Summary
Este protocolo descreve o desenvolvimento de um sistema modular de microdispositivos controláveis que pode ser aplicado para o cultivo e monitoramento de corais marinhos a longo prazo.
Abstract
Os corais são organismos fundamentais nos ecossistemas marinhos e costeiros. Com o avanço das pesquisas de proteção de corais nos últimos anos, o controle preciso do ambiente da cultura de corais é altamente demandado para conservação e estudo de corais. Aqui, desenvolvemos um sistema de microdispositivo de cultura de coral semi-fechado como uma plataforma multifuncional, que pode fornecer controle de temperatura preciso e programável, um ambiente inicial estéril, qualidade de água estável a longo prazo, uma concentração ajustável de oxigênio dissolvido e um espectro de luz personalizado para corais. Devido ao design modular, o sistema de cultura de corais pode ser atualizado ou modificado instalando novos módulos desejáveis ou removendo os existentes. Atualmente, sob condições adequadas e com manutenção adequada do sistema, os corais da amostra podem sobreviver por pelo menos 30 dias em estado saudável. Além disso, devido ao ambiente inicial controlável e estéril, este sistema de cultura de corais pode apoiar pesquisas sobre a relação simbiótica entre corais e microrganismos associados. Portanto, este sistema de microdispositivos pode ser aplicado para monitorar e investigar corais marinhos de forma relativamente quantitativa.
Introduction
A deterioração dos ecossistemas recifais de coral vem ocorrendo em todo o mundo nos últimos 70 anos. Considerando todas as principais áreas de corais na América Central1, Sudeste Asiático 2,3,4,5,6, Austrália 7,8 e África Oriental9, a cobertura global de recifes de coral caiu pela metade desde a década de 195010. Essa perda em massa de recifes de corais resultou em problemas ecológicos e econômicos. Por exemplo, ao rastrear a presença/ausência e abundância de todos os tipos de peixes dependentes de corais por 8 anos, os pesquisadores concluíram que o declínio dos corais causou diretamente uma diminuição substancial na biodiversidade e abundância de peixes na Papua-Nova Guiné11. Este resultado provou que o declínio dos corais pode não só minar os sistemas biológicos baseados nos recifes de coral, mas também reduzir os rendimentos da pesca.
Ao longo de décadas de pesquisas de campo, incluindo monitoramento direto, sensoriamento remoto e comparação de dados, a comunidade científica identificou vários fatores que causam o declínio em massa dos corais. Uma das principais razões para o declínio maciço dos corais é o branqueamento dos corais causado pelas altas temperaturas da água do mar12,13. Combinando branqueamento e registros meteorológicos, os cientistas concluíram que o branqueamento de corais está acontecendo com mais frequência nas fases de El Niño-Oscilação Sul14. Outra razão para o declínio dos corais é a acidificação dos oceanos. Devido ao aumento da concentração de CO2 na atmosfera e na água do mar, o carbonato de cálcio dissolve-se mais rapidamente do que antes, causando calcificação em recifes de coral15. De fato, concluiu-se que quando a concentração de CO2 na atmosfera atingir acima de 500 ppm, dezenas de milhões de pessoas sofrerão, e os recifes de coral estarão em risco de deterioração significativa e desprendimento de simbiodínio16,17. Existem outros fatores que também podem afetar a sobrevivência dos corais, como poluentes costeiros que causam ou aceleram o declínio dos corais. Pesquisadores no Havaí mediram os isótopos de carbono, oxigênio e nitrogênio nos corais, juntamente com o carbonato inorgânico dissolvido e os nutrientes relacionados (NH4+, PO4 3-, NO2− e NO3−), e concluíram que a poluição da terra ampliou a acidificação costeira e a bioerosão dos corais18. Além da poluição, a urbanização também coloca em risco a sobrevivência dos corais e causa uma complexidade arquitetônica relativamente baixa nos corais, como revelado por um estudo sobre o status de sobrevivência dos corais em Cingapura, Jacarta, Hong Kong e Okinawa. Assim, o impacto dos estressores antropogênicos e os efeitos sobrepostos das mudanças climáticas estão levando à redução generalizada da biodiversidade nos recifes de coral e a um declínio associado na função ecológica e resiliência dos corais19.
