Summary
Denne protokollen beskriver utviklingen av et modulært styrbart mikroenhetssystem som kan brukes til langsiktig dyrking og overvåking av sjøkoraller.
Abstract
Koraller er grunnleggende organismer i marine og kystnære økosystemer. Med utviklingen av korallbeskyttelsesforskning de siste årene, er presis kontroll av korallkulturmiljøet svært etterspurt etter korallbevaring og studier. Her utviklet vi et semi-lukket korallkulturmikroenhetssystem som en multifunksjonell plattform, som kan gi nøyaktig og programmerbar temperaturkontroll, et sterilt startmiljø, langsiktig stabil vannkvalitet, en justerbar oppløst oksygenkonsentrasjon og et tilpasset lysspekter for koraller. På grunn av den modulære designen kan korallkultursystemet oppgraderes eller modifiseres ved å installere ønskelige nye moduler eller fjerne eksisterende. For tiden, under passende forhold og med riktig systemvedlikehold, kan prøvekorallene overleve i minst 30 dager i en sunn tilstand. Videre, på grunn av det kontrollerbare og sterile startmiljøet, kan dette korallkultursystemet støtte forskning på det symbiotiske forholdet mellom koraller og tilhørende mikroorganismer. Derfor kan dette mikroenhetssystemet brukes til å overvåke og undersøke sjøkoraller på en relativt kvantitativ måte.
Introduction
Forverringen av korallrevets økosystemer har skjedd over hele verden de siste 70 årene. Tatt i betraktning alle de store korallområdene i Mellom-Amerika1, Sørøst-Asia 2,3,4,5,6, Australia 7,8 og Øst-Afrika9, er den globale dekningen av korallrev halvert siden1950-tallet 10. Dette massetapet av korallrev har resultert i økologiske og økonomiske problemer. For eksempel, ved å spore tilstedeværelsen / fraværet og overflod av alle slags korallavhengige fisk i 8 år, konkluderte forskerne med at korallnedgangen direkte har forårsaket en betydelig reduksjon i fiskens biologiske mangfold og overflod i Papua Ny-Guinea11. Dette resultatet viste at korallnedgangen ikke bare kan undergrave korallrevbaserte biologiske systemer, men også redusere fiskeriinntektene.
Over flere tiår med feltundersøkelser, inkludert direkte overvåking, fjernmåling og datasammenligning, har det vitenskapelige samfunn identifisert flere faktorer som forårsaker massekorallnedgangen. En viktig årsak til massiv korallnedgang er korallbleking forårsaket av høye sjøvannstemperaturer12,13. Ved å kombinere bleking og meteorologiske poster har forskere konkludert med at korallbleking skjer oftere i El Niño-sørlige oscillasjonsfaser14. En annen årsak til korallnedgangen er havforsuring. På grunn av den økteCO2-konsentrasjonen i både atmosfæren og sjøvannet, løses kalsiumkarbonat raskere enn før, noe som forårsaker nedskalering av netto korallrev15. Faktisk har det blitt konkludert med at når CO2 -konsentrasjonen i atmosfæren når over 500 ppm, vil titalls millioner mennesker lide, og korallrevene vil være i fare for betydelig forverring og symbiodiniumavløsning16,17. Det er andre faktorer som også kan påvirke koralloverlevelse, for eksempel innaskjærs forurensninger som forårsaker eller akselererer korallnedgang. Forskere på Hawaii målte karbon-, oksygen- og nitrogenisotoper i koraller, sammen med det oppløste uorganiske karbonatet og de relaterte næringsstoffene (NH 4 +, PO4 3-, NO2 - og NO3 - ), og konkluderte med at forurensning fra landet forstørret kystforsuring og bioerosjon av koraller18. Videre til forurensning truer urbanisering også koralloverlevelse og forårsaker relativt lav arkitektonisk kompleksitet i koraller, som avslørt av en studie om koralloverlevelsesstatus i Singapore, Jakarta, Hong Kong og Okinawa. Dermed fører virkningen av menneskeskapte stressorer og de overlagrede effektene av klimaendringer til utbredt redusert biologisk mangfold på korallrev og en tilhørende nedgang i koralløkologisk funksjon og motstandskraft19.
