MBARI arbeitet an der Erschließung der Meeresbiologie

MBARI-Forscher begeben sich in die Monterey Bay, um ein autonomes Unterwasserfahrzeug mit großer Reichweite (LR-AUV) einzusetzen, einen Unterwasserroboter, der an der Oberfläche programmiert wird und dann Hunderte von Kilometern unter Wasser reist, um die Wasserchemie zu messen und dabei Wasserproben zu sammeln . Bildnachweis: Brian Kieft (c) 2015 MBARI

MBARIs Langstrecken-AUV an Bord des Forschungsschiffs Paragon in Monterey Bay. Bildnachweis: (c) 2018 MBARI

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Dank des zunehmenden Einsatzes unbemannter Oberflächen- und Unterwasserfahrzeuge und der Entwicklungen in der biologischen Sensorik wird ein besseres Verständnis dessen, was im Ozean vor sich geht, allmählich Realität. Elaine Maslin wirft einen Blick auf die Arbeit eines Teams bei MBARI.

Das Sammeln biologischer Daten aus den Ozeanen bleibt für Ozeanographen eine große Herausforderung. Mittlerweile stehen immer mehr unbemannte Fahrzeuge zur Verfügung, die zusammenarbeiten können, und es besteht auch die Möglichkeit, mit ihnen biologische Daten zu sammeln.

Es klingt einfach, aber traditionell umfasst die Sammlung und Verarbeitung biologischer Proben das Sammeln von Proben, meist von einem Forschungsschiff, die dann gesammelt und zur Verarbeitung in einem Labor gebracht werden. Das Ergebnis kann lückenhaft sein oder wichtige Ereignisse übersehen.

Bisher war dies auch für Unterwasserfahrzeuge schwierig und unpraktisch, da sie nicht groß genug sind, um die erforderliche Anzahl an Proben zu lagern oder die Laborausrüstung zu transportieren, die eine Analyse an Bord durchführen könnte.

Ein Team am Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) mit Sitz in Moss Landing, Kalifornien, arbeitet seit über 25 Jahren an einer sogenannten „ökogenomischen“ Sensorlösung und erzielt nun im Rahmen mehrerer Projekte Ergebnisse. Fahrzeugeinsätze auf und unter der Oberfläche.
Dr. Jim Birch, Direktor des SURF-Zentrums von MBARI, sagt, es begann mit einem Gruppeninteresse an der mikrobiellen Ozeanographie – der Untersuchung der kleinsten Organismen im Ozean, einschließlich des Verständnisses, wie und warum schädliche Algenblüten entstehen. Dr. Birch sprach Ende letzten Jahres auf der Veranstaltung Marine Autonomy and Technology Showcase (MATS) des National Oceanography Centre in Southampton über die Arbeit und ihre Ergebnisse. Das Ergebnis ist ein Environmental Sample Processor (ESP), ein kompaktes Robotersystem, das eine Wasserprobe filtert und die Biomasse dann verarbeitet, um analysierbare Proben zu erstellen.

Ein autonomes Langstrecken-Unterwasserfahrzeug mit ESP wird nach einer Mission zum R/V Falkor geborgen.
Bildnachweis: Foto von Thom Hoffman / mit freundlicher Genehmigung des Schmidt Ocean Institute.

Das ESP-Programm wurde vom derzeitigen MBARI-CEO Chris Scholin als Postdoktorand bei MBARI ins Leben gerufen. Ziel war es, schädliche Algenblüten (HABs) vor Ort nachweisen zu können, ohne Proben zurück in ein Labor bringen zu müssen. Die ersten zehn Jahre konzentrierten sich auf die Entwicklung von Nachweischemikalien, mit denen die schädlichen Algen identifiziert werden konnten. Aber von Anfang an war „Chris‘ Idee, die Proben zu vergessen und das Labor ins Meer zu verlegen und nur die Daten zurückzusenden“, sagt Dr. Birch. „Ein ESP der ‚ersten Generation‘ war ein Beta-Roboter, der einmal im Golf von Maine eingesetzt wurde, um zu zeigen, dass er funktionieren würde, was er auch tat.“

Dann kam ein ESP der zweiten Generation (2G), das in die Größe eines 50-Gallonen-Fass passt. Eines davon wurde etwa 2006 in Monterey Bay eingesetzt und das Design wurde seitdem zur Kommerzialisierung an McLane Research Laboratories in Falmouth, Massachusetts, lizenziert. Es sei seit 14 Jahren ein „Arbeitstier“, sagt Dr. Birch. Sowohl die 1G- als auch die 2G-ESPs waren statische Roboter, die im Wasser, das sie beprobten, festgemacht oder in Bereichen installiert waren, in denen Wasser automatisch zu ihnen gepumpt werden konnte.

