-lampe strømforsyning. Et solid state-relæ forbinder PID-temperaturregulatoren og kølepanelet i temperaturreguleringsmodulet. Et almindeligt relæ bruges til at forbinde PID-temperaturregulatoren og varmepanelet. Firekanals DC-transformeren konverterer spændingen til det, der kræves.
Der er to kontrolpaneler på højre del af systemet. Der er fire kontakter og en controller til UV-lampen på toppanelet, herunder en hovedafbryder, en UV-lampeafbryder, en luftpumpekontakt og en temperaturreguleringsafbryder. Hovedafbryderen styrer systemets 12 V strømforsyning.
En PID-temperaturregulator, en cyklustimer, en firekanals DC-transformer og en trekanals timer er på frontpanelet. PID-temperaturregulatoren justerer vandtemperaturen ved at styre varme- og kølepanelerne i temperaturreguleringsmodulet. Temperaturreguleringsmodulet fungerer kun , når den indre cirkulationspumpe fungerer, og vandet strømmer forbi temperaturreguleringsmodulet. Cyklustimeren er tilsluttet luftpumpens strømledning. Dens formål er at tildele arbejdstidsperioden til luftpumpen. Der er også en trekanals timer indsat i det elektroniske rum. Denne timer styrer arbejdstidsperioden for luftpumpen, korallys og algelys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Korallerne, der blev brugt til denne undersøgelse, var Seriatopora caliendrum, som dyrkes i vores laboratorium. Alle korallerne blev venligst leveret af South China Sea Institute of Oceanology, University of Chinese Academy of Sciences.
1. Inspektion og opstart
BEMÆRK: Hvert modul skal testes for tæthed og funktion individuelt, før systemet samles. Deioniseret vand skal bruges til at teste modulets tæthed. Kommercielle detaljer om alle modulkomponenterne findes i materialetabellen.
- Tæthedstest af forbindelsen mellem modulerne
- Tilslut alle moduler og pumper (figur 1), og sørg for, at vandet strømmer cirkulært over systemet i mindst 30 minutter.
- Kontroller alle sømme for mulige lækageproblemer. Hvis der opstår lækage i nogen af limsømmene, skal du påføre lim udefra. Hvis der opstår lækage i nogen af forbindelsessømmene, skal du stramme forbindelsen igen og kontrollere, om tætningspakningen skal udskiftes.
- Pålæsning
- Efter tæthedstesten evakueres og tørres vandet indeni.
- Indlæs det relevante indhold.
BEMÆRK: For eksempel indlæses bakteriekultursubstratet i det mikrobielle rensningsmodul, og Chaetomorpha-algerne indlæses i algerensningsmodulet.
- Montering og test af hele systemet
- Efter ilægning skal modulerne fastgøres på bundpladen ved hjælp af skruerne.
- Tilslut de indre cirkulationsmoduler med de ydre cirkulationsmoduler (uden koralkulturmodulet).
- Til havvandsperfusion injiceres havvandet gennem vandindløbet i havvandslagermodulet. Når vandstanden er 3 cm højere end pumpernes vandindtag, tændes pumperne, og injektionen af havvandet fortsættes, indtil de indre cirkulationsmoduler er fulde af havvand med plads til luft (3 cm høj) i havvandslagermodulet.
BEMÆRK: Havvandet fremstilles med rent vand og havsalt (se materialetabellen).
- Systemtest
- Tænd for alle afbrydere, og indstil begge havvandspumpens spændinger til 9 V. Indstil vandtemperaturen til 25 °C.
- Indstil cyklustimeren til "1 minut tændt og 1 minut slukket". Indstil alle tre kanaler i trekanalstimeren til "9:00 tændt" og "17:00 slukket".
- Overvåg systemet i mindst 24 timer for funktionsfejl. Hvis der ikke findes noget problem, er systemet klar til næste trin i operationen.
BEMÆRK: Det er vigtigt at fjerne alle boblerne i alle modulerne undtagen havvandslagermodulet. Hele systemet kan løftes let og rystes for at flytte boblerne fra modulets indløb til udløbet.
2. Etablering af det mikrobielle miljø
BEMÆRK: Etablering af et koralvenligt mikrobielt miljø er nødvendigt før koraltransplantation. For at dyrke mikroorganismer i systemet, især i det mikrobielle rensningsmodul, bør den fortyndede probiotiske opløsning tilsættes som den mikrobielle kilde til nitrifikationssystemet.
- Tilføjelse af mikrobiomkilden
- Tilsæt 1 ml af den kommercielle mikrobiomkildeopløsning (se materialetabellen) i 500 ml havvand under omrøring.
- 50 ml af ovennævnte fortyndede opløsning og 10 μL af den kommercielle koralnæringsopløsning (se materialetabellen) injiceres i cirkulationssystemet.