Det skal også bemerkes at et stort antall mikroorganismer deltar i korallers fysiologiske funksjoner, inkludert nitrogenfiksering, kitinnedbrytning, syntese av organiske forbindelser og immunitet20, og disse mikroorganismer bør derfor inkluderes når man vurderer korallrevforringelse. I naturlige miljøer, som korallrev, forårsaker mange faktorer hypoksiske eller anoksiske forhold, inkludert utilstrekkelig vannsirkulasjon, algeekssudat og algevekst. Dette fenomenet påvirker populasjonsfordelingen av koraller og korallrelaterte mikroorganismer negativt. For eksempel fant vietnamesiske forskere at i Nha Trang, Phu Quoc og Ujung Gelam kunne bakteriesammensetningen i korallen Acropora Formosa påvirkes av oppløst oksygen på forskjellige steder21. Forskere i USA utforsket hypoksiske eller anoksiske forhold i koraller og fant at algekssudater kan formidle mikrobiell aktivitet, noe som fører til lokaliserte hypoksiske forhold, noe som kan forårsake koralldødelighet i direkte nærhet. De fant også at koraller kunne tolerere reduserte oksygenkonsentrasjoner, men bare over en gitt terskel bestemt av en kombinasjon av eksponeringstid og oksygenkonsentrasjon22. Forskere i India fant at når Noctiluca scintillans alger blomstret, ble det oppløste oksygenet redusert til 2 mg / L. Under denne konsentrasjonen døde ca 70% av Acropora montiporacan på grunn av hypoksiske forhold23.
Alle ovennevnte fakta og faktorer tyder på at miljøforandringer fører til forverring av korallrev. For å dyrke og studere revkoraller under visse forhold, er det viktig å nøyaktig og omfattende bygge opp et kontrollerbart mikroskopisk miljø for revkoraller å bo. Normalt fokuserer forskere på temperatur, lys, vannstrøm og næringsstoffer. Imidlertid blir andre funksjoner, som oppløst oksygenkonsentrasjon, overflod av mikroorganismer og mangfold av mikroorganismer i sjøvannet, ofte ignorert. For dette formål har vår gruppe undersøkt muligheten for å bruke lite utstyr til å dyrke korallpolypper i et relativt kontrollert miljø24,25. I dette arbeidet designet og bygde vi opp et modulært mikroenhetssystem for korallkultur. Dette modulære mikroenhetssystemet kan gi et kontrollerbart mikromiljø når det gjelder temperatur, lysspektrum, oppløst oksygenkonsentrasjon, næringsstoffer og mikroorganismer, etc., og har kapasitet til utvidelse og oppgradering.
Moduler og funksjoner på enheten
Mikroenhetssystemet ble inspirert av Berlin-systemet26, men ingen levende bergarter brukes i dagens system. Som vist i figur 1 består det nåværende systemet av seks hovedmoduler, to børsteløse motorpumper, en bensinpumpe, en gjennomstrømnings-UV-lampe, en strømforsyning, visse elektroniske kontrollkomponenter og tilhørende ledninger og skruer. De seks hovedmodulene inkluderer en sjøvannslagringsmodul (med luftpumpe og temperatursensor), en temperaturkontrollmodul, en algerensingsmodul, en mikrobiell rensemodul, en aktivt kullrensingsmodul og en korallkulturmodul.
Enhetsarkitektur
Som vist i figur 2 og figur 3, kan det samlede mikroenhetssystemet horisontalt deles inn i to rom med en temperaturkontrollmodul i mellom. Av sikkerhetsmessige årsaker er alle sjøvannsholdige moduler og deler plassert i venstre rom, kalt kulturrommet. De andre elektroniske delene er plassert i riktig rom, kalt det elektroniske rommet. Begge rommene er forseglet eller pakket i skall. Temperaturkontrollmodulen er festet i en skilleplate i mellom. Skallet på kulturrommet inneholder et baseboard og tre skruefesteplater. Denne utformingen sikrer tetthet i rommet og letter driften av systemet. I tillegg favoriserer tettheten nøyaktig temperaturkontroll. Skallet til det elektroniske rommet inkluderer en baseboard, to skruefesteplater og ett kontrollpanel foran.