„Die ‚Probe‘, die das ESP sammelt, ist eigentlich Material, das zurückbleibt, wenn man eine bekannte Wassermenge filtert“, erklärt er. Die Proben können entweder für eine spätere Analyse aufbewahrt oder vom ESP vor Ort verarbeitet werden. Die Verarbeitung erfordert ein gewisses Maß an Molekularbiologie. Dazu müssen die Mikroorganismen in den Proben lysiert werden, um ihren Zellinhalt freizusetzen. „Das ESP nutzt enzymatische Lyse, bei der Zellen mit Hitze und einem speziellen Enzym aufgebrochen werden und ein Homogenat oder Lysat entsteht, das dann auf verschiedene Arten analysiert werden kann“, sagt Dr. Birch.

„Wir erkannten schon früh, dass Mobilität das Potenzial des ESP erweitern könnte, und begannen uns zu fragen, ob wir den Inhalt eines 50-Gallonen-Fass als AUV-Nutzlast in die Größe von zwei Basketbällen unterbringen könnten?“, sagt Dr. Birch. Zufälligerweise entwickelte MBARI damals vor fünf bis sechs Jahren ein AUV mit großer Reichweite (LRAUV), das auf einem AUV der Tethys-Klasse basierte. Das Ergebnis ist das ESP der „dritten“ Generation (3G ESP) mit einem neuen Ringkartuschendesign und magnetischen Stößelkolben. Es enthält zwei Arten von Probenkartuschen: Archivkartuschen zum Aufbewahren und Aufbewahren von Proben und „Lyse-n-go“ für die Verarbeitung und Analyse vor Ort.

Das LRAUV ist ein propellergetriebenes Fahrzeug mit einem Durchmesser von 30 cm, einer Länge von 2,3 m (3,2 m mit 3G-ESP), einem Gewicht von 120 kg (160 kg mit 3G-ESP) und einer Tiefe von 300 m. Durch die Verbesserung vieler Antriebssysteme kann das LRAUV Missionen von 7 bis 14 Tagen durchführen, bevor es geborgen und wieder aufgeladen werden muss. Ein interner Auftriebsmotor ermöglicht außerdem eine präzise Tiefenkontrolle, ein wichtiges Verhalten bei der Beprobung der biologisch reichhaltigen dünnen Schichten, die überall in den Ozeanen zu finden sind.

Diese Technologie wurde im Rahmen eines Projekts mit der Universität von Hawaii auf die Probe gestellt, die drei LRAUVs mit ESPs erwarb. Ziel war es, einen größeren Zugang zum Meer zu ermöglichen, als es der Schiffsfahrplan zuließ, um die mikrobiellen Populationen zu untersuchen, die in einem Deep Chlorophyll Maximum (DCM – eine Region in etwa 120 m Tiefe mit maximalen Chlorophyllkonzentrationen) leben.

Der Höhepunkt dieses Projekts war im Jahr 2018, als das R/V Falkor (Schmidt Ocean Institute) zwei MBARI LRAUVs einsetzte, Aku mit einem 3G-ESP an Bord und Opah mit einem Standardinstrumentenpaket, zusammen mit einem Wave Glider, um ein großes Schiff zu untersuchen , mesoskaliger Wirbel (ca. 240 km breit) nördlich von Oahu. Aku stieg hinab, um das DCM zu lokalisieren und die Temperatur in der Tiefe der höchsten Chlorophyllfluoreszenz zu bestimmen. Durch die Steuerung der Tiefe als Funktion der Temperatur konnte Aku vier Tage lang im DCM bleiben, ohne aufzutauchen. Während des Driftens pumpte Aku etwa 1 Liter Meerwasser durch jeden Filterstapel und konservierte das Filtrat anschließend mit RNA-Später für zukünftige Analysen an Land.

In der Zwischenzeit verfolgte Opah Aku mithilfe der USBL-Positionierung, hielt Aku in der Mitte eines Kreises mit einem Radius von 800 m und sammelte Kontextdaten. Über ihnen verfolgte auch ein Wave Glider Aku und übermittelte Position und Kommunikation an das R/V Falkor. Außerdem wurde ein Fangschlepper mit einer Oberflächenboje zu Wasser gelassen, um die Mitte des Wirbels zu verfolgen.

