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Bioengineering

कोरल विकास और निगरानी के लिए एक एकीकृत माइक्रो-डिवाइस सिस्टम

Published: July 21, 2023 doi: 10.3791/65651

Summary

यह प्रोटोकॉल एक मॉड्यूलर नियंत्रणीय माइक्रो-डिवाइस सिस्टम के विकास का वर्णन करता है जिसे समुद्री कोरल के दीर्घकालिक संवर्धन और निगरानी के लिए लागू किया जा सकता है।

Abstract

कोरल समुद्री और तटीय पारिस्थितिक तंत्र में मौलिक जीव हैं। हाल के वर्षों में कोरल संरक्षण अनुसंधान की प्रगति के साथ, कोरल संस्कृति पर्यावरण का सटीक नियंत्रण कोरल संरक्षण और अध्ययन के लिए अत्यधिक मांग में है। यहां, हमने एक बहु-कार्यात्मक मंच के रूप में एक अर्ध-बंद कोरल कल्चर माइक्रो-डिवाइस सिस्टम विकसित किया है, जो सटीक और प्रोग्राम करने योग्य तापमान नियंत्रण, एक बाँझ प्रारंभिक वातावरण, दीर्घकालिक स्थिर पानी की गुणवत्ता, एक समायोज्य घुलित ऑक्सीजन एकाग्रता और कोरल के लिए एक अनुकूलित प्रकाश स्पेक्ट्रम प्रदान कर सकता है। मॉड्यूलर डिजाइन के कारण, कोरल कल्चर सिस्टम को वांछनीय नए मॉड्यूल स्थापित करके या मौजूदा लोगों को हटाकर अपग्रेड या संशोधित किया जा सकता है। वर्तमान में, उपयुक्त परिस्थितियों में और उचित प्रणाली रखरखाव के साथ, नमूना कोरल स्वस्थ अवस्था में कम से कम 30 दिनों तक जीवित रह सकते हैं। इसके अलावा, नियंत्रणीय और बाँझ प्रारंभिक वातावरण के कारण, यह कोरल कल्चर सिस्टम कोरल और संबंधित सूक्ष्मजीवों के बीच सहजीवी संबंधों में अनुसंधान का समर्थन कर सकता है। इसलिए, इस माइक्रो-डिवाइस सिस्टम को अपेक्षाकृत मात्रात्मक तरीके से समुद्री कोरल की निगरानी और जांच करने के लिए लागू किया जा सकता है।

Introduction

कोरल रीफ पारिस्थितिक तंत्र की गिरावट पिछले 70 वर्षों में दुनिया भर में हो रही है। मध्य अमेरिका 1, दक्षिण पूर्व एशिया 2,3,4,5,6, ऑस्ट्रेलिया 7,8 और पूर्वी अफ्रीका9 के सभी प्रमुख प्रवाल क्षेत्रों को ध्यान में रखते हुए, 1950के दशक के बाद से प्रवाल भित्तियों का वैश्विक कवरेज आधा हो गया है। प्रवाल भित्तियों के इस बड़े पैमाने पर नुकसान के परिणामस्वरूप पारिस्थितिक और आर्थिक समस्याएं पैदा हुई हैं। उदाहरण के लिए, 8 वर्षों के लिए सभी प्रकार की कोरल-निर्भर मछलियों की उपस्थिति / अनुपस्थिति और बहुतायत का पता लगाकर, शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि कोरल गिरावट ने सीधे पापुआ न्यू गिनी11 में मछली जैव विविधता और बहुतायत में पर्याप्त कमी का कारण बना है। इस परिणाम ने साबित कर दिया कि प्रवाल गिरावट न केवल कोरल रीफ-आधारित जैविक प्रणालियों को कमजोर कर सकती है, बल्कि मत्स्य आय को भी कम कर सकती है।

प्रत्यक्ष निगरानी, रिमोट सेंसिंग और डेटा तुलना सहित दशकों के क्षेत्र सर्वेक्षणों में, वैज्ञानिक समुदाय ने बड़े पैमाने पर प्रवाल गिरावट के कारण कई कारकों की पहचान की है। बड़े पैमाने पर कोरल गिरावट का एक प्रमुख कारण उच्च समुद्री जल तापमान12,13 के कारण कोरल ब्लीचिंग है। ब्लीचिंग और मौसम संबंधी रिकॉर्ड को मिलाकर, वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला है कि अल नीनो-दक्षिणी दोलन चरण14 में कोरल ब्लीचिंग अधिक बार हो रही है। कोरल गिरावट का एक अन्य कारण समुद्र अम्लीकरण है। वायुमंडल और समुद्री जल दोनों में सीओ2 एकाग्रता में वृद्धि के कारण, कैल्शियम कार्बोनेट पहले की तुलना में तेजी से घुल जाता है, जिससे डाउनस्केल नेट कोरल रीफकैल्सीफिकेशन 15 होता है। दरअसल, यह निष्कर्ष निकाला गया है कि जब वायुमंडल में सीओ2 एकाग्रता 500 पीपीएम से ऊपर पहुंच जाती है, तो लाखों लोग पीड़ित होंगे, और प्रवाल भित्तियों को महत्वपूर्ण गिरावट और सिम्बियोडिनियम डिटेचमेंट16,17 का खतरा होगा। ऐसे अन्य कारक भी हैं जो कोरल अस्तित्व को प्रभावित कर सकते हैं, जैसे कि तटवर्ती प्रदूषक प्रदूषक कोरल गिरावट का कारण बनते हैं या तेज करते हैं। हवाई में शोधकर्ताओं ने कोरल में कार्बन, ऑक्सीजन और नाइट्रोजन आइसोटोप को भंग अकार्बनिक कार्बोनेट और संबंधित पोषक तत्वों (एनएच 4 +, पीओ4 3-, एनओ2−, और एनओ3) के साथ मापा, और निष्कर्ष निकाला कि भूमि से प्रदूषण ने तटीय अम्लीकरण और कोरल के जैवक्षरण को बढ़ाया है।. प्रदूषण के अलावा, शहरीकरण भी प्रवाल अस्तित्व को खतरे में डालता है और कोरल में अपेक्षाकृत कम वास्तुशिल्प जटिलता का कारण बनता है, जैसा कि सिंगापुर, जकार्ता, हांगकांग और ओकिनावा में कोरल अस्तित्व की स्थिति पर एक अध्ययन से पता चला है। इस प्रकार, मानवजनित तनावों और जलवायु परिवर्तन के सुपरइम्पोज्ड प्रभावों के प्रभाव से प्रवाल भित्तियों पर जैव विविधता में व्यापक कमी आ रही है और प्रवाल पारिस्थितिक कार्य और लचीलापन में संबंधित गिरावट आ रहीहै।

यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि बड़ी संख्या में सूक्ष्मजीव कोरल के शारीरिक कार्यों में भाग लेते हैं, जिसमें नाइट्रोजन निर्धारण, चिटिन अपघटन, कार्बनिक यौगिकों का संश्लेषण और प्रतिरक्षा20 शामिल हैं, और इस प्रकार, कोरल रीफ गिरावट पर विचार करते समय इन सूक्ष्मजीवों को शामिल किया जाना चाहिए। प्राकृतिक वातावरण में, जैसे कि प्रवाल भित्तियां, कई कारक हाइपोक्सिक या एनोक्सिक स्थितियों का कारण बनते हैं, जिसमें अपर्याप्त जल परिसंचरण, अल्गल एक्स्यूडेट और अल्गल अतिवृद्धि शामिल हैं। यह घटना कोरल और कोरल से संबंधित सूक्ष्मजीवों के जनसंख्या वितरण को नकारात्मक रूप से प्रभावित करती है। उदाहरण के लिए, वियतनामी वैज्ञानिकों ने पाया कि न्हा ट्रांग, फू क्वोक और उजुंग गेलम में, कोरल एक्रोपोरा फॉर्मोसा में बैक्टीरिया की संरचनाविभिन्न स्थानों पर घुलित ऑक्सीजन से प्रभावित हो सकती है। संयुक्त राज्य अमेरिका में शोधकर्ताओं ने कोरल में हाइपोक्सिक या एनोक्सिया स्थितियों का पता लगाया और पाया कि अल्गल एक्स्यूडेट्स माइक्रोबियल गतिविधि को मध्यस्थ कर सकते हैं, जिससे स्थानीयकृत हाइपोक्सिक स्थितियां हो सकती हैं, जो प्रत्यक्ष आसपास के क्षेत्र में कोरल मृत्यु दर का कारण बन सकती हैं। उन्होंने यह भी पाया कि कोरल कम ऑक्सीजन सांद्रता को सहन कर सकते हैं, लेकिन केवल एक्सपोजर समय और ऑक्सीजन एकाग्रता22 के संयोजन द्वारा निर्धारित एक निश्चित सीमा से ऊपर। भारत में शोधकर्ताओं ने पाया कि जब नोक्टिलुका सिंटिलन्स शैवाल खिलते हैं, तो घुलित ऑक्सीजन 2 मिलीग्राम / एल तक कम हो जाती है। इस एकाग्रता के नीचे, हाइपोक्सिकस्थितियों के कारण लगभग 70% एक्रोपोरा मोंटीपोराकन की मृत्यु हो गई।

उपर्युक्त सभी तथ्य और कारक बताते हैं कि पर्यावरणीय परिवर्तन प्रवाल भित्तियों के बिगड़ने की ओर जाता है। कुछ शर्तों के तहत रीफ कोरल की संस्कृति और अध्ययन करने के लिए, रीफ कोरल के निवास के लिए एक नियंत्रणीय सूक्ष्म वातावरण का सटीक और व्यापक रूप से निर्माण करना महत्वपूर्ण है। आम तौर पर, वैज्ञानिक तापमान, प्रकाश, जल प्रवाह और पोषक तत्वों पर ध्यान केंद्रित करते हैं। हालांकि, अन्य विशेषताएं, जैसे कि घुलित ऑक्सीजन एकाग्रता, सूक्ष्मजीव बहुतायत, और समुद्री जल में सूक्ष्मजीव विविधता, आमतौर पर अनदेखा की जाती हैं। इसके लिए, हमारे समूह ने अपेक्षाकृत नियंत्रित वातावरण24,25 में कोरल पॉलीप्स को कल्चर करने के लिए छोटे उपकरण लागू करने की संभावना का पता लगाया है। इस काम में, हमने कोरल कल्चर के लिए एक मॉड्यूलर माइक्रो-डिवाइस सिस्टम डिजाइन और बनाया है। यह मॉड्यूलर माइक्रो-डिवाइस सिस्टम तापमान, प्रकाश स्पेक्ट्रम, भंग ऑक्सीजन एकाग्रता, पोषक तत्वों और सूक्ष्मजीवों आदि के संदर्भ में एक नियंत्रणीय सूक्ष्म वातावरण प्रदान कर सकता है, और इसमें विस्तार और उन्नयन की क्षमता है।

डिवाइस के मॉड्यूल और कार्य
माइक्रो-डिवाइस सिस्टम बर्लिन सिस्टम26 से प्रेरित था, लेकिन वर्तमान सिस्टम में किसी भी जीवित चट्टानों का उपयोग नहीं किया जाता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, वर्तमान प्रणाली में छह मुख्य मॉड्यूल, दो ब्रशलेस मोटर पंप, एक गैस पंप, एक प्रवाह के माध्यम से यूवी लैंप, एक बिजली की आपूर्ति, कुछ इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण घटक और संबंधित तार और पेंच शामिल हैं। छह मुख्य मॉड्यूल में एक समुद्री जल भंडार मॉड्यूल (एक वायु पंप और तापमान सेंसर के साथ), एक तापमान नियंत्रण मॉड्यूल, एक शैवाल शोधन मॉड्यूल, एक माइक्रोबियल शुद्धि मॉड्यूल, एक सक्रिय लकड़ी का कोयला शोधन मॉड्यूल और एक कोरल कल्चर मॉड्यूल शामिल हैं।

