Summary
Este protocolo describe el desarrollo de un sistema modular de microdispositivos controlables que se puede aplicar para el cultivo y monitoreo a largo plazo de corales marinos.
Abstract
Los corales son organismos fundamentales en los ecosistemas marinos y costeros. Con el avance de la investigación sobre la protección de los corales en los últimos años, el control preciso del entorno del cultivo de corales es muy solicitado para la conservación y el estudio de los corales. Aquí, desarrollamos un sistema de microdispositivos de cultivo de coral semicerrado como una plataforma multifuncional, que puede proporcionar un control de temperatura preciso y programable, un entorno inicial estéril, una calidad del agua estable a largo plazo, una concentración de oxígeno disuelto ajustable y un espectro de luz personalizado para los corales. Debido al diseño modular, el sistema de cultivo de coral puede actualizarse o modificarse mediante la instalación de nuevos módulos deseables o la eliminación de los existentes. Actualmente, en condiciones apropiadas y con un mantenimiento adecuado del sistema, los corales de muestra pueden sobrevivir durante al menos 30 días en un estado saludable. Además, debido al ambiente inicial controlable y estéril, este sistema de cultivo de corales puede apoyar la investigación de la relación simbiótica entre los corales y los microorganismos asociados. Por lo tanto, este sistema de microdispositivos se puede aplicar para monitorear e investigar los corales marinos de una manera relativamente cuantitativa.
Introduction
El deterioro de los ecosistemas de arrecifes de coral ha estado ocurriendo en todo el mundo durante los últimos 70 años. Teniendo en cuenta todas las principales áreas de coral en América Central1, el Sudeste Asiático 2,3,4,5,6, Australia 7,8 y África Oriental9, la cobertura mundial de los arrecifes de coral se ha reducido a la mitad desde la década de 195010. Esta pérdida masiva de arrecifes de coral ha dado lugar a problemas ecológicos y económicos. Por ejemplo, al rastrear la presencia/ausencia y abundancia de todo tipo de peces que dependen de los corales durante 8 años, los investigadores concluyeron que la disminución de los corales ha causado directamente una disminución sustancial de la biodiversidad y abundancia de peces en Papúa Nueva Guinea11. Este resultado demostró que la disminución de los corales no solo puede socavar los sistemas biológicos basados en los arrecifes de coral, sino también reducir los ingresos de la pesca.
A lo largo de décadas de estudios de campo, que incluyen monitoreo directo, teledetección y comparación de datos, la comunidad científica ha identificado varios factores que causan la disminución masiva de corales. Una de las principales razones de la disminución masiva de los corales es el blanqueamiento de los corales causado por las altas temperaturas del agua de mar12,13. Al combinar el blanqueamiento y los registros meteorológicos, los científicos han llegado a la conclusión de que el blanqueamiento de los corales está ocurriendo con mayor frecuencia en las fases de El Niño-Oscilación del Sur14. Otra razón para la disminución de los corales es la acidificación de los océanos. Debido al aumento de la concentración deCO2 tanto en la atmósfera como en el agua de mar, el carbonato de calcio se disuelve más rápido que antes, lo que provoca una calcificación neta de los arrecifes de coral a menor escala15. De hecho, se ha llegado a la conclusión de que cuando la concentración deCO2 en la atmósfera supera las 500 ppm, decenas de millones de personas sufrirán y los arrecifes de coral correrán el riesgo de sufrir un deterioro significativo y un desprendimiento de simbiodinio16,17. Hay otros factores que también pueden afectar a la supervivencia de los corales, como los contaminantes costeros que causan o aceleran el declive de los corales. Investigadores en Hawái midieron los isótopos de carbono, oxígeno y nitrógeno en los corales, junto con el carbonato inorgánico disuelto y los nutrientes relacionados (NH4+, PO4 3-, NO2- y NO3-), y concluyeron que la contaminación de la tierra magnificó la acidificación costera y la bioerosión de los corales18. Además de la contaminación, la urbanización también pone en peligro la supervivencia de los corales y provoca una complejidad arquitectónica relativamente baja en los corales, como revela un estudio sobre el estado de supervivencia de los corales en Singapur, Yakarta, Hong Kong y Okinawa. Así pues, el impacto de los factores de estrés antropogénicos y los efectos superpuestos del cambio climático están dando lugar a una reducción generalizada de la biodiversidad en los arrecifes de coral y a la consiguiente disminución de la función ecológica y la resiliencia de los corales19.
