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Bioengineering

Un système de micro-dispositifs intégré pour la croissance et la surveillance des coraux

Published: July 21, 2023 doi: 10.3791/65651
Automatic Translation
1, 2, 2, 1
1State Key Laboratory of Digital Medical Engineering, School of Biological Science & Medical Engineering, Southeast University, 2Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, University of Chinese Academy of Sciences

Summary

Ce protocole décrit le développement d’un système modulaire de micro-dispositifs contrôlables qui peut être appliqué à la culture et à la surveillance à long terme des coraux marins.

Abstract

Les coraux sont des organismes fondamentaux dans les écosystèmes marins et côtiers. Avec l’avancement de la recherche sur la protection des coraux ces dernières années, un contrôle précis de l’environnement de culture des coraux est très demandé pour la conservation et l’étude des coraux. Ici, nous avons développé un système de micro-dispositifs de culture de coraux semi-fermé en tant que plate-forme multifonctionnelle, qui peut fournir un contrôle précis et programmable de la température, un environnement initial stérile, une qualité d’eau stable à long terme, une concentration d’oxygène dissous réglable et un spectre lumineux personnalisé pour les coraux. Grâce à sa conception modulaire, le système de culture du corail peut être mis à niveau ou modifié en installant de nouveaux modules souhaitables ou en supprimant ceux qui existent déjà. À l’heure actuelle, dans des conditions appropriées et avec un entretien adéquat du système, les coraux échantillons peuvent survivre pendant au moins 30 jours dans un état sain. De plus, en raison de l’environnement initial contrôlable et stérile, ce système de culture corallienne peut soutenir la recherche sur la relation symbiotique entre les coraux et les micro-organismes associés. Par conséquent, ce système de micro-dispositifs peut être appliqué pour surveiller et étudier les coraux marins de manière relativement quantitative.

Introduction

La détérioration des écosystèmes des récifs coralliens s’est produite dans le monde entier au cours des 70 dernières années. Si l’on considère toutes les principales zones coralliennes d’Amérique centrale1, d’Asie du Sud-Est2, 3, 4, 5, 6,d’Australie 7,8 et d’Afrique de l’Est9, la couverture mondiale des récifs coralliens a diminué de moitié depuis les années 195010. Cette perte massive de récifs coralliens a entraîné des problèmes écologiques et économiques. Par exemple, en retraçant la présence/l’absence et l’abondance de toutes sortes de poissons dépendants des coraux pendant 8 ans, les chercheurs ont conclu que le déclin des coraux a directement causé une diminution substantielle de la biodiversité et de l’abondance des poissons en Papouasie-Nouvelle-Guinée11. Ce résultat a prouvé que le déclin des coraux peut non seulement saper les systèmes biologiques basés sur les récifs coralliens, mais aussi réduire les revenus de la pêche.

Au cours de décennies d’études sur le terrain, y compris la surveillance directe, la télédétection et la comparaison des données, la communauté scientifique a identifié plusieurs facteurs à l’origine du déclin massif des coraux. L’une des principales raisons du déclin massif des coraux est le blanchissement des coraux causé par les températures élevées de l’eau de mer12,13. En combinant le blanchissement et les données météorologiques, les scientifiques ont conclu que le blanchissement des coraux se produit plus fréquemment dans les phases El Niño-Oscillation australe14. Une autre raison du déclin des coraux est l’acidification des océans. En raison de l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère et l’eau de mer, le carbonate de calcium se dissout plus rapidement qu’auparavant, provoquant une calcification nette des récifs coralliens15. En effet, il a été conclu que lorsque la concentration deCO2 dans l’atmosphère atteindra plus de 500 ppm, des dizaines de millions de personnes en souffriront, et les récifs coralliens seront exposés à un risque de détérioration significative et de détachement du symbiodinium16,17. Il existe d’autres facteurs qui peuvent également affecter la survie des coraux, tels que les polluants côtiers qui provoquent ou accélèrent le déclin des coraux. Des chercheurs d’Hawaï ont mesuré les isotopes du carbone, de l’oxygène et de l’azote dans les coraux, ainsi que le carbonate inorganique dissous et les nutriments associés (NH4+, PO4 3-, NO2− et NO3−), et ont conclu que la pollution de la terre amplifiait l’acidification côtière et la bioérosion des coraux18. Outre la pollution, l’urbanisation met également en danger la survie des coraux et entraîne une complexité architecturale relativement faible chez les coraux, comme l’a révélé une étude sur l’état de survie des coraux à Singapour, Jakarta, Hong Kong et Okinawa. Ainsi, l’impact des facteurs de stress anthropiques et les effets superposés du changement climatique entraînent une réduction généralisée de la biodiversité sur les récifs coralliens et un déclin associé de la fonction écologique et de la résilience des coraux19.