डिवाइस आर्किटेक्चर
जैसा कि चित्रा 2 और चित्रा 3 में दिखाया गया है, समग्र माइक्रो-डिवाइस सिस्टम को क्षैतिज रूप से दो डिब्बों में विभाजित किया जा सकता है जिसके बीच में तापमान नियंत्रण मॉड्यूल होता है। सुरक्षा कारणों से, सभी समुद्री जल युक्त मॉड्यूल और भागों को बाएं डिब्बे में रखा जाता है, जिसे संस्कृति डिब्बे का नाम दिया जाता है। अन्य इलेक्ट्रॉनिक भागों को सही डिब्बे में रखा जाता है, जिसे इलेक्ट्रॉनिक डिब्बे का नाम दिया जाता है। दोनों डिब्बों को सील कर दिया जाता है या गोले के भीतर पैक किया जाता है। तापमान नियंत्रण मॉड्यूल को बीच में एक डिवाइडर प्लेट में तय किया गया है। कल्चर कम्पार्टमेंट के खोल में एक बेसबोर्ड और तीन स्क्रू-फिक्सिंग प्लेटें शामिल हैं। यह डिजाइन डिब्बे की जकड़न सुनिश्चित करता है और सिस्टम के संचालन की सुविधा प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, जकड़न सटीक तापमान नियंत्रण का पक्ष लेती है। इलेक्ट्रॉनिक डिब्बे के खोल में एक बेसबोर्ड, दो स्क्रू-फिक्सिंग प्लेटें और एक फ्रंट कंट्रोल पैनल शामिल हैं।

जल परिसंचरण
समुद्री जल भंडार मॉड्यूल से जुड़ा एक आंतरिक और बाहरी समुद्री जल परिसंचरण लूप पूर्व-डिज़ाइन किया गया था। आंतरिक परिसंचरण लूप सफलतापूर्वक समुद्री जल भंडार मॉड्यूल, तापमान नियंत्रण मॉड्यूल, प्रवाह के माध्यम से यूवी लैंप, शैवाल शुद्धिकरण मॉड्यूल और माइक्रोबियल शुद्धिकरण मॉड्यूल को जोड़ता है। इस परिसंचरण लूप का उद्देश्य कोरल के लिए उपयुक्त भौतिक रासायनिक और शारीरिक समुद्री जल की स्थिति प्रदान करना है, और लगातार रखरखाव की आवश्यकता नहीं है। शैवाल शुद्धिकरण मॉड्यूल में चेटोमोर्फा शैवाल होता है, जो पानी में अतिरिक्त पोषक तत्वों (नाइट्रेट और फॉस्फेट) को अवशोषित करता है। माइक्रोबियल शुद्धिकरण मॉड्यूल में बैक्टीरियल कल्चर सब्सट्रेट होता है, जो पानी के शुद्धिकरण के लिए नाइट्राइट और अमोनियम को नाइट्रेट में स्थानांतरित करने के लिए माइक्रोबायोम की खेती करता है। इन सभी मॉड्यूल को केवल गंभीर परिस्थितियों में बदलने की आवश्यकता है।

बाहरी परिसंचरण लूप क्रमिक रूप से समुद्री जल भंडार मॉड्यूल, कोरल कल्चर मॉड्यूल और सक्रिय चारकोल मॉड्यूल को जोड़ता है। इस परिसंचरण लूप का उद्देश्य कोरल को प्रकाश, जकड़न, पानी की धारा और उच्च समुद्री जल की गुणवत्ता प्रदान करना है। समुद्री जल को पानी के इनलेट और पानी के आउटलेट के माध्यम से ताज़ा किया जा सकता है। एडिटिव्स को तीन-तरफा वाल्व के माध्यम से जोड़ा जाता है, और निरीक्षण के लिए इस वाल्व से समुद्री जल का नमूना भी निकाला जा सकता है। हवा को एक एयर इनलेट के माध्यम से पंप किया जा सकता है और एक एयर आउटलेट से छुट्टी दी जा सकती है।

इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन
पूरे सिस्टम के लिए एक स्विच और एक फ्यूज के साथ 220 वी एसी बिजली की आपूर्ति का उपयोग किया जाता है। इनपुट पावर को चार शाखाओं में विभाजित किया गया है। पहली शाखा 12 वी डीसी बिजली की आपूर्ति में जाती है, जो सीधे हीटिंग पैनल, कूलिंग पैनल और कूलिंग फैन को शक्ति देती है। यह शाखा अप्रत्यक्ष रूप से चार-चैनल डीसी ट्रांसफार्मर के माध्यम से दो पंप और दो प्रकाश पैनलों को भी शक्ति देती है। दूसरी शाखा एक पीआईडी तापमान नियंत्रक के पास जाती है। तीसरी शाखा एक एयर पंप बिजली आपूर्ति में जाती है। अंतिम शाखा एक यूवी लैंप बिजली की आपूर्ति से जुड़ती है। एक ठोस-अवस्था रिले पीआईडी तापमान नियंत्रक और तापमान नियंत्रण मॉड्यूल में शीतलन पैनल को जोड़ता है। पीआईडी तापमान नियंत्रक और हीटिंग पैनल को जोड़ने के लिए एक नियमित रिले का उपयोग किया जाता है। चार-चैनल डीसी ट्रांसफार्मर वोल्टेज को आवश्यक में परिवर्तित करता है।

