Automated Underwater Delivery System for Coral Probiotics

Koraalriffen zijn levendige onderwatersteden die een kwart van al het mariene leven ondersteunen en voedsel, kustbescherming en economische waarde bieden aan miljoenen mensen. Deze ecosystemen vertrouwen op een delicaat evenwicht tussen de koraaldieren en de microscopische gemeenschappen die binnenin en rondom hen leven. Wanneer de oceaan te warm wordt of vervuild raakt, raakt dit evenwicht verstoord. De nuttige microben die koralen gezond houden, gaan vaak dood of worden vervangen door schadelijke varianten, waardoor het koraal kwetsbaar wordt voor ziekten en sterfte. Wetenschappers hebben ontdekt dat het toevoegen van specifieke gunstige microben aan het water kan helpen om koralen te laten herstellen, wat werkt als een natuurlijk medicijn. Het leveren van deze microben aan de uitgestrekte, diepe en vaak afgelegen gebieden van een rif is echter een enorme logistieke uitdaging. Het handmatig doen hiervan vereist dat duikers naar elke individuele koraalkolonie zwemmen, een proces dat traag, duur en onmogelijk op te schalen is naar de omvang van het probleem.

Om deze flessenhals op te lossen, hebben onderzoekers aan de King Abdullah University of Science and Technology de eerste geautomatiseerde onderwatermachine gebouwd die ontworig is om deze gunstige microben direct aan koraalriffen te leveren. Dit apparaat is een zelfstandige eenheid die op de oceaanbodem staat, een voorraad van de microbiële oplossing bevat en deze gedurende een lange periode in precieze doses afgeeft. Het systeem werd getest in de Rode Zee, waar het succesvol functioneerde op een diepte van 9 meter gedurende weken achter elkaar. Het bleek in staat te zijn om twee liter van de probiotische oplossing over een maand te verdelen, waarbij het betrouwbaar bleef werken zelfs wanneer de watertemperatuur schommelde tussen de 25 en 32 graden Celsius. De machine maakt gebruik van een eenvoudig maar effectief ontwerp: het bewaart de microben in spuiten die constant worden geroerd door een magnetisch mechanisme om te voorkomen dat de cellen bezinken, en pompt vervolgens de vloeistof door buizen naar de koraalkolonies.

De kern van de uitvinding is een waterdichte doos die een batterij, een computercontroller en verschillende kleine pompen bevat. De onderzoekers kozen voor een ontwerp dat ervoor zorgt dat de machine zonder menselijke tussenkomst kan worden ingezet. Voordat het apparaat in het water gaat, programmeren wetenschappers het met een schema voor wanneer en hoeveel oplossing er moet worden afgegeven. Eenmaal onder water wordt de machine op de juiste tijd wakker, roert het microbiële mengsel om ervoor te zorgen dat het klaar is voor gebruik, en duwt vervolgens de vloeistof naar buiten. Om ervoor te zorgen dat de vloeistof soepel stroomt en niet vast komt te zitten in de buizen, bevat het systeem kleine luchtkamers die de drukpieken van de pompen absorberen. Er is zelfs een vijfde pomp toegevoegd om de buizen na de behandeling door te spoelen met zeewater, zodat de delicate microben het systeem niet verstoppen.

Het testen van het apparaat vereiste het bewijs dat het de druk van de diepe oceaan en de verschillende diktes van de microbiële vloeistoffen kon verwerken. In het laboratorium onderdompelden het team de machine in een tank en verhoogden zij de druk totdat deze het equivalent bereikte van 25 meter diepte. Ze ontdekten dat terwijl de buitenkant van de behuizing druk kon weerstaan tot 70 meter, de pompen zelf minder effectief werkten voorbij 25 meter. Dit stelde een duidelijke limiet vast voor de diepte waar het apparaat kan opereren. Ze testten ook hoe goed de machine omging met vloeistoffen die dikker of dunner waren, waarbij verschillende soorten microbiële oplossingen werden gesimuleerd, en bevestigden dat de pompen de juiste hoeveelheid konden leveren, ongeacht de consistentie van de vloeistof.

De meest kritieke test was echter of de gunstige microben lang genoeg in de machine zouden overleven om hun werk te kunnen doen. De onderzoekers plaatsten de microben in de spuiten en hielden ze in de machine gedurende twee weken, waarbij de omstandigheden van een echte inzet werden nagebootst. Ze controleerden het aantal levende cellen aan het begin en het einde van de periode en stelden vast dat de populatie stabiel bleef. Toen ze de machine naar het rif in de Rode Zee brachten en deze wekenlang lieten draaien, bleef het apparaat precies zoals geprogrammeerd roeren en pompen. Duikers die de machine controleerden, bevestigden dat de spuitmonden de oplossing afgaven en dat de koraalkolonies de behandeling ontvingen. De batterij ging meer dan 700 uur continu door, wat bewees dat een enkele lading het apparaat een hele maand lang kon ondersteunen.

Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts om koraalherstel op grote schaal praktisch uitvoerbaar te maken. Door de noodzaak weg te nemen voor duikers om behandelingen handmatig toe te dienen, opent het systeem de deur naar het toepassen van deze microbiële therapieën over veel grotere gebieden van het rif. De onderzoekers hebben aangetoond dat de technologie robuust genoeg is om de variabele omstandigheden van de oceaan te hanteren, van veranderende temperaturen tot de fysieke druk van het water. Hoewel het apparaat een dieptelimiet heeft van 25 meter, wat veel ondiepe rifgebieden beslaat, suggereert het vermogen om wekenlang autonoom te opereren een toekomst waarin rifbeheerders vloten van deze machines kunnen inzetten om hele secties van een rif te beschermen. De studie bevestigt dat geautomatiseerde levering niet alleen een theoretisch idee is, maar een werkende realiteit die het bredere doel kan ondersteunen om koraalriffen te redden van de toenemende bedreigingen van klimaatverandering.