Deve-se notar também que um grande número de microrganismos participa das funções fisiológicas dos corais, incluindo a fixação de nitrogênio, a decomposição de quitina, a síntese de compostos orgânicos e a imunidade20, devendo, portanto, esses microrganismos ser incluídos quando se considera a deterioração dos recifes de coral. Em ambientes naturais, como recifes de coral, muitos fatores causam condições hipóxicas ou anóxicas, incluindo circulação insuficiente de água, exsudato algal e crescimento excessivo de algas. Esse fenômeno afeta negativamente a distribuição populacional de microrganismos relacionados a corais e corais. Por exemplo, cientistas vietnamitas descobriram que, em Nha Trang, Phu Quoc e Ujung Gelam, a composição bacteriana do coral Acropora Formosa poderia ser afetada pelo oxigênio dissolvido em diferentes locais21. Pesquisadores nos Estados Unidos exploraram condições de hipóxia ou anóxia em corais e descobriram que exsudatos algais podem mediar a atividade microbiana, levando a condições hipóxicas localizadas, que podem causar mortalidade de corais nas imediações. Eles também descobriram que os corais podiam tolerar concentrações reduzidas de oxigênio, mas apenas acima de um determinado limiar determinado por uma combinação do tempo de exposição e da concentração de oxigênio22. Pesquisadores na Índia descobriram que, quando as algas Noctiluca scintillans floresceram, o oxigênio dissolvido diminuiu para 2 mg/L. Abaixo dessa concentração, cerca de 70% de Acropora montiporacan morreu devido a condições hipóxicas23.
Todos os fatos e fatores acima mencionados sugerem que as mudanças ambientais levam à deterioração dos recifes de coral. Para cultivar e estudar corais recifais sob certas condições, é importante construir de forma precisa e abrangente um ambiente microscópico controlável para os corais recifais habitarem. Normalmente, os cientistas se concentram em temperatura, luz, fluxo de água e nutrientes. No entanto, outras características, como a concentração de oxigênio dissolvido, abundância de microrganismos e diversidade de microrganismos na água do mar, são comumente ignoradas. Para tanto, nosso grupo tem explorado a possibilidade de aplicação de pequenos equipamentos para cultura de pólipos de corais em um ambiente relativamentecontrolado24,25. Neste trabalho, projetamos e construímos um sistema modular de microdispositivos para a cultura de corais. Este sistema modular de micro-dispositivos pode fornecer um micro-ambiente controlável em termos de temperatura, espectro de luz, concentração de oxigênio dissolvido, nutrientes e microrganismos, etc., e tem a capacidade de expansão e atualização.
Módulos e funções do dispositivo
O sistema de microdispositivos foi inspirado no sistema de Berlim26, mas não são usadas rochas vivas no sistema atual. Como mostrado na Figura 1, o sistema atual é composto por seis módulos principais, duas motobombas brushless, uma bomba de gás, uma lâmpada UV de fluxo, uma fonte de alimentação, certos componentes de controle eletrônico e os fios e parafusos relacionados. Os seis módulos principais incluem um módulo de armazenamento de água do mar (com uma bomba de ar e sensor de temperatura), um módulo de controle de temperatura, um módulo de purificação de algas, um módulo de purificação microbiana, um módulo de purificação de carvão ativado e um módulo de cultura de coral.
Arquitetura do dispositivo
Como mostrado na Figura 2 e na Figura 3, o sistema global de microdispositivos pode ser dividido horizontalmente em dois compartimentos com um módulo de controle de temperatura no meio. Por razões de segurança, todos os módulos e peças contendo água do mar são colocados no compartimento esquerdo, denominado compartimento de cultura. As demais peças eletrônicas são colocadas no compartimento direito, denominado compartimento eletrônico. Ambos os compartimentos são selados ou embalados dentro de conchas. O módulo de controle de temperatura é fixado em uma placa divisória no meio. O invólucro do compartimento de cultura inclui um rodapé e três placas de fixação por parafuso. Este design garante a estanqueidade do compartimento e facilita a operação do sistema. Além disso, a estanqueidade favorece o controle preciso da temperatura. O invólucro do compartimento eletrônico inclui um rodapé, duas placas de fixação por parafuso e um painel de controle frontal.
