מחקר זה נתמך על ידי תוכניות פיתוח מפתח המדינה למחקר בסיסי של סין (2021YFC3100502).

האלמוגים ששימשו למחקר הנוכחי היו Seriatopora caliendrum, אשר מתורבתים במעבדה שלנו. כל האלמוגים סופקו באדיבות על ידי המכון לאוקיאנולוגיה של ים סין הדרומי, אוניברסיטת האקדמיה הסינית למדעים.
1. בדיקה והפעלה
הערה: כל מודול חייב להיבדק לאטימות ולתפקד בנפרד לפני הרכבת המערכת. יש להשתמש במים שעברו דה-יוניזציה כדי לבדוק את ההידוק של המודול. פרטים מסחריים של כל רכיבי המודול מופיעים בטבלת החומרים.
<ol><li>בדיקת הידוק של החיבור בין המודולים<ol><li>חברו את כל המודולים והמשאבות (איור 1), וודאו שהמים זורמים בצורה מעגלית על פני המערכת במשך 30 דקות לפחות.</li>
		<li>בדוק את כל התפרים עבור בעיות נזילה אפשריות. אם מתרחשת דליפה כלשהי באחד מתפרי ההדבקה, יש למרוח דבק הדבקה מבחוץ. אם מתרחשת דליפה באחד מתפרי החיבור, הדקו שוב את החיבור ובדקו אם יש צורך להחליף את אטם האיטום.</li>
	</ol></li>
	<li>טעינת<ol><li>לאחר בדיקת האטימות, יש לפנות ולייבש את המים שבפנים.</li>
		<li>טען את התוכן המתאים. הערה: לדוגמה, מצע תרבית החיידקים נטען לתוך מודול הטיהור המיקרוביאלי, ואצות Chaetomorpha נטענות לתוך מודול טיהור האצות.</li>
	</ol></li>
	<li>הרכבה ובדיקה של כל המערכת<ol><li>לאחר הטעינה, קבע את המודולים על לוח הבסיס באמצעות הברגים.</li>
		<li>חבר את מודולי הסירקולציה הפנימית עם מודולי הסירקולציה החיצוניים (ללא מודול תרבית האלמוגים).</li>
		<li>עבור זילוח מי הים, הזריקו את מי הים דרך כניסת המים במודול אחסון מי הים. כאשר מפלס המים גבוה ב-3 ס"מ מפתחי המים של המשאבות, הפעילו את המשאבות והמשיכו בהזרקת מי הים עד שמודולי הסירקולציה הפנימיים יתמלאו במי הים, עם מקום לאוויר (בגובה 3 ס"מ) במודול אגירת מי הים. הערה: מי הים מוכנים באמצעות מים טהורים ומלח ים (ראה טבלת חומרים).</li>
	</ol></li>
	<li>בדיקת מערכת<ol><li>הפעל את כל המתגים והגדר את שני מתחי משאבת מי הים ל- 9 V. הגדר את טמפרטורת המים ל- 25 ° C.</li>
		<li>הגדר את טיימר המחזור ל"דקה אחת דולקת ודקה כבויה". הגדר את כל שלושת הערוצים של טיימר שלושת הערוצים ל- "9:00 בבוקר מופעל" ו- "5:00 אחר הצהריים כבוי".</li>
		<li>נטר את המערכת לפחות 24 שעות עבור כל תקלה. אם לא נמצאה בעיה, המערכת מוכנה לשלב הבא של הפעולה. הערה: חשוב לנקות את כל הבועות בכל המודולים למעט מודול מאגר מי הים. ניתן להרים ולנער מעט את המערכת כולה כדי להעביר את הבועות מכניסת המודול לשקע.</li>
	</ol></li>
</ol>2. הקמת הסביבה המיקרוביאלית
הערה: יצירת סביבה מיקרוביאלית ידידותית לאלמוגים נחוצה לפני השתלת אלמוגים. על מנת לגדל מיקרואורגניזמים במערכת, במיוחד במודול הטיהור המיקרוביאלי, יש להוסיף את התמיסה הפרוביוטית המדוללת כמקור מיקרוביאלי למערכת הניטריפיקציה.
<ol><li>הוספת מקור המיקרוביום<ol><li>הוסיפו 1 מ"ל של תמיסת מקור המיקרוביום המסחרית (ראו טבלת חומרים) ל-500 מ"ל מי ים תוך ערבוב.</li>
		<li>הזריקו 50 מ"ל של התמיסה המדוללת לעיל ו-10 מיקרוליטר של תמיסת תזונת האלמוגים המסחרית (ראו טבלת חומרים) למערכת הסירקולציה.</li>
	</ol></li>
	<li>תרבית מיקרוביום<ol><li>הפעילו את משאבת הסירקולציה הפנימית ומשאבת אוויר לתרבית המיקרוביום למשך 21 יום. דרישות תכולת החמצן במיקרוביום קובעות את הפרופורציות בזמן ומחוץ לזמן של משאבת האוויר. הערה: צעד זה נועד לגדל את מיקרוביום טיהור מי הים ולקדם צמיחת מיקרוביום מועיל לאלמוגים במערכת. בתהליך זה, מי הים מתחילים להיות בוציים מהיום השני עד היום הרביעי לאחר הזרקת המיקרוביום. לאחר תהליך זה של תרבית מיקרוביום, יש לקבוע את יכולת פירוק החומרים המזינים במערכת. יש לציין כי כדי לעמוד בדרישות ניסוי שונות, ניתן להשתמש במקורות מיקרוביום שונים כדי לבסס את סביבת המיקרוביום.</li>
	</ol></li>
</ol>3. השתלת אלמוגים וצמיחה
<ol><li>השתלת אלמוגים<ol><li>חתכו את ענפי האלמוגים הגולמיים עם קשקשי אורך של 3-5 ס"מ, ואז הדביקו את ענפי האלמוגים האלה על בסיסי תמיכה באלמוגים מודפסים בתלת-ממד (קובץ קידוד משלים 1).</li>
		<li>החזירו את דגימות ענף האלמוגים האלה למיכל מי הים המקורי למשך 7 ימים לפחות להתאוששות.</li>
		<li>מקבעים את בסיס התמיכה באלמוגים על יחידת הסיבוב בעזרת דבק. הרכיבו את מודול תרבית האלמוגים, וחברו אותו ללולאת הסירקולציה החיצונית.</li>
	</ol></li>
	<li>הדמיה של גדילת האלמוגים הערה: יש לרכוש את תמונות האלמוגים לאורך זמן כדי להעריך את גדילת האלמוגים. שימוש בחיבור מתפרק מקל על הסרת מודול תרבית האלמוגים מכל המערכת לצורך הדמיה. לשם כך נבנה סטודיו מיני צילום עם תנאי תאורה מתאימים. מצלמה עם עדשת מאקרו (ראו טבלת חומרים) משמשת ללכידת מורפולוגיות פני השטח של האלמוגים בתקופות שונות. ניתן להפעיל את יחידת סיבוב האלמוגים במודול התרבית מחוץ למודול באמצעות מצב ללא מגע. על ידי סיבוב הידית המגנטית הסמוכה למודול, ניתן לצלם תמונות אלמוגים בזווית מלאה.<ol><li>מקם את המצלמה בחלק העליון של הסטודיו וצלם את התמונות מתצוגה אנכית.</li>
		<li>מקמו את מודול תרבית האלמוגים בסטודיו המיני פוטו כשהאלמוג ממוקם במרכז ובתחתית.</li>
		<li>צלם את תמונות האלמוגים על-ידי סיבוב הידית החיצונית. הערה: מסיבות הישרדות אלמוגים, יש להגביל את זמן ההדמיה ל-15 דקות.</li>
	</ol></li>
</ol>4. תחזוקה שוטפת של המערכת
הערה: התחזוקה השוטפת כוללת בדיקת נזילות, בדיקת תקלות, הוספת תוספים והחלפת מי ים.