सिस्टम के दाहिने हिस्से पर दो कंट्रोल पैनल हैं। शीर्ष पैनल पर यूवी लैंप के लिए चार स्विच और एक नियंत्रक हैं, जिसमें एक मुख्य पावर स्विच, एक यूवी लैंप पावर स्विच, एक एयर पंप स्विच और एक तापमान नियंत्रण स्विच शामिल है। मुख्य पावर स्विच सिस्टम की 12 वी बिजली की आपूर्ति को नियंत्रित करता है।

एक पीआईडी तापमान नियंत्रक, एक साइकिल टाइमर, एक चार-चैनल डीसी ट्रांसफार्मर और एक तीन-चैनल टाइमर फ्रंट पैनल पर हैं। पीआईडी तापमान नियंत्रक तापमान नियंत्रण मॉड्यूल में हीटिंग और कूलिंग पैनलों को नियंत्रित करके पानी के तापमान को समायोजित करता है। तापमान नियंत्रण मॉड्यूल केवल तभी काम करता है जब आंतरिक परिसंचरण पंप काम कर रहा होता है और पानी तापमान नियंत्रण मॉड्यूल से आगे बह रहा होता है। साइकिल टाइमर एयर पंप पावर लाइन से जुड़ा हुआ है। इसका उद्देश्य एयर पंप को कार्य समय अवधि प्रदान करना है। इलेक्ट्रॉनिक कम्पार्टमेंट में भी तीन चैनल का टाइमर तैनात है। यह टाइमर एयर पंप, कोरल लाइट और शैवाल प्रकाश के लिए कार्य समय अवधि को नियंत्रित करता है।

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Protocol

वर्तमान अध्ययन के लिए उपयोग किए जाने वाले कोरल सेरियाटोपोरा कैलिनड्रम थे, जो हमारी प्रयोगशाला में सुसंस्कृत हैं। सभी कोरल दक्षिण चीन सागर इंस्टीट्यूट ऑफ ओशनोलॉजी, यूनिवर्सिटी ऑफ चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज द्वारा प्रदान किए गए थे।

1. निरीक्षण और स्टार्टअप

नोट: सिस्टम को इकट्ठा करने से पहले प्रत्येक मॉड्यूल को जकड़न और कार्य के लिए व्यक्तिगत रूप से परीक्षण किया जाना चाहिए। मॉड्यूल की जकड़न का परीक्षण करने के लिए विआयनीकृत पानी का उपयोग किया जाना चाहिए। सभी मॉड्यूल घटकों के वाणिज्यिक विवरण सामग्री तालिका में प्रदान किए गए हैं।

  1. अंतर-मॉड्यूल कनेक्शन का जकड़न परीक्षण
    1. सभी मॉड्यूल और पंप (चित्रा 1) को कनेक्ट करें, और सुनिश्चित करें कि पानी कम से कम 30 मिनट के लिए सिस्टम पर गोलाकार रूप से बहता है।
    2. संभावित रिसाव समस्याओं के लिए सभी सीम की जांच करें। यदि किसी भी बॉन्डिंग सीम में कोई रिसाव होता है, तो बाहर से बॉन्डिंग गोंद लागू करें। यदि किसी भी कनेक्शन सीम में कोई रिसाव होता है, तो कनेक्शन को फिर से कस लें, और जांचें कि क्या सीलिंग गैसकेट को बदलने की आवश्यकता है।
  2. लोड
    1. टाइटनेस टेस्ट के बाद पानी को खाली कर के अंदर सुखा लें।
    2. उपयुक्त सामग्री लोड करें।
      नोट: उदाहरण के लिए, बैक्टीरियल कल्चर सब्सट्रेट को माइक्रोबियल शुद्धिकरण मॉड्यूल में लोड किया जाता है, और चेटोमोर्फा शैवाल को शैवाल शोधन मॉड्यूल में लोड किया जाता है।
  3. पूरे सिस्टम को इकट्ठा करना और परीक्षण करना
    1. लोड करने के बाद, स्क्रू का उपयोग करके बेसबोर्ड पर मॉड्यूल को ठीक करें।
    2. आंतरिक परिसंचरण मॉड्यूल को बाहरी परिसंचरण वाले (कोरल कल्चर मॉड्यूल के बिना) से कनेक्ट करें।
    3. समुद्री जल छिड़काव के लिए, समुद्री जल भंडार मॉड्यूल में पानी के इनलेट के माध्यम से समुद्री जल इंजेक्ट करें। जब पानी का स्तर पंपों के पानी के इनलेट से 3 सेमी अधिक होता है, तो पंपों को चालू करें, और समुद्री जल के इंजेक्शन को तब तक जारी रखें जब तक कि आंतरिक परिसंचरण मॉड्यूल समुद्री जल से भरे न हों, जिसमें समुद्री जल भंडार मॉड्यूल में हवा के लिए जगह (3 सेमी ऊंची) हो।
      नोट: समुद्री जल शुद्ध पानी और समुद्री नमक का उपयोग करके तैयार किया जाता है ( सामग्री की तालिका देखें)।
  4. सिस्टम परीक्षण
    1. सभी स्विच चालू करें और दोनों समुद्री जल पंप वोल्टेज को 9 V पर सेट करें। पानी का तापमान 25 °C पर सेट करें।
    2. साइकिल टाइमर को "1 मिनट पर और 1 मिनट की छूट" पर सेट करें। तीन-चैनल टाइमर के सभी तीन चैनलों को "सुबह 9:00 बजे" और "शाम 5:00 बजे की छुट्टी" पर सेट करें।
    3. किसी भी खराबी के लिए कम से कम 24 घंटे के लिए सिस्टम की निगरानी करें। यदि कोई समस्या नहीं पाई जाती है, तो सिस्टम ऑपरेशन के अगले चरण के लिए तैयार है।
      नोट: समुद्री जल भंडार मॉड्यूल को छोड़कर सभी मॉड्यूल में सभी बुलबुले को साफ करना महत्वपूर्ण है। मॉड्यूल इनलेट से आउटलेट तक बुलबुले को स्थानांतरित करने के लिए पूरे सिस्टम को थोड़ा उठाया और हिलाया जा सकता है।

