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自动驾驶汽车与机器人实验室耦合

每滴海水都包含成千上万个细胞,这些细胞可以揭示我们海洋中生物的多样性。MBARI科学家和工程师们使用一个设备齐全的机器人实验室和一台自动水下机器人,正在开发先进的采集技术,这种技术有一天可以简化生物学家和资源管理人员的工作。

最近的一项研究证实,自主收集的环境DNA(eDNA)样本等同于人们使用传统的手动方法收集的样本。 eDNA是指可以从环境样品中提取的所有DNA,包括从无数的微生物和较大的动物中通过皮肤,粘液和它们掉下的废物而提取的DNA。

越来越多的研究表明,使用eDNA分析进行野生动植物调查可能比仅使用传统方法准确(或更准确)。因此,eDNA评估似乎为监测生物多样性提供了非常有前途且具有成本效益的手段,这为研究海洋生态系统的研究人员和资源管理者提出了有吸引力的建议。

研究专家Christina Preston和电气工程师Scott Jensen正在构建ESP。图片:©2014 MBARI

该领域以前的研究集中在采样细节上,例如用于浓缩水样品中eDNA的过滤器类型或分析和解释那些样品中发现的eDNA信号的方法。理解研究人员如何在广阔的海洋或长时间内应用eDNA分析技术仍然是一个重大挑战。目前,在公海中进行eDNA调查需要很长的船期,这是昂贵的,劳动密集型的并且是限制性的。

为了解决这些问题,这项新研究的作者使用了新一代MBARI的环境样品处理器(ESP),并将其与MBARI的远程自动水下机器人(LRAUV)配对。

ESP是一个紧凑的机器人实验室,可自动执行水样品的收集和处理。本研究中使用的版本最多可以获取60个样本。LRAUV随身携带该仪器,使它可以在海洋中自由活动数天至数周,从地表到300米(984英尺)的深度,同时可以在特定时间或在特定环境条件下收集样本。结果是:该系统无需人工在野外就可以在海上收集eDNA。

负责开发ESP的MBARI小组的吉姆·伯奇(Jim Birch)表示:“机器人技术,DNA分析和海洋作业技术的融合将导致我们改变海洋科学的方式,而eDNA的工作仅仅是个开始。”

在将ESP放入自动驾驶汽车之前,它将带入海中。©2018 MBARI

研究人员的目的是比较ESP相对于已建立的依赖人手的协议自动收集样本的能力。这些测试的样本来自蒙特利湾水族馆的海带森林展览以及蒙特利湾本身。

这项研究研究了微生物和浮游植物等小型生物以及磷虾和cho鱼等大型动物的DNA。该团队还测试了ESP在LRAUV海上保存DNA样本时的有效性。

ESP装有60个滤筒,每个滤筒均经过编程以在特定的“采样事件”时集水。图片:©2014 MBARI

“'信任'机器人收集的第一步是要表明它们能给与传统方法相同的结果。这项工作是对第一个关键步骤的令人兴奋的确认。”伯奇说。

对于自动收集和保存的样品,较小的微生物和浮游植物以及较大的磷虾和an鱼的eDNA浓度几乎等于通过手动方法收集的eDNA浓度。ESP保存的eDNA样品在21天的时间范围内(LRAUV可能部署且离开海岸的时间长度)显示,任何一种生物的浓度均无差异。

“ LRAUV是一种灵活的生态系统评估方法。该仪器可在白天或晚上,在恶劣天气下使用,可以对事件做出快速反应。”美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的研究合著者凯利·古德温(Kelly Goodwin)说。

“由于不需要大而昂贵的船,因此可能会更频繁地收集样品。更好的样本覆盖率可以有助于模型和预测,从而有助于保持水域和海鲜的安全,并有助于维持我们从海洋获得的服务,例如捕鱼。”

在下一次执行任务之前,软件工程师Brian Kieft将远程AUV装载到研究船Paragon上。图片:©2018 MBARI

以更具成本效益(和时间效益)的方式收集DNA的能力有可能改变我们处理海洋科学和生态系统监测的方式。从对海洋涡流的研究到河流和湖泊,自动化的样品收集和分析系统为进一步加深我们对海洋过程的了解以及跟踪管理,入侵或有害物种提供了机会。

MBARI研究专家Kevan Yamahara总结说:“这项研究证明了能够自主收集eDNA样本,从而能够以精细的时空分辨率对复杂的生物过程进行观察,而这是当今使用常规采样方法无法完成的。”

Cassandra Burrier的文章

原始期刊文章:

Yamahara,KM,Preston,CM,Birch,J.,Walz,K.,Marin III,R.,Jensen,S.,Pargett,D.,Roman,B.,Ussler III,W.,Zhang,Y., Ryan,J.,Hobson,B.,Kieft,B.,Raanan,B.,Goodwin,KD,Chavez,FP和Scholin,CA(2019).使用自主水下航行器就地自主获取和保存海洋环境DNA,《海洋科学前沿》,第6期:373. doi:10.3389 / fmars.2019.00373(2019年7月16日)

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