<ol><li>בדיקת נזילות<ol><li>בדוק את לוח הבסיס עבור כתמי מים או טיפות. מכיוון שמעטפת הכיסוי של המערכת שקופה, בדיקה ויזואלית של נזילת המים היא קלה ונוחה. בדיקה זו חייבת להתבצע מדי יום.</li>
	</ol></li>
	<li>בדיקת תקלות<ol><li>ודא ששלב זה כולל בדיקה של טמפרטורת המים, משאבות, מתחי אור, מצב משאבת האוויר ומצב הטיימר, כולל בדיקה חזותית ורישום טמפרטורת המים שנקבעה, טמפרטורה בזמן אמת, מתחי יציאת שנאי, הגדרות מנורת UV וסטטוס פעולת הטיימר. בדיקה זו צריכה להתבצע מדי יום. הערה: ניתן לאבחן תקלות מסוימות במערכת על סמך צלילים חריגים או טמפרטורות חריגות.</li>
	</ol></li>
	<li>תוספת תוספתית הערה: תוספת היא תהליך של הוספת חומרים מזינים וריאגנטים אחרים למערכת.<ol><li>לדוגמה, לחלץ 10 מ"ל של מי הים באמצעות מזרק מן השסתום המשולש בין מודול פחם פעיל מודול מי ים.</li>
		<li>ממיסים את התוספים במי הים המופקים.</li>
		<li>הזריקו את התמיסה חזרה למערכת דרך השסתום התלת-כיווני. במקרים אמיתיים, הסוגים, הכמויות ותדרי התוספות של התוספים נקבעים על ידי איכות מי הים של המערכת, בהתחשב בדרישות הניסוי.</li>
	</ol></li>
	<li>החלפת מים הערה: חילופי מים שגרתיים יכולים להפחית ריכוז רעיל ואטרופיקציה במערכת התרבית. אם תנאי הניסוי מאפשרים זאת, החלפת מי הים יכולה להיות פעולה שגרתית.<ol><li>כבה את החשמל עבור המערכת כולה ונתק את כבל החשמל מטעמי בטיחות.</li>
		<li>הסר את מודול תרבית האלמוגים.</li>
		<li>חבר את צינור השפכים החיצוני לשקע במודול מאגר מי הים.</li>
		<li>סובב את המערכת והנח את המערכת בחזית כלפי מטה.</li>
		<li>הפעל את השקע. תנו למי הים הפנימיים לזרום החוצה מהמערכת. הערה: אין להשתמש במשאבה כלשהי כדי לשאוב את המים החוצה מכיוון שהלחץ השלילי הפנימי עלול לגרום נזק למערכת.</li>
		<li>יש לפרוק כמות מתאימה של מי ים ולכבות את השקע. כמות מי הים המוזרמים נקבעת על ידי המצב הפיזיולוגי של האלמוגים.</li>
		<li>אפסו את המערכת, והזריקו את מי הים החדשים שהוכנו למערכת דרך כניסת המים.</li>
		<li>התקן את מודול תרבית האלמוגים בחזרה למערכת.</li>
		<li>הפעל את הפעלת המערכת, והמתן עד שכל המערכת תחזור לקדמותה.</li>
	</ol></li>
</ol>5. החלפת מודול
הערה: אם יש צורך להחליף מודול כלשהו עקב תקלה או בהתאם לסידור הניסוי, חשוב לשנות את המודול מבלי להשהות או להשפיע לרעה על ניסוי התרבית.
<ol><li>עבור מודול אחסון מי ים, מודול טיהור אצות, מודול טיהור מיקרוביאלי או מודול טיהור פחם פעיל, כבה את משאבת הסירקולציה הפנימית ושחרר את ברגי הקיבוע למודול.</li>
	<li>נתק את הצינורות בין שני המודולים המחוברים, ופרק את המודול שיוחלף מהמערכת. השלב האחרון הוא הרכבת המודול החדש למערכת על ידי חיבור הצינורות והידוק מחדש של ברגי הקיבוע. הערה: החלפת מודול בקרת הטמפרטורה שונה איכשהו. ראשית, יש לנתק את כל החוטים מהמודול. לאחר מכן משחררים את ברגי הקיבוע, והצינורות מנותקים. לאחר מכן, לוח החימום מפורק, והמודול מפורק מהמערכת. תהליך ההתקנה של מודול בקרת הטמפרטורה הוא התהליך ההפוך.</li>
</ol>6. כיבוי המערכת והחזרת המערכת למצבה ההתחלתי
הערה: המערכת תיסגר בסופו של דבר לאחר ניסוי תרבית האלמוגים הדרוש. יש להחזיר את המערכת למצבה המקורי.
<ol><li>כיבוי המערכת<ol><li>כבה את מתח המערכת ונתק את כבל החשמל.</li>
		<li>לפנות את מי הים בתוך המערכת.</li>
		<li>פרק את המודולים בסדר הבא: מודול תרבית האלמוגים, מודול טיהור הפחם הפעיל, מודול אחסון מי הים, מודול טיהור האצות, מודול הטיהור המיקרוביאלי, מנורת UV, שתי משאבות הסירקולציה ומודול בקרת הטמפרטורה.</li>
	</ol></li>
	<li>שחזור המערכת<ol><li>נקו את כל המודולים עם מים טהורים וחומרים פעילים על פני השטח (ראו טבלת חומרים).</li>
		<li>לעקר את המודולים עם תמיסת מי חמצן 3%. הערה: אין להשתמש בממס אורגני כלשהו כדי לשטוף את המודולים.</li>
		<li>יבש את המודולים ב 40 ° C במשך 12 שעות. ודא שכל המים בתוך המערכת מתאדים.</li>
		<li>נקו את כל הצינורות והשסתומים באמצעות אותם חומרים פעילים על פני השטח.</li>
	</ol></li>
</ol>7. שינוי עבור הסביבה מיקרואורגניזם מבוקר
הערה: מלבד ניסוי תרבית האלמוגים, עבור ניסויים מיוחדים מסוימים, כגון רכישת סביבת מיקרואורגניזמים מבוקרת במערכת, יש לשלוט בקפדנות על מיני המיקרוביום והשפע. התכונה החדשנית ביותר של מערכת תרביות האלמוגים שלנו היא שניתן לחקור את הפעילות הפיזיולוגית של האלמוגים בסביבה מיקרוביאלית ספציפית במיקרו-מערכת אקולוגית סגורה יחסית. ביצוע פונקציה זו דורש הליך הפעלה שונה.
<ol><li>טרום עיקור<ol><li>יש לעקר את כל המודולים, הצינורות והשסתומים באמצעות תמיסת מי חמצן 3% לפני הרכבת המערכת.</li>
		<li>לעקר את מצע תרבית החיידקים באמצעות autoclaving.</li>
		<li>יש לעקר אצות Chaetomorpha בתמיסת אתנול 75% ולייבש אותן באמצעות נייר סטרילי.</li>
	</ol></li>
	<li>שינוי מערכת ועיקור<ol><li>בהרכבת המערכת, הוסף מסנן חיטוי אוויר (ראה טבלת חומרים) בין משאבת האוויר לבין מודול אחסון מי הים.</li>
		<li>הוסף מסנן חיטוי מים בין הכניסה לשסתום התלת-כיווני. שלב זה מבטיח שהאוויר והמים המוזרקים למערכת מעוקרים.</li>
		<li>הכניסו אוזון למערכת כדי לסלק את שאריות המיקרוביום.</li>
		<li>יש לשטוף את חומרי החיטוי הנותרים במי ים סטריליים שלוש פעמים, ולהזריק את מי הים הסטריליים למערכת.</li>
		<li>רק לביסוס הסביבה המיקרוביאלית, הזריקו את תמיסת מקור המיקרוביום דרך מוצא המים. הערה: אין להשתמש בכניסת המים כדי להזריק את מקור המיקרוביום. ריאגנטים אחרים ומי ים עדיין מוזרקים דרך מפרצון המים.</li>
	</ol></li>
</ol>

