MBARI 致力于解锁海洋生物学

伊莱恩马斯林 • 13 六月 2023

MBARI 研究人员前往蒙特利湾部署远程自主水下航行器 (LR-AUV)，这是一种在水面进行编程然后在水下行驶数百英里的水下机器人，测量水化学并收集水样。 .图片来源：Brian Kieft (c) 2015 MBARI

MBARI 的远程 AUV 在蒙特利湾的研究船 Paragon 上。学分：（c）2018 MBARI

由于越来越多地使用无人水面和水下航行器以及生物传感技术的发展，对海洋中发生的事情有了更深入的了解正开始成为现实。 Elaine Maslin 了解 MBARI 的团队一直在做什么。

从海洋中收集生物数据仍然是海洋学家面临的重大挑战。现在，越来越多的能够协同工作的无人驾驶车辆变得可用，使用它们收集生物数据的能力也是如此。

这听起来很简单，但传统上生物样本的收集和处理涉及收集样本，通常是从研究船上收集样本，然后将这些样本收集起来并带到实验室进行处理。结果可能是零散的或错过重要事件。

这对水下航行器来说也很困难且不切实际，因为它们不够大，无法存储所需数量的样本或携带可以进行机载分析的实验室设备——直到现在。

位于加利福尼亚州莫斯兰丁的蒙特利湾水族馆研究所 (MBARI) 的一个团队在过去 25 年里一直致力于研究所谓的“生态基因组学”传感器解决方案，现在已经取得了成果，作为多方合作的一部分地面上和地下的车辆任务。
MBARI 的 SURF 中心主任 Jim Birch 博士说，它始于对微生物海洋学的群体兴趣——研究海洋中最小的生物，包括了解有害藻类大量繁殖的方式和原因。 Birch 博士去年年底在南安普敦举行的国家海洋学中心海洋自治和技术展示 (MATS) 活动上谈到了这项工作及其成果。结果是一个环境样品处理器 (ESP)，这是一个紧凑的机器人系统，可以过滤水样，然后处理生物质以创建可分析的样品。

执行任务后，载有 ESP 的远程自主水下航行器被回收到 R/V Falkor。
图片来源：Thom Hoffman 摄/施密特海洋研究所提供。

ESP 计划由现任 MBARI 首席执行官 Chris Scholin 在 MBARI 担任博士后时启动。目标是能够原位检测有害藻华 (HAB)，而无需将样本带回实验室。前 10 年的重点是开发可以识别有害藻类的检测化学物质。但是，从一开始，“Chris 的想法就是忘记样本并将实验室放在海洋中，只将数据发回，”Birch 博士说。 “‘第一代’ESP 是一种 beta 型机器人，曾在缅因湾部署过一次，以证明它可以工作，而且确实如此。”

然后是第二代 (2G) ESP，它适合 50 加仑的桶大小。其中一个于 2006 年左右在蒙特雷湾部署，此后该设计已获得马萨诸塞州法尔茅斯麦克莱恩研究实验室的商业化许可。在过去的 14 年里，它一直是“主力军”，Birch 博士说。 1G 和 2G ESP 都是静态机器人，停泊在它们正在采样的水中，或者安装在可以自动将水泵送到它们的区域。

“ESP 收集的‘样本’实际上是过滤已知体积的水后留下的物质，”他解释道。样品可以保存以供以后分析，或由 ESP 现场处理。处理需要一些分子生物学，为此，必须裂解样品中的微生物以释放其细胞内容物。 “ESP 使用酶促裂解，通过加热和一种特殊的酶来破坏细胞，并产生一种匀浆或裂解物，然后可以通过多种方式对其进行分析，”Birch 博士说。

“我们很早就看到机动性可以扩展 ESP 的潜力，并开始问，我们能否将 50 加仑桶中的东西放入两个篮球大小作为 AUV 有效载荷？”Birch 博士说。恰好在 5-6 年前，MBARI 正在开发基于特提斯级 AUV 的远程 AUV (LRAUV)。结果是“第三代”ESP (3G ESP)，具有新的环形筒设计和磁性推杆柱塞。它包含两种类型的样品盒，用于保存和存储样品的存档盒，以及用于现场处理和分析的“Lyse-n-go”。