- Mikrobiom kultur
- Tænd for den indre cirkulationspumpe og en luftpumpe for at dyrke mikrobiomet i 21 dage. Kravene til mikrobiomets iltindhold bestemmer luftpumpens on-time og off-time proportioner.
BEMÆRK: Dette trin sigter mod at dyrke havvandsrensningsmikrobiomet og fremme koralgavnlig mikrobiomvækst i systemet. I denne proces begynder havvandet at blive mudret fra den anden dag til den fjerde dag efter mikrobiominjektionen. Efter denne mikrobiomkulturproces skal næringsstofnedbrydningskapaciteten i systemet etableres. Det skal bemærkes, at for at opfylde forskellige eksperimentelle krav kan forskellige mikrobiomkilder bruges til at etablere mikrobiommiljøet.
- Tænd for den indre cirkulationspumpe og en luftpumpe for at dyrke mikrobiomet i 21 dage. Kravene til mikrobiomets iltindhold bestemmer luftpumpens on-time og off-time proportioner.
3. Koraltransplantation og vækst
- Koraltransplantation
- Skær de rå koralgrene med længdeskalaer på 3-5 cm, og sæt derefter disse koralgrene på 3D-printede koralstøttebaser (supplerende kodningsfil 1).
- Sæt disse koralgrenprøver tilbage i den originale havvandstank i mindst 7 dage til genopretning.
- Fastgør koralstøttebasen på rotationsenheden med lim. Saml koralkulturmodulet, og tilslut det til den ydre cirkulationssløjfe.
- Billeddannelse af koralvækst
BEMÆRK: Koralbillederne over tid skal erhverves for at evaluere koralvæksten. Brug af en demonterbar forbindelse gør det praktisk at fjerne koralkulturmodulet fra hele systemet til billeddannelse. Til dette formål er der bygget et mini-fotostudie med passende belysningsforhold. Et kamera med et makroobjektiv (se materialetabellen) bruges til at fange koraloverflademorfologierne i forskellige perioder. Koralrotationsenheden i kulturmodulet kan betjenes uden for modulet ved hjælp af berøringsfri tilstand. Ved at dreje det magnetiske håndtag ved siden af modulet kan der tages koralbilleder i fuld vinkel.- Placer kameraet øverst i studiet, og tag billederne fra en lodret visning.
- Placer koralkulturmodulet i minifotostudiet med korallen placeret i midten og i bunden.
- Tag koralbillederne ved at dreje det udvendige håndtag.
BEMÆRK: Af hensyn til koraloverlevelse bør billeddannelsesperioden begrænses til 15 minutter.
4. System rutinemæssig vedligeholdelse
BEMÆRK: Den rutinemæssige vedligeholdelse omfatter lækageinspektion, funktionsfejlinspektion, additivtilsætning og udskiftning af havvand.
- Lækage inspektion
- Undersøg bundpladen for vandpletter eller dråber. Da systemets dæksel er gennemsigtig, er det nemt og bekvemt visuelt at inspicere vandlækagen. Denne inspektion skal udføres hver dag.
- Inspektion af funktionsfejl
- Sørg for, at dette trin omfatter inspektion af vandtemperatur, pumper, lysspændinger, luftpumpestatus og timerstatus, herunder visuel kontrol og registrering af den indstillede vandtemperatur, realtidstemperatur, transformerudgangsspændinger, UV-lampeindstillinger og timerens arbejdsstatus. Denne inspektion skal udføres hver dag.
BEMÆRK: Visse systemfejl kan diagnosticeres baseret på unormale lyde eller usædvanlige temperaturer.
- Sørg for, at dette trin omfatter inspektion af vandtemperatur, pumper, lysspændinger, luftpumpestatus og timerstatus, herunder visuel kontrol og registrering af den indstillede vandtemperatur, realtidstemperatur, transformerudgangsspændinger, UV-lampeindstillinger og timerens arbejdsstatus. Denne inspektion skal udføres hver dag.
- Additiv tilsætning
BEMÆRK: Additivtilsætning er processen med at tilføje næringsstoffer og andre reagenser i systemet.- Udtræk f.eks. 10 ml havvand ved hjælp af en sprøjte fra trevejsventilen mellem aktivkulmodulet og havvandsmodulet.
- Opløs additiverne i det ekstraherede havvand.
- Injicer opløsningen tilbage i systemet gennem trevejsventilen. I virkelige tilfælde bestemmes typerne, mængderne og tilsætningsfrekvenserne af additiverne af systemets havvandskvalitet under hensyntagen til de eksperimentelle krav.
- Vandudveksling
BEMÆRK: Rutinemæssig vandudveksling kan reducere giftig koncentration og eutrofiering i dyrkningssystemet. Hvis forsøgsbetingelserne tillader det, kan udveksling af havvand være en rutinemæssig operation.- Sluk for strømmen til hele systemet, og tag strømkablet ud af sikkerhedsmæssige årsager.