מערכת מיקרו-מכשירים משולבת לקידום וניטור צמיחת אלמוגים

<ol>
	<li>Gardner, T. A., C&#244;t&#233;, I. M., Gill, J. A., Grant, A., Watkinson, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+region-wide+declines+in+Caribbean+corals.">Long-term region-wide declines in Caribbean corals.</a> Science. 301 (5635), 958-960 (2003).</li><li>Kennedy, E. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coral+reef+community+changes+in+Karimunjawa+national+park,+Indonesia:+assessing+the+efficacy+of+management+in+the+face+of+local+and+global+stressors.">Coral reef community changes in Karimunjawa national park, Indonesia: assessing the efficacy of management in the face of local and global stressors.</a> Journal of Marine science and Engineering. 8 (10), 760-787 (2020).</li><li>Cleary, D. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coral+reefs+next+to+a+major+conurbation:+a+study+of+temporal+change+(1985&#8722;2011)+in+coral+cover+and+composition+in+the+reefs+of+Jakarta,+Indonesia.">Coral reefs next to a major conurbation: a study of temporal change (1985&#8722;2011) in coral cover and composition in the reefs of Jakarta, Indonesia.</a> Marine Ecology Progress Series. 501, 89-98 (2014).</li><li>Sun, Y. F., Huang, L. T., McCook, L. J., Huang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Joint+protection+of+a+crucial+reef+ecosystem.">Joint protection of a crucial reef ecosystem.</a> Science. 337 (6611), 1163-1163 (2022).</li><li>Huang, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conservation+of+reef+corals+in+the+South+China+Sea+based+on+species+and+evolutionary+diversity.">Conservation of reef corals in the South China Sea based on species and evolutionary diversity.</a> Biodiversity and Conservation. 25 (2), 331-344 (2016).</li><li>Jiang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impacts+of+elevated+temperature+and+pCO2+on+the+brooded+larvae+of+Pocillopora+damicornis+from+Luhuitou+Reef,+China:+Evidence+for+local+acclimatization.">Impacts of elevated temperature and pCO2 on the brooded larvae of Pocillopora damicornis from Luhuitou Reef, China: Evidence for local acclimatization.</a> Coral Reefs. 39 (2), 331-344 (2020).</li><li>Babcock, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recurrent+coral+bleaching+in+north-western+Australia+and+associated+declines+in+coral+cover.">Recurrent coral bleaching in north-western Australia and associated declines in coral cover.</a> Marine and Freshwater Research. 72 (5), 620-632 (2021).</li><li>Sweatman, H., Delean, S., Syms, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+loss+of+coral+cover+on+Australia's+Great+Barrier+Reef+over+two+decades,+with+implications+for+longer-term+trends.">Assessing loss of coral cover on Australia's Great Barrier Reef over two decades, with implications for longer-term trends.</a> Coral Reefs. 30 (2), 521-531 (2011).</li><li>Elliott, J. A., Patterson, M. R., Staub, C. G., Koonjul, M., Elliott, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Decline+in+coral+cover+and+flattening+of+the+reefs+around+Mauritius+(1998-2010).">Decline in coral cover and flattening of the reefs around Mauritius (1998-2010).</a> PeerJ. 6, e6014 (2018).</li><li>Eddy, T. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+decline+in+capacity+of+coral+reefs+to+provide+ecosystem+services.">Global decline in capacity of coral reefs to provide ecosystem services.</a> One Earth. 4 (9), 1278-1285 (2021).</li><li>Jones, G. P., McCormick, M. I., Srinivasan, M., Eagle, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coral+decline+threatens+fish+biodiversity+in+marine+reserves.">Coral decline threatens fish biodiversity in marine reserves.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (21), 8251-8253 (2004).</li><li>Hughes, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+warming+and+recurrent+mass+bleaching+of+corals.">Global warming and recurrent mass bleaching of corals.</a> Nature. 543 (7645), 373-377 (2017).</li><li>Carpenter, K. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-third+of+reef-building+corals+face+elevated+extinction+risk+from+climate+change+and+local+impacts.">One-third of reef-building corals face elevated extinction risk from climate change and local impacts.</a> Science. 321 (5888), 560-563 (2008).</li><li>Hughes, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+and+temporal+patterns+of+mass+bleaching+of+corals+in+the+Anthropocene.">Spatial and temporal patterns of mass bleaching of corals in the Anthropocene.</a> Science. 359 (6371), 80-83 (2018).</li><li>Albright, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reversal+of+ocean+acidification+enhances+net+coral+reef+calcification.">Reversal of ocean acidification enhances net coral reef calcification.</a> Nature. 531 (7594), 362-365 (2016).</li><li>Hoegh-Guldberg, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coral+reefs+under+rapid+climate+change+and+ocean+acidification.">Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification.</a> Science. 318 (5857), 1737-1742 (2007).</li><li>Mason, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Decline+in+symbiont+densities+of+tropical+and+subtropical+scleractinian+corals+under+ocean+acidification.">Decline in symbiont densities of tropical and subtropical scleractinian corals under ocean acidification.</a> Coral Reefs. 37 (3), 945-953 (2018).</li><li>Prouty, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vulnerability+of+Coral+reefs+to+bioerosion+from+land-based+sources+of+pollution.">Vulnerability of Coral reefs to bioerosion from land-based sources of pollution.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (12), 9319-9331 (2017).</li><li>Heery, E. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Urban+coral+reefs:+Degradation+and+resilience+of+hard+coral+assemblages+in+coastal+cities+of+East+and+Southeast+Asia.">Urban coral reefs: Degradation and resilience of hard coral assemblages in coastal cities of East and Southeast Asia.</a> Marine Pollution Bulletin. 135, 654-681 (2018).</li><li>Rosenberg, E., Koren, O., Reshef, L., Efrony, R., Zilber-Rosenberg, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+microorganisms+in+coral+health,+disease+and+evolution.">The role of microorganisms in coral health, disease and evolution.</a> Nature Reviews: Microbiology. 5 (5), 355-362 (2007).</li><li>Bui, V. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diversity+and+biogeography+of+coral+mucus-associated+bacterial+communities:+The+case+of+Acropora+formosa.">Diversity and biogeography of coral mucus-associated bacterial communities: The case of Acropora formosa.</a> Journal of Marine Science and Engineering. 11 (1), 74 (2023).</li><li>Hass, A. F., Smith, J. E., Thompson, M., Deheyn, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+reduced+dissolved+oxygen+concentrations+on+physiology+and+fluorescence+of+hermatypic+corals+and+benthic+algae.">Effects of reduced dissolved oxygen concentrations on physiology and fluorescence of hermatypic corals and benthic algae.</a> PeerJ. 2, 235 (2014).</li><li>Raj, K. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+oxygen+levels+caused+by+Noctiluca+scintillans+bloom+kills+corals+in+Gulf+of+Mannar,+India.">Low oxygen levels caused by Noctiluca scintillans bloom kills corals in Gulf of Mannar, India.</a> Scientific Reports. 10 (1), 22133 (2020).</li><li>Luo, Y. S., Zhao, J. L., He, C. P., Lu, Z. H., Lu, X. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniaturized+platform+for+individual+coral+polyps+culture+and+monitoring.">Miniaturized platform for individual coral polyps culture and monitoring.</a> Micromachines. 11 (2), 127 (2020).</li><li>Pang, A. P., Luo, Y. S., He, C. P., Lu, Z. H., Lu, X. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+polyp-on-chip+for+coral+long-term+culture.">A polyp-on-chip for coral long-term culture.</a> Scientific Reports. 10 (1), 6964 (2020).</li><li>Yan, L. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+live+rock+removal+of+dissolved+inorganic+nitrogen+in+coral+aquaria.">Effects of live rock removal of dissolved inorganic nitrogen in coral aquaria.</a> Acta Oceanologica Sinica. 36 (12), 87-94 (2017).</li></ol>