También debe tenerse en cuenta que un gran número de microorganismos participan en las funciones fisiológicas de los corales, incluida la fijación de nitrógeno, la descomposición de la quitina, la síntesis de compuestos orgánicos y la inmunidad20, por lo que estos microorganismos deben incluirse al considerar el deterioro de los arrecifes de coral. En entornos naturales, como los arrecifes de coral, muchos factores causan condiciones hipóxicas o anóxicas, incluida la circulación insuficiente del agua, el exudado de algas y el crecimiento excesivo de algas. Este fenómeno afecta negativamente a la distribución poblacional de los corales y de los microorganismos relacionados con los corales. Por ejemplo, científicos vietnamitas encontraron que en Nha Trang, Phu Quoc y Ujung Gelam, la composición bacteriana en el coral Acropora Formosa podría verse afectada por el oxígeno disuelto endiferentes lugares. Investigadores en los Estados Unidos exploraron las condiciones hipóxicas o de anoxia en los corales y encontraron que los exudados de algas pueden mediar la actividad microbiana, lo que conduce a condiciones hipóxicas localizadas, que pueden causar la mortalidad de los corales en las inmediaciones. También descubrieron que los corales podían tolerar concentraciones reducidas de oxígeno, pero solo por encima de un umbral determinado por una combinación del tiempo de exposición y la concentración de oxígeno22. Investigadores en la India encontraron que cuando el alga Noctiluca scintillans florecía , el oxígeno disuelto disminuía a 2 mg/L. Por debajo de esta concentración, alrededor del 70% de Acropora montiporacan moría debido a condiciones hipóxicas23.
Todos los hechos y factores mencionados anteriormente sugieren que el cambio ambiental conduce al deterioro de los arrecifes de coral. Para cultivar y estudiar los corales de arrecife bajo ciertas condiciones, es importante construir de manera precisa y exhaustiva un entorno microscópico controlable para que los corales de arrecife lo habiten. Normalmente, los científicos se centran en la temperatura, la luz, el flujo de agua y los nutrientes. Sin embargo, otras características, como la concentración de oxígeno disuelto, la abundancia de microorganismos y la diversidad de microorganismos en el agua de mar, se ignoran comúnmente. Con este fin, nuestro grupo ha explorado la posibilidad de aplicar pequeños equipos para el cultivo de pólipos coralinos en un ambiente relativamente controlado24,25. En este trabajo, diseñamos y construimos un sistema modular de microdispositivos para el cultivo de corales. Este sistema modular de microdispositivos puede proporcionar un microentorno controlable en términos de temperatura, espectro de luz, concentración de oxígeno disuelto, nutrientes y microorganismos, etc., y tiene la capacidad de expansión y actualización.
Módulos y funciones del dispositivo
El sistema de microdispositivos se inspiró en el sistema de Berlín26, pero no se utilizan rocas vivas en el sistema actual. Como se muestra en la Figura 1, el sistema actual consta de seis módulos principales, dos motobombas sin escobillas, una bomba de gas, una lámpara UV de flujo continuo, una fuente de alimentación, ciertos componentes de control electrónico y los cables y tornillos relacionados. Los seis módulos principales incluyen un módulo de almacenamiento de agua de mar (con una bomba de aire y un sensor de temperatura), un módulo de control de temperatura, un módulo de purificación de algas, un módulo de purificación microbiana, un módulo de purificación de carbón activado y un módulo de cultivo de coral.