2. माइक्रोबियल वातावरण की स्थापना

नोट: कोरल प्रत्यारोपण से पहले एक कोरल-अनुकूल माइक्रोबियल वातावरण स्थापित करना आवश्यक है। सिस्टम में सूक्ष्मजीवों को कल्चर करने के लिए, विशेष रूप से माइक्रोबियल शुद्धिकरण मॉड्यूल में, पतला प्रोबायोटिक समाधान नाइट्रिफिकेशन सिस्टम के लिए माइक्रोबियल स्रोत के रूप में जोड़ा जाना चाहिए।

  1. माइक्रोबायोम स्रोत जोड़ना
    1. वाणिज्यिक माइक्रोबायोम स्रोत समाधान के 1 एमएल ( सामग्री की तालिका देखें) को सरगर्मी के साथ 500 एमएल समुद्री जल में जोड़ें।
    2. परिसंचरण प्रणाली में उपरोक्त पतला घोल के 50 एमएल और वाणिज्यिक कोरल पोषण समाधान के 10 μL ( सामग्री की तालिका देखें) इंजेक्ट करें।
  2. माइक्रोबायोम संस्कृति
    1. 21 दिनों के लिए माइक्रोबायोम को कल्चर करने के लिए आंतरिक परिसंचरण पंप और एक एयर पंप पर स्विच करें। माइक्रोबायोम ऑक्सीजन सामग्री की आवश्यकताएं वायु पंप के ऑन-टाइम और ऑफ-टाइम अनुपात को निर्धारित करती हैं।
      नोट: इस कदम का उद्देश्य समुद्री जल शोधन माइक्रोबायोम को कल्चर करना और सिस्टम में कोरल-लाभकारी माइक्रोबायोम विकास को बढ़ावा देना है। इस प्रक्रिया में माइक्रोबायोम इंजेक्शन के बाद दूसरे दिन से चौथे दिन तक समुद्री जल मटमैला होने लगता है। इस माइक्रोबायोम कल्चर प्रक्रिया के बाद, सिस्टम में पोषक तत्वों की गिरावट की क्षमता स्थापित की जानी चाहिए। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि विभिन्न प्रयोगात्मक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, माइक्रोबायोम पर्यावरण को स्थापित करने के लिए विभिन्न माइक्रोबायोम स्रोतों का उपयोग किया जा सकता है।

3. कोरल प्रत्यारोपण और विकास

  1. मूंगा प्रत्यारोपण
    1. 3-5 सेमी के लंबाई तराजू के साथ कच्चे कोरल शाखाओं को काटें, और फिर इन प्रवाल शाखाओं को 3 डी-मुद्रित कोरल सपोर्ट बेस (पूरक कोडिंग फ़ाइल 1) पर रखें।
    2. वसूली के लिए कम से कम 7 दिनों के लिए इन कोरल शाखा के नमूनों को मूल समुद्री जल टैंक में वापस रखें।
    3. गोंद के साथ रोटेशन इकाई पर कोरल सपोर्ट बेस को ठीक करें। कोरल कल्चर मॉड्यूल को इकट्ठा करें, और इसे बाहरी परिसंचरण लूप से कनेक्ट करें।
  2. कोरल विकास की इमेजिंग।
    नोट: कोरल विकास का मूल्यांकन करने के लिए समय के साथ कोरल छवियों को प्राप्त करने की आवश्यकता है। एक डिमाउंटेबल कनेक्शन का उपयोग करने से इमेजिंग के लिए पूरे सिस्टम से कोरल कल्चर मॉड्यूल को हटाना सुविधाजनक हो जाता है। इसके लिए, उपयुक्त रोशन स्थितियों के साथ एक मिनी-फोटो स्टूडियो बनाया गया है। मैक्रो लेंस के साथ एक कैमरा ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग विभिन्न अवधियों में प्रवाल सतह आकृति विज्ञान को पकड़ने के लिए किया जाता है। संस्कृति मॉड्यूल में कोरल रोटेशन यूनिट को गैर-संपर्क मोड का उपयोग करके मॉड्यूल के बाहर संचालित किया जा सकता है। मॉड्यूल से सटे चुंबकीय हैंडल को घुमाकर, पूर्ण-कोण कोरल छवियों को कैप्चर किया जा सकता है।
    1. स्टूडियो के शीर्ष पर कैमरा रखें, और ऊर्ध्वाधर दृश्य से छवियों को कैप्चर करें।
    2. कोरल कल्चर मॉड्यूल को मिनी-फोटो स्टूडियो में केंद्र और नीचे स्थित कोरल के साथ रखें।
    3. बाहर के हैंडल को घुमाकर कोरल छवियों को कैप्चर करें।
      नोट: कोरल उत्तरजीविता कारणों के लिए, इमेजिंग की समय अवधि 15 मिनट तक सीमित होनी चाहिए।

4. सिस्टम नियमित रखरखाव

नोट: नियमित रखरखाव में रिसाव निरीक्षण, खराबी निरीक्षण, योजक जोड़ और समुद्री जल विनिमय शामिल हैं।