המחברים מצהירים כי אין אינטרס כלכלי מתחרה.

מערכת תרביות אלמוגים זו מתוכננת לדמות ולספק מיקרו-סביבה טבעית יחסית או מותאמת אישית עבור אלמוגים להשתלה ולשרוד. בינתיים, כציוד שפותח בעצמו, מערכת זו צריכה להיות אמינה, ידידותית למשתמש ובטוחה. לדוגמה, במונחים של בקרת טמפרטורה, טמפרטורת מי הים צריכה להיות מבוקרת כראוי בהתבסס על הנסיבות הסבי...

הידרדרות המערכות האקולוגיות של שוניות האלמוגים מתרחשת ברחבי העולם ב-70 השנים האחרונות. בהתחשב בכל אזורי האלמוגים העיקריים ברחבי מרכז אמריקה1, דרום מזרח אסיה 2,3,4,5,6, אוסטרליה 7,8 ומזרח אפריקה9, הכיסוי העולמי של שוניות האלמוגים הצטמצם בחצי מאז1950 10. אובדן המוני זה של שוניות אלמוגים גרם לבעיות אקולוגיות וכלכליות. לדוגמה, על ידי מעקב אחר נוכחות/היעדר ושפע של כל מיני דגים תלויי אלמוגים במשך 8 שנים, החוקרים הגיעו למסקנה כי ירידת האלמוגים גרמה ישירות לירידה משמעותית במגוון הביולוגי ובשפע של דגים בפפואה גינאה החדשה11. תוצאה זו הוכיחה כי הידלדלות האלמוגים יכולה לא רק לערער את המערכות הביולוגיות המבוססות על שוניות האלמוגים, אלא גם להפחית את הכנסות הדגה.
במשך עשרות שנים של סקרי שטח, כולל ניטור ישיר, חישה מרחוק והשוואת נתונים, הקהילה המדעית זיהתה מספר גורמים לירידה ההמונית באלמוגים. אחת הסיבות העיקריות לירידה ההמונית באלמוגים היא הלבנת אלמוגים הנגרמת על ידי טמפרטורות גבוהות של מי ים12,13. על ידי שילוב של הלבנה ורשומות מטאורולוגיות, מדענים הגיעו למסקנה כי הלבנת אלמוגים מתרחשת בתדירות גבוהה יותר בשלבי תנודה אל-ניניו-דרום14. סיבה נוספת לדעיכת האלמוגים היא החמצת האוקיינוסים. בשל ריכוזCO2 מוגבר הן באטמוספרה והן במי הים, סידן פחמתי מתמוסס מהר יותר מבעבר, מה שגורם להסתיידות שונית אלמוגים נטו15. ואכן, המסקנה היא שכאשר ריכוז ה-CO2 באטמוספירה יגיע ליותר מ-500 ppm, עשרות מיליוני אנשים יסבלו, ושוניות האלמוגים יהיו בסיכון להידרדרות משמעותית ולניתוק סימביודיניום 16,17. ישנם גורמים אחרים שיכולים גם הם להשפיע על הישרדות אלמוגים, כגון מזהמים בחופים הגורמים או מאיצים את הידרדרות האלמוגים. חוקרים בהוואי מדדו את איזוטופי הפחמן, החמצן והחנקן באלמוגים, יחד עם הקרבונט האנאורגני המומס וחומרי המזון הקשורים אליו (NH4+, PO4 3-, NO2− ו-NO3-), והגיעו למסקנה שהזיהום מהיבשה הגביר את ההחמצה והשחיקה הביולוגית של אלמוגיםלאורך החוף 18. בהמשך לזיהום, העיור גם מסכן את הישרדות האלמוגים וגורם למורכבות אדריכלית נמוכה יחסית באלמוגים, כפי שעולה ממחקר על מצב הישרדות האלמוגים בסינגפור, ג'קרטה, הונג קונג ואוקינאווה. לפיכך, ההשפעה של גורמי עקה אנתרופוגניים וההשפעות של שינויי האקלים מובילים לצמצום נרחב במגוון הביולוגי על שוניות האלמוגים ולירידה נלווית בתפקוד האקולוגי של האלמוגים ובחוסנם19.
כמו כן יש לציין כי מספר רב של מיקרואורגניזמים משתתפים בתפקודים הפיזיולוגיים של אלמוגים, כולל קיבוע חנקן, פירוק כיטין, סינתזה של תרכובות אורגניות וחסינות20, ולכן מיקרואורגניזמים אלה צריכים להיכלל כאשר בוחנים את הידרדרות שוניות האלמוגים. בסביבות טבעיות, כגון שוניות אלמוגים, גורמים רבים גורמים לתנאים היפוקסיים או אנוקסיים, כולל זרימת מים לא מספקת, הפרשה של אצות וצמיחת יתר של אצות. תופעה זו משפיעה לרעה על התפלגות האוכלוסייה של מיקרואורגניזמים הקשורים לאלמוגים ואלמוגים. לדוגמה, מדענים וייטנאמים מצאו כי ב Nha Trang, Phu Quoc, ו Ujung Gelam, הרכב חיידקים באלמוג Acropora Formosa יכול להיות מושפע על ידי חמצן מומס במקומות שונים21. חוקרים בארצות הברית חקרו מצבים היפוקסיים או אנוקסיה באלמוגים ומצאו כי הפרשה של אצות יכולה לתווך פעילות מיקרוביאלית, מה שמוביל לתנאים היפוקסיים מקומיים, שעלולים לגרום לתמותת אלמוגים בסביבה הקרובה. הם גם מצאו כי אלמוגים יכולים לסבול ריכוזי חמצן מופחתים, אך רק מעל סף נתון שנקבע על ידי שילוב של זמן החשיפה וריכוז החמצן22. חוקרים בהודו מצאו כי כאשר אצות Noctiluca scintillans פרחו, החמצן המומס ירד ל -2 מ"ג / ליטר. מתחת לריכוז זה, כ -70% של Acropora montiporacan מתו בגלל תנאים היפוקסיים23.
כל העובדות והגורמים הנ"ל מצביעים על כך ששינוי סביבתי מוביל להידרדרות שוניות האלמוגים. כדי לגדל ולחקור אלמוגי שוניות בתנאים מסוימים, חשוב לבנות באופן מדויק ומקיף סביבה מיקרוסקופית נשלטת עבור אלמוגי שוניות להתגורר בה. בדרך כלל, מדענים מתמקדים בטמפרטורה, אור, זרימת מים וחומרי מזון. עם זאת, בדרך כלל מתעלמים ממאפיינים אחרים, כגון ריכוז החמצן המומס, שפע המיקרואורגניזמים ומגוון המיקרואורגניזמים במי הים. לשם כך, הקבוצה שלנו בחנה את האפשרות ליישם ציוד קטן על פוליפים אלמוגים בתרבית בסביבה מבוקרת יחסית24,25. בעבודה זו תכננו ובנינו מערכת מיקרו-מכשירים מודולרית לתרביות אלמוגים. מערכת מיקרו-מכשירים מודולרית זו יכולה לספק מיקרו-סביבה נשלטת במונחים של טמפרטורה, ספקטרום אור, ריכוז חמצן מומס, חומרים מזינים, מיקרואורגניזמים וכו ', ויש לה את היכולת להתרחב ולשדרג.
מודולים ופונקציות של המכשיר מערכת המיקרו-מכשירים נוצרה בהשראת מערכת ברלין26, אך לא נעשה שימוש בסלעים חיים במערכת הנוכחית. כפי שניתן לראות באיור 1, המערכת הנוכחית כוללת שישה מודולים עיקריים, שתי משאבות מנוע ללא מברשות, משאבת דלק אחת, מנורת UV אחת זורמת, ספק כוח אחד, רכיבי בקרה אלקטרוניים מסוימים והחוטים והברגים הקשורים. ששת המודולים העיקריים כוללים מודול אחסון מי ים (עם משאבת אוויר וחיישן טמפרטורה), מודול בקרת טמפרטורה, מודול טיהור אצות, מודול טיהור מיקרוביאלי, מודול טיהור פחם פעיל ומודול תרבית אלמוגים.
ארכיטקטורת התקן כפי שניתן לראות באיור 2 ובאיור 3, ניתן לחלק אופקית את מערכת המיקרו-התקנים הכוללת לשני תאים עם מודול בקרת טמפרטורה ביניהם. מטעמי בטיחות, כל המודולים והחלקים המכילים מי ים ממוקמים בתא השמאלי, הנקרא תא התרבית. שאר החלקים האלקטרוניים ממוקמים בתא הימני, הנקרא התא האלקטרוני. שני התאים אטומים או ארוזים בתוך פגזים. מודול בקרת הטמפרטורה קבוע בלוח חוצץ ביניהם. מעטפת תא התרבות כוללת לוח בסיס ושלושה לוחות קיבוע ברגים. עיצוב זה מבטיח אטימות לתא ומקל על פעולת המערכת. בנוסף, ההידוק מעדיף בקרת טמפרטורה מדויקת. מעטפת התא האלקטרוני כוללת לוח בסיס, שני לוחות קיבוע ברגים ולוח בקרה קדמי אחד.