LRAUV 是螺旋桨驱动的，直径 30 厘米，长 2.3 米（3G-ESP 为 3.2 米），120 千克（3G-ESP 为 160 千克），车辆额定深度为 300 米。通过磨练许多与推进相关的系统，LRAUV 可以在需要回收和充电之前执行 7-14 天的任务。内部浮力引擎还可以进行精细深度控制，这是在尝试对整个海洋中发现的富含生物的薄层进行采样时的重要行为。

这项技术在夏威夷大学的一个项目中进行了测试，夏威夷大学获得了三艘带有 ESP 的 LRAUV。目标是允许比他们的船舶时间表允许更多的出海通道，以便研究栖息在深层叶绿素最大值（DCM - 约 120 米深的区域，叶绿素浓度最大的区域）中的微生物种群。

该项目的高潮是在 2018 年，当时 R/V Falkor（施密特海洋研究所）部署了两台 MBARI LRAUV，即搭载 3G ESP 的 Aku 和配备标准仪器包的 Opah，以及 Wave Glider，以研究大型, 欧胡岛以北的中尺度涡流（横跨约 150 英里）。 Aku 下降以定位 DCM 并确定最高叶绿素荧光深度处的温度。通过根据温度控制其深度，Aku 能够在 DCM 中停留四天而没有浮出水面。漂流时，Aku 通过每个过滤器组抽取约 1 升海水，然后用 RNA-Later 保存滤液，以备将来上岸分析。

同时，Opah 使用 USBL 定位跟踪 Aku，将 Aku 保持在 800 米半径圆的中心，收集上下文数据。在他们上方，一架波浪滑翔机也在跟踪 Aku，并向 R/V Falkor 提供位置和通信。还发射了一个带有表面浮标的锥套来追踪涡流的中心。

总共在九个昼夜周期内，从 DCM 内部、上方或下方以三小时为间隔，以一升为增量收集、保存和归档了 82 个样本。

“部署结果非常成功，Ed Delong 对微生物对环境的反应时间很感兴趣，他能够每四个小时从漂浮的水下车辆（即在相同的水团中）收集水样超过四天，”Birch 博士说。 “它产生了一个非凡的数据集，他仍在分析中。”

2019 年 6 月，MBARI 进行了另一个 ESP 车辆项目，这次是在离家较近的蒙特利湾。这是一个大型的多资产实验，结合了传统的船外水采样方法和一组 MBARI LRAUV，其中两个带有 ESP，以及一个 i2MAP 成像 AUV，其中一个带有生物发光传感器，以及 Wave Gliders，一架带有回声测深仪的帆船无人机，以及另外两艘研究船，其中一艘装有能够收集视频数据的 ROV。

所有这些都在 2019 年 5 月至 6 月的一周内部署，位于莫斯兰丁近海 37 公里处，位于 900 米深的蒙特雷加速研究系统 (MARS) 有线天文台周围，该天文台还具有仰视声纳系统，即深度回波综合海洋天文台系统 ( DEIMOS），以检测海洋生物并能够跟踪 AUV。

目标是观察海湾中的昼夜（昼夜）浮游动物迁徙。使用多辆车意味着可以同时研究不同尺度的水柱的不同层。 “在这次航行中，我们能够通过 ROV Ventana 自主收集声学、遗传和生物发光数据以及视频数据，以与我们的船载 CTD 和净采样相匹配，”在航行中的博士后研究员 Katie Pitz 说。 “通过这些不同的方法来揭示我们学到的东西将是令人兴奋的。”

该项目为未来的研究开辟了令人兴奋的可能性。例如，由于 DEIMOS 能够检测海洋生物聚集的层，声学图的实时处理可以近乎实时地将车辆引导至感兴趣的区域。

“最终，我们正在努力将处理转移到车辆本身，以完全从流程中移除人类，并让车辆主动搜索自己感兴趣的区域，给定人类在开始时提供的参数实验，”Birch 博士说。 “这就是未来。”

ESP 还有更多工作要做。 Birch 博士说，可以进行原位样品处理（裂解和分析），但执行这些过程的试剂盒可能更易于使用。 “我们正在推进一项严肃的重新设计，将可靠性和可用性放在首位。我们目前的工作重点是简单性、可靠性和可制造性。”批量生产零件也有助于降低成本，从而让更多人使用这项技术。但还有更多的事情要做。 “我们正在开发远程、自主 qPCR 功能，并探索原位基因测序的可能性，”Birch 说。这将进一步推动 ESP 的能力。

这些举措既可以让世界各地的其他研究人员更容易使用这些设备，也可以进一步增加我们对海洋的了解。

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