Arquitectura del dispositivo
Como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3, el sistema general de microdispositivos se puede dividir horizontalmente en dos compartimentos con un módulo de control de temperatura en el medio. Por razones de seguridad, todos los módulos y piezas que contienen agua de mar se colocan en el compartimento izquierdo, denominado compartimento de cultivo. Las otras partes electrónicas se colocan en el compartimento derecho, llamado compartimento electrónico. Ambos compartimentos están sellados o empaquetados dentro de carcasas. El módulo de control de temperatura se fija en una placa divisoria en el medio. La carcasa del compartimento de cultivo incluye un zócalo y tres placas de fijación atornilladas. Este diseño garantiza la estanqueidad del compartimento y facilita el funcionamiento del sistema. Además, la estanqueidad favorece un control preciso de la temperatura. La carcasa del compartimento electrónico incluye un zócalo, dos placas de fijación atornilladas y un panel de control frontal.
Circulación del agua
Se prediseñó un circuito de circulación de agua de mar interior y exterior conectado al módulo de almacenamiento de agua de mar. El circuito de circulación interna conecta con éxito el módulo de almacenamiento de agua de mar, el módulo de control de temperatura, la lámpara UV de flujo continuo, el módulo de purificación de algas y el módulo de purificación microbiana. Este circuito de circulación tiene como objetivo proporcionar condiciones fisicoquímicas y fisiológicas adecuadas para el agua de mar para los corales, y no se necesita un mantenimiento frecuente. El módulo de purificación de algas contiene algas Chaetomorpha , que absorben los nutrientes adicionales (nitrato y fosfato) en el agua. El módulo de purificación microbiana contiene el sustrato de cultivo bacteriano, que cultiva el microbioma para transferir nitrito y amonio al nitrato para la purificación del agua. Todos estos módulos deben reemplazarse solo en circunstancias críticas.
El bucle de circulación exterior conecta sucesivamente el módulo de almacenamiento de agua de mar, el módulo de cultivo de coral y el módulo de carbón activado. Este circuito de circulación tiene como objetivo proporcionar luz, estanqueidad, corriente de agua y alta calidad de agua de mar a los corales. El agua de mar se puede refrescar a través de una entrada de agua y una salida de agua. Los aditivos se agregan a través de una válvula de tres vías, y la muestra de agua de mar también se puede extraer de esta válvula para su inspección. El aire se puede bombear a través de una entrada de aire y descargarse desde una salida de aire.
Diseño electrónico
Para todo el sistema se utiliza una fuente de alimentación de 220 V CA con un interruptor y un fusible. La potencia de entrada se divide en cuatro ramas. La primera rama va a una fuente de alimentación de 12 V CC, que alimenta directamente el panel de calefacción, el panel de enfriamiento y el ventilador de enfriamiento. Esta rama también alimenta indirectamente dos bombas y dos paneles de iluminación a través de un transformador de CC de cuatro canales. La segunda rama va a un controlador de temperatura PID. La tercera rama va a una fuente de alimentación de bomba de aire. La última rama se conecta a una fuente de alimentación de lámpara UV. Un relé de estado sólido conecta el controlador de temperatura PID y el panel de enfriamiento en el módulo de control de temperatura. Se utiliza un relé normal para conectar el controlador de temperatura PID y el panel calefactor. El transformador de CC de cuatro canales convierte el voltaje al requerido.
Hay dos paneles de control en la parte derecha del sistema. Hay cuatro interruptores y un controlador para la lámpara UV en el panel superior, incluido un interruptor de alimentación principal, un interruptor de alimentación de la lámpara UV, un interruptor de bomba de aire y un interruptor de control de temperatura. El interruptor de alimentación principal controla la fuente de alimentación de 12 V del sistema.