סירקולציית מים לולאת סירקולציית מי ים פנימית וחיצונית המחוברת למודול אחסון מי הים תוכננה מראש. לולאת הסירקולציה הפנימית מחברת בהצלחה את מודול אחסון מי הים, מודול בקרת הטמפרטורה, מנורת UV זורמת, מודול טיהור אצות ומודול טיהור מיקרוביאלי. לולאת סירקולציה זו נועדה לספק תנאי מי ים פיסיוכימיים ופיזיולוגיים מתאימים לאלמוגים, ואין צורך בתחזוקה תכופה. מודול טיהור האצות מכיל אצות Chaetomorpha , אשר סופגות את חומרי המזון הנוספים (חנקות ופוספט) במים. מודול הטיהור המיקרוביאלי מכיל את מצע תרבית החיידקים, אשר מטפח את המיקרוביום כדי להעביר ניטריט ואמוניום לחנקות לטיהור מים. כל המודולים האלה צריכים להיות מוחלפים רק בנסיבות קריטיות.
לולאת הסירקולציה החיצונית מחברת ברציפות את מודול מאגר מי הים, מודול תרבית האלמוגים ומודול הפחם הפעיל. לולאת סירקולציה זו נועדה לספק אור, לחץ, זרם מים ואיכות מי ים גבוהה לאלמוגים. ניתן לרענן את מי הים דרך כניסת מים ושקע מים. תוספים מתווספים דרך שסתום משולש, וניתן גם לחלץ את דגימת מי הים משסתום זה לבדיקה. ניתן לשאוב אוויר דרך כניסת אוויר ולפרוק אותו משקע אוויר.
עיצוב אלקטרוני ספק כוח AC של 220 וולט עם מתג ונתיך משמש לכל המערכת. כוח הקלט מחולק לארבעה ענפים. הענף הראשון הולך לספק כוח DC 12 V, אשר מפעיל ישירות את לוח החימום, לוח הקירור ומאוורר הקירור. ענף זה גם מפעיל בעקיפין שתי משאבות ושני לוחות תאורה באמצעות שנאי DC בעל ארבעה ערוצים. הענף השני הולך לבקר טמפרטורה PID. הענף השלישי הולך לספק כוח משאבת אוויר. הענף האחרון מתחבר לספק כוח של מנורת UV. ממסר מצב מוצק מחבר את בקר הטמפרטורה PID ואת לוח הקירור במודול בקרת הטמפרטורה. ממסר רגיל משמש לחיבור בקר הטמפרטורה PID ולוח החימום. שנאי DC בעל ארבעה ערוצים ממיר את המתח לנדרש.
ישנם שני לוחות בקרה בחלק הימני של המערכת. ישנם ארבעה מתגים ובקר אחד עבור מנורת UV בלוח העליון, כולל מתג הפעלה ראשי, מתג הפעלה של מנורת UV, מתג משאבת אוויר ומתג בקרת טמפרטורה. מתג ההפעלה הראשי שולט בספק הכוח של 12 V של המערכת.
בקר טמפרטורה PID, טיימר מחזור, שנאי DC בעל ארבעה ערוצים וטיימר תלת-ערוצי נמצאים בלוח הקדמי. בקר הטמפרטורה PID מתאים את טמפרטורת המים על ידי שליטה בלוחות החימום והקירור במודול בקרת הטמפרטורה. מודול בקרת הטמפרטורה פועל רק כאשר משאבת הסירקולציה הפנימית פועלת והמים זורמים מעבר למודול בקרת הטמפרטורה. טיימר המחזור מחובר לקו החשמל של משאבת האוויר. מטרתו היא להקצות את תקופת העבודה למשאבת האוויר. יש גם טיימר תלת ערוצי הפרוס בתא האלקטרוני. טיימר זה שולט על משך זמן העבודה של משאבת האוויר, אור האלמוגים ואור האצות.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>12V DC power supply</td>
			<td>Delixi Electric Co., Ltd.</td>
			<td>CDKU-S150W</td>
			<td>12V12.5A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3% hydrogen peroxide solution</td>
			<td>Shandong ANNJET High tech Disinfection Technology Co., Ltd</td>
			<td>NULL</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>75% ethanol solution</td>
			<td>Shandong ANNJET High tech Disinfection Technology Co., Ltd</td>
			<td>NULL</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air pump</td>
			<td>Chongyoujia Supply Chain Management Co., Ltd.</td>
			<td>NHY-001</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air sterilizing filter</td>
			<td>Beijing Capsid Filter Equipment Co., Ltd</td>
			<td>S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-A</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>SONY</td>
			<td>&#913;7r4-ILCE-76M4A</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coral nutrition solution</td>
			<td>Red Sea Aquatics Co., Ltd.</td>
			<td>22101</td>
			<td>Coral nutrition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coral pro salt (sea salt)</td>
			<td>Red Sea Aquatics Co., Ltd.</td>
			<td>R11231</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cycle timer</td>
			<td>Leqing Shangjin Instrument Equipment Co., Ltd.</td>
			<td>CN102A</td>
			<td>220V version</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double closed quick connector</td>
			<td>JOSOT Co., Ltd</td>
			<td>NL4-2103T</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow-through UV lamp</td>
			<td>Zhongshan Xinsheng Electronic technology Co., Ltd.</td>
			<td>211</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Four-channel transformer</td>
			<td>Dongguan Shanggushidai Electronic Technology Co., Ltd</td>
			<td>LM2596</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Macro lens</td>
			<td>SONY</td>
			<td>FE 90mm F2.8 Macro G OSS</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microbiome source solution</td>
			<td>Guangzhou BIOZYM Microbial Technology Co., Ltd.</td>
			<td>303</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mini-photo studio</td>
			<td>Shaoxing Shangyu Photography Equipment Factory</td>
			<td>CM-45</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PID temperature controller</td>
			<td>Guangdong Dongqi&#160; Electric Co., Ltd.</td>
			<td>TE9-SC18W</td>
			<td>SSR version</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pump (for water)</td>
			<td>Zhongxiang Pump Co., Ltd.</td>
			<td>ZX43D</td>
			<td>Seaswater version</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pure water machine</td>
			<td>Kemflo&#160;(Nanjing) environmental technology Co, ltd</td>
			<td>kemflo A600</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solid-state relay</td>
			<td>Delixi Electric Co., Ltd.</td>
			<td>DD25A</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surface active agents</td>
			<td>Guangzhou Liby Group Co., Ltd.</td>
			<td>Libai detergent</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three-channel timer</td>
			<td>Leqing Changhong Intelligent Technology Co., Ltd.</td>
			<td>CHE325-3</td>
			<td>220V version</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water sterilizing filter</td>
			<td>Beijing Capsid Filter Equipment Co., Ltd</td>
			<td>S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-L</td>
			<td>NULL</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an integrated micro-device system for coral growth and monitoring

