's Werelds eerste onderwatervoertuig dat speciaal is ontworpen om zowel biologische als chemische monsters uit de oceaanwaterkolom te verzamelen, heeft op 9 juli met succes proefvaarten voor de kust van New England voltooid 2017. Het nieuwe autonome onderwatervoertuig, genaamd Clio, zal wetenschappers helpen de innerlijke werking van de oceaan beter te begrijpen.

Ontwikkeld in een technische samenwerking tussen Woods Hole Oceanographic Institution en de Universiteit van Texas Rio Grande Valley en in wetenschappelijke samenwerking met de Universiteit van Michigan, Clio zal de efficiëntie van de bemonstering verbeteren en ook de tijd en kosten van brede biogeochemische onderzoeken verminderen, die nodig zijn om patronen en cycli van het mariene voedselweb te begrijpen en de rol die de oceaan speelt bij het vormgeven van het klimaat op aarde.

"Dit nieuwe onderzoeksinstrument stelt ons in staat om sneller en efficiënter de monsters te verzamelen die we nodig hebben om te begrijpen hoe microben de cycli van elementen bemiddelen, zoals koolstof, in de oceanen, " zei UM-marien microbioloog Gregory Dick, een lid van het team.

"Wij willen weten, bijvoorbeeld, hoe micro-organismen in de oceaan zullen reageren op wereldwijde veranderingen, waaronder stijgende temperaturen, toenemende concentraties van atmosferisch koolstofdioxide, en toenemende zuurgraad van de oceaan, " zei Dik, een universitair hoofddocent bij de UM-afdeling Aard- en Milieuwetenschappen en bij de afdeling Ecologie en Evolutionaire Biologie.

"Het langetermijndoel van Clio is om de drempel te verlagen voor het voltooien van een wereldwijd onderzoek naar mariene microbiologie en biochemie, " zei John "Chip" Breier, hoofdwetenschapper van de proefvaarten en hoofdonderzoeker van het project van de Universiteit van Texas Rio Grande Valley. "Uiteindelijk, de capaciteiten van het voertuig zullen de waarnemingscapaciteit van onze oceanografische onderzoeksvloot aanzienlijk vergroten."

Eenmaal van een schip neergelaten, de verticaal duikende Clio stuwt zichzelf naar de bodem van de zeebodem met behulp van een paar stuwraketten en stopt vervolgens op een reeks voorgeprogrammeerde diepten tijdens zijn opstijging om water te filteren en monsters te verzamelen.

U-M-promovendus Sharon Grim nam deel aan de proefvaart van 9 juli en nam monsters mee die in Dick's lab zullen worden geanalyseerd. DNA en RNA zullen worden geëxtraheerd en gesequenced. De onderzoekers zijn geïnteresseerd in alle mariene micro-organismen, inclusief bacteriën, archaea en microbiële eukaryoten, evenals de virussen die ze infecteren.

"Clio bemonsterd op microben op geprogrammeerde diepten door het zeewater te filteren, "Zei Grim. "Toen het terug op het schip was, we hebben de filters teruggevonden en zullen er nucleïnezuren uit extraheren en sequencen.

"Deze analyse geeft ons het grote beeld van de microbiële typen, potentiële metabolismes, en activiteiten in de waterkolom. Dan kunnen we deze microbiële momentopname koppelen aan de voedingsstoffen, sporenmetalen en eiwitten die we ook hebben verzameld om de rol van microben in de wereldwijde elementcyclus te begrijpen."

Het autonome onderwatervoertuig, of AUV, is ongeveer zo groot als een grote koelkast, kan duiken tot een maximale diepte van 6, 000 meter (3,7 mijl) en kan 12 tot 14 uur per keer onder water werken. Clio keert vervolgens terug naar de oppervlakte met stapels filters die honderden liters zeewater vertegenwoordigen die oceanografen kunnen gebruiken om de genetische en functionele diversiteit van mariene micro-organismen te meten, evenals voedingsstoffen die hun diversiteit beheersen.

"Als AUV, Clio bezet een unieke ontwerpruimte, " zei Mike Jakuba, hoofdingenieur bij WHOI en hoofdonderzoeker van het project. "AUV's zijn meestal ontworpen om horizontaal over de zeebodem te reizen en op een relatief constante diepte te onderzoeken. Clio moet verticaal in het water reizen en gedurende lange tijd monsters nemen op vele diepten, gescheiden door honderden tot duizenden meters."

Momenteel, onderzoekers verzamelen dit soort zeemonsters met behulp van op batterijen werkende pompen, op een draad naar verschillende diepten van de oceaan neergelaten. De pompen zuigen zeewater aan door een filter dat deeltjes opvangt. Als de pompen weer aan dek zijn, de koppen met de filters worden verwijderd en voor analyse naar een laboratorium gebracht.

Op grote expedities die hele oceaanbekkens overzien, Clio kan in het water een onderzoek doen, terwijl andere onderzoekers tegelijkertijd afzonderlijke sets monsters kunnen nemen met behulp van het draadsysteem.

Om dit vermogen te demonstreren tijdens proefvaarten eerder deze maand aan boord van de R/V Neil Armstrong, de cruisewetenschapspartij zette een standaard op een draad gemonteerd oceanografisch instrument in, bekend als een CTD-rozet, die geleidbaarheid meet, temperatuur, en diepte, terwijl Clio tegelijkertijd monsters filterde op een diepte van een paar honderd meter.

Tijdens de expeditie, Clio maakte vijf duiken, inclusief twee duiken naar 2, 000 meter (1,2 mijl), en gefilterd meer dan 1, 000 liter (264 gallons) zeewater uit negen verschillende diepten voor microbiologische en biochemische analyse.

"Vanuit het steekproefperspectief we moesten een systeem ontwerpen dat veelzijdig genoeg was om te voldoen aan de wetenschappelijke behoeften van een brede gemeenschap, eenvoudig genoeg om snel en met weinig training te werken, en compact genoeg om in de AUV te passen - een uitdaging om zeker te zijn, zei Breijer, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Texas Rio Grande Valley en adjunct-wetenschapper bij WHOI.

Teamleden hopen dat enquêtes van Clio kunnen worden gebruikt om bestaande steekproefinspanningen uit te breiden, zoals de langlopende GEOTRACES-studie - een internationale inspanning om een ​​breed spectrum aan elementen te meten en te bestuderen, isotopen, en chemicaliën in de oceaan - door een biologische en biochemische tegenhanger te bieden.

"Een van de echt opwindende dingen is dat Clio het type biomassamonsters levert dat nodig is voor de nieuwe 'omics'-benaderingen voor het meten van cellulaire moleculen, zoals genomica, proteomica, en metabolomica, " zei Mak Saito, een biogeochemicus bij de Woods Hole Oceanographic Institution en een van de hoofdonderzoekers van Clio.

Door analyse van de biomassa die Clio verzamelt, wetenschappers kunnen zien wat er in het water leeft en welke voedingsstoffen ze gebruiken om biologische functies uit te voeren, en leer ook meer over het microbioom van de oceaan - het microbiële systeem dat helpt bij het aansturen van levensprocessen en elementaire cycli op aarde.

Volgende, Clio zal vanaf april 2018 een jaar wetenschappelijk testen ondergaan in Bermuda. De financiering voor het ontwerp en de ontwikkeling van Clio werd verstrekt door het Ocean Technology and Interdisciplinair Coördinatieprogramma van de National Science Foundation en de Gordon and Betty Moore Foundation.