Circulação de água
Um circuito de circulação de água do mar interno e externo conectado ao módulo de armazenamento de água do mar foi pré-projetado. O circuito de circulação interna conecta com sucesso o módulo de armazenamento de água do mar, o módulo de controle de temperatura, a lâmpada UV de fluxo, o módulo de purificação de algas e o módulo de purificação microbiana. Este circuito de circulação visa proporcionar condições físico-químicas e fisiológicas adequadas da água do mar para os corais, não sendo necessária manutenção frequente. O módulo de purificação de algas contém algas Chaetomorpha , que absorve os nutrientes extras (nitrato e fosfato) na água. O módulo de purificação microbiana contém o substrato de cultura bacteriana, que cultiva o microbioma para transferir nitrito e amônio em nitrato para purificação de água. Todos esses módulos precisam ser substituídos apenas em circunstâncias críticas.
O circuito de circulação externa conecta sucessivamente o módulo de armazenamento de água do mar, o módulo de cultura de corais e o módulo de carvão ativado. Este circuito de circulação visa fornecer luz, estanqueidade, corrente de água e alta qualidade da água do mar para os corais. A água do mar pode ser refrescada através de uma entrada de água e uma saída de água. Os aditivos são adicionados através de uma válvula de três vias, e a amostra de água do mar também pode ser extraída desta válvula para inspeção. O ar pode ser bombeado através de uma entrada de ar e descarregado de uma saída de ar.
Projeto eletrônico
Uma fonte de alimentação CA de 220 V com um interruptor e um fusível é usada para todo o sistema. A potência de entrada é dividida em quatro ramos. A primeira ramificação vai para uma fonte de alimentação de 12 V DC, que alimenta diretamente o painel de aquecimento, o painel de resfriamento e o ventilador de resfriamento. Este ramo também alimenta indiretamente duas bombas e dois painéis de iluminação através de um transformador DC de quatro canais. O segundo ramo vai para um controlador de temperatura PID. O terceiro ramo vai para uma fonte de alimentação da bomba de ar. O último ramo se conecta a uma fonte de alimentação de lâmpada UV. Um relé de estado sólido conecta o controlador de temperatura PID e o painel de resfriamento no módulo de controle de temperatura. Um relé normal é usado para conectar o controlador de temperatura PID e o painel de aquecimento. O transformador DC de quatro canais converte a tensão para a necessária.
Há dois painéis de controle na parte direita do sistema. Há quatro interruptores e um controlador para a lâmpada UV no painel superior, incluindo um interruptor de alimentação principal, um interruptor de alimentação de lâmpada UV, um interruptor de bomba de ar e um interruptor de controle de temperatura. O interruptor de alimentação principal controla a fonte de alimentação de 12 V do sistema.
Um controlador de temperatura PID, um temporizador de ciclo, um transformador DC de quatro canais e um temporizador de três canais estão no painel frontal. O controlador de temperatura PID ajusta a temperatura da água controlando os painéis de aquecimento e resfriamento no módulo de controle de temperatura. O módulo de controle de temperatura só funciona quando a bomba de circulação interna está funcionando e a água está passando pelo módulo de controle de temperatura. O temporizador de ciclo é conectado à linha de alimentação da bomba de ar. Seu objetivo é atribuir o período de tempo de trabalho à bomba de ar. Há um temporizador de três canais implantado no compartimento eletrônico também. Este temporizador controla o período de tempo de trabalho para a bomba de ar, luz de coral e luz de algas.
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Protocol
Os corais utilizados para o presente estudo foram Seriatopora caliendrum, que são cultivados em nosso laboratório. Todos os corais foram gentilmente cedidos pelo Instituto de Oceanologia do Mar do Sul da China, Universidade da Academia Chinesa de Ciências.
1. Inspeção e partida
NOTA: Cada módulo deve ser testado quanto à estanqueidade e função individualmente antes de montar o sistema. A água deionizada deve ser usada para testar a estanqueidade do módulo. Os detalhes comerciais de todos os componentes do módulo são fornecidos na Tabela de Materiais.
- Teste de estanqueidade da conexão entre módulos
- Conecte todos os módulos e as bombas (Figura 1) e garanta que a água flua circularmente sobre o sistema por pelo menos 30 min.