אלמוגים הם אורגניזמים בסיסיים במערכות אקולוגיות ימיות וחופיות. עם התקדמות המחקר להגנה על אלמוגים בשנים האחרונות, בקרה מדויקת של סביבת גידול האלמוגים מבוקשת מאוד לשימור ומחקר אלמוגים. כאן, פיתחנו מערכת מיקרו-מכשירים סגורה למחצה של תרבית אלמוגים כפלטפורמה רב-תפקודית, שיכולה לספק בקרת טמפרטורה מדויקת וניתנת לתכנות, סביבה התחלתית סטרילית, איכות מים יציבה לטווח ארוך, ריכוז חמצן מומס מתכוונן וספקטרום אור מותאם אישית לאלמוגים. בשל העיצוב המודולרי, ניתן לשדרג או לשנות את מערכת תרביות האלמוגים על ידי התקנת מודולים חדשים רצויים או הסרת מודולים קיימים. כיום, בתנאים מתאימים ועם תחזוקה נאותה של המערכת, אלמוגי הדגימה יכולים לשרוד לפחות 30 יום במצב בריא. יתר על כן, בשל הסביבה הראשונית הניתנת לשליטה וסטרילית, מערכת תרביות אלמוגים זו יכולה לתמוך במחקר על הקשר הסימביוטי בין אלמוגים למיקרואורגניזמים הקשורים אליהם. לכן, ניתן ליישם את מערכת המיקרו-התקנים הזו כדי לנטר ולחקור אלמוגי ים באופן כמותי יחסית.