Un controlador de temperatura PID, un temporizador de ciclo, un transformador de CC de cuatro canales y un temporizador de tres canales se encuentran en el panel frontal. El controlador de temperatura PID ajusta la temperatura del agua controlando los paneles de calefacción y refrigeración en el módulo de control de temperatura. El módulo de control de temperatura solo funciona cuando la bomba de circulación interna está funcionando y el agua fluye más allá del módulo de control de temperatura. El temporizador de ciclo está conectado a la línea de alimentación de la bomba de aire. Su propósito es asignar el período de tiempo de trabajo a la bomba de aire. También hay un temporizador de tres canales desplegado en el compartimento electrónico. Este temporizador controla el período de tiempo de trabajo de la bomba de aire, la luz de coral y la luz de algas.
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Protocol
Los corales utilizados para el presente estudio fueron Seriatopora caliendrum, los cuales son cultivados en nuestro laboratorio. Todos los corales fueron amablemente proporcionados por el Instituto de Oceanología del Mar Meridional de China de la Universidad de la Academia China de Ciencias.
1. Inspección y puesta en marcha
NOTA: Se debe probar la estanqueidad y el funcionamiento de cada módulo individualmente antes de ensamblar el sistema. Se debe usar agua desionizada para probar la estanqueidad del módulo. Los detalles comerciales de todos los componentes del módulo se proporcionan en la Tabla de Materiales.
- Prueba de estanqueidad de la conexión entre módulos
- Conecte todos los módulos y las bombas (Figura 1) y asegúrese de que el agua fluya circularmente sobre el sistema durante al menos 30 minutos.
- Revise todas las costuras en busca de posibles problemas de fugas. Si se produce alguna fuga en cualquiera de las costuras de unión, aplique pegamento de unión desde el exterior. Si se produce alguna fuga en cualquiera de las uniones de conexión, vuelva a apretar la conexión y compruebe si es necesario cambiar la junta de sellado.
- Carga
- Después de la prueba de estanqueidad, evacúe y seque el agua del interior.
- Cargue el contenido adecuado.
NOTA: Por ejemplo, el sustrato de cultivo bacteriano se carga en el módulo de purificación microbiana y las algas Chaetomorpha se cargan en el módulo de purificación de algas.
- Montaje y prueba de todo el sistema
- Después de la carga, fije los módulos en el zócalo con los tornillos.
- Conecte los módulos de circulación interna con los de circulación externa (sin el módulo de cultivo de coral).
- Para la perfusión de agua de mar, inyecte el agua de mar a través de la entrada de agua en el módulo de almacenamiento de agua de mar. Cuando el nivel del agua sea 3 cm más alto que las entradas de agua de las bombas, encienda las bombas y continúe la inyección del agua de mar hasta que los módulos de circulación interna estén llenos de agua de mar, con espacio para el aire (3 cm de altura) en el módulo de almacenamiento de agua de mar.
NOTA: El agua de mar se prepara con agua pura y sal marina (ver la Tabla de Materiales).
- Prueba del sistema
- Encienda todos los interruptores y ajuste los voltajes de la bomba de agua de mar a 9 V. Ajuste la temperatura del agua a 25 °C.
- Ajuste el temporizador de ciclo a "1 minuto encendido y 1 minuto apagado". Configure los tres canales del temporizador de tres canales en "9:00 am on" y "5:00 pm off".
- Supervise el sistema durante al menos 24 horas para detectar cualquier mal funcionamiento. Si no se encuentra ningún problema, el sistema está listo para el siguiente paso de la operación.
NOTA: Es importante eliminar todas las burbujas en todos los módulos, excepto en el módulo de almacenamiento de agua de mar. Todo el sistema se puede levantar y agitar ligeramente para mover las burbujas desde la entrada del módulo hasta la salida.