Il convient également de noter qu’un grand nombre de micro-organismes participent aux fonctions physiologiques des coraux, notamment la fixation de l’azote, la décomposition de la chitine, la synthèse de composés organiques et l’immunité20, et que ces micro-organismes doivent donc être inclus dans l’examen de la détérioration des récifs coralliens. Dans les environnements naturels, tels que les récifs coralliens, de nombreux facteurs provoquent des conditions hypoxiques ou anoxiques, notamment une circulation insuffisante de l’eau, l’exsudat d’algues et la prolifération d’algues. Ce phénomène affecte négativement la répartition des populations de coraux et de micro-organismes liés aux coraux. Par exemple, des scientifiques vietnamiens ont découvert qu’à Nha Trang, Phu Quoc et Ujung Gelam, la composition bactérienne du corail Acropora Formosa pouvait être affectée par l’oxygène dissous à différents endroits21. Des chercheurs aux États-Unis ont exploré les conditions hypoxiques ou d’anoxie chez les coraux et ont découvert que les exsudats d’algues peuvent médier l’activité microbienne, conduisant à des conditions hypoxiques localisées, ce qui peut entraîner la mortalité des coraux dans le voisinage immédiat. Ils ont également constaté que les coraux pouvaient tolérer des concentrations d’oxygène réduites, mais seulement au-dessus d’un seuil donné déterminé par une combinaison du temps d’exposition et de la concentration en oxygène22. Des chercheurs indiens ont découvert que lorsque les algues Noctiluca scintillans proliféraient, l’oxygène dissous diminuait à 2 mg/L. En dessous de cette concentration, environ 70 % des Acropora montiporacan mouraient en raison de conditions hypoxiques23.

Tous les faits et facteurs mentionnés ci-dessus suggèrent que le changement environnemental entraîne la détérioration des récifs coralliens. Pour cultiver et étudier les coraux récifaux dans certaines conditions, il est important de construire avec précision et de manière exhaustive un environnement microscopique contrôlable pour que les coraux récifaux puissent l’habiter. Normalement, les scientifiques se concentrent sur la température, la lumière, le débit d’eau et les nutriments. Cependant, d’autres caractéristiques, telles que la concentration d’oxygène dissous, l’abondance des micro-organismes et la diversité des micro-organismes dans l’eau de mer, sont généralement ignorées. À cette fin, notre groupe a exploré la possibilité d’appliquer de petits équipements pour cultiver des polypes coralliens dans un environnement relativement contrôlé24,25. Dans ce travail, nous avons conçu et construit un système modulaire de micro-dispositifs pour la culture du corail. Ce système modulaire de micro-dispositifs peut fournir un micro-environnement contrôlable en termes de température, de spectre lumineux, de concentration d’oxygène dissous, de nutriments et de micro-organismes, etc., et a la capacité d’expansion et de mise à niveau.

