MBARI trabaja en el desbloqueo de la biología oceánica

Los investigadores de MBARI se dirigen a la Bahía de Monterey para desplegar un vehículo submarino autónomo de largo alcance (LR-AUV), un robot submarino que se programa en la superficie y luego viaja bajo el agua cientos de millas, midiendo la química del agua y recolectando muestras de agua a medida que avanza. . Crédito: Brian Kieft (c) 2015 MBARI

AUV de largo alcance de MBARI a bordo del buque de investigación Paragon en la Bahía de Monterey. Crédito: (c) MBARI 2018

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Una mayor comprensión de lo que sucede en el océano está comenzando a convertirse en una realidad, gracias al uso creciente de vehículos submarinos y de superficie no tripulados y los avances en la detección biológica. Elaine Maslin echa un vistazo a lo que ha estado haciendo un equipo en MBARI.

La recopilación de datos biológicos de los océanos sigue siendo un desafío importante para los oceanógrafos. Ahora, una gama cada vez mayor de vehículos no tripulados que pueden trabajar juntos está disponible, al igual que la capacidad de recopilar datos biológicos a través de ellos.

Suena sencillo, pero tradicionalmente la recolección y el procesamiento de muestras biológicas ha implicado la recolección de muestras, generalmente de un barco de investigación, que luego se recolectan y procesan en un laboratorio. El resultado puede ser irregular o pasar por alto eventos significativos.

También ha sido difícil y poco práctico para los vehículos submarinos, porque no son lo suficientemente grandes para almacenar la cantidad de muestras que se necesitarían o llevar el equipo de laboratorio que podría hacer análisis a bordo, hasta ahora.

Un equipo del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI), con sede en Moss Landing, California, ha estado trabajando en una solución de sensor llamada "ecogenómica" durante los últimos 25 años y ahora ha estado obteniendo resultados, como parte de múltiples misiones de vehículos en y debajo de la superficie.
El Dr. Jim Birch, director del centro SURF de MBARI, dice que comenzó con un interés grupal en la oceanografía microbiana: el estudio de los organismos más pequeños en el océano, incluida la comprensión de cómo y por qué se forman las floraciones de algas nocivas. El Dr. Birch habló sobre el trabajo y sus resultados en el evento Marine Autonomy and Technology Showcase (MATS) del Centro Nacional de Oceanografía en Southampton, a fines del año pasado. El resultado es un Environmental Sample Processor (ESP), un sistema robótico compacto que filtra una muestra de agua y luego procesa la biomasa para crear muestras analizables.

Un vehículo submarino autónomo de largo alcance que lleva un ESP se recupera en el R/V Falkor después de una misión.
Crédito: Foto de Thom Hoffman / cortesía de Schmidt Ocean Institute.

El programa ESP fue iniciado por el actual CEO de MBARI, Chris Scholin, cuando era un posdoctorado en MBARI. El objetivo era poder detectar la proliferación de algas nocivas (HAB) in situ, sin tener que llevar muestras a un laboratorio. Los primeros 10 años se centraron en desarrollar químicas de detección que pudieran identificar las algas dañinas. Pero, desde el principio, "la idea de Chris fue olvidar las muestras y poner el laboratorio en el océano, enviando solo los datos", dice el Dr. Birch. "Un ESP de 'primera generación' era un robot de tipo beta que se desplegó una vez en el Golfo de Maine para demostrar que funcionaría, y así fue".

Luego vino un ESP de segunda generación (2G), que cabe en el tamaño de un tambor de 50 galones. Uno se implementó alrededor de 2006 en la Bahía de Monterey y desde entonces el diseño obtuvo la licencia para su comercialización a McLane Research Laboratories en Falmouth, Massachusetts. Ha sido un "caballo de batalla" durante los últimos 14 años, dice el Dr. Birch. Tanto los ESP 1G como los 2G eran robots estáticos, amarrados en el agua que están muestreando o instalados en áreas donde se les puede bombear agua automáticamente.

“La 'muestra' que recoge el ESP es en realidad material que queda cuando se filtra un volumen conocido de agua”, explica. Las muestras pueden conservarse para un análisis posterior o ser procesadas por el ESP en el campo. El procesamiento requiere algo de biología molecular y, para ello, los microorganismos de las muestras deben lisarse para liberar su contenido celular. “El ESP utiliza la lisis enzimática, rompiendo las células con calor y una enzima especial y creando un homogeneizado o lisado que luego se puede analizar de varias maneras”, dice el Dr. Birch.

“Desde el principio vimos que la movilidad podía expandir el potencial del ESP y comenzamos a preguntarnos, ¿podríamos poner lo que había en un bidón de 50 galones en el tamaño de dos pelotas de baloncesto como carga útil AUV?”, dice el Dr. Birch. Dio la casualidad de que, en ese momento, hace 5 o 6 años, MBARI estaba desarrollando un AUV de largo alcance (LRAUV) basado en un AUV de clase Tethys. El resultado es el ESP de 'tercera' generación (3G ESP), con un nuevo diseño de cartucho de anillo y émbolos de varilla de empuje magnéticos. Contiene dos tipos de cartuchos de muestra, archivo, para conservar y almacenar muestras, y el "Lyse-n-go" para procesamiento y análisis en el campo.

El LRAUV es un vehículo propulsado por hélice, de 30 cm de diámetro, 2,3 m de largo (3,2 m con 3G-ESP), 120 kg (160 kg con 3G-ESP) y profundidad nominal de 300 m. Al perfeccionar muchos de los sistemas relacionados con la propulsión, el LRAUV puede ejecutar misiones de 7 a 14 días antes de que sea necesario recuperarlo y recargarlo. Un motor de flotabilidad interno también permite un control de profundidad de nivel fino, un comportamiento importante cuando se intenta tomar muestras de las capas delgadas biológicamente ricas que se encuentran en los océanos.