  1. रिसाव निरीक्षण
    1. पानी के दाग या बूंदों के लिए बेसबोर्ड का निरीक्षण करें। चूंकि सिस्टम का कवर शेल पारदर्शी है, इसलिए पानी के रिसाव का निरीक्षण करना आसान और सुविधाजनक है। यह निरीक्षण हर दिन किया जाना चाहिए।
  2. खराबी का निरीक्षण
    1. सुनिश्चित करें कि इस चरण में पानी के तापमान, पंप, प्रकाश वोल्टेज, वायु पंप की स्थिति और टाइमर स्थिति का निरीक्षण शामिल है, जिसमें सेट पानी के तापमान, वास्तविक समय के तापमान, ट्रांसफार्मर आउटपुट वोल्टेज, यूवी लैंप सेटिंग्स और टाइमर वर्किंग स्टेटस की नेत्रहीन जांच और रिकॉर्डिंग शामिल है। यह निरीक्षण हर दिन किया जाना चाहिए।
      नोट: कुछ सिस्टम खराबी का निदान असामान्य ध्वनियों या असामान्य तापमान के आधार पर किया जा सकता है।
  3. एडिटिव एडिशन
    नोट: एडिटिव एडिशन सिस्टम में पोषक तत्वों और अन्य अभिकर्मकों को जोड़ने की प्रक्रिया है।
    1. उदाहरण के लिए, सक्रिय चारकोल मॉड्यूल और समुद्री जल मॉड्यूल के बीच तीन-तरफा वाल्व से सिरिंज का उपयोग करके समुद्री जल का 10 एमएल निकालें।
    2. निकाले गए समुद्री जल में एडिटिव्स को घोलें।
    3. तीन-तरफा वाल्व के माध्यम से समाधान को सिस्टम में वापस इंजेक्ट करें। वास्तविक मामलों में, प्रयोगात्मक आवश्यकताओं पर विचार करते हुए, सिस्टम समुद्री जल की गुणवत्ता द्वारा एडिटिव्स के प्रकार, मात्रा और अतिरिक्त आवृत्तियों का निर्णय लिया जाता है।
  4. पानी का आदान-प्रदान
    नोट: नियमित जल विनिमय संस्कृति प्रणाली में विषाक्त एकाग्रता और यूट्रोफिकेशन को कम कर सकता है। यदि प्रयोगात्मक स्थितियां अनुमति देती हैं, तो समुद्री जल का आदान-प्रदान एक नियमित ऑपरेशन हो सकता है।
    1. पूरे सिस्टम के लिए बिजली बंद करें, और सुरक्षा कारणों से पावर केबल को अनप्लग करें।
    2. कोरल कल्चर मॉड्यूल को हटा दें।
    3. समुद्री जल भंडार मॉड्यूल में आउटलेट के लिए बाहरी अपशिष्ट जल पाइपलाइन को कनेक्ट करें।
    4. सिस्टम को घुमाएं, और सिस्टम को सामने-साइड नीचे रखें।
    5. आउटलेट चालू करें। अंदर के समुद्री जल को सिस्टम से बाहर बहने दें।
      नोट: पानी को बाहर निकालने के लिए किसी भी पंप का उपयोग न करें क्योंकि अंदर का नकारात्मक दबाव सिस्टम को नुकसान पहुंचा सकता है।
    6. उचित मात्रा में समुद्री जल का निर्वहन करें, और आउटलेट को बंद कर दें। निर्वहन समुद्री जल की मात्रा कोरल की शारीरिक स्थिति से तय होती है।
    7. सिस्टम को रीसेट करें, और पानी के इनलेट के माध्यम से सिस्टम में नए तैयार समुद्री जल को इंजेक्ट करें।
    8. कोरल कल्चर मॉड्यूल को सिस्टम में वापस स्थापित करें।
    9. सिस्टम पावर चालू करें, और तब तक प्रतीक्षा करें जब तक कि पूरा सिस्टम सामान्य न हो जाए।

5. मॉड्यूल प्रतिस्थापन

नोट: यदि किसी मॉड्यूल को खराबी के कारण या प्रयोगात्मक व्यवस्था के अनुसार प्रतिस्थापित करने की आवश्यकता है, तो संस्कृति प्रयोग को निलंबित या नकारात्मक रूप से प्रभावित किए बिना मॉड्यूल को बदलना महत्वपूर्ण है।

  1. समुद्री जल भंडार मॉड्यूल के लिए, शैवाल शुद्धि मॉड्यूल, माइक्रोबियल शुद्धि मॉड्यूल, या सक्रिय लकड़ी का कोयला शुद्धिकरण मॉड्यूल, आंतरिक परिसंचरण पंप को बंद करें, और मॉड्यूल के लिए फिक्सिंग स्क्रू को ढीला करें।
  2. दो शामिल मॉड्यूल के बीच पाइपलाइनों को डिस्कनेक्ट करें, और सिस्टम से प्रतिस्थापित किए जाने वाले मॉड्यूल को अलग करें। अंतिम चरण पाइपलाइनों को जोड़कर और फिक्सिंग स्क्रू को फिर से कसकर सिस्टम में नए मॉड्यूल को इकट्ठा करना है।
    नोट: तापमान नियंत्रण मॉड्यूल का प्रतिस्थापन किसी तरह अलग है। सबसे पहले, सभी तारों को मॉड्यूल से डिस्कनेक्ट करने की आवश्यकता है। फिक्सिंग बोल्ट को फिर खोल दिया जाता है, और पाइपलाइनों को डिस्कनेक्ट कर दिया जाता है। बाद में, हीटिंग पैनल को हटा दिया जाता है, और मॉड्यूल को सिस्टम से अलग कर दिया जाता है। तापमान नियंत्रण मॉड्यूल के लिए स्थापना प्रक्रिया रिवर्स प्रक्रिया है।

6. सिस्टम को बंद करना और सिस्टम को उसकी प्रारंभिक स्थिति में पुनर्स्थापित करना

नोट: आवश्यक कोरल कल्चर प्रयोग के बाद सिस्टम को अंततः बंद कर दिया जाएगा। सिस्टम को उसकी मूल स्थिति में बहाल करने की आवश्यकता है।