Modules et fonctions de l’appareil
Le système de micro-dispositifs a été inspiré par le système de Berlin26, mais aucune roche vivante n’est utilisée dans le système actuel. Comme le montre la figure 1, le système actuel comprend six modules principaux, deux motopompes sans balais, une pompe à essence, une lampe UV à circulation, une alimentation électrique, certains composants de commande électronique, ainsi que les fils et les vis associés. Les six modules principaux comprennent un module de stockage d’eau de mer (avec une pompe à air et un capteur de température), un module de contrôle de la température, un module de purification des algues, un module de purification microbienne, un module de purification du charbon actif et un module de culture de coraux.

Architecture de l’appareil
Comme le montrent les figures 2 et 3, l’ensemble du système de micro-dispositifs peut être divisé horizontalement en deux compartiments avec un module de contrôle de la température entre les deux. Pour des raisons de sécurité, tous les modules et pièces contenant de l’eau de mer sont placés dans le compartiment de gauche, appelé compartiment de culture. Les autres pièces électroniques sont placées dans le compartiment de droite, appelé compartiment électronique. Les deux compartiments sont scellés ou emballés dans des coquilles. Le module de contrôle de la température est fixé dans une plaque de séparation entre les deux. La coque du compartiment de culture comprend une plinthe et trois plaques de fixation à vis. Cette conception assure l’étanchéité du compartiment et facilite le fonctionnement du système. De plus, l’étanchéité favorise un contrôle précis de la température. La coque du compartiment électronique comprend une plinthe, deux plaques de fixation à vis et un panneau de commande avant.

Circulation de l’eau
Une boucle de circulation d’eau de mer intérieure et extérieure connectée au module de stockage d’eau de mer a été préconçue. La boucle de circulation interne relie avec succès le module de stockage d’eau de mer, le module de contrôle de la température, la lampe UV à circulation, le module de purification des algues et le module de purification microbienne. Cette boucle de circulation vise à fournir des conditions physico-chimiques et physiologiques d’eau de mer adaptées aux coraux, et aucun entretien fréquent n’est nécessaire. Le module de purification des algues contient des algues Chaetomorpha , qui absorbent les nutriments supplémentaires (nitrate et phosphate) dans l’eau. Le module de purification microbienne contient le substrat de culture bactérienne, qui cultive le microbiome pour transférer les nitrites et l’ammonium en nitrate pour la purification de l’eau. Tous ces modules ne doivent être remplacés que dans des circonstances critiques.

La boucle de circulation extérieure relie successivement le module de stockage d’eau de mer, le module de culture de coraux et le module de charbon actif. Cette boucle de circulation vise à fournir de la lumière, de l’étanchéité, du courant d’eau et une eau de mer de haute qualité aux coraux. L’eau de mer peut être rafraîchie par une entrée d’eau et une sortie d’eau. Les additifs sont ajoutés par une vanne à trois voies, et l’échantillon d’eau de mer peut également être extrait de cette vanne pour inspection. L’air peut être pompé par une entrée d’air et évacué par une sortie d’air.

Conception électronique
Une alimentation 220 V AC avec un interrupteur et un fusible est utilisée pour l’ensemble du système. La puissance d’entrée est divisée en quatre branches. La première branche va à une alimentation 12 V CC, qui alimente directement le panneau chauffant, le panneau de refroidissement et le ventilateur de refroidissement. Cette branche alimente également indirectement deux pompes et deux panneaux d’éclairage par l’intermédiaire d’un transformateur CC à quatre canaux. La deuxième branche va à un régulateur de température PID. La troisième branche va à l’alimentation d’une pompe à air. La dernière branche se connecte à une alimentation par lampe UV. Un relais statique relie le régulateur de température PID et le panneau de refroidissement dans le module de contrôle de température. Un relais régulier est utilisé pour connecter le régulateur de température PID et le panneau chauffant. Le transformateur CC à quatre canaux convertit la tension en tension requise.

Il y a deux panneaux de commande sur la partie droite du système. Il y a quatre interrupteurs et un contrôleur pour la lampe UV sur le panneau supérieur, y compris un interrupteur d’alimentation principal, un interrupteur d’alimentation de lampe UV, un interrupteur de pompe à air et un interrupteur de contrôle de la température. L’interrupteur d’alimentation principal contrôle l’alimentation 12 V du système.