MBARI-Ingenieur Brent Jones bei einem Testeinsatz von MBARIs Langstrecken-AUV „Makai“ in Monterey Bay. Makai ist für den Transport eines Environmental Sample Processors (ESP) der dritten Generation ausgelegt. Bildnachweis: Chris Wahl (c) 2016 MBARI

Insgesamt wurden 82 Proben in Ein-Liter-Schritten in dreistündigen Abständen über neun Tag-Nacht-Zyklen innerhalb, oberhalb oder unterhalb des DCM gesammelt, konserviert und archiviert.

„Der Einsatz erwies sich als überaus erfolgreich, da Ed Delong, der sich für den zeitlichen Ablauf mikrobieller Reaktionen auf die Umwelt interessiert, alle vier Stunden Wasserproben von einem treibenden, untergetauchten Fahrzeug (d. h. in derselben Wassermasse) sammeln konnte.“ über vier Tage“, sagt Dr. Birch. „Es entstand ein bemerkenswerter Datensatz, den er noch immer analysiert.“

Im Juni 2019 führte MBARI ein weiteres ESP-Fahrzeugprojekt durch, dieses Mal näher an der Heimat in Monterey Bay. Hierbei handelte es sich um ein großes Multi-Asset-Experiment, bei dem traditionelle Wasserprobenentnahmemethoden außerhalb des Schiffs mit einer Flotte von MBARI-LRAUVs, zwei mit ESPs, sowie einem i2MAP-Bildgebungs-AUV, eines mit einem Biolumineszenzsensor, sowie Wave Gliders kombiniert wurden. eine Segeldrohne mit Echolot und zwei weitere Forschungsschiffe, eines mit einem ROV an Bord, das Videodaten sammeln konnte.

Alle diese wurden im Laufe einer Woche von Mai bis Juni 2019 37 km vor der Küste von Moss Landing rund um das 900 m tiefe kabelgebundene Observatorium Monterey Accelerated Research System (MARS) eingesetzt, das auch über ein nach oben gerichtetes Sonarsystem verfügt, das Deep Echo-Integrating Marine Observatory System ( DEIMOS), um Meereslebewesen aufzuspüren und die AUVs zu verfolgen.

Ziel war es, die tägliche (Tag-Nacht-)Zooplanktonwanderung in der Bucht zu untersuchen. Durch den Einsatz mehrerer Fahrzeuge konnten gleichzeitig verschiedene Schichten der Wassersäule in unterschiedlichen Maßstäben untersucht werden. „Auf dieser Kreuzfahrt konnten wir autonom akustische, genetische und Biolumineszenzdaten sowie Videodaten über das ROV Ventana sammeln, um sie mit unserer CTD- und Netzprobenahme an Bord abzugleichen“, sagt Postdoktorandin Katie Pitz, die an der Kreuzfahrt teilnahm. „Es wird spannend sein, herauszufinden, was wir durch diese verschiedenen Methoden gelernt haben.“

Dieses Projekt hat spannende Möglichkeiten für die zukünftige Forschung eröffnet. Aufgrund der Fähigkeit von DEIMOS, Schichten zu erkennen, in denen sich Meereslebewesen ansammeln, könnte die Echtzeitverarbeitung der Akustogramme Fahrzeuge nahezu in Echtzeit zu interessanten Bereichen leiten.

„Letztendlich arbeiten wir daran, die Verarbeitung auf das Fahrzeug selbst zu verlagern, den Menschen vollständig aus dem Prozess zu entfernen und die Fahrzeuge dazu zu bringen, selbst aktiv nach interessanten Bereichen zu suchen, vorausgesetzt, Parameter, die ihnen zu Beginn des Prozesses von Menschen bereitgestellt wurden.“ Experiment“, sagt Dr. Birch. „Das ist die Zukunft.“

Auch am ESP gibt es noch viel zu tun. Eine In-situ-Probenverarbeitung (Lyse und Analyse) ist möglich, aber die Kartuschen, die diese Prozesse durchführen, könnten einfacher zu verwenden sein, sagt Dr. Birch. „Wir treiben eine ernsthafte Neugestaltung voran, bei der Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund stehen. Unsere aktuellen Bemühungen konzentrieren sich auf Einfachheit, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit.“ Die Massenproduktion von Teilen würde auch dazu beitragen, die Kosten zu senken und so mehr Menschen dazu zu bringen, diese Technologie zu nutzen. Aber es kommt noch mehr. „Wir entwickeln eine ferngesteuerte, autonome qPCR-Fähigkeit und untersuchen die Möglichkeit einer In-situ-Gensequenzierung“, sagt Birch. Das würde die Leistungsfähigkeit des ESP noch weiter steigern.

Diese Maßnahmen würden die Nutzung der Ausrüstung durch andere Forscher auf der ganzen Welt erleichtern und unser Wissen über den Ozean weiter erweitern.