Esta tecnología se puso a prueba durante un proyecto con la Universidad de Hawái, que adquirió tres LRAUV con ESP. El objetivo era permitir un mayor acceso al mar que el que permitía el horario de sus barcos para estudiar las poblaciones microbianas que habitan en un máximo de clorofila profunda (DCM, una región de ~120 m de profundidad con concentraciones máximas de clorofila).

La culminación de este proyecto fue en 2018, cuando el R/V Falkor (Schmidt Ocean Institute) desplegó dos MBARI LRAUV, Aku con un 3G ESP a bordo y Opah con un paquete de instrumentos estándar, junto con un Wave Glider, para estudiar un gran , remolino de mesoescala (~ 150 millas de ancho) al norte de Oahu. Aku descendió para ubicar el DCM e identificar la temperatura en la profundidad de mayor fluorescencia de clorofila. Al controlar su profundidad en función de la temperatura, Aku pudo permanecer en el DCM durante cuatro días sin salir a la superficie. Mientras estaba a la deriva, Aku bombeó ~1 litro de agua de mar a través de cada pila de filtros y luego conservó el filtrado con RNA-Later, para futuros análisis en tierra.

Mientras tanto, Opah rastreó a Aku usando el posicionamiento USBL, manteniendo a Aku en el centro de un círculo de 800 m de radio, recopilando datos contextuales. Por encima de ellos, un Wave Glider también rastreó a Aku y proporcionó la posición y las comunicaciones al R/V Falkor. También se lanzó un embudo con una boya de superficie para rastrear el centro del remolino.

El ingeniero de MBARI Brent Jones en un despliegue de prueba del AUV de largo alcance "Makai" de MBARI en la Bahía de Monterey. Makai está diseñado para llevar un procesador de muestras ambientales (ESP) de tercera generación. Crédito: Chris Wahl (c) 2016 MBARI

En total, se recolectaron, conservaron y archivaron 82 muestras en incrementos de un litro en intervalos de tres horas durante nueve ciclos de día y noche, desde dentro, por encima o por debajo del DCM.

“El despliegue resultó ser un gran éxito, con Ed Delong, quien está interesado en el momento de las respuestas microbianas al medio ambiente, capaz de recolectar muestras de agua de un vehículo sumergido a la deriva (es decir, en la misma masa de agua) cada cuatro horas. durante cuatro días”, dice el Dr. Birch. "Produjo un conjunto de datos notable, que todavía está analizando".

En junio de 2019, MBARI llevó a cabo otro proyecto de vehículo ESP, esta vez más cerca de casa en la Bahía de Monterey. Este fue un gran experimento de múltiples activos que combinó métodos tradicionales de muestreo de agua fuera del barco con una flota de MBARI LRAUV, dos con ESP, así como un AUV de imágenes i2MAP, uno con un sensor de bioluminiscencia, junto con Wave Gliders, un dron de vela con ecosonda y otros dos barcos de investigación, uno con un ROV a bordo que pudo recopilar datos de video.

Todos estos se desplegaron durante una semana en mayo-junio de 2019, a 37 km de la costa de Moss Landing, alrededor del observatorio cableado del Sistema de Investigación Acelerada de Monterey (MARS) de 900 m de profundidad, que también tiene un sistema de sonar que mira hacia arriba, el Sistema de Observatorio Marino de Integración de Eco Profundo ( DEIMOS), para detectar vida marina y que pudo rastrear los AUV.

El objetivo era observar la migración diurna (día-noche) del zooplancton en la bahía. El uso de varios vehículos significaba que se podían estudiar al mismo tiempo diferentes capas de la columna de agua a diferentes escalas. “En este crucero, pudimos recopilar datos acústicos, genéticos y de bioluminiscencia de forma autónoma y datos de video a través de ROV Ventana para que coincidan con nuestro CTD a bordo y el muestreo de red”, dice la becaria postdoctoral Katie Pitz, que estaba en el crucero. "Será emocionante descubrir lo que hemos aprendido a través de estos diferentes métodos".

Este proyecto ha abierto interesantes posibilidades para futuras investigaciones. Por ejemplo, debido a la capacidad de DEIMOS para detectar capas donde se congrega la vida marina, el procesamiento en tiempo real de los acustogramas podría dirigir los vehículos a áreas de interés casi en tiempo real.

“En última instancia, estamos trabajando para trasladar el procesamiento al vehículo mismo, para eliminar por completo a un humano del proceso y hacer que los vehículos busquen activamente áreas de interés por su cuenta, dados los parámetros que los humanos les han proporcionado al comienzo del proceso. experimento”, dice el Dr. Birch. “Este es el futuro”.

También hay más trabajo por hacer en el ESP. Se puede realizar el procesamiento de muestras in situ (lisis y análisis), pero los cartuchos que realizan estos procesos podrían ser más fáciles de usar, dice el Dr. Birch. “Estamos impulsando un rediseño serio con confiabilidad y facilidad de uso a la vanguardia. Nuestros esfuerzos actuales se centran en la simplicidad, la confiabilidad y la capacidad de fabricación”. La producción masiva de piezas también ayudaría a reducir costos y, por lo tanto, lograría que más personas usen esta tecnología. Pero hay más por venir. “Estamos desarrollando una capacidad de qPCR remota y autónoma, y explorando la posibilidad de la secuenciación de genes in situ”, dice Birch. Eso impulsaría aún más la capacidad del ESP.

Estos movimientos harían que el equipo fuera más fácil de usar por otros investigadores en todo el mundo y aumentarían aún más cuánto entendemos sobre el océano.