- Verifique todas as costuras para possíveis problemas de vazamento. Se ocorrer algum vazamento em qualquer uma das costuras de colagem, aplique cola de colagem do lado de fora. Se ocorrer algum vazamento em qualquer uma das costuras de conexão, aperte a conexão novamente e verifique se a junta de vedação precisa ser trocada.
- Carregamento
- Após o teste de estanqueidade, evacue e seque a água em seu interior.
- Carregue o conteúdo apropriado.
NOTA: Por exemplo, o substrato de cultura bacteriana é carregado no módulo de purificação microbiana e as Algas Chaetomorpha são carregadas no módulo de purificação de algas.
- Montagem e teste de todo o sistema
- Após o carregamento, fixe os módulos no rodapé usando os parafusos.
- Conecte os módulos de circulação interna com os de circulação externa (sem o módulo de cultura de corais).
- Para a perfusão da água do mar, injete a água do mar através da entrada de água no módulo de armazenamento de água do mar. Quando o nível da água estiver 3 cm mais alto do que as entradas de água das bombas, ligue as bombas e continue a injeção da água do mar até que os módulos de circulação interna estejam cheios da água do mar, com espaço para o ar (3 cm de altura) no módulo de armazenamento de água do mar.
NOTA: A água do mar é preparada usando água pura e sal marinho (consulte a Tabela de Materiais).
- Teste do sistema
- Ligue todos os interruptores e ajuste as tensões da bomba de água do mar para 9 V. Ajuste a temperatura da água para 25 °C.
- Defina o temporizador de ciclo como "1 minuto ligado e 1 minuto desligado". Defina todos os três canais do temporizador de três canais para "9:00 am on" e "5:00 pm off".
- Monitore o sistema por pelo menos 24 h para qualquer mau funcionamento. Se nenhum problema for encontrado, o sistema está pronto para a próxima etapa da operação.
NOTA: É importante limpar todas as bolhas em todos os módulos, exceto no módulo de armazenamento de água do mar. Todo o sistema pode ser levemente levantado e agitado para mover as bolhas da entrada do módulo para a saída.
2. Estabelecimento do ambiente microbiano
NOTA: É necessário estabelecer um ambiente microbiano amigável aos corais antes do transplante de coral. Para a cultura de microrganismos no sistema, especialmente no módulo de purificação microbiana, a solução probiótica diluída deve ser adicionada como fonte microbiana para o sistema de nitrificação.
- Adicionando a fonte do microbioma
- Adicionar 1 ml da solução de fonte comercial do microbioma (ver Tabela de Materiais) em 500 ml de água do mar com agitação.
- Injectar 50 ml da solução diluída acima referida e 10 μL da solução nutricional comercial de coral (ver Tabela de Materiais) no sistema de circulação.
- Cultura do microbioma
- Ligue a bomba de circulação interna e uma bomba de ar para cultivar o microbioma por 21 dias. Os requisitos de teor de oxigênio do microbioma determinam as proporções de tempo e tempo de folga da bomba de ar.
NOTA: Esta etapa visa cultivar o microbioma de purificação da água do mar e promover o crescimento do microbioma benéfico para os corais no sistema. Nesse processo, a água do mar começa a ficar lamacenta do segundo ao quarto dia após a injeção do microbioma. Após esse processo de cultivo do microbioma, a capacidade de degradação de nutrientes no sistema deve ser estabelecida. Deve-se notar que, para atender a diferentes requisitos experimentais, diferentes fontes de microbioma podem ser usadas para estabelecer o ambiente do microbioma.
- Ligue a bomba de circulação interna e uma bomba de ar para cultivar o microbioma por 21 dias. Os requisitos de teor de oxigênio do microbioma determinam as proporções de tempo e tempo de folga da bomba de ar.
3. Transplante e crescimento de corais
- Transplante de coral
- Corte os ramos de coral crus com escalas de comprimento de 3-5 cm e, em seguida, cole esses ramos de coral em bases de suporte de coral impressas em 3D (Arquivo de Codificação Suplementar 1).
- Coloque essas amostras de ramos de coral de volta no tanque de água do mar original por pelo menos 7 dias para recuperação.
- Fixe a base de apoio do coral na unidade de rotação com cola. Monte o módulo de cultura de corais e conecte-o ao circuito de circulação externa.