Vann sirkulasjon
En indre og ytre sjøvannssirkulasjonssløyfe koblet til sjøvannslagermodulen ble forhåndsdesignet. Den indre sirkulasjonssløyfen kobler vellykket sjøvannslagringsmodulen, temperaturkontrollmodulen, gjennomstrømnings-UV-lampen, algerensingsmodulen og mikrobiell rensingsmodul. Denne sirkulasjonssløyfen har som mål å gi egnede fysiokjemiske og fysiologiske sjøvannsforhold for korallene, og det er ikke nødvendig med hyppig vedlikehold. Algerensemodulen inneholder Chaetomorpha alger, som absorberer de ekstra næringsstoffene (nitrat og fosfat) i vannet. Den mikrobielle rensemodulen inneholder bakteriekultursubstratet, som dyrker mikrobiomet for å overføre nitritt og ammonium til nitrat for vannrensing. Alle disse modulene må bare byttes ut under kritiske omstendigheter.
Den ytre sirkulasjonssløyfen forbinder suksessivt sjøvannslagringsmodulen, korallkulturmodulen og den aktiverte kullmodulen. Denne sirkulasjonssløyfen har som mål å gi lys, tetthet, vannstrøm og høy sjøvannskvalitet til korallene. Sjøvannet kan ledes opp gjennom et vanninntak og et vannutløp. Tilsetningsstoffer tilsettes gjennom en treveisventil, og sjøvannsprøven kan også ekstraheres fra denne ventilen for inspeksjon. Luft kan pumpes inn gjennom et luftinntak og slippes ut fra et luftutløp.
Elektronisk design
En 220 V vekselstrømforsyning med en bryter og en sikring brukes til hele systemet. Inngangseffekten er delt inn i fire grener. Den første grenen går til en 12 V DC strømforsyning, som direkte driver varmepanelet, kjølepanelet og kjøleviften. Denne grenen driver også indirekte to pumper og to belysningspaneler gjennom en firekanals DC-transformator. Den andre grenen går til en PID-temperaturregulator. Den tredje grenen går til en luftpumpe strømforsyning. Den siste grenen kobles til en UV-lampe strømforsyning. Et solid state-relé kobler PID-temperaturregulatoren og kjølepanelet i temperaturkontrollmodulen. Et vanlig relé brukes til å koble PID-temperaturregulatoren og varmepanelet. Den firekanals DC-transformatoren konverterer spenningen til det som kreves.
Det er to kontrollpaneler på høyre del av systemet. Det er fire brytere og en kontroller for UV-lampen på topppanelet, inkludert en hovedstrømbryter, en UV-lampebryter, en luftpumpebryter og en temperaturkontrollbryter. Hovedstrømbryteren styrer systemets 12 V strømforsyning.
En PID-temperaturregulator, en syklustimer, en firekanals DC-transformator og en trekanals timer er på frontpanelet. PID-temperaturregulatoren justerer vanntemperaturen ved å kontrollere varme- og kjølepanelene i temperaturkontrollmodulen. Temperaturkontrollmodulen fungerer bare når den indre sirkulasjonspumpen fungerer og vannet strømmer forbi temperaturkontrollmodulen. Syklustimeren er koblet til luftpumpens kraftledning. Hensikten er å tilordne arbeidstidsperioden til luftpumpen. Det er også en trekanals timer utplassert i det elektroniske rommet. Denne timeren styrer arbeidstidsperioden for luftpumpen, koralllys og algelys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Korallene som ble brukt til denne studien var Seriatopora caliendrum, som dyrkes i laboratoriet vårt. Alle korallene ble vennlig levert av South China Sea Institute of Oceanology, University of Chinese Academy of Sciences.
1. Inspeksjon og oppstart
MERK: Hver modul må testes for tetthet og funksjon individuelt før montering av systemet. Deionisert vann bør brukes til å teste modulens tetthet. Kommersielle detaljer om alle modulkomponentene er gitt i materialfortegnelsen.
- Tetthetstest av intermodultilkoblingen
- Koble til alle modulene og pumpene (figur 1), og sørg for at vannet strømmer sirkulært over systemet i minst 30 minutter.
- Kontroller alle sømmer for mulige lekkasjeproblemer. Hvis det oppstår lekkasje i noen av bindingssømmene, må du påføre lim fra utsiden. Hvis det oppstår lekkasje i noen av tilkoblingssømmene, stram tilkoblingen igjen og kontroller om tetningspakningen må skiftes.
