MBARI работает над раскрытием биологии океана

Исследователи MBARI отправляются в залив Монтерей, чтобы развернуть автономный подводный аппарат большой дальности (LR-AUV), подводный робот, который запрограммирован на поверхности, а затем путешествует под водой на сотни миль, измеряя химический состав воды и собирая пробы воды по ходу движения. . Фото: Брайан Кифт (c) 2015 MBARI

АНПА дальнего действия MBARI на борту исследовательского судна Paragon в заливе Монтерей. Кредит: (c) 2018 MBARI

Previous Next

Более глубокое понимание того, что происходит в океане, становится реальностью — благодаря растущему использованию беспилотных надводных и подводных аппаратов и разработкам в области биологического зондирования. Элейн Маслин рассказывает о том, чем занимается команда MBARI.

Сбор биологических данных об океанах остается серьезной проблемой для океанографов. Теперь появляется все больше беспилотных транспортных средств, которые могут работать вместе, а также возможность собирать биологические данные с их помощью.

Звучит прямолинейно, но традиционно сбор и обработка биологических образцов включали сбор образцов, обычно с исследовательского корабля, которые затем собирались и доставлялись для обработки в лабораторию. Результат может быть фрагментарным или пропускать важные события.

Это также было сложно и непрактично для подводных аппаратов, потому что они недостаточно велики, чтобы хранить необходимое количество образцов или нести лабораторное оборудование, которое могло бы проводить бортовой анализ — до сих пор.

Команда Исследовательского института аквариумов Монтерей-Бей (MBARI), базирующегося в Мосс-Лэндинге, Калифорния, работала над так называемым «экогеномным» сенсорным решением в течение последних 25 лет, и в настоящее время она получает результаты в рамках многоплановой работы. миссии транспортных средств на поверхности и под ней.
Доктор Джим Берч, директор центра SURF MBARI, говорит, что все началось с группового интереса к микробной океанографии — изучению мельчайших организмов в океане, включая понимание того, как и почему образуются вредоносные водоросли. Доктор Берч рассказал об этой работе и ее результатах на мероприятии Национального океанографического центра «Морская автономия и демонстрация технологий» (MATS) в Саутгемптоне в конце прошлого года. Результатом стал обработчик экологических проб (ESP), компактная роботизированная система, которая фильтрует пробу воды, а затем обрабатывает биомассу для создания пригодных для анализа проб.

Автономный подводный аппарат большой дальности с ЭСП возвращен на НИС «Фалькор» после миссии.
Предоставлено: Фото Тома Хоффмана / любезно предоставлено Океаническим институтом Шмидта.

Программа ESP была запущена нынешним генеральным директором MBARI Крисом Шолином, когда он был постдоком в MBARI. Цель состояла в том, чтобы иметь возможность обнаруживать вредоносное цветение водорослей (ВЦВ) на месте, без необходимости возвращать образцы в лабораторию. Первые 10 лет были сосредоточены на разработке химических средств обнаружения, которые могли бы идентифицировать вредные водоросли. Но с самого начала «Идея Криса заключалась в том, чтобы забыть об образцах и поместить лабораторию в океан, отправляя обратно только данные», — говорит доктор Берч. «ESP «первого поколения» был роботом бета-типа, который однажды был развернут в заливе Мэн, чтобы показать, что он будет работать, что он и сделал».

Затем появился ESP второго поколения (2G), который вписывается в размер 50-галлонной бочки. Один из них был развернут примерно в 2006 году в Монтерей-Бей, и с тех пор лицензия на его разработку была передана исследовательским лабораториям McLane Research Laboratories в Фалмуте, штат Массачусетс. Он был «рабочей лошадкой» последние 14 лет, говорит доктор Берч. И 1G, и 2G ESP были статическими роботами, пришвартованными в воде, которую они берут, или установленными в местах, где к ним может автоматически подаваться вода.

«Образец, который собирает ESP, на самом деле представляет собой материал, остающийся после фильтрации известного объема воды», — объясняет он. Образцы могут быть либо сохранены для последующего анализа, либо обработаны с помощью ESP в полевых условиях. Обработка требует некоторой молекулярной биологии, и для этого необходимо лизировать микроорганизмы в образцах, чтобы высвободить их клеточное содержимое. «ESP использует ферментативный лизис, разрушая клетки с помощью тепла и специального фермента и создавая гомогенат или лизат, который затем можно анализировать различными способами», — говорит доктор Берч.

«Мы сразу поняли, что мобильность может расширить потенциал ESP, и начали задаваться вопросом, можем ли мы поместить то, что было в 50-галлонной бочке, в два баскетбольных мяча в качестве полезной нагрузки для AUV?», — говорит доктор Берч. Так уж получилось, что в свое время, 5-6 лет назад, MBARI разрабатывал АНПА большой дальности (LRAUV) на базе АНПА класса Tethys. Результатом является ESP «третьего» поколения (3G ESP) с новой конструкцией кольцевого картриджа и магнитными толкателями. Он содержит два типа картриджей для образцов: архивный для сохранения и хранения образцов и «Lyse-n-go» для обработки и анализа в полевых условиях.

LRAUV представляет собой винтовой автомобиль диаметром 30 см, длиной 2,3 м (3,2 м с 3G-ESP), массой 120 кг (160 кг с 3G-ESP) и рассчитан на погружение на глубину до 300 м. Оттачивая многие системы, связанные с силовой установкой, LRAUV может выполнять миссии в течение 7-14 дней, прежде чем потребуется восстановление и перезарядка. Внутренний двигатель плавучести также позволяет точно контролировать глубину, что важно при попытке взять пробы биологически богатых тонких слоев, обнаруженных по всему океану.