Un régulateur de température PID, une minuterie de cycle, un transformateur CC à quatre canaux et une minuterie à trois canaux se trouvent sur le panneau avant. Le régulateur de température PID ajuste la température de l’eau en contrôlant les panneaux de chauffage et de refroidissement dans le module de contrôle de la température. Le module de contrôle de la température ne fonctionne que lorsque la pompe de circulation interne fonctionne et que l’eau s’écoule devant le module de contrôle de la température. La minuterie de cycle est connectée à la ligne d’alimentation de la pompe à air. Son but est d’attribuer la période de temps de travail à la pompe à air. Une minuterie à trois canaux est également déployée dans le compartiment électronique. Cette minuterie contrôle la période de travail de la pompe à air, de la lumière de corail et de la lumière d’algues.

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Protocol

Les coraux utilisés pour la présente étude étaient des Seriatopora caliendrum, qui sont cultivés dans notre laboratoire. Tous les coraux ont été aimablement fournis par l’Institut océanographique de la mer de Chine méridionale de l’Université de l’Académie chinoise des sciences.

1. Inspection et mise en service

REMARQUE : Chaque module doit être testé individuellement pour l’étanchéité et le fonctionnement avant d’assembler le système. De l’eau déminéralisée doit être utilisée pour tester l’étanchéité du module. Les détails commerciaux de tous les composants du module sont fournis dans le tableau des matériaux.

  1. Test d’étanchéité de la connexion inter-modules
    1. Connectez tous les modules et les pompes (Figure 1) et assurez-vous que l’eau s’écoule circulairement sur le système pendant au moins 30 minutes.
    2. Vérifiez toutes les coutures pour d’éventuels problèmes de fuite. Si une fuite se produit dans l’un des joints de liaison, appliquez de la colle de collage de l’extérieur. Si une fuite se produit dans l’un des joints de raccordement, serrez à nouveau le raccord et vérifiez si le joint d’étanchéité doit être changé.
  2. Chargement
    1. Après le test d’étanchéité, évacuez et séchez l’eau à l’intérieur.
    2. Chargez le contenu approprié.
      REMARQUE : Par exemple, le substrat de culture bactérienne est chargé dans le module de purification microbienne et l’algue Chaetomorpha est chargée dans le module de purification des algues.
  3. Assemblage et test de l’ensemble du système
    1. Après le chargement, fixez les modules sur la plinthe à l’aide des vis.
    2. Connectez les modules de circulation interne avec ceux de circulation externe (sans le module de culture de corail).
    3. Pour la perfusion d’eau de mer, injectez l’eau de mer par l’entrée d’eau du module de stockage d’eau de mer. Lorsque le niveau d’eau est supérieur de 3 cm aux entrées d’eau des pompes, allumez les pompes et continuez l’injection d’eau de mer jusqu’à ce que les modules de circulation internes soient remplis d’eau de mer, avec de la place pour l’air (3 cm de hauteur) dans le module de stockage d’eau de mer.
      REMARQUE : L’eau de mer est préparée à l’aide d’eau pure et de sel de mer (voir le tableau des matériaux).
  4. Test du système
    1. Allumez tous les interrupteurs et réglez les tensions de la pompe à eau de mer sur 9 V. Réglez la température de l’eau sur 25 °C.
    2. Réglez la minuterie de cycle sur « 1 minute de marche et 1 minute d’arrêt ». Réglez les trois canaux de la minuterie à trois canaux sur « 9h00 on » et « 5 :00 pm off ».
    3. Surveillez le système pendant au moins 24 h pour détecter tout dysfonctionnement. Si aucun problème n’est détecté, le système est prêt pour l’étape suivante de l’opération.
      REMARQUE : Il est important d’éliminer toutes les bulles dans tous les modules, à l’exception du module de stockage d’eau de mer. L’ensemble du système peut être légèrement soulevé et secoué pour déplacer les bulles de l’entrée du module vers la sortie.

