MBARI trabalha na Unlocking Ocean Biology

Os pesquisadores do MBARI dirigem-se para a baía de Monterey para implantar um veículo subaquático autônomo de longo alcance (LR-AUV), um robô subaquático que é programado na superfície e depois viaja debaixo d'água por centenas de quilômetros, medindo a química da água e coletando amostras de água à medida que avança. . Crédito: Brian Kieft (c) 2015 MBARI

AUV de longo alcance do MBARI a bordo do navio de pesquisa Paragon na Baía de Monterey. Crédito: (c) 2018 MBARI

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Uma maior compreensão do que acontece no oceano está começando a se tornar uma realidade – graças ao uso crescente de veículos não tripulados de superfície e submarinos e desenvolvimentos em sensoriamento biológico. Elaine Maslin analisa o que uma equipe do MBARI tem feito.

A coleta de dados biológicos dos oceanos continua sendo um desafio significativo para os oceanógrafos. Agora, uma gama crescente de veículos não tripulados que são capazes de trabalhar juntos está se tornando disponível, assim como a capacidade de coletar dados biológicos usando-os.

Parece direto, mas tradicionalmente a coleta e o processamento de amostras biológicas envolvem a coleta de amostras, geralmente de um navio de pesquisa, que são coletadas e levadas para processamento em um laboratório. O resultado pode ser irregular ou perder eventos significativos.

Também tem sido difícil e impraticável para os veículos subaquáticos, porque eles não são grandes o suficiente para armazenar o número de amostras que seriam necessárias ou transportar o equipamento de laboratório que poderia fazer análises a bordo – até agora.

Uma equipe do Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), com sede em Moss Landing, Califórnia, tem trabalhado em uma solução de sensor chamada “ecogenômica” nos últimos 25 anos e agora está obtendo resultados, como parte de um missões de veículos dentro e abaixo da superfície.
O Dr. Jim Birch, diretor do centro SURF do MBARI, diz que começou com um interesse de grupo em oceanografia microbiana – o estudo dos menores organismos no oceano, incluindo a compreensão de como e por que se formam algas nocivas. O Dr. Birch falou sobre o trabalho e seus resultados no evento Marine Autonomy and Technology Showcase (MATS) do Centro Nacional de Oceanografia em Southampton, no final do ano passado. O resultado é um Processador de Amostras Ambientais (ESP), um sistema robótico compacto que filtra uma amostra de água e depois processa a biomassa para criar amostras analisáveis.

Um veículo subaquático autônomo de longo alcance carregando um ESP é recuperado no R/V Falkor após uma missão.
Crédito: Foto de Thom Hoffman / cortesia do Schmidt Ocean Institute.

O programa ESP foi iniciado pelo atual CEO do MBARI, Chris Scholin, quando ele era um pós-doutorando no MBARI. O objetivo era detectar a proliferação de algas nocivas (HABs) in situ, sem ter que levar amostras para um laboratório. Os primeiros 10 anos se concentraram no desenvolvimento de produtos químicos de detecção que pudessem identificar as algas nocivas. Mas, desde o início, “a ideia de Chris era esquecer as amostras e colocar o laboratório no oceano, enviando apenas os dados de volta”, diz o Dr. Birch. “Um ESP de 'primeira geração' era um robô do tipo beta que foi implantado uma vez no Golfo do Maine para mostrar que funcionaria, o que funcionou.”

Então veio um ESP de segunda geração (2G), que cabe no tamanho de um tambor de 50 galões. Um deles foi implantado por volta de 2006 em Monterey Bay e desde então o projeto foi licenciado para comercialização para McLane Research Laboratories em Falmouth, Massachusetts. Tem sido um “burro de carga” nos últimos 14 anos, diz o Dr. Birch. Os ESPs 1G e 2G eram robôs estáticos, ancorados na água que estão amostrando ou instalados em áreas onde a água pode ser bombeada automaticamente para eles.

“A 'amostra' que o ESP coleta é, na verdade, o material deixado para trás quando você filtra um volume conhecido de água”, explica ele. As amostras podem ser preservadas para análise posterior ou processadas pelo ESP em campo. O processamento requer alguma biologia molecular e, para isso, os microorganismos nas amostras devem ser lisados para liberar seu conteúdo celular. “O ESP usa lise enzimática, abrindo as células com calor e uma enzima especial e criando um homogeneizado ou lisado que pode ser analisado de várias maneiras”, diz o Dr. Birch.

“Vimos desde o início que a mobilidade poderia expandir o potencial do ESP e começamos a perguntar: poderíamos colocar o que havia em um tambor de 50 galões no tamanho de duas bolas de basquete como uma carga útil de AUV?”, diz o Dr. Birch. Acontece que, na época, 5-6 anos atrás, MBARI estava desenvolvendo um AUV de longo alcance (LRAUV) baseado em um AUV da classe Tethys. O resultado é o ESP de 'terceira' geração (3G ESP), com um novo design de cartucho de anel e êmbolos de haste magnéticos. Ele contém dois tipos de cartuchos de amostra, arquivamento, para preservar e armazenar amostras, e o “Lyse-n-go” para processamento e análise em campo.

O LRAUV é um veículo movido a hélice, com 30 cm de diâmetro, 2,3 m de comprimento (3,2 m com 3G-ESP), 120 kg (160 kg com 3G-ESP) com profundidade nominal de 300 m. Ao aprimorar muitos dos sistemas relacionados à propulsão, o LRAUV pode executar missões de 7 a 14 dias antes de precisar ser recuperado e recarregado. Um motor de flutuabilidade interna também permite um controle de profundidade de nível fino, comportamento importante ao tentar amostrar as camadas finas biologicamente ricas encontradas nos oceanos.