  1. सिस्टम को बंद करना
    1. सिस्टम पावर बंद करें, और पावर केबल अनप्लग करें।
    2. सिस्टम के अंदर समुद्री जल को खाली करें।
    3. निम्नलिखित क्रम में मॉड्यूल को अलग करें: कोरल कल्चर मॉड्यूल, सक्रिय चारकोल शुद्धिकरण मॉड्यूल, समुद्री जल भंडार मॉड्यूल, शैवाल शोधन मॉड्यूल, माइक्रोबियल शुद्धि मॉड्यूल, यूवी लैंप, दो परिसंचरण पंप और तापमान नियंत्रण मॉड्यूल।
  2. सिस्टम पुनर्स्थापना
    1. शुद्ध पानी और सतह सक्रिय एजेंटों के साथ सभी मॉड्यूल को साफ करें (सामग्री की तालिका देखें)।
    2. 3% हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान के साथ मॉड्यूल को निष्फल करें।
      नोट: मॉड्यूल धोने के लिए किसी भी कार्बनिक विलायक का उपयोग न करें।
    3. मॉड्यूल को 12 घंटे के लिए 40 डिग्री सेल्सियस पर सुखाएं। सुनिश्चित करें कि सिस्टम के अंदर का सारा पानी वाष्पित हो गया है।
    4. एक ही सतह सक्रिय एजेंटों का उपयोग करके सभी पाइपलाइनों और वाल्वों को साफ करें।

7. नियंत्रित सूक्ष्मजीव पर्यावरण के लिए संशोधन

नोट: कोरल कल्चर प्रयोग के अलावा, कुछ विशेष प्रयोगों के लिए, जैसे कि सिस्टम में एक नियंत्रित सूक्ष्मजीव वातावरण प्राप्त करना, माइक्रोबायोम प्रजातियों और बहुतायत को सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए। हमारे कोरल कल्चर सिस्टम की सबसे नवीन विशेषता यह है कि कोरल की शारीरिक गतिविधि को अपेक्षाकृत बंद सूक्ष्म पारिस्थितिकी तंत्र में एक विशिष्ट माइक्रोबियल वातावरण में खोजा जा सकता है। इस फ़ंक्शन को करने के लिए किसी भिन्न ऑपरेटिंग प्रक्रिया की आवश्यकता होती है.

  1. नसबंदी से पहले
    1. सिस्टम को इकट्ठा करने से पहले 3% हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान का उपयोग करके सभी मॉड्यूल, पाइपलाइनों और वाल्वों को निष्फल करें।
    2. ऑटोक्लेविंग के माध्यम से बैक्टीरियल कल्चर सब्सट्रेट को स्टरलाइज़ करें।
    3. 75% इथेनॉल समाधान के साथ चेटोमोर्फा शैवाल को स्टरलाइज़ करें, और बाँझ कागज का उपयोग करके इसे सुखाएं।
  2. सिस्टम संशोधन और नसबंदी
    1. सिस्टम को इकट्ठा करने में, एयर पंप और समुद्री जल स्टोर मॉड्यूल के बीच एक एयर स्टरलाइज़िंग फ़िल्टर ( सामग्री की तालिका देखें) जोड़ें।
    2. इनलेट और तीन-तरफा वाल्व के बीच एक पानी स्टरलाइज़िंग फ़िल्टर जोड़ें। यह कदम सुनिश्चित करता है कि सिस्टम में इंजेक्ट की गई हवा और पानी को निष्फल किया जाता है।
    3. शेष माइक्रोबायोम को खत्म करने के लिए सिस्टम में ओजोन का परिचय दें।
    4. शेष कीटाणुनाशक एजेंटों को बाँझ समुद्री जल से तीन बार धोएं, और बाँझ समुद्री जल को सिस्टम में इंजेक्ट करें।
    5. केवल माइक्रोबियल वातावरण की स्थापना के लिए, पानी के आउटलेट के माध्यम से माइक्रोबायोम स्रोत समाधान इंजेक्ट करें।
      नोट: माइक्रोबायोम स्रोत को इंजेक्ट करने के लिए पानी के इनलेट का उपयोग न करें । अन्य अभिकर्मकों और समुद्री जल को अभी भी पानी के इनलेट के माध्यम से इंजेक्ट किया जाता है।

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Representative Results

तापमान नियंत्रण सटीकता
कोरल प्रजातियों के आधार पर सिस्टम का तापमान सामान्य रूप से 23-28 डिग्री सेल्सियस पर सेट किया जाता है। हालांकि, सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक के रूप में, तापमान में उतार-चढ़ाव कोरल अस्तित्व को दृढ़ता से प्रभावित कर सकता है। इसलिए, तापमान नियंत्रण सटीकता कोरल कल्चर सिस्टम के लिए एक निर्णायक कारक है। कोरल कल्चर मॉड्यूल में तापमान नियंत्रण सटीकता का परीक्षण करने के लिए 9 डिग्री सेल्सियस से 32 डिग्री सेल्सियस तक तापमान सीमा के साथ एक तापमान सेंसर और एक स्वतंत्र डेटा कलेक्टर का उपयोग किया जा सकता है। हमने सिस्टम समुद्री जल के तापमान को 24 डिग्री सेल्सियस पर सेट किया और समुद्री जल और कमरे के तापमान को एक साथ मापा। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, लाल वक्र मापा कमरे के तापमान में उतार-चढ़ाव का प्रतिनिधित्व करता है, और काला वक्र कोरल कल्चर मॉड्यूल में मापा समुद्री जल तापमान में उतार-चढ़ाव का प्रतिनिधित्व करता है। 14 घंटे में, मापा औसत तापमान 23.8 डिग्री सेल्सियस था, और मानक विचलन 0.1 डिग्री सेल्सियस था। प्रणाली समुद्री जल तापमान नियंत्रण अपेक्षाकृत सटीक था।