2. Establecimiento del entorno microbiano
NOTA: Es necesario establecer un entorno microbiano amigable con los corales antes del trasplante de coral. Para cultivar microorganismos en el sistema, especialmente en el módulo de purificación microbiana, se debe agregar la solución probiótica diluida como fuente microbiana para el sistema de nitrificación.
- Adición de la fuente del microbioma
- Agregue 1 ml de la solución de la fuente comercial de microbioma (consulte la Tabla de materiales) en 500 ml de agua de mar agitando.
- Inyecte 50 ml de la solución diluida anterior y 10 μl de la solución nutritiva comercial de coral (consulte la Tabla de materiales) en el sistema de circulación.
- Cultivo del microbioma
- Encienda la bomba de circulación interna y una bomba de aire para cultivar el microbioma durante 21 días. Los requisitos de contenido de oxígeno del microbioma determinan las proporciones de tiempo de encendido y apagado de la bomba de aire.
NOTA: Este paso tiene como objetivo cultivar el microbioma de purificación del agua de mar y promover el crecimiento del microbioma beneficioso para los corales en el sistema. En este proceso, el agua de mar comienza a enturbiarse desde el segundo día hasta el cuarto día después de la inyección del microbioma. Después de este proceso de cultivo del microbioma, se debe establecer la capacidad de degradación de nutrientes en el sistema. Cabe señalar que para cumplir con los diferentes requisitos experimentales, se pueden utilizar diferentes fuentes de microbioma para establecer el entorno del microbioma.
- Encienda la bomba de circulación interna y una bomba de aire para cultivar el microbioma durante 21 días. Los requisitos de contenido de oxígeno del microbioma determinan las proporciones de tiempo de encendido y apagado de la bomba de aire.
3. Trasplante y crecimiento de corales
- Trasplante de corales
- Corta las ramas de coral crudas con escamas de longitud de 3-5 cm, y luego adhiere estas ramas de coral a bases de soporte de coral impresas en 3D (Archivo de codificación suplementario 1).
- Vuelva a colocar estas muestras de ramas de coral en el tanque de agua de mar original durante al menos 7 días para su recuperación.
- Fije la base de soporte de coral en la unidad de rotación con pegamento. Ensamble el módulo de cultivo de coral y conéctelo al circuito de circulación exterior.
- Imágenes del crecimiento de los corales
NOTA: Las imágenes de coral a lo largo del tiempo deben adquirirse para evaluar el crecimiento del coral. El uso de una conexión desmontable hace que sea conveniente quitar el módulo de cultivo de coral de todo el sistema para obtener imágenes. Para ello, se construye un miniestudio fotográfico con condiciones de iluminación adecuadas. Se utiliza una cámara con una lente macro (ver la Tabla de Materiales) para capturar las morfologías de la superficie del coral en diferentes períodos. La unidad de rotación de coral en el módulo de cultivo se puede operar fuera del módulo utilizando el modo sin contacto. Al girar el mango magnético adyacente al módulo, se pueden capturar imágenes de coral de ángulo completo.- Coloque la cámara en la parte superior del estudio y capture las imágenes desde una vista vertical.
- Coloque el módulo de cultivo de coral en el mini estudio fotográfico con el coral colocado en el centro y en la parte inferior.
- Capture las imágenes de coral girando el mango exterior.
NOTA: Por razones de supervivencia de los corales, el período de tiempo de obtención de imágenes debe limitarse a 15 minutos.
4. Mantenimiento rutinario del sistema
NOTA: El mantenimiento de rutina incluye la inspección de fugas, la inspección de mal funcionamiento, la adición de aditivos y el intercambio de agua de mar.
- Inspección de fugas
- Inspeccione el zócalo en busca de manchas de agua o gotas. Como la cubierta del sistema es transparente, inspeccionar visualmente la fuga de agua es fácil y conveniente. Esta inspección debe realizarse todos los días.