2. Mise en place de l’environnement microbien

REMARQUE : L’établissement d’un environnement microbien favorable aux coraux est nécessaire avant la transplantation de coraux. Afin de cultiver des micro-organismes dans le système, en particulier dans le module de purification microbienne, la solution probiotique diluée doit être ajoutée comme source microbienne pour le système de nitrification.

  1. Ajout de la source du microbiome
    1. Ajouter 1 mL de la solution de source de microbiome commerciale (voir le tableau des matériaux) dans 500 mL d’eau de mer en agitant.
    2. Injecter 50 mL de la solution diluée ci-dessus et 10 μL de la solution commerciale de nutrition des coraux (voir le tableau des matériaux) dans le système de circulation.
  2. Culture du microbiome
    1. Allumez la pompe de circulation interne et une pompe à air pour cultiver le microbiome pendant 21 jours. Les besoins en oxygène du microbiome déterminent les proportions de temps de marche et de temps d’arrêt de la pompe à air.
      REMARQUE : Cette étape vise à cultiver le microbiome de purification de l’eau de mer et à favoriser la croissance du microbiome bénéfique pour les coraux dans le système. Dans ce processus, l’eau de mer commence à devenir boueuse du deuxième au quatrième jour après l’injection du microbiome. Après ce processus de culture du microbiome, la capacité de dégradation des nutriments dans le système doit être établie. Il convient de noter que pour répondre à différentes exigences expérimentales, différentes sources de microbiome peuvent être utilisées pour établir l’environnement du microbiome.

3. Transplantation et croissance des coraux

  1. Transplantation de coraux
    1. Coupez les branches de corail brut avec des échelles de longueur de 3 à 5 cm, puis collez ces branches de corail sur des bases de support de corail imprimées en 3D (fichier de codage supplémentaire 1).
    2. Remettez ces échantillons de branches de corail dans le réservoir d’eau de mer d’origine pendant au moins 7 jours pour les récupérer.
    3. Fixez la base de support corail sur l’unité de rotation avec de la colle. Assemblez le module de culture de coraux et connectez-le à la boucle de circulation extérieure.
  2. Imagerie de la croissance des coraux
    REMARQUE : Les images de coraux au fil du temps doivent être acquises pour évaluer la croissance du corail. L’utilisation d’une connexion démontable permet de retirer facilement le module de culture de coraux de l’ensemble du système pour l’imagerie. À cette fin, un mini-studio photo avec des conditions d’éclairage appropriées est construit. Un appareil photo avec un objectif macro (voir le tableau des matériaux) est utilisé pour capturer les morphologies de surface des coraux à différentes périodes. L’unité de rotation des coraux dans le module de culture peut être utilisée à l’extérieur du module en utilisant le mode sans contact. En tournant la poignée magnétique adjacente au module, il est possible de capturer des images de corail en plein angle.
    1. Placez l’appareil photo sur le dessus du studio et capturez les images à partir d’une vue verticale.
    2. Placez le module de culture de corail dans le mini-studio photo avec le corail positionné au centre et en bas.
    3. Capturez les images de corail en faisant pivoter la poignée extérieure.
      REMARQUE : Pour des raisons de survie des coraux, la période de temps d’imagerie doit être limitée à 15 minutes.

4. Maintenance de routine du système

REMARQUE : L’entretien de routine comprend l’inspection des fuites, l’inspection des dysfonctionnements, l’ajout d’additifs et l’échange d’eau de mer.