कोरल कल्चर का परिणाम
आम तौर पर, स्वस्थ कोरल अपने तम्बू को स्वतंत्र रूप से फैलाता है जब पर्यावरणीय परिस्थितियां कोरल की अस्तित्व आवश्यकताओं को पूरा करती हैं, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है। यह मानदंड आम तौर पर कोरल की स्थिति की पुष्टि करता है और इसका उपयोग पर्यावरणीय तनावों की जांच के लिए किया जा सकता है। जैसा कि चित्रा 5 बी में दिखाया गया है, नमूना कोरल के तम्बू परेशान हुए बिना 1 महीने से अधिक समय तक बढ़े। यह इंगित करता है कि सिस्टम ने लंबे समय तक कोरल के लिए एक उपयुक्त अस्तित्व वातावरण प्रदान किया। यह संस्कृति समय अवधि प्रयोगशाला में अधिकांश प्रवाल प्रयोगों और परखों के लिए पर्याप्त लंबी होनी चाहिए। यह चित्र 5 से भी देखा जा सकता है कि प्रवाल विकास प्रक्रिया की इमेजिंग द्वारा रूपात्मक विश्लेषण करना व्यावहारिक है।

Figure 1
चित्रा 1: माइक्रो-डिवाइस सिस्टम के लिए योजनाबद्ध मॉड्यूल कनेक्शन। गोल आयताकार मॉड्यूल या पंप का प्रतिनिधित्व करते हैं; तीर रेखाएं पानी या हवा की पाइपलाइनों का प्रतिनिधित्व करती हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: माइक्रो-डिवाइस सिस्टम का सामने का दृश्य। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: माइक्रो-डिवाइस सिस्टम का शीर्ष दृश्य। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: समुद्री जल तापमान नियंत्रण प्रयोगात्मक परिणाम। लाल वक्र: कमरे के तापमान में उतार-चढ़ाव; काला वक्र: मापा प्रणाली समुद्री जल के तापमान में उतार-चढ़ाव। सिस्टम सेटिंग तापमान 24 डिग्री सेल्सियस था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: एक ज़ूम-इन कोरल छवि के साथ कोरल कल्चर मॉड्यूल। () तुलना करने के लिए, कोरल कल्चर मॉड्यूल में एक खाली के साथ संबंधित समर्थन ठिकानों पर चार कोरल स्थित थे। (बी) कोरल सेरियाटोपोरा कैलीनड्रम की एक ज़ूम-इन कोरल छवि। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक कोडिंग फ़ाइल 1: कोरल समर्थन आधारों के 3 डी-प्रिंटिंग के लिए डिजाइन। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

यह कोरल कल्चर सिस्टम कोरल में प्रत्यारोपित होने और जीवित रहने के लिए अपेक्षाकृत प्राकृतिक या अनुकूलित माइक्रोएन्वायरमेंट का अनुकरण और प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस बीच, एक स्व-विकसित उपकरण के रूप में, इस प्रणाली को विश्वसनीय, उपयोगकर्ता के अनुकूल और सुरक्षित होने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, तापमान नियंत्रण के संदर्भ में, समुद्री जल के तापमान को दैनिक पर्यावरणीय परिस्थितियों के आधार पर उचित रूप से नियंत्रित किया जाना चाहिए। सिस्टम की विश्वसनीयता की पुष्टि करते हुए 1 महीने के लिए कोरल की खेती करके सिस्टम का परीक्षण किया गया था।

सामान्य समुद्री टैंक या एक्वैरियम26 की तुलना में, हमारे कोरल कल्चर प्रयोग के आधार पर, संस्कृति मापदंडों / शर्तों को निर्धारित करने के बाद, जिसमें एडिटिव एजेंट फॉर्मूला, एक्सचेंज वाटर प्लान, परिसंचरण गति (पंप पावर या वोल्टेज), प्रकाश की तीव्रता, एयर पंप ऑन और ऑफ टाइम अनुपात, और प्रकाश समय शामिल हैं, दैनिक सेवा और संचालन के लिए समय अवधि 10 मिनट से कम है। इसके अतिरिक्त, इस अवधि के दौरान कोई बिजली रिसाव, शॉर्ट सर्किट, अधिभार या अन्य घटनाएं नहीं हुईं, जो सिस्टम की उपयोगकर्ता-मित्रता और सुरक्षा का प्रदर्शन करती हैं।

हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सिस्टम निरीक्षण, स्टार्टअप, कोरल प्रत्यारोपण / इमेजिंग, और नियमित रखरखाव प्रोटोकॉल में आवश्यक और महत्वपूर्ण कदम हैं। डिवाइस के अंदर पानी का रिसाव और डिवाइस भागों की उम्र बढ़ने दो समस्याएं हो सकती हैं जो अपेक्षाकृत लंबी अवधि में हो सकती हैं। ऑडियंस जो इस प्रणाली को दोहराना चाहते हैं, उन्हें इन मुद्दों का ध्यान रखना चाहिए।

कृत्रिम सूक्ष्म-पारिस्थितिकी तंत्र के दृष्टिकोण से, इस मॉड्यूलर प्लेटफॉर्म को क्षेत्र के बजाय प्रयोगशाला में एक नियंत्रणीय वातावरण में कोरल से जुड़े माइक्रोबायोम का अध्ययन करने की क्षमता के साथ संपन्न किया जा सकता है, इस प्रकार इसकी स्केलेबिलिटी और लागत-प्रभावशीलता साबित होती है। इसलिए, इस कोरल कल्चर सिस्टम को कोरल-संबंधित अध्ययनों में मदद करने और तेज करने की उम्मीद है।

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Disclosures

लेखक ों ने कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हित घोषित नहीं किया है।

Acknowledgments

इस अध्ययन को चीन के बुनियादी अनुसंधान के लिए राज्य कुंजी विकास कार्यक्रम (2021वाईएफसी 3100502) द्वारा समर्थित किया गया था।

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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Zhao, J., Yuan, T., Huang, H., Lu,More

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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