- Lasting
- Etter tetthetstesten, evakuer og tørk vannet innvendig.
- Last inn riktig innhold.
MERK: For eksempel lastes bakteriekultursubstratet inn i den mikrobielle rensemodulen, og Chaetomorpha Algae lastes inn i algerensingsmodulen.
- Montering og testing av hele systemet
- Etter lasting, fest modulene på baseboardet ved hjelp av skruene.
- Koble de indre sirkulasjonsmodulene med de ytre sirkulasjonsmodulene (uten korallkulturmodulen).
- For sjøvannsperfusjonen, injiser sjøvannet gjennom vanninntaket i sjøvannslagringsmodulen. Når vannstanden er 3 cm høyere enn vanninntakene til pumpene, slå på pumpene, og fortsett injeksjonen av sjøvannet til de indre sirkulasjonsmodulene er fulle av sjøvann, med plass til luft (3 cm høy) i sjøvannslagermodulen.
MERK: Sjøvannet tilberedes ved hjelp av rent vann og havsalt (se materialtabellen).
- Test av systemet
- Slå på alle bryterne og sett spenningen til sjøvannspumpen til 9 V. Sett vanntemperaturen på 25 °C.
- Sett syklustimeren til "1 minutt på og 1 minutt av". Sett alle tre kanalene til den trekanals timeren til "9:00 am on" og "5:00 pm off".
- Overvåk systemet i minst 24 timer for eventuelle feil. Hvis det ikke oppdages noe problem, er systemet klart for neste trinn i operasjonen.
MERK: Det er viktig å fjerne alle boblene i alle modulene bortsett fra sjøvannslagermodulen. Hele systemet kan løftes og ristes litt for å flytte boblene fra modulinnløpet til utløpet.
2. Etablering av det mikrobielle miljøet
MERK: Etablering av et korallvennlig mikrobielt miljø er nødvendig før koralltransplantasjon. For å dyrke mikroorganismer i systemet, spesielt i den mikrobielle rensemodulen, bør den fortynnede probiotiske løsningen tilsettes som mikrobiell kilde for nitrifikasjonssystemet.
- Legge til mikrobiomkilden
- Tilsett 1 ml av den kommersielle mikrobiomkildeløsningen (se materialtabellen) i 500 ml sjøvann under omrøring.
- Injiser 50 ml av ovennevnte fortynnede oppløsning og 10 mikrol av den kommersielle korallernæringsoppløsningen (se materialfortegnelsen) inn i sirkulasjonssystemet.
- Kultur av mikrobiom
- Slå på den indre sirkulasjonspumpen og en luftpumpe for å dyrke mikrobiomet i 21 dager. Kravene til mikrobiomets oksygeninnhold bestemmer luftpumpens proporsjoner i tide og av.
MERK: Dette trinnet tar sikte på å dyrke sjøvannsrensingsmikrobiomet og fremme korallgunstig mikrobiomvekst i systemet. I denne prosessen begynner sjøvannet å bli gjørmete fra den andre dagen til den fjerde dagen etter mikrobiominjeksjonen. Etter denne mikrobiomkulturprosessen bør næringsnedbrytningskapasiteten i systemet etableres. Det skal bemerkes at for å møte forskjellige eksperimentelle krav, kan forskjellige mikrobiomkilder brukes til å etablere mikrobiommiljøet.
- Slå på den indre sirkulasjonspumpen og en luftpumpe for å dyrke mikrobiomet i 21 dager. Kravene til mikrobiomets oksygeninnhold bestemmer luftpumpens proporsjoner i tide og av.
3. Koralltransplantasjon og vekst
- Koralltransplantasjon
- Klipp de rå korallgrenene med lengdeskalaer på 3-5 cm, og fest deretter disse korallgrenene på 3D-printede korallstøttebaser (Supplementary Coding File 1).
- Sett disse korallgrenprøvene tilbake i den opprinnelige sjøvannstanken i minst 7 dager for gjenoppretting.
- Fest korallstøttebasen på rotasjonsenheten med lim. Monter korallkulturmodulen, og koble den til den ytre sirkulasjonssløyfen.