  1. Inspection des fuites
    1. Inspectez la plinthe pour voir s’il y a des taches d’eau ou des gouttelettes. Comme la coque du couvercle du système est transparente, l’inspection visuelle des fuites d’eau est facile et pratique. Cette inspection doit être effectuée tous les jours.
  2. Inspection des dysfonctionnements
    1. Assurez-vous que cette étape comprend l’inspection de la température de l’eau, des pompes, des tensions lumineuses, de l’état de la pompe à air et de l’état de la minuterie, y compris la vérification visuelle et l’enregistrement de la température de l’eau réglée, de la température en temps réel, des tensions de sortie du transformateur, des réglages de la lampe UV et de l’état de fonctionnement de la minuterie. Cette inspection doit être effectuée tous les jours.
      REMARQUE : Certains dysfonctionnements du système peuvent être diagnostiqués sur la base de sons anormaux ou de températures inhabituelles.
  3. Ajout d’additifs
    REMARQUE : L’ajout d’additifs est le processus d’ajout de nutriments et d’autres réactifs dans le système.
    1. Par exemple, extrayez 10 mL d’eau de mer à l’aide d’une seringue de la valve à trois voies entre le module de charbon actif et le module d’eau de mer.
    2. Dissoudre les additifs dans l’eau de mer extraite.
    3. Réinjectez la solution dans le système par la vanne à trois voies. Dans les cas réels, les types, les quantités et les fréquences d’ajout des additifs sont déterminés par la qualité de l’eau de mer du système, en tenant compte des exigences expérimentales.
  4. Échange d’eau
    REMARQUE : L’échange régulier d’eau peut réduire la concentration toxique et l’eutrophisation dans le système de culture. Si les conditions expérimentales le permettent, l’échange de l’eau de mer peut être une opération de routine.
    1. Coupez l’alimentation de l’ensemble du système et débranchez le câble d’alimentation pour des raisons de sécurité.
    2. Retirez le module de culture de coraux.
    3. Connectez la canalisation d’eaux usées extérieure à la sortie du module de stockage d’eau de mer.
    4. Faites pivoter le système et placez-le à l’avant vers le bas.
    5. Allumez la prise. Laissez l’eau de mer intérieure s’écouler hors du système.
      REMARQUE : N’utilisez aucune pompe pour aspirer l’eau car la pression négative à l’intérieur peut endommager le système.
    6. Déchargez une quantité appropriée d’eau de mer et fermez la sortie. La quantité d’eau de mer rejetée est déterminée par l’état physiologique des coraux.
    7. Réinitialisez le système et injectez l’eau de mer nouvellement préparée dans le système par l’entrée d’eau.
    8. Réinstallez le module de culture de coraux dans le système.
    9. Mettez le système sous tension et attendez que l’ensemble du système revienne à la normale.

5. Remplacement du module

REMARQUE : Si un module doit être remplacé en raison d’un dysfonctionnement ou conformément à la disposition expérimentale, il est important de changer le module sans suspendre ou affecter négativement l’expérience de culture.

  1. Pour le module de stockage d’eau de mer, le module de purification d’algues, le module de purification microbienne ou le module de purification de charbon actif, éteignez la pompe de circulation interne et desserrez les vis de fixation du module.
  2. Déconnectez les canalisations entre les deux modules joints et démontez le module à remplacer du système. La dernière étape consiste à assembler le nouveau module dans le système en connectant les canalisations et en resserrant les vis de fixation.
    REMARQUE : Le remplacement du module de contrôle de la température est en quelque sorte différent. Tout d’abord, tous les fils doivent être déconnectés du module. Les boulons de fixation sont ensuite dévissés et les canalisations sont déconnectées. Ensuite, le panneau chauffant est démonté et le module est démonté du système. Le processus d’installation du module de contrôle de la température est le processus inverse.

6. Arrêt du système et restauration du système à son état initial

REMARQUE : Le système sera éventuellement arrêté après l’expérience de culture de corail nécessaire. Le système doit être restauré dans son état d’origine.

  1. Arrêt du système
    1. Coupez l’alimentation du système et débranchez le câble d’alimentation.
    2. Évacuez l’eau de mer à l’intérieur du système.
    3. Démontez les modules dans l’ordre suivant : le module de culture de corail, le module de purification au charbon actif, le module de stockage d’eau de mer, le module de purification des algues, le module de purification microbienne, la lampe UV, les deux pompes de circulation et le module de contrôle de la température.
  2. Restauration du système
    1. Nettoyez tous les modules avec de l’eau pure et des tensioactifs (voir le tableau des matériaux).
    2. Stérilisez les modules avec une solution de peroxyde d’hydrogène à 3 %.
      REMARQUE : N’utilisez aucun solvant organique pour laver les modules.
    3. Séchez les modules à 40 °C pendant 12 h. Assurez-vous que toute l’eau à l’intérieur du système est évaporée.
    4. Nettoyez toutes les canalisations et vannes en utilisant les mêmes tensioactifs.