Essa tecnologia foi testada durante um projeto com a Universidade do Havaí, que adquiriu três LRAUVs com ESPs. O objetivo era permitir maior acesso ao mar do que o horário do navio permitia, a fim de estudar as populações microbianas que habitam um Deep Chlorophyll Maximum (DCM – uma região de ~120m de profundidade com concentrações máximas de clorofila).

O ponto culminante deste projeto foi em 2018, quando o R/V Falkor (Schmidt Ocean Institute) implantou dois MBARI LRAUVs, Aku com um 3G ESP a bordo e Opah com um pacote de instrumentos padrão, juntamente com um Wave Glider, para estudar um grande , redemoinho de mesoescala (~ 150 milhas de diâmetro) ao norte de Oahu. Aku desceu para localizar o DCM e identificar a temperatura na profundidade de maior fluorescência de clorofila. Ao controlar sua profundidade em função da temperatura, Aku conseguiu permanecer no DCM por quatro dias sem emergir. Enquanto flutuava, Aku bombeou cerca de 1 litro de água do mar através de cada pilha de filtros e, em seguida, preservou o filtrado com RNA-Later, para análises futuras em terra.

Enquanto isso, Opah rastreou Aku usando posicionamento USBL, mantendo Aku no centro de um círculo de 800m de raio, coletando dados contextuais. Acima deles, um Wave Glider também rastreou Aku e forneceu posição e comunicações para o R/V Falkor. Um drogue com uma bóia de superfície também foi lançado para rastrear o centro do redemoinho.

O engenheiro do MBARI, Brent Jones, em uma implantação de teste do AUV "Makai" de longo alcance do MBARI na baía de Monterey. O Makai foi projetado para transportar um Processador de Amostras Ambientais (ESP) de terceira geração. Crédito: Chris Wahl (c) 2016 MBARI

No total, 82 amostras foram coletadas, preservadas e arquivadas em incrementos de um litro em intervalos de três horas ao longo de nove ciclos dia-noite, de dentro, acima ou abaixo do DCM.

“A implantação acabou sendo um grande sucesso, com Ed Delong, que está interessado no tempo das respostas microbianas ao meio ambiente, capaz de coletar amostras de água de um veículo submerso à deriva (ou seja, na mesma massa de água) a cada quatro horas durante quatro dias,” diz o Dr. Birch. “Produziu um conjunto de dados notável, que ele ainda está analisando.”

Em junho de 2019, o MBARI realizou outro projeto de veículo ESP, desta vez mais perto de casa, na Baía de Monterey. Este foi um experimento grande e multiativo que combinou métodos tradicionais de amostragem de água fora do navio com uma frota de MBARI LRAUVs, dois com ESPs, bem como um AUV de imagem i2MAP, um com sensor de bioluminescência, ao lado de Wave Gliders, um Sail Drone com ecossonda e duas outras embarcações de pesquisa, uma com um ROV a bordo que conseguiu coletar dados de vídeo.

Todos eles foram implantados durante uma semana em maio-junho de 2019, a 37 km da costa de Moss Landing, em torno do observatório a cabo Monterey Accelerated Research System (MARS) de 900 m de profundidade, que também possui um sistema de sonar voltado para cima, o Deep Echo-Integrating Marine Observatory System ( DEIMOS), para detectar a vida marinha e que foi capaz de rastrear os AUVs.

O objetivo era observar a migração diurna (dia-noite) do zooplâncton na baía. O uso de vários veículos significava que diferentes camadas da coluna de água em diferentes escalas poderiam ser estudadas ao mesmo tempo. “Neste cruzeiro, conseguimos coletar dados acústicos, genéticos e de bioluminescência de forma autônoma e dados de vídeo por meio do ROV Ventana para combinar com nosso CTD a bordo e amostragem líquida”, disse a pós-doutoranda Katie Pitz, que estava no cruzeiro. “Será emocionante descobrir o que aprendemos por meio desses métodos diferentes.”

Este projeto abriu possibilidades interessantes para pesquisas futuras. Por exemplo, devido à capacidade do DEIMOS de detectar camadas onde a vida marinha se concentra, o processamento em tempo real dos acustogramas pode direcionar veículos para áreas de interesse quase em tempo real.

“Em última análise, estamos trabalhando para mover o processamento para o próprio veículo, para remover completamente um ser humano do processo e fazer com que os veículos procurem ativamente áreas de interesse por conta própria, dados os parâmetros que os humanos forneceram a eles no início do processo. experiência,” diz o Dr. Birch. “Este é o futuro.”

Também há mais trabalho a ser feito no ESP. O processamento de amostras in situ (lise e análise) pode ser feito, mas os cartuchos que executam esses processos podem ser mais fáceis de usar, diz o Dr. Birch. “Estamos avançando com um redesenho sério com confiabilidade e usabilidade em primeiro lugar. Nossos esforços atuais estão focados na simplicidade, confiabilidade e capacidade de fabricação”. A produção em massa de peças também ajudaria a reduzir custos e, portanto, levaria mais pessoas a usar essa tecnologia. Mas há mais por vir. “Estamos desenvolvendo uma capacidade remota e autônoma de qPCR e explorando a possibilidade de sequenciamento de genes in situ”, diz Birch. Isso aumentaria ainda mais a capacidade do ESP.

Esses movimentos tornariam o equipamento mais fácil de usar por outros pesquisadores em todo o mundo e aumentariam ainda mais o quanto entendemos sobre o oceano.