- Imaging korallveksten
MERK: Korallbildene over tid må anskaffes for å evaluere korallveksten. Ved hjelp av en demonterbar tilkobling gjør det praktisk å fjerne korallkulturmodulen fra hele systemet for avbildning. Til dette formål er det bygget et mini-fotostudio med passende lysende forhold. Et kamera med makrolinse (se materialfortegnelsen) brukes til å fange koralloverflatens morfologier i forskjellige perioder. Korallrotasjonsenheten i kulturmodulen kan betjenes utenfor modulen ved hjelp av berøringsfri modus. Ved å rotere magnethåndtaket ved siden av modulen, kan fullvinklede korallbilder tas.- Plasser kameraet på toppen av studioet, og ta bildene fra en vertikal visning.
- Plasser korallkulturmodulen i minifotostudioet med korallene plassert i midten og nederst.
- Ta korallbildene ved å rotere det utvendige håndtaket.
MERK: Av hensyn til koralloverlevelse bør tidsperioden for avbildning begrenses til 15 minutter.
4. Rutinemessig vedlikehold av systemet
MERK: Det rutinemessige vedlikeholdet inkluderer lekkasjeinspeksjon, funksjonsinspeksjon, additivtilsetning og sjøvannsutskifting.
- Inspeksjon av lekkasje
- Inspiser baseboardet for vannflekker eller dråper. Siden systemets dekselskall er gjennomsiktig, er det enkelt og praktisk å inspisere vannlekkasjen visuelt. Denne inspeksjonen må utføres hver dag.
- Inspeksjon av funksjonsfeil
- Sørg for at dette trinnet inkluderer inspeksjon av vanntemperatur, pumper, lysspenninger, luftpumpestatus og tidtakerstatus, inkludert visuell kontroll og registrering av innstilt vanntemperatur, sanntidstemperatur, transformatorutgangsspenninger, UV-lampeinnstillinger og timers arbeidsstatus. Denne inspeksjonen skal utføres hver dag.
MERK: Visse systemfeil kan diagnostiseres basert på unormale lyder eller uvanlige temperaturer.
- Sørg for at dette trinnet inkluderer inspeksjon av vanntemperatur, pumper, lysspenninger, luftpumpestatus og tidtakerstatus, inkludert visuell kontroll og registrering av innstilt vanntemperatur, sanntidstemperatur, transformatorutgangsspenninger, UV-lampeinnstillinger og timers arbeidsstatus. Denne inspeksjonen skal utføres hver dag.
- Additiv tilsetning
MERK: Additiv tilsetning er prosessen med å tilsette næringsstoffer og andre reagenser i systemet.- For eksempel, trekk ut 10 ml av sjøvannet ved hjelp av en sprøyte fra treveisventilen mellom aktivt kullmodul og sjøvannsmodul.
- Løs opp tilsetningsstoffene i det ekstraherte sjøvannet.
- Injiser oppløsningen tilbake i systemet gjennom treveisventilen. I reelle tilfeller bestemmes typene, mengdene og addisjonsfrekvensene til tilsetningsstoffene av systemets sjøvannskvalitet, med tanke på de eksperimentelle kravene.
- Vannutveksling
MERK: Rutinemessig vannutskifting kan redusere giftig konsentrasjon og eutrofiering i kultursystemet. Hvis de eksperimentelle forholdene tillater det, kan utveksling av sjøvann være en rutinemessig operasjon.- Slå av strømmen for hele systemet, og trekk ut strømkabelen av sikkerhetsmessige årsaker.
- Fjern korallkulturmodulen.
- Koble den utvendige avløpsrørledningen til utløpet i sjøvannslagermodulen.
- Roter systemet, og plasser systemet med forsiden ned.
- Slå på stikkontakten. La det innvendige sjøvannet strømme ut av systemet.
MERK: Ikke bruk noen pumpe til å trekke vannet ut, siden det indre undertrykket kan skade systemet. - Slipp ut en passende mengde sjøvann, og slå av utløpet. Mengden utslipp av sjøvann bestemmes av korallenes fysiologiske tilstand.
- Tilbakestill systemet, og injiser det nylig tilberedte sjøvannet inn i systemet gjennom vanninnløpet.
- Installer korallkulturmodulen tilbake i systemet.
- Slå på systemstrømmen, og vent til hele systemet går tilbake til det normale.