7. Modification pour l’environnement contrôlé des micro-organismes

REMARQUE : Mis à part l’expérience de culture de corail, pour certaines expériences spéciales, telles que l’acquisition d’un environnement de micro-organismes contrôlé dans le système, l’espèce et l’abondance du microbiome doivent être strictement contrôlées. La caractéristique la plus innovante de notre système de culture corallienne est que l’activité physiologique du corail peut être explorée dans un environnement microbien spécifique dans un micro-écosystème relativement fermé. L’exécution de cette fonction nécessite une procédure d’exploitation différente.

  1. Pré-stérilisation
    1. Stérilisez tous les modules, canalisations et vannes à l’aide d’une solution de peroxyde d’hydrogène à 3 % avant d’assembler le système.
    2. Stériliser le substrat de culture bactérienne à l’aide d’un autoclave.
    3. Stérilisez les algues Chaetomorpha avec une solution d’éthanol à 75 % et séchez-les à l’aide de papier stérile.
  2. Modification du système et stérilisation
    1. Lors de l’assemblage du système, ajoutez un filtre de stérilisation de l’air (voir le tableau des matériaux) entre la pompe à air et le module de stockage d’eau de mer.
    2. Ajoutez un filtre stérilisant l’eau entre l’entrée et la vanne à trois voies. Cette étape permet de s’assurer que l’air et l’eau injectés dans le système sont stérilisés.
    3. Introduire de l’ozone dans le système pour éliminer le microbiome restant.
    4. Lavez trois fois les agents désinfectants restants avec de l’eau de mer stérile et injectez l’eau de mer stérile dans le système.
    5. Pour l’établissement de l’environnement microbien uniquement, injectez la solution de la source du microbiome par la sortie d’eau.
      REMARQUE : N’utilisez pas l’entrée d’eau pour injecter la source de microbiome. D’autres réactifs et de l’eau de mer sont toujours injectés par l’entrée d’eau.

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Representative Results

Précision du contrôle de la température
La température du système est normalement réglée entre 23 et 28 °C selon les espèces de coraux. Cependant, en tant que l’un des facteurs les plus importants, la fluctuation de la température peut fortement affecter la survie des coraux. Par conséquent, la précision du contrôle de la température est un facteur décisif pour le système de culture du corail. Un capteur de température et un collecteur de données indépendant avec une plage de température de 9 °C à 32 °C peuvent être utilisés pour tester la précision du contrôle de la température dans le module de culture corallienne. Nous avons réglé la température de l’eau de mer du système à 24 °C et mesuré simultanément la température de l’eau de mer et la température ambiante. Comme le montre la figure 4, la courbe rouge représente la fluctuation mesurée de la température ambiante et la courbe noire représente la fluctuation mesurée de la température de l’eau de mer dans le module de culture de coraux. Sur 14 h, la température moyenne mesurée était de 23,8 °C et l’écart-type était de 0,1 °C. Le système de contrôle de la température de l’eau de mer était relativement précis.

Résultat de la culture corallienne
Normalement, un corail sain étend librement ses tentacules lorsque les conditions environnementales répondent aux exigences de survie du corail, comme le montre la figure 5. Ce critère vérifie généralement l’état du corail et peut être utilisé pour vérifier les facteurs de stress environnementaux. Comme le montre la figure 5B, les tentacules du corail échantillon se sont étendus pendant 1 mois sans être perturbés. Cela indique que le système a fourni un environnement de survie approprié pour le corail pendant une longue période. Cette période de culture devrait être suffisamment longue pour la plupart des expériences et des tests sur les coraux en laboratoire. On peut également voir sur la figure 5 qu’il est possible d’effectuer l’analyse morphologique en imageant le processus de croissance des coraux.