- Inspección de averías
- Asegúrese de que este paso incluya la inspección de la temperatura del agua, las bombas, los voltajes de luz, el estado de la bomba de aire y el estado del temporizador, incluida la verificación y el registro visual de la temperatura del agua establecida, la temperatura en tiempo real, los voltajes de salida del transformador, la configuración de la lámpara UV y el estado de funcionamiento del temporizador. Esta inspección debe realizarse todos los días.
NOTA: Ciertas fallas del sistema se pueden diagnosticar en función de sonidos anormales o temperaturas inusuales.
- Asegúrese de que este paso incluya la inspección de la temperatura del agua, las bombas, los voltajes de luz, el estado de la bomba de aire y el estado del temporizador, incluida la verificación y el registro visual de la temperatura del agua establecida, la temperatura en tiempo real, los voltajes de salida del transformador, la configuración de la lámpara UV y el estado de funcionamiento del temporizador. Esta inspección debe realizarse todos los días.
- Adición aditiva
NOTA: La adición de aditivos es el proceso de agregar nutrientes y otros reactivos al sistema.- Por ejemplo, extraiga 10 ml de agua de mar con una jeringa de la válvula de tres vías entre el módulo de carbón activado y el módulo de agua de mar.
- Disolver los aditivos en el agua de mar extraída.
- Inyecte la solución de nuevo en el sistema a través de la válvula de tres vías. En casos reales, los tipos, cantidades y frecuencias de adición de los aditivos son decididos por la calidad del agua de mar del sistema, teniendo en cuenta los requisitos experimentales.
- Intercambio de agua
NOTA: El intercambio rutinario de agua puede reducir la concentración tóxica y la eutrofización en el sistema de cultivo. Si las condiciones experimentales lo permiten, el intercambio del agua de mar puede ser una operación rutinaria.- Apague la alimentación de todo el sistema y desenchufe el cable de alimentación por razones de seguridad.
- Retire el módulo de cultivo de coral.
- Conecte la tubería de aguas residuales exterior a la salida en el módulo de almacenamiento de agua de mar.
- Gire el sistema y colóquelo con la parte delantera hacia abajo.
- Encienda el tomacorriente. Deje que el agua de mar interior fluya fuera del sistema.
NOTA: No utilice ninguna bomba para extraer el agua, ya que la presión negativa interna puede dañar el sistema. - Descargue una cantidad adecuada de agua de mar y cierre la salida. La cantidad de agua de mar descargada está decidida por el estado fisiológico de los corales.
- Reinicie el sistema e inyecte el agua de mar recién preparada en el sistema a través de la entrada de agua.
- Vuelva a instalar el módulo de cultivo de coral en el sistema.
- Encienda el sistema y espere hasta que todo el sistema vuelva a la normalidad.
5. Sustitución del módulo
NOTA: Si algún módulo necesita ser reemplazado debido a un mal funcionamiento o de acuerdo con la disposición experimental, es importante cambiar el módulo sin suspender o afectar negativamente el experimento de cultivo.
- Para el módulo de almacenamiento de agua de mar, el módulo de purificación de algas, el módulo de purificación microbiana o el módulo de purificación de carbón activado, apague la bomba de circulación interna y afloje los tornillos de fijación del módulo.
- Desconecte las tuberías entre los dos módulos unidos y desmonte el módulo que se va a reemplazar del sistema. El paso final es ensamblar el nuevo módulo en el sistema conectando las tuberías y volviendo a apretar los tornillos de fijación.
NOTA: El reemplazo del módulo de control de temperatura es de alguna manera diferente. Primero, todos los cables deben desconectarse del módulo. A continuación, se desenroscan los pernos de fijación y se desconectan las tuberías. A continuación, se desmonta el panel calefactor y se desmonta el módulo del sistema. El proceso de instalación del módulo de control de temperatura es el proceso inverso.
6. Apagar el sistema y restaurarlo a su estado inicial
NOTA: El sistema eventualmente se apagará después del experimento de cultivo de coral necesario. El sistema debe restaurarse a su estado original.