- Imagens do crescimento dos corais
NOTA: As imagens dos corais ao longo do tempo precisam ser adquiridas para avaliar o crescimento dos corais. O uso de uma conexão desmontável torna conveniente remover o módulo de cultura de corais de todo o sistema de geração de imagens. Para isso, é construído um miniestúdio fotográfico com condições adequadas de iluminação. Uma câmera com uma lente macro (veja a Tabela de Materiais) é usada para capturar as morfologias da superfície dos corais em diferentes períodos. A unidade de rotação de corais no módulo de cultura pode ser operada fora do módulo usando o modo sem contato. Ao girar a alça magnética adjacente ao módulo, imagens de coral de ângulo total podem ser capturadas.- Coloque a câmera na parte superior do estúdio e capture as imagens de uma visão vertical.
- Coloque o módulo de cultura de corais no mini-estúdio fotográfico com o coral posicionado no centro e na parte inferior.
- Capture as imagens dos corais girando a alça externa.
NOTA: Por razões de sobrevivência dos corais, o período de tempo de aquisição de imagens deve ser limitado a 15 min.
4. Manutenção de rotina do sistema
NOTA: A manutenção de rotina inclui inspeção de vazamento, inspeção de mau funcionamento, adição de aditivos e troca de água do mar.
- Inspeção de vazamento
- Inspecione o rodapé em busca de manchas ou gotículas de água. Como a tampa do sistema é transparente, inspecionar visualmente o vazamento de água é fácil e conveniente. Essa inspeção deve ser realizada todos os dias.
- Inspeção de mau funcionamento
- Certifique-se de que esta etapa inclua a inspeção da temperatura da água, bombas, tensões de luz, status da bomba de ar e status do temporizador, incluindo a verificação visual e o registro da temperatura da água definida, temperatura em tempo real, tensões de saída do transformador, configurações da lâmpada UV e status de funcionamento do temporizador. Essa inspeção deve ser realizada todos os dias.
NOTA: Certas avarias do sistema podem ser diagnosticadas com base em sons anormais ou temperaturas incomuns.
- Certifique-se de que esta etapa inclua a inspeção da temperatura da água, bombas, tensões de luz, status da bomba de ar e status do temporizador, incluindo a verificação visual e o registro da temperatura da água definida, temperatura em tempo real, tensões de saída do transformador, configurações da lâmpada UV e status de funcionamento do temporizador. Essa inspeção deve ser realizada todos os dias.
- Adição de aditivos
NOTA: A adição de aditivos é o processo de adição de nutrientes e outros reagentes ao sistema.- Por exemplo, extraia 10 mL da água do mar usando uma seringa da válvula de três vias entre o módulo de carvão ativado e o módulo de água do mar.
- Dissolva os aditivos na água do mar extraída.
- Injete a solução de volta no sistema através da válvula de três vias. Em casos reais, os tipos, quantidades e frequências de adição dos aditivos são decididos pelo sistema de qualidade da água do mar, considerando os requisitos experimentais.
- Troca de água
NOTA: A troca rotineira de água pode reduzir a concentração tóxica e a eutrofização no sistema de cultura. Se as condições experimentais permitirem, a troca da água do mar pode ser uma operação de rotina.- Desligue a alimentação de todo o sistema e desconecte o cabo de alimentação por motivos de segurança.
- Remova o módulo de cultura de corais.
- Conecte a tubulação externa de águas residuais à saída no módulo de armazenamento de água do mar.
- Gire o sistema e coloque o sistema de frente para baixo.
- Ligue a tomada. Deixe a água do mar interna fluir para fora do sistema.
NOTA: Não utilize qualquer bomba para retirar a água, uma vez que a pressão negativa interior pode danificar o sistema. - Descarregue uma quantidade adequada de água do mar e desligue a tomada. A quantidade de água do mar descarregada é decidida pelo estado fisiológico dos corais.
- Redefina o sistema e injete a água do mar recém-preparada no sistema através da entrada de água.
- Instale o módulo de cultura de corais de volta no sistema.
- Ligue a alimentação do sistema e aguarde até que todo o sistema volte ao normal.