- Fjern koralkulturmodulet.
- Tilslut den udvendige spildevandsledning til udløbet i havvandslagermodulet.
- Drej systemet, og placer systemet med forsiden nedad.
- Tænd for stikkontakten. Lad det indvendige havvand strømme ud af systemet.
BEMÆRK: Brug ikke nogen pumpe til at trække vandet ud, da det indvendige undertryk kan beskadige systemet. - Udledning af en passende mængde havvand, og sluk for udløbet. Mængden af udledt havvand bestemmes af korallernes fysiologiske tilstand.
- Nulstil systemet, og injicer det nyforberedte havvand i systemet gennem vandindløbet.
- Installer koralkulturmodulet tilbage i systemet.
- Tænd for systemstrømmen, og vent, indtil hele systemet går tilbage til det normale.
5. Udskiftning af modul
BEMÆRK: Hvis et modul skal udskiftes på grund af funktionsfejl eller i henhold til forsøgsarrangementet, er det vigtigt at ændre modulet uden at suspendere eller påvirke kultureksperimentet negativt.
- For havvandslagermodulet, algerensningsmodulet, det mikrobielle rensningsmodul eller modulet til rensning af aktivt kul skal du slukke for den indre cirkulationspumpe og løsne fastgørelsesskruerne til modulet.
- Afbryd rørledningerne mellem de to sammenføjede moduler, og adskil modulet, der skal udskiftes, fra systemet. Det sidste trin er at samle det nye modul i systemet ved at forbinde rørledningerne og stramme fastgørelsesskruerne igen.
BEMÆRK: Udskiftningen af temperaturreguleringsmodulet er på en eller anden måde anderledes. Først skal alle ledninger afbrydes fra modulet. Fastgørelsesboltene skrues derefter af, og rørledningerne frakobles. Derefter afmonteres varmepanelet, og modulet adskilles fra systemet. Installationsprocessen for temperaturkontrolmodulet er den omvendte proces.
6. Nedlukning af systemet og gendannelse af systemet til dets oprindelige tilstand
BEMÆRK: Systemet vil til sidst blive lukket ned efter det nødvendige koralkultureksperiment. Systemet skal gendannes til sin oprindelige tilstand.
- Nedlukning af systemet
- Sluk for systemet, og tag strømkablet ud.
- Evakuer havvandet inde i systemet.
- Demonter modulerne i følgende rækkefølge: koralkulturmodulet, modulet til rensning af aktivt kul, havvandslagermodulet, algerensningsmodulet, det mikrobielle rensningsmodul, UV-lampen, de to cirkulationspumper og temperaturreguleringsmodulet.
- Systemgendannelse
- Rengør alle modulerne med rent vand og overfladeaktive stoffer (se materialetabellen).
- Steriliser modulerne med 3% hydrogenperoxidopløsning.
BEMÆRK: Brug ikke organisk opløsningsmiddel til at vaske modulerne. - Modulerne tørres ved 40 °C i 12 timer. Sørg for, at alt vandet inde i systemet er fordampet.
- Rengør alle rørledninger og ventiler ved hjælp af de samme overfladeaktive midler.
7. Modifikation for miljøet med kontrolleret mikroorganisme
BEMÆRK: Bortset fra koralkultureksperimentet skal mikrobiomarterne og overflod kontrolleres strengt for visse specielle eksperimenter, såsom erhvervelse af et kontrolleret mikroorganismemiljø i systemet. Det mest innovative træk ved vores koralkultursystem er, at korallens fysiologiske aktivitet kan udforskes i et specifikt mikrobielt miljø i et relativt lukket mikroøkosystem. Udførelse af denne funktion kræver en anden driftsprocedure.
- Forsterilisering
- Steriliser alle moduler, rørledninger og ventiler ved hjælp af 3% hydrogenperoxidopløsning, inden systemet samles.
- Steriliser bakteriekultursubstratet via autoklavering.
- Steriliser Chaetomorpha alger med 75% ethanolopløsning, og tør det med sterilt papir.
- Systemændring og sterilisering
- Ved montering af systemet skal du tilføje et luftsteriliserende filter (se materialetabellen) mellem luftpumpen og havvandslagermodulet.
- Tilsæt et vandsteriliseringsfilter mellem indløbet og trevejsventilen. Dette trin sikrer, at luft og vand, der injiceres i systemet, steriliseres.
- Indfør ozon i systemet for at eliminere det resterende mikrobiom.
- De resterende desinfektionsmidler vaskes af med sterilt havvand tre gange, og det sterile havvand injiceres i systemet.