Эта технология была испытана в ходе проекта с Гавайским университетом, который приобрел три LRAUV с ESP. Цель состояла в том, чтобы обеспечить больший доступ к морю, чем позволял график их судов, для изучения микробных популяций, населяющих Глубокий максимум хлорофилла (DCM - область глубиной ~ 120 м с максимальными концентрациями хлорофилла).

Кульминацией этого проекта стал 2018 год, когда НИС Falkor (Океанический институт Шмидта) развернул два LRAUV MBARI, Aku с 3G ESP на борту и Opah со стандартным набором инструментов вместе с Wave Glider для изучения большого , мезомасштабный водоворот (~ 150 миль в диаметре) к северу от Оаху. Аку спустился, чтобы найти DCM и определить температуру на глубине максимальной флуоресценции хлорофилла. Контролируя глубину в зависимости от температуры, Аку смог оставаться в DCM в течение четырех дней, не всплывая на поверхность. Во время дрейфа Аку прокачал ~ 1 литр морской воды через каждый пакет фильтров, а затем сохранил фильтрат с помощью RNA-Later для будущего анализа на берегу.

Тем временем Опа отслеживала Аку, используя позиционирование USBL, удерживая Аку в центре круга радиусом 800 м, собирая контекстуальные данные. Над ними «Волновой планер» также отследил Аку и обеспечил местоположение и связь с НИС «Фалькор». Также был запущен плавучий тормоз с надводным буем для отслеживания центра вихря.

Инженер MBARI Брент Джонс во время тестового развертывания AUV дальнего действия MBARI «Makai» в заливе Монтерей. Makai предназначен для работы с процессором экологических проб третьего поколения (ESP). Кредит: Крис Уол (c) 2016 MBARI

Всего было собрано, сохранено и заархивировано 82 образца с шагом в один литр с трехчасовыми интервалами в течение девяти циклов день-ночь изнутри, выше или ниже DCM.

«Развертывание оказалось чрезвычайно успешным: Эд Делонг, который интересуется синхронизацией реакции микробов на окружающую среду, смог собирать пробы воды из дрейфующего, затопленного транспортного средства (т. е. в одной и той же массе воды) каждые четыре часа. в течение четырех дней», — говорит доктор Берч. «Это дало замечательный набор данных, который он все еще анализирует».

В июне 2019 года MBARI реализовала еще один проект ESP-автомобиля, на этот раз ближе к дому в заливе Монтерей. Это был большой эксперимент с несколькими активами, в котором традиционные методы отбора проб воды за пределами корабля сочетались с парком LRAUV MBARI, два из которых с ESP, а также AUV с визуализацией i2MAP, один с датчиком биолюминесценции, наряду с Wave Gliders. парусный дрон с эхолотом и два других исследовательских судна, одно с ROV на борту, которое могло собирать видеоданные.

Все они были развернуты в течение недели в мае-июне 2019 года в 37 км от берега Мосс-Лэндинг, вокруг кабельной обсерватории Монтерейской ускоренной исследовательской системы (MARS) на глубине 900 м, в которой также есть гидроакустическая система, направленная вверх, Deep Echo-Integrating Marine Observatory System ( DEIMOS), для обнаружения морской жизни и который мог отслеживать AUV.

Цель состояла в том, чтобы посмотреть на суточную (день-ночь) миграцию зоопланктона в заливе. Использование нескольких транспортных средств означало возможность одновременного изучения разных слоев водной толщи в разных масштабах. «В этом круизе мы смогли автономно собрать акустические, генетические и биолюминесцентные данные, а также видеоданные с помощью ROV Ventana, чтобы они соответствовали нашим бортовым CTD и отборам проб», — говорит научный сотрудник с докторской степенью Кэти Питц, которая была в круизе. «Будет интересно раскрыть то, что мы узнали с помощью этих разных методов».

Этот проект открыл захватывающие возможности для будущих исследований. Например, благодаря способности DEIMOS обнаруживать слои, в которых скапливаются морские обитатели, обработка акустограмм в режиме реального времени может направлять транспортные средства в интересующие районы почти в реальном времени.

«В конечном счете, мы работаем над переносом обработки на само транспортное средство, чтобы полностью исключить человека из процесса и заставить транспортные средства самостоятельно активно искать интересующие области, учитывая параметры, которые люди предоставили им в начале процесса. эксперимент», — говорит доктор Берч. «Это будущее».

Также есть над чем поработать над ESP. Обработка проб на месте (лизис и анализ) может выполняться, но картриджи, которые выполняют эти процессы, могут быть проще в использовании, говорит доктор Берч. «Мы продвигаем серьезную модернизацию, уделяя первостепенное внимание надежности и удобству использования. Наши текущие усилия сосредоточены на простоте, надежности и технологичности». Массовое производство деталей также помогло бы снизить затраты и, следовательно, привлечь больше людей к использованию этой технологии. Но это еще не все. «Мы разрабатываем удаленную, автономную возможность количественной ПЦР и изучаем возможность секвенирования генов in situ», — говорит Берч. Это расширит возможности ESP еще больше.

Эти шаги упростят использование оборудования другими исследователями по всему миру и еще больше увеличат наши знания об океане.