- Apagar el sistema
- Apague la alimentación del sistema y desconecte el cable de alimentación.
- Evacuar el agua de mar dentro del sistema.
- Desmonte los módulos en el siguiente orden: el módulo de cultivo de coral, el módulo de purificación de carbón activado, el módulo de almacenamiento de agua de mar, el módulo de purificación de algas, el módulo de purificación microbiana, la lámpara UV, las dos bombas de circulación y el módulo de control de temperatura.
- Restauración del sistema
- Limpie todos los módulos con agua pura y tensioactivos (ver Tabla de Materiales).
- Esterilizar los módulos con una solución de peróxido de hidrógeno al 3%.
NOTA: No utilice ningún disolvente orgánico para lavar los módulos. - Secar los módulos a 40 °C durante 12 h. Asegúrese de que toda el agua dentro del sistema se evapore.
- Limpie todas las tuberías y válvulas utilizando los mismos agentes tensioactivos.
7. Modificación para el entorno controlado de microorganismos
NOTA: Aparte del experimento de cultivo de corales, para ciertos experimentos especiales, como la adquisición de un entorno controlado de microorganismos en el sistema, las especies y la abundancia del microbioma deben controlarse estrictamente. La característica más innovadora de nuestro sistema de cultivo de corales es que la actividad fisiológica del coral se puede explorar en un entorno microbiano específico en un microecosistema relativamente cerrado. La realización de esta función requiere un procedimiento operativo diferente.
- Pre-esterilización
- Esterilice todos los módulos, tuberías y válvulas con una solución de peróxido de hidrógeno al 3% antes de ensamblar el sistema.
- Esterilizar el sustrato de cultivo bacteriano mediante autoclave.
- Esterilizar el alga Chaetomorpha con una solución de etanol al 75% y secarla con papel estéril.
- Modificación y esterilización del sistema
- Al ensamblar el sistema, agregue un filtro esterilizador de aire (consulte la Tabla de materiales) entre la bomba de aire y el módulo de almacenamiento de agua de mar.
- Agregue un filtro esterilizador de agua entre la entrada y la válvula de tres vías. Este paso garantiza que el aire y el agua inyectados en el sistema estén esterilizados.
- Introducir ozono en el sistema para eliminar el microbioma restante.
- Lave los agentes desinfectantes restantes con agua de mar estéril tres veces e inyecte el agua de mar estéril en el sistema.
- Solo para el establecimiento del entorno microbiano, inyecte la solución de la fuente del microbioma a través de la salida de agua.
NOTA: No utilice la entrada de agua para inyectar la fuente del microbioma. Otros reactivos y agua de mar todavía se inyectan a través de la entrada de agua.
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Representative Results
Precisión del control de temperatura
La temperatura del sistema se establece normalmente en 23-28 °C, dependiendo de la especie de coral. Sin embargo, como uno de los factores más importantes, la fluctuación de la temperatura puede afectar en gran medida a la supervivencia de los corales. Por lo tanto, la precisión del control de la temperatura es un factor decisivo para el sistema de cultivo de corales. Se puede utilizar un sensor de temperatura y un colector de datos independiente con un rango de temperatura de 9 °C a 32 °C para probar la precisión del control de temperatura en el módulo de cultivo de coral. Ajustamos la temperatura del agua de mar del sistema a 24 °C y medimos simultáneamente la temperatura del agua de mar y la temperatura ambiente. Como se muestra en la Figura 4, la curva roja representa la fluctuación de la temperatura ambiente medida y la curva negra representa la fluctuación de la temperatura del agua de mar medida en el módulo de cultivo de coral. Durante 14 h, la temperatura media medida fue de 23,8 °C y la desviación estándar fue de 0,1 °C. El sistema de control de la temperatura del agua de mar fue relativamente preciso.