- For kun etablering af det mikrobielle miljø injiceres mikrobiomkildeopløsningen gennem vandudløbet.
BEMÆRK: Brug ikke vandindtaget til at injicere mikrobiomkilden. Andre reagenser og havvand injiceres stadig gennem vandindløbet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nøjagtighed af temperaturkontrol
Systemtemperaturen er normalt indstillet til 23-28 °C afhængigt af koralarten. Men som en af de vigtigste faktorer kan temperaturudsving stærkt påvirke koraloverlevelsen. Derfor er temperaturreguleringsnøjagtighed en afgørende faktor for koralkultursystemet. En temperatursensor og en uafhængig dataindsamler med et temperaturområde fra 9 °C til 32 °C kan bruges til at teste nøjagtigheden af temperaturreguleringen i koralkulturmodulet. Vi indstiller systemets havvandstemperatur til 24 °C og måler havvand og stuetemperatur samtidigt. Som vist i figur 4 repræsenterer den røde kurve de målte rumtemperaturudsving, og den sorte kurve repræsenterer de målte havvandstemperaturudsving i koralkulturmodulet. Over 14 timer var den målte gennemsnitstemperatur 23,8 °C, og standardafvigelsen var 0,1 °C. Systemets havvandstemperaturregulering var relativt nøjagtig.
Koralkultur resultat
Normalt strækker sunde koraller sine tentakler frit, når miljøforholdene opfylder korallens overlevelseskrav, som vist i figur 5. Dette kriterium verificerer generelt korallens status og kan bruges til at kontrollere for miljømæssige stressfaktorer. Som vist i figur 5B strakte prøvekorallens tentakler sig over 1 måned uden at blive forstyrret. Dette indikerer, at systemet gav et passende overlevelsesmiljø for korallen i lang tid. Denne kulturperiode skal være lang nok til de fleste koraleksperimenter og analyser i laboratoriet. Det fremgår også af figur 5 , at det er praktisk muligt at udføre den morfologiske analyse ved at afbilde koralvækstprocessen.
Figur 1: Skematisk modulforbindelse til mikroenhedssystemet. De afrundede rektangler repræsenterer moduler eller pumper; Pilelinjerne repræsenterer vand- eller luftrørledninger. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Set forfra af mikroenhedssystemet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Set ovenfra af mikroenhedssystemet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Eksperimentelle resultater af kontrol af havvandstemperatur. Rød kurve: udsving i stuetemperatur; Sort kurve: Målt udsving i systemets havvandstemperatur. Systemindstillingstemperaturen var 24 °C. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Koralkulturmodul med et zoomet koralbillede . (A) For at foretage en sammenligning var fire koraller placeret på de tilsvarende støttebaser med en tom i koralkulturmodulet. (B) Et zoomet koralbillede af koralen Seriatopora caliendrum. Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende kodningsfil 1: Design til 3D-udskrivning af koralstøttebaser. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette koralkultursystem er designet til at simulere og give et relativt naturligt eller tilpasset mikromiljø for koraller, der skal transplanteres ind i og overleve. I mellemtiden skal dette system som et selvudviklet udstyr være pålideligt, brugervenligt og sikkert. For eksempel med hensyn til temperaturregulering bør havvandets temperatur styres passende baseret på de daglige miljøforhold. Systemet blev testet ved at dyrke korallen i 1 måned, hvilket bekræfter systemets pålidelighed.
I sammenligning med normale havtanke eller akvarier26, baseret på vores koralkultureksperiment, efter indstilling af kulturparametrene / betingelserne, herunder additivagentformlen, udvekslingsvandplan, cirkulationshastighed (pumpeeffekt eller spænding), lysintensitet, luftpumpe til og fra tidsforhold og belysningstid, er tidsperioden for den daglige service og drift mindre end 10 min. Derudover skete der ingen elektrisk lækage, kortslutning, overbelastning eller andre hændelser i denne periode, hvilket demonstrerer systemets brugervenlighed og sikkerhed.
Det skal dog bemærkes, at systeminspektion, opstart, koraltransplantation / billeddannelse og rutinemæssig vedligeholdelse er de væsentlige og kritiske trin i protokollen. Lækage af vand inde i enheden og ældning af enhedens dele kan være to problemer, der kan opstå over en relativt lang periode. Publikum, der ønsker at replikere dette system, skal tage sig af disse problemer.
Fra perspektivet af det kunstige mikroøkosystem kan denne modulære platform udstyres med evnen til at studere det koralassocierede mikrobiom i et kontrollerbart miljø i laboratoriet snarere end i marken og dermed bevise dets skalerbarhed og omkostningseffektivitet. Derfor forventes dette koralkultursystem at hjælpe og fremskynde koralrelaterede undersøgelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende økonomisk interesse.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev støttet af State Key Development Programs for Basic Research of China (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).