5. Substituição do módulo
NOTA: Se algum módulo precisar ser substituído devido a mau funcionamento ou de acordo com o arranjo experimental, é importante trocar o módulo sem suspender ou afetar negativamente o experimento de cultura.
- Para o módulo de armazenamento de água do mar, módulo de purificação de algas, módulo de purificação microbiana ou módulo de purificação de carvão ativado, desligue a bomba de circulação interna e solte os parafusos de fixação do módulo.
- Desconecte as tubulações entre os dois módulos unidos e desmonte o módulo a ser substituído do sistema. O passo final é montar o novo módulo no sistema, conectando as tubulações e reapertando os parafusos de fixação.
NOTA: A substituição do módulo de controle de temperatura é de alguma forma diferente. Primeiro, todos os fios precisam ser desconectados do módulo. Os parafusos de fixação são então desaparafusados e as tubulações são desconectadas. Depois, o painel de aquecimento é desmontado e o módulo é desmontado do sistema. O processo de instalação do módulo de controle de temperatura é o processo inverso.
6. Desligando o sistema e restaurando o sistema ao seu estado inicial
NOTA: O sistema será eventualmente desligado após o experimento de cultura de coral necessário. O sistema precisa ser restaurado ao seu estado original.
- Desligando o sistema
- Desligue a alimentação do sistema e desconecte o cabo de alimentação.
- Evacue a água do mar dentro do sistema.
- Desmonte os módulos na seguinte ordem: o módulo de cultura de corais, o módulo de purificação de carvão ativado, o módulo de armazenamento de água do mar, o módulo de purificação de algas, o módulo de purificação microbiana, a lâmpada UV, as duas bombas de circulação e o módulo de controle de temperatura.
- Restauração do sistema
- Limpe todos os módulos com água pura e agentes ativos de superfície (consulte a Tabela de Materiais).
- Esterilizar os módulos com solução de peróxido de hidrogênio a 3%.
NOTA: Não utilize nenhum solvente orgânico para lavar os módulos. - Secar os módulos a 40 °C por 12 h. Certifique-se de que toda a água dentro do sistema seja evaporada.
- Limpe todas as tubulações e válvulas usando os mesmos agentes ativos de superfície.
7. Modificação para o ambiente de microrganismos controlados
NOTA: Além do experimento de cultura de corais, para certos experimentos especiais, como a aquisição de um ambiente controlado de microrganismos no sistema, as espécies e a abundância do microbioma devem ser rigorosamente controladas. A característica mais inovadora do nosso sistema de cultura de corais é que a atividade fisiológica do coral pode ser explorada em um ambiente microbiano específico em um microecossistema relativamente fechado. Executar essa função requer um procedimento operacional diferente.
- Pré-esterilização
- Esterilize todos os módulos, tubulações e válvulas usando solução de peróxido de hidrogênio a 3% antes de montar o sistema.
- Esterilizar o substrato da cultura bacteriana via autoclavagem.
- Esterilizar algas Chaetomorpha com solução de etanol a 75% e secar com papel estéril.
- Modificação do sistema e esterilização
- Na montagem do sistema, adicione um filtro de esterilização de ar (consulte a Tabela de Materiais) entre a bomba de ar e o módulo de armazenamento de água do mar.
- Adicione um filtro esterilizante de água entre a entrada e a válvula de três vias. Essa etapa garante que o ar e a água injetados no sistema sejam esterilizados.
- Introduzir ozônio no sistema para eliminar o microbioma restante.
- Lave os agentes desinfetantes restantes com água do mar estéril três vezes e injete a água do mar estéril no sistema.
- Para apenas o estabelecimento do ambiente microbiano, injetar a solução da fonte de microbioma através da saída de água.
NOTA: Não use a entrada de água para injetar a fonte de microbioma. Outros reagentes e água do mar ainda são injetados através da entrada de água.