5. Utskifting av modul
MERK: Hvis en modul må byttes ut på grunn av funksjonsfeil eller i henhold til eksperimentelt arrangement, er det viktig å endre modulen uten å suspendere eller påvirke kultureksperimentet negativt.
- For sjøvannslagringsmodulen, algerensemodulen, mikrobiell rensemodul eller aktivt kullrensingsmodul, slå av den indre sirkulasjonspumpen og løsne festeskruene til modulen.
- Koble fra rørledningene mellom de to sammenføyde modulene, og demonter modulen som skal erstattes fra systemet. Det siste trinnet er å montere den nye modulen i systemet ved å koble rørledningene og stramme festeskruene på nytt.
MERK: Utskiftingen av temperaturkontrollmodulen er på en eller annen måte annerledes. Først må alle ledningene kobles fra modulen. Festeboltene skrus deretter ut, og rørledningene kobles fra. Etterpå demonteres varmepanelet, og modulen demonteres fra systemet. Installasjonsprosessen for temperaturkontrollmodulen er omvendt prosess.
6. Slå av systemet og gjenopprette systemet til sin opprinnelige tilstand
MERK: Systemet vil til slutt bli stengt etter det nødvendige korallkultureksperimentet. Systemet må gjenopprettes til sin opprinnelige tilstand.
- Slå av systemet
- Slå av systemstrømmen, og trekk ut strømkabelen.
- Evakuer sjøvannet inne i systemet.
- Demonter modulene i følgende rekkefølge: korallkulturmodulen, kullrensingsmodulen, sjøvannslagringsmodulen, algerensingsmodulen, den mikrobielle rensemodulen, UV-lampen, de to sirkulasjonspumpene og temperaturkontrollmodulen.
- Restaurering av systemet
- Rengjør alle modulene med rent vann og overflateaktive stoffer (se materiallisten).
- Steriliser modulene med 3% hydrogenperoksidløsning.
NOTAT: Ikke bruk organisk løsemiddel til å vaske modulene. - Tørk modulene ved 40 °C i 12 timer. Forsikre deg om at alt vannet inne i systemet er fordampet.
- Rengjør alle rørledninger og ventiler med samme overflateaktive midler.
7. Modifikasjon for det kontrollerte mikroorganismemiljøet
MERK: Bortsett fra korallkultureksperimentet, for visse spesielle eksperimenter, for eksempel å skaffe seg et kontrollert mikroorganismemiljø i systemet, må mikrobiomartene og overfloden kontrolleres strengt. Den mest innovative egenskapen til vårt korallkultursystem er at korallens fysiologiske aktivitet kan utforskes i et bestemt mikrobielt miljø i et relativt lukket mikroøkosystem. Å utføre denne funksjonen krever en annen driftsprosedyre.
- Pre-sterilisering
- Steriliser alle moduler, rørledninger og ventiler ved hjelp av 3% hydrogenperoksidoppløsning før du monterer systemet.
- Steriliser bakteriekultursubstratet via autoklavering.
- Steriliser Chaetomorpha alger med 75% etanoloppløsning, og tørk den med sterilt papir.
- System modifikasjon og sterilisering
- Ved montering av systemet, legg til et luftsteriliseringsfilter (se materialfortegnelsen) mellom luftpumpen og sjøvannslagringsmodulen.
- Legg til et vannsteriliseringsfilter mellom innløpet og treveisventilen. Dette trinnet sikrer at luften og vannet som injiseres i systemet, steriliseres.
- Introduser ozon i systemet for å eliminere det gjenværende mikrobiomet.
- Vask av de gjenværende desinfeksjonsmidlene med sterilt sjøvann tre ganger, og injiser det sterile sjøvannet inn i systemet.
- For bare etablering av det mikrobielle miljøet, injiser mikrobiomkildeløsningen gjennom vannuttaket.