Resultado del cultivo de coral
Normalmente, el coral sano extiende sus tentáculos libremente cuando las condiciones ambientales cumplen con los requisitos de supervivencia del coral, como se muestra en la Figura 5. Este criterio generalmente verifica el estado del coral y se puede utilizar para verificar si hay factores de estrés ambiental. Como se muestra en la Figura 5B, los tentáculos del coral de muestra se extendieron durante 1 mes sin ser perturbados. Esto indica que el sistema proporcionó un entorno de supervivencia adecuado para el coral durante mucho tiempo. Este período de tiempo de cultivo debería ser lo suficientemente largo para la mayoría de los experimentos y ensayos de coral en el laboratorio. También se puede ver en la Figura 5 que es factible realizar el análisis morfológico mediante imágenes del proceso de crecimiento de los corales.
Figura 1: Conexión esquemática del módulo para el sistema de microdispositivos. Los rectángulos redondeados representan módulos o bombas; Las líneas de flecha representan tuberías de agua o aire. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Vista frontal del sistema de microdispositivos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Vista superior del sistema de microdispositivos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Resultados experimentales del control de la temperatura del agua de mar. Curva roja: fluctuación de la temperatura ambiente; Curva negra: Sistema medido de fluctuación de la temperatura del agua de mar. La temperatura de ajuste del sistema era de 24 °C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Módulo de cultivo de coral con una imagen de coral ampliada. (A) Para hacer una comparación, se ubicaron cuatro corales en las bases de apoyo correspondientes con una vacía en el módulo de cultivo de coral. (B) Una imagen ampliada del coral Seriatopora caliendrum. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo de codificación suplementario 1: Diseño para la impresión 3D de bases de soporte de coral. Haga clic aquí para descargar este archivo.
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Discussion
Este sistema de cultivo de corales está diseñado para simular y proporcionar un microambiente relativamente natural o personalizado para que los corales sean trasplantados y sobrevivan. Mientras tanto, como equipo de desarrollo propio, este sistema debe ser confiable, fácil de usar y seguro. Por ejemplo, en términos de control de la temperatura, la temperatura del agua de mar debe controlarse adecuadamente en función de las circunstancias ambientales diarias. El sistema se probó cultivando el coral durante 1 mes, lo que confirmó la fiabilidad del sistema.
En comparación con los tanques marinos o acuarios normales26, según nuestro experimento de cultivo de coral, después de establecer los parámetros/condiciones de cultivo, incluida la fórmula del agente aditivo, el plan de intercambio de agua, la velocidad de circulación (potencia o voltaje de la bomba), la intensidad de la iluminación, las proporciones del tiempo de encendido y apagado de la bomba de aire y el tiempo de iluminación, el período de tiempo para el servicio y la operación diarios es inferior a 10 minutos. Además, no se produjeron fugas eléctricas, cortocircuitos, sobrecargas u otros incidentes durante este período, lo que demuestra la facilidad de uso y la seguridad del sistema.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la inspección del sistema, la puesta en marcha, el trasplante/obtención de imágenes de coral y el mantenimiento rutinario son los pasos esenciales y críticos del protocolo. La fuga de agua dentro del dispositivo y el envejecimiento de las piezas del dispositivo podrían ser dos problemas que pueden ocurrir durante un período de tiempo relativamente largo. Las audiencias que quieran replicar este sistema deben ocuparse de estos temas.
Desde la perspectiva del microecosistema artificial, esta plataforma modular puede dotarse de la capacidad de estudiar el microbioma asociado a los corales en un entorno controlable en el laboratorio en lugar de en el campo, demostrando así su escalabilidad y rentabilidad. Por lo tanto, se prevé que este sistema de cultivo de corales ayude y acelere los estudios relacionados con los corales.
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Disclosures
Los autores declaran que no hay intereses financieros contrapuestos.
Acknowledgments
Este estudio contó con el apoyo de los Programas Estatales de Desarrollo Clave para la Investigación Básica de 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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