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Representative Results
Precisão no controle de temperatura
A temperatura do sistema é normalmente ajustada para 23-28 °C, dependendo da espécie de coral. No entanto, como um dos fatores mais importantes, a flutuação da temperatura pode afetar fortemente a sobrevivência dos corais. Assim, a precisão do controle da temperatura é um fator decisivo para o sistema de cultura de corais. Um sensor de temperatura e um coletor de dados independente com uma faixa de temperatura de 9 °C a 32 °C podem ser usados para testar a precisão do controle de temperatura no módulo de cultura de coral. Definimos a temperatura da água do mar do sistema para 24 °C e medimos a água do mar e a temperatura ambiente simultaneamente. Como mostrado na Figura 4, a curva vermelha representa a flutuação da temperatura ambiente medida e a curva preta representa a flutuação da temperatura da água do mar medida no módulo de cultura de coral. Durante 14 h, a temperatura média medida foi de 23,8 °C e o desvio padrão foi de 0,1 °C. O sistema de controle da temperatura da água do mar foi relativamente preciso.
Resultado da cultura coral
Normalmente, os corais saudáveis estendem seus tentáculos livremente quando as condições ambientais atendem aos requisitos de sobrevivência do coral, como mostrado na Figura 5. Esse critério geralmente verifica o status dos corais e pode ser usado para verificar se há estressores ambientais. Como mostrado na Figura 5B, os tentáculos dos corais da amostra estenderam-se por 1 mês sem serem perturbados. Isso indica que o sistema proporcionou um ambiente de sobrevivência adequado para o coral por um longo tempo. Este período de tempo de cultura deve ser longo o suficiente para a maioria dos experimentos e ensaios de corais em laboratório. Observa-se também na Figura 5 que é viável realizar a análise morfológica por meio de imagens do processo de crescimento dos corais.
Figura 1: Conexão do módulo esquemático para o sistema de microdispositivos. Os retângulos arredondados representam módulos ou bombas; As linhas de seta representam tubulações de água ou ar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Vista frontal do sistema de microdispositivos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Vista superior do sistema de microdispositivos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Resultados experimentais do controle da temperatura da água do mar. Curva vermelha: flutuação da temperatura ambiente; curva preta: sistema medido flutuação da temperatura da água do mar. A temperatura de ajuste do sistema foi de 24 °C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Módulo de cultura de corais com uma imagem de coral ampliada. (A) Para fazer uma comparação, quatro corais foram localizados nas bases de suporte correspondentes com um vazio no módulo de cultura de corais. (B) Uma imagem de coral ampliada do coral Seriatopora caliendrum. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo de codificação suplementar 1: Projeto para a impressão 3D de bases de suporte de coral. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
Este sistema de cultura de corais é projetado para simular e fornecer um microambiente relativamente natural ou personalizado para os corais serem transplantados e sobreviverem. Enquanto isso, como um equipamento autodesenvolvido, esse sistema precisa ser confiável, fácil de usar e seguro. Por exemplo, em termos de controlo da temperatura, a temperatura da água do mar deve ser controlada adequadamente com base nas circunstâncias ambientais diárias. O sistema foi testado através da cultura do coral por 1 mês, confirmando a confiabilidade do sistema.
Em comparação com tanques marinhos ou aquários normais26, com base em nosso experimento de cultura de corais, após definir os parâmetros/condições de cultura, incluindo a fórmula do agente aditivo, plano de troca de água, velocidade de circulação (potência ou tensão da bomba), intensidade de iluminação, proporções de tempo de ligar e desligar da bomba de ar e tempo de iluminação, o período de tempo para o serviço e operação diários é inferior a 10 min. Além disso, nenhum vazamento elétrico, curto-circuito, sobrecarga ou outros incidentes ocorreram durante esse período, demonstrando a facilidade de uso e segurança do sistema.
No entanto, deve-se notar que a inspeção do sistema, inicialização, transplante/imagem de coral e manutenção de rotina são as etapas essenciais e críticas do protocolo. O vazamento de água dentro do dispositivo e o envelhecimento das peças do dispositivo podem ser dois problemas que podem ocorrer durante um período relativamente longo de tempo. O público que quiser replicar esse sistema deve cuidar dessas questões.
Do ponto de vista do microecossistema artificial, esta plataforma modular pode ser dotada da capacidade de estudar o microbioma associado aos corais em um ambiente controlável no laboratório e não no campo, comprovando assim sua escalabilidade e custo-benefício. Portanto, espera-se que este sistema de cultura de corais ajude e acelere os estudos relacionados aos corais.
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Disclosures
Os autores declaram não haver interesse financeiro concorrente.
Acknowledgments
Este estudo foi apoiado pelo 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
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