Ny robot fremskynder prøvetagning af oceaners biogeokemi og sundhed

Verdens første undervandskøretøj designet specielt til at indsamle både biologiske og kemiske prøver fra havets vandsøjle gennemførte med succes havforsøg ud for New Englands kyst den 9. juli, 2017. Det nye autonome undervandskøretøj, hedder Clio, vil hjælpe forskere med bedre at forstå havets indre virke.

Udviklet i et teknisk samarbejde mellem Woods Hole Oceanographic Institution og University of Texas Rio Grande Valley og i videnskabeligt samarbejde med University of Michigan, Clio vil forbedre prøveudtagningseffektiviteten og også reducere tid og omkostninger ved brede biogeokemiske undersøgelser, som er nødvendige for at forstå mønstre og cykler af det marine fødevæv og den rolle, som havet spiller for at forme Jordens klima.

"Dette nye forskningsværktøj vil gøre det muligt for os hurtigere og mere effektivt at indsamle de prøver, vi har brug for for at forstå, hvordan mikrober medierer cyklussen af ​​elementer, såsom kulstof, i havene, "sagde U-M marinemikrobiolog Gregory Dick, et medlem af teamet.

"Vi vil gerne vide, for eksempel, hvordan havmikroorganismer vil reagere på globale ændringer, herunder stigende temperaturer, stigende koncentrationer af atmosfærisk kuldioxid, og øget surhed i havet, "sagde Dick, en lektor i U-M Institut for Jord- og Miljøvidenskab og i Institut for Økologi og Evolutionær Biologi.

"Clio's langsigtede mål er at sænke barriererne for at gennemføre en global undersøgelse af marin mikrobiologi og biokemi, "sagde John" Chip "Breier, chefforsker ved havforsøgene og hovedforsker ved projektet fra University of Texas Rio Grande Valley. "Ultimativt, køretøjets kapaciteter vil i høj grad udvide observationskapaciteten i vores oceanografiske forskningsflåde. "

Når den var sænket fra et skib, den lodrette dykning Clio driver sig ned til bunden af ​​havbunden ved hjælp af et thruster og stopper derefter på en række forprogrammerede dybder under dens opstigning for at filtrere vand og indsamle prøver.

U-M-doktorand Sharon Grim deltog i søforsøget den 9. juli og bragte prøver tilbage, der vil blive analyseret i Dicks laboratorium. DNA og RNA vil blive ekstraheret og sekventeret. Forskerne er interesserede i alle marine mikroorganismer, herunder bakterier, archaea og mikrobielle eukaryoter, samt de vira, der inficerer dem.

"Clio udtages for mikrober på programmerede dybder ved at filtrere havvandet, "Grim sagde." Når det var tilbage på skibet, vi genvundet filtrene og vil ekstrahere og sekvensere nukleinsyrer fra dem.

"Denne analyse vil give os det store billede af de mikrobielle typer, potentielle metabolisme, og aktiviteter i vandsøjlen. Så kan vi forbinde dette mikrobielle øjebliksbillede med næringsstofferne, spormetaller og proteiner, vi også har indsamlet for at forstå mikrobernes rolle i global elementcykling. "

Det autonome undervandskøretøj, eller AUV, er nogenlunde på størrelse med et stort køleskab, kan dykke til en maksimal dybde på 6, 000 meter (3,7 miles) og kan fungere under vandet i 12 til 14 timer ad gangen. Clio vender derefter tilbage til overfladen med stakke af filtre, der repræsenterer 100 liter liter havvand, som oceanografer kan bruge til at måle den genetiske og funktionelle mangfoldighed af marine mikroorganismer, samt næringsstoffer, der styrer deres mangfoldighed.

"Som en AUV, Clio indtager et unikt designrum, "sagde Mike Jakuba, ledende ingeniør på WHOI og en hovedforsker på projektet. "AUV'er er typisk designet til at rejse vandret langs havbunden og til at undersøge på en relativt konstant dybde. I modsætning hertil er Clio skal rejse lodret i vandet og prøve i lange perioder på mange dybder adskilt af hundredvis til tusinder af meter. "

I øjeblikket, forskere samler disse typer af marine prøver ved hjælp af batteridrevne pumper, sænket ned til forskellige havdybder på en ledning. Pumperne suger havvand gennem et filter, der fanger partikler. Når pumperne er tilbage på dækket, hovederne, der indeholder filtrene, fjernes og bringes til et laboratorium til analyse.

På store ekspeditioner, der undersøger hele havområder, Clio kan være i vandet og udføre en undersøgelse, mens andre forskere samtidigt kan tage separate sæt prøver ved hjælp af trådsystemet.

For at demonstrere denne evne under havprøver tidligere på måneden ombord på R/V Neil Armstrong, krydstogtsvidenskabspartiet indsatte et standard trådmonteret oceanografisk instrument kendt som en CTD-roset, som måler ledningsevne, temperatur, og dybde, mens Clio samtidigt filtrerede prøver på dybde et par hundrede meter væk.

Under ekspeditionen, Clio gennemførte fem dyk, inklusive to dyk til 2, 000 meter (1,2 miles), og filtreret mere end 1, 000 liter (264 gallon) havvand fra ni forskellige dybder til mikrobiologisk og biokemisk analyse.

"Set fra prøveudtagningsperspektivet vi måtte designe et system, der var alsidigt nok til at imødekomme de videnskabelige behov i et bredt samfund, enkel nok til at fungere hurtigt og med lidt træning, og kompakt nok til at passe ind i AUV - en udfordring helt sikkert, sagde Breier, en lektor ved University of Texas Rio Grande Valley og adjungeret videnskabsmand ved WHOI.

Teammedlemmer håber, at undersøgelser fra Clio kan bruges til at udvide eksisterende prøveudtagningsindsats, såsom den langvarige GEOTRACES-undersøgelse-en international indsats for at måle og studere et bredt spektrum af elementer, isotoper, og kemikalier i havet - ved at tilvejebringe et biologisk og biokemisk modstykke.

"En af de virkelig spændende ting er, at Clio leverer den type biomasseprøver, der er nødvendige for de nye 'omics' tilgange til måling af cellulære molekyler, såsom genomik, proteomik, og metabolomik, "sagde Mak Saito, en biogeokemiker ved Woods Hole Oceanographic Institution og en af ​​Clio's hovedforskere.

Ved at analysere biomassen Clio opsamler, forskere kan fortælle, hvad der lever i vandet og de næringsstoffer, de bruger til at udføre biologiske funktioner, og lær også mere om havmikrobiomet - det mikrobielle system, der hjælper med at drive livsprocesser og elementær cykling på Jorden.

Næste op, Clio vil gennemgå et års videnskabstest i Bermuda fra april 2018. Finansiering til design og udvikling af Clio blev ydet af National Science Foundation's Ocean Technology and Interdisciplinary Coordination Program og Gordon og Betty Moore Foundation.