Figure 1
Figure 1 : Schéma de connexion du module pour le système de micro-dispositifs. Les rectangles arrondis représentent des modules ou des pompes ; Les lignes fléchées représentent les conduites d’eau ou d’air. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Vue de face du système de micro-dispositifs. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Vue de dessus du système de micro-dispositifs. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Résultats expérimentaux du contrôle de la température de l’eau de mer. Courbe rouge : fluctuation de la température ambiante ; Courbe noire : Fluctuation mesurée de la température de l’eau de mer du système. La température de réglage du système était de 24 °C. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Module de culture de coraux avec une image de corail agrandie. (A) Pour faire une comparaison, quatre coraux ont été localisés sur les bases de support correspondantes avec un vide dans le module de culture de coraux. (B) Une image de corail agrandie du corail Seriatopora caliendrum. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Fichier de codage supplémentaire 1 : Conception pour l’impression 3D de bases de support coralliennes. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

Ce système de culture de coraux est conçu pour simuler et fournir un microenvironnement relativement naturel ou personnalisé dans lequel les coraux peuvent être transplantés et survivre. En même temps, en tant qu’équipement développé par nos soins, ce système doit être fiable, convivial et sûr. Par exemple, en termes de contrôle de la température, la température de l’eau de mer doit être contrôlée de manière appropriée en fonction des circonstances environnementales quotidiennes. Le système a été testé en cultivant le corail pendant 1 mois, confirmant la fiabilité du système.

Par rapport aux bassins de mer ou aux aquariums normaux26, sur la base de notre expérience de culture de corail, après avoir réglé les paramètres/conditions de culture, y compris la formule de l’additif, le plan d’échange d’eau, la vitesse de circulation (puissance ou tension de la pompe), l’intensité de l’éclairage, les proportions de temps de marche et d’arrêt de la pompe à air et le temps d’éclairage, la période de temps pour le service et le fonctionnement quotidiens est inférieure à 10 minutes. De plus, aucune fuite électrique, court-circuit, surcharge ou autre incident ne s’est produit pendant cette période, ce qui démontre la convivialité et la sécurité du système.

Cependant, il convient de noter que l’inspection du système, le démarrage, la transplantation/imagerie des coraux et la maintenance de routine sont les étapes essentielles et critiques du protocole. La fuite d’eau à l’intérieur de l’appareil et le vieillissement des pièces de l’appareil peuvent être deux problèmes qui peuvent survenir sur une période de temps relativement longue. Les publics qui veulent reproduire ce système doivent s’occuper de ces questions.

Du point de vue du micro-écosystème artificiel, cette plateforme modulaire peut être dotée de la capacité d’étudier le microbiome associé aux coraux dans un environnement contrôlable en laboratoire plutôt que sur le terrain, prouvant ainsi son évolutivité et sa rentabilité. Par conséquent, ce système de culture de coraux devrait aider et accélérer les études liées aux coraux.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas d’intérêts financiers concurrents.

Acknowledgments

Cette étude a été financée par les programmes clés de développement de l’État pour la recherche fondamentale de Chine (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

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References

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Système intégré de micro-dispositifs Croissance des coraux Surveillance des coraux Environnement de culture des coraux Contrôle précis Conservation des coraux Recherche sur la protection des coraux Contrôle de la température Qualité de l’eau Concentration d’oxygène dissous Spectre lumineux Conception modulaire Maintenance du système Relation symbiotique Micro-organismes Surveillance quantitative
Un système de micro-dispositifs intégré pour la croissance et la surveillance des coraux
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Zhao, J., Yuan, T., Huang, H., Lu, X. An Integrated Micro-Device System for Coral Growth and Monitoring. J. Vis. Exp. (197), e65651, doi:10.3791/65651 (2023).

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