MERK: Ikke bruk vanninntaket til å injisere mikrobiomkilden. Andre reagenser og sjøvann injiseres fortsatt gjennom vanninntaket.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nøyaktighet ved temperaturkontroll
Systemtemperaturen settes normalt til 23-28 °C, avhengig av korallart. Men som en av de viktigste faktorene kan temperatursvingninger sterkt påvirke koralloverlevelse. Derfor er temperaturkontrollnøyaktighet en avgjørende faktor for korallkultursystemet. En temperatursensor og en uavhengig datainnsamler med et temperaturområde fra 9 °C til 32 °C kan brukes til å teste temperaturkontrollnøyaktigheten i korallkulturmodulen. Vi satte systemets sjøvannstemperatur til 24 °C og målte sjøvann og romtemperatur samtidig. Som vist i figur 4 representerer den røde kurven den målte romtemperatursvingningen, og den svarte kurven representerer den målte sjøvannstemperatursvingningen i korallkulturmodulen. Over 14 timer var den målte gjennomsnittstemperaturen 23,8 °C, og standardavviket 0,1 °C. Systemet sjøvann temperaturkontroll var relativt nøyaktig.
Korallkultur resultat
Normalt forlenger friske koraller tentaklene fritt når miljøforholdene oppfyller korallens overlevelseskrav, som vist i figur 5. Dette kriteriet verifiserer generelt korallens status og kan brukes til å sjekke for miljøstressorer. Som vist i figur 5B strakte prøvekorallens tentakler seg over 1 måned uten å bli forstyrret. Dette indikerer at systemet ga et passende overlevelsesmiljø for korallene i lang tid. Denne kulturperioden bør være lang nok for de fleste koralleksperimenter og analyser i laboratoriet. Det fremgår også av figur 5 at det er praktisk mulig å utføre den morfologiske analysen ved å avbilde korallvekstprosessen.
Figur 1: Skjematisk modultilkobling for mikroenhetssystemet. De avrundede rektanglene representerer moduler eller pumper; Pillinjene representerer vann- eller luftrørledninger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Sett forfra av mikroenhetssystemet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Sett ovenfra av mikroapparatsystemet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Eksperimentelle resultater for kontroll av sjøvannstemperatur. Rød kurve: romtemperatur svingninger; Svart kurve: Målt system sjøvannstemperatursvingninger. Systeminnstillingstemperaturen var 24 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Korallkulturmodul med innzoomet korallbilde . (A) For å gjøre en sammenligning var fire koraller plassert på de tilsvarende støttebasene med en tom i korallkulturmodulen. (B) Et zoomet korallbilde av korallen Seriatopora caliendrum. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Supplerende kodefil 1: Design for 3D-printing av korallstøttebaser. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette korallkultursystemet er designet for å simulere og gi et relativt naturlig eller tilpasset mikromiljø for koraller som skal transplanteres inn i og overleve. I mellomtiden, som et egenutviklet utstyr, må dette systemet være pålitelig, brukervennlig og trygt. For eksempel, når det gjelder temperaturkontroll, bør sjøvannstemperaturen kontrolleres hensiktsmessig basert på de daglige miljøforholdene. Systemet ble testet ved å dyrke korallen i 1 måned, noe som bekreftet systemets pålitelighet.
I forhold til vanlige sjøtanker eller akvarier26, basert på vårt korallkultureksperiment, etter å ha satt kulturparametrene / forholdene, inkludert additivmiddelformelen, utvekslingsvannplan, sirkulasjonshastighet (pumpekraft eller spenning), belysningsintensitet, luftpumpe på og av tidsproporsjoner og belysningstid, er tidsperioden for daglig service og drift mindre enn 10 min. I tillegg skjedde det ingen elektrisk lekkasje, kortslutning, overbelastning eller andre hendelser i denne perioden, noe som demonstrerer systemets brukervennlighet og sikkerhet.
Det skal imidlertid bemerkes at systeminspeksjon, oppstart, koralltransplantasjon / avbildning og rutinemessig vedlikehold er de viktigste og kritiske trinnene i protokollen. Lekkasje av vann inne i enheten og aldring av enhetsdelene kan være to problemer som kan oppstå over en relativt lang periode. Publikum som ønsker å gjenskape dette systemet, må ta seg av disse problemene.
Fra perspektivet til det kunstige mikroøkosystemet kan denne modulære plattformen utstyres med evnen til å studere det korallassosierte mikrobiomet i et kontrollerbart miljø i laboratoriet i stedet for i feltet, og dermed bevise skalerbarheten og kostnadseffektiviteten. Derfor forventes dette korallkultursystemet å hjelpe og akselerere korallrelaterte studier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne oppgir ingen konkurrerende økonomisk interesse.
Acknowledgments
Denne studien ble støttet av 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).