The deterioration of coral reef ecosystems has been occurring worldwide over the past 70 years. Considering all the major coral areas across Central America1, Southeast Asia2,3,4,5,6, Australia7,8, and East Africa9, the global coverage of coral reefs has halved since the 1950s10. This mass loss of coral reefs has resulted in ecological and economic problems. For example, by tracing the presence/absence and abundance of all kinds of coral-dependent fishes for 8 years, researchers concluded that the coral decline has directly caused a substantial decrease in fish biodiversity and abundance in Papua New Guinea11. This result proved that the coral decline can not only undermine coral reef-based biological systems but also reduce fishery incomes.
Over decades of field surveys, including direct monitoring, remote sensing, and data comparison, the scientific community has identified several factors causing the mass coral decline. One major reason for the mass coral decline is coral bleaching caused by high seawater temperatures12,13. By combining bleaching and meteorological records, scientists have concluded that coral bleaching is happening more frequently in El Ni&#241;o-Southern Oscillation phases14. Another reason for the coral decline is ocean acidification. Owing to the increased CO2 concentration in both the atmosphere and seawater, calcium carbonate dissolves faster than before, causing downscale net coral reef calcification15. Indeed, it has been concluded that when the CO2 concentration in the atmosphere reaches above 500 ppm, tens of millions of people will suffer, and the coral reefs will be at risk of significant deterioration and symbiodinium detachment16,17. There are other factors that can also affect coral survival, such as inshore pollutants causing or accelerating coral decline. Researchers in Hawaii measured the carbon, oxygen, and nitrogen isotopes in corals, along with the dissolved inorganic carbonate and the related nutrients (NH4+, PO43-, NO2&#8722;, and NO3&#8722;), and concluded that pollution from the land magnified the coastal acidification and bioerosion of corals18. Further to pollution, urbanization also endangers coral survival and causes relatively low architectural complexity in corals, as revealed by a study on the coral survival status in Singapore, Jakarta, Hong Kong, and Okinawa. Thus, the impact of anthropogenic stressors and the superimposed effects of climate change are leading to widespread reduced biodiversity on coral reefs and an associated decline in coral ecological function and resilience19.
It should also be noted that a large number of microorganisms participate in the physiological functions of corals, including nitrogen fixation, chitin decomposition, the synthesis of organic compounds, and immunity20, and these microorganisms should, thus, be included when considering coral reef deterioration. In natural environments, such as coral reefs, many factors cause hypoxic or anoxic conditions, including insufficient water circulation, algal exudate, and algal overgrowth. This phenomenon negatively affects the population distributions of coral and coral-related microorganisms. For example, Vietnamese scientists found that in Nha Trang, Phu Quoc, and Ujung Gelam, bacterial composition in the coral Acropora Formosa could be affected by dissolved oxygen at different locations21. Researchers in the United States explored hypoxic or anoxia conditions in corals and found that algal exudates can mediate microbial activity, leading to localized hypoxic conditions, which may cause coral mortality in the direct vicinity. They also found that corals could tolerate reduced oxygen concentrations but only above a given threshold determined by a combination of the exposure time and oxygen concentration22. Researchers in India found that when Noctiluca scintillans algae bloomed, the dissolved oxygen decreased to 2 mg/L. Below this concentration, about 70% of Acropora montiporacan died because of hypoxic conditions23.
All the abovementioned facts and factors suggest that environmental change leads to the deterioration of coral reefs. To culture and study reef corals under certain conditions, it is important to accurately and comprehensively build up a controllable microscopic environment for reef corals to inhabit. Normally, scientists focus on temperature, light, water flow, and nutrients. However, other features, such as the dissolved oxygen concentration, microorganism abundance, and microorganism diversity in the seawater, are commonly ignored. To this end, our group has explored the possibility of applying small equipment to culture coral polyps in a relatively controlled environment24,25. In this work, we designed and built up a modular micro-device system for coral culture. This modular micro-device system can provide a controllable micro-environment in terms of the temperature, light spectrum, dissolved oxygen concentration, nutrients, and microorganisms, etc., and has the capacity for expansion and upgrade.
Modules and functions of the device 
The micro-device system was inspired by the Berlin system26, but no live rocks are used in the current system. As shown in Figure 1, the current system comprises six main modules, two brushless motor pumps, one gas pump, one flow-through UV lamp, one power supply, certain electronic control components, and the related wires and screws. The six main modules include a seawater store module (with an air pump and temperature sensor), a temperature control module, an algae purification module, a microbial purification module, an activated charcoal purification module, and a coral culture module.
Device architecture 
As shown in Figure 2 and Figure 3, the overall micro-device system can horizontally be divided into two compartments with a temperature control module in between. For safety reasons, all the seawater-containing modules and parts are placed in the left compartment, named the culture compartment. The other electronic parts are placed in the right compartment, named the electronic compartment. Both compartments are sealed or packaged within shells. The temperature control module is fixed in a divider plate in between. The shell of the culture compartment includes a baseboard and three screw-fixing plates. This design ensures compartment tightness and facilitates the operation of the system. Additionally, the tightness favors accurate temperature control. The shell of the electronic compartment includes a baseboard, two screw-fixing plates, and one front control panel.
Water circulation 
An inner and outer seawater circulation loop connected to the seawater store module was pre-designed. The inner circulation loop successfully connects the seawater store module, temperature control module, flow-through UV lamp, algae purification module, and microbial purification module. This circulation loop aims to provide suitable physiochemical and physiological seawater conditions for the corals, and no frequent maintenance is needed. The algae purification module contains Chaetomorpha algae, which absorbs the extra nutrients (nitrate and phosphate) in the water. The microbial purification module contains the bacterial culture substrate, which cultivates the microbiome to transfer nitrite and ammonium into nitrate for water purification. All these modules need to be replaced only under critical circumstances.
The outer circulation loop successively connects the seawater store module, coral culture module, and activated charcoal module. This circulation loop aims to provide light, tightness, water current, and high seawater quality to the corals. The seawater can be refreshed through a water inlet and a water outlet. Additives are added through a three-way valve, and the seawater sample can also be extracted from this valve for inspection. Air can be pumped in through an air inlet and discharged from an air outlet.
Electronic design 
A 220 V AC power supply with a switch and a fuse is used for the whole system. The input power is divided into four branches. The first branch goes to a 12 V DC power supply, which directly powers the heating panel, cooling panel, and cooling fan. This branch also indirectly powers two pumps and two lighting panels through a four-channel DC transformer. The second branch goes to a PID temperature controller. The third branch goes to an air pump power supply. The last branch connects to a UV lamp power supply. A solid-state relay connects the PID temperature controller and the cooling panel in the temperature control module. A regular relay is used to connect the PID temperature controller and the heating panel. The four-channel DC transformer converts the voltage to that required.
There are two control panels on the right part of the system. There are four switches and one controller for the UV lamp on the top panel, including a main power switch, a UV lamp power switch, an air pump switch, and a temperature control switch. The main power switch controls the 12 V power supply of the system.
A PID temperature controller, a cycle timer, a four-channel DC transformer, and a three-channel timer are on the front panel. The PID temperature controller adjusts the water temperature by controlling the heating and cooling panels in the temperature control module. The temperature control module only works when the inner circulation pump is working and the water is flowing past the temperature control module. The cycle timer is connected to the air pump power line. Its purpose is to assign the working time period to the air pump. There is a three-channel timer deployed in the electronic compartment too. This timer controls the work time period for the air pump, coral light, and algae light.

מחבר זרקור: קידום תרבות אלמוגים - יצירת מערכת מיקרו-סביבה מבוקרת כמותית למחצה כדי להתמודד עם המגבלות הנוכחיות 

מערכת מיקרו-מכשירים משולבת לגדילה וניטור של אלמוגים

The aim of our research is to develop an artificial microenvironment system for coral culture and study. The microenvironment in the micro-device system can at least be semi-quantitatively controlled. At the present, the existing equipment and the system used for coral culture lack precise control over temperature and other environmental factors.Additionally, these system are open, making them susceptible to contamination from an airborne substance. Our indoor coral culture system boasts a superior control accuracy, and the microbial tightness compared to other similar system or tanks. Additionally, our system is commercially cost-effective.Using this micro-device system, we can somehow customize the environmental parameters like temperature, strength, or metabolite concentration, which will make the coral study more quantitative and might promote the current coral research. We would like to know about longevity of corals in this artificial micro-device. Another important question that we want to address is how the artificially built-up system affects the growth process of corals in comparison to the nature environment.

דיוק בקרת טמפרטורה טמפרטורת המערכת מוגדרת בדרך כלל ל 23-28 מעלות צלזיוס בהתאם למיני האלמוגים. אולם כאחד הגורמים החשובים ביותר, תנודות הטמפרטורה יכולות להשפיע מאוד על הישרדות האלמוגים. לפיכך, דיוק בקרת הטמפרטורה הוא גורם מכריע עבור מערכת תרביות האלמוגים. חיישן טמפרטורה ואספן נתונ...

Watch this Scientific Journal Video about Advancing Coral Culture — Creating a Semi-Quantitatively Controlled Microenvironment System to Counter Current Limitations at JoVE.com

פרוטוקול זה מתאר את הפיתוח של מערכת מיקרו-התקנים מודולרית הניתנת לשליטה, שניתן ליישם לצורך טיפוח וניטור ארוכי טווח של אלמוגי ים.

Corals are fundamental organisms in marine and coastal ecosystems. With the advancement of coral protection research in recent years, precise control of ...

מטרת המחקר שלנו היא לפתח מערכת מיקרו-סביבה מלאכותית לתרבית אלמוגים ולמחקר. המיקרו-סביבה במערכת המיקרו-מכשירים יכולה להיות לפחות מבוקרת כמותית למחצה. כיום, הציוד הקיים והמערכת המשמשת לגידול אלמוגים חסרים בקרה מדויקת על הטמפרטורה וגורמים סביבתיים אחרים.בנוסף, מערכות אלה פתוחות, מה שהופך אותן רגישות לזיהום מחומר הנישא באוויר. מערכת תרביות האלמוגים הביתית שלנו מתהדרת בדיוק בקרה מעולה, ובאטימות מיקרוביאלית בהשוואה למערכת או מכלים דומים אחרים. בנוסף, המערכת שלנו חסכונית מבחינה מסחרית.באמצעות מערכת מיקרו-מכשירים זו, אנו יכולים איכשהו להתאים אישית את הפרמטרים הסביבתיים כמו טמפרטורה, חוזק או ריכוז מטבוליטים, מה שיהפוך את מחקר האלמוגים לכמותי יותר ועשוי לקדם את מחקר האלמוגים הנוכחי. ברצוננו לדעת על אריכות ימים של אלמוגים במכשיר המיקרו המלאכותי הזה. שאלה חשובה נוספת שאנו רוצים להתייחס אליה היא כיצד המערכת הבנויה באופן מלאכותי משפיעה על תהליך הצמיחה של אלמוגים בהשוואה לסביבת הטבע.

an-integrated-micro-device-system-for-coral-growth-and-monitoring

Research

JoVE Journal

Bioengineering

An Integrated Micro-Device System for Coral Growth and Monitoring

1.1K Views.  Southeast University. מטרת המחקר שלנו היא לפתח מערכת מיקרו-סביבה מלאכותית לתרבית אלמוגים ולמחקר. המיקרו-סביבה במערכת המיקרו-מכשירים יכולה להיות לפחות מבוקרת כמותית למחצה. כיום, הציוד הקיים והמערכת המשמשת לגידול אלמוגים חסרים בקרה מדויקת על הטמפרטורה וגורמים סביבתיים אחרים.בנוסף, מערכות אל...

Video: מחבר זרקור: קידום תרבות אלמוגים - יצירת מערכת מיקרו-סביבה מבוקרת כמותית למחצה כדי להתמודד עם המגבלות הנוכחיות 

Corals are fundamental organisms in marine and coastal ecosystems. With the advancement of coral protection research in recent years, precise control of the coral culture environment is highly in demand for coral conservation and study. Here, we developed a semi-closed coral culture micro-device system as a multi-functional platform, which can provide accurate and programmable temperature control, a sterile initial environment, long-term stable water quality, an adjustable dissolved oxygen concentration, and a customized light spectrum for corals. Owing to the modular design, the coral culture system can be upgraded or modified by installing desirable new modules or removing existing ones. Currently, under appropriate conditions and with proper system maintenance, the sample corals can survive for at least 30 days in a healthy state. Furthermore, due to the controllable and sterile initial environment, this coral culture system can support research into the symbiotic relationship between corals and associated microorganisms. Therefore, this micro-device system can be applied to monitor and investigate sea corals in a relatively quantitative manner.

This protocol describes the development of a modular controllable micro-device system that can be applied for the long-term culturing and monitoring of sea corals.

Inspection and Startup of the Micro-Device System for Coral Growth Monitoring

To begin, connect all the modules and pumps. Ensure the water flows circularly over the system for a minimum of 30 minutes. Inspect all the seams for potential leaks.After conducting the tightness test, evacuate and dry the water inside. Then, load the appropriate contents in the modules. Fix the modules onto the baseboard using the screws and connect the inner circulation modules to the outer circulation modules.Then, inject the seawater into the water inlet of the seawater store module. Once the water level reaches three centimeters above the water inlets of the pumps, switch them on and continue injecting the seawater. Now, turn on all the switches and set the seawater pump voltages to nine volts.Set the water temperature to 25 degrees Celsius. Next, set the cycle timer to one minute on and one minute off. Set all three channels of the three-channel timer to 9:00 a.m.on and 5:00 p.m.off.

בדיקה והפעלה של מערכת מיקרו-מכשירים לניטור צמיחת אלמוגים

Coral Growth and Monitoring Using the Micro-Device System

After setting the micro drive system, add one milliliter of the commercial microbiome source solution into 500 milliliters of the seawater while stirring. Next, inject 50 milliliters of the diluted solution and 10 microliters of the commercial coral nutrition solution into the circulation system. Switch on the inner circulation pump and turn on the air pump to culture the microbiome for 21 days.Cut the rock coral branches into a length of three to five centimeters. Adhere these coral branches onto 3D-printed coral support bases. Place the coral branch samples back into the original seawater tank for a minimum of seven days for recovery.Fix the coral support base onto the rotation unit using glue. Assemble the coral culture module and connect it to the outer circulation loop. Position the camera on the top of the studio and capture the images from a vertical view.Next, place the coral culture module in the mini photo studio with the coral positioned in the center and at the bottom. Capture coral images by rotating the outside handle. The coral culture module effectively controlled the seawater temperature and prevented temperature fluctuation, which can strongly affect coral survival.The sample corals'tentacles extended over one month indicating that the system provided a suitable survival environment for the coral.

גידול אלמוגים וניטור באמצעות מערכת מיקרו-מכשירים

Routine Maintenance of Micro-Device System to Promote Optimum Coral Growth

To begin, perform leakage inspection for system safety by inspecting the baseboard, seam, and connectors for water stains or droplets. The transparent nature of the system's cover shell facilitates visual inspection of water leakage. Extract 10 milliliters of seawater using a syringe from the three-way valve between the activated charcoal and seawater module.Dissolve the additives in the extracted seawater and inject the solution back into the system through the three-way valve to replenish the system with nutrients and other reagents. To reduce toxic concentration and eutrophication in the culture system, exchange water by switching off the power of the entire system and unplugging the power cable for safety. Then remove the coral culture module and connect the outside wastewater pipeline to the outlet in the seawater store module.Now rotate the system and position it front side down. Turn on the outlet and allow the seawater to flow out from inside the system. Discharge the required amount of seawater and take off the outlet.Afterwards, reset the system, and inject the newly-prepared seawater through the water inlet. Reinstall the coral culture module into the system. Switch on the system and wait for the system to get back to normal.