Världens första undervattensfarkost designat specifikt för att samla in både biologiska och kemiska prover från havets vattenpelare genomförde framgångsrikt havsförsök utanför New Englands kust den 9 juli, 2017. Det nya autonoma undervattensfordonet, som heter Clio, kommer att hjälpa forskare att bättre förstå havets inre funktioner.

Utvecklat i ett ingenjörssamarbete mellan Woods Hole Oceanographic Institution och University of Texas Rio Grande Valley och i vetenskapligt samarbete med University of Michigan, Clio kommer att förbättra provtagningseffektiviteten och även minska tiden och kostnaderna för breda biogeokemiska undersökningar, som är nödvändiga för att förstå mönster och cykler i det marina näringsnätet och den roll som havet spelar för att forma jordens klimat.

"Det här nya forskningsverktyget kommer att göra det möjligt för oss att snabbare och mer effektivt samla in de prover vi behöver för att förstå hur mikrober förmedlar kretsloppet av element, som kol, i haven, " sa UM marin mikrobiolog Gregory Dick, en medlem i laget.

"Vi vill veta, till exempel, hur havets mikroorganismer kommer att reagera på globala förändringar inklusive stigande temperaturer, ökande koncentrationer av atmosfärisk koldioxid, och ökande havssyrahalt, sa Dick, en docent vid U-M institutionen för geo- och miljövetenskap och på institutionen för ekologi och evolutionsbiologi.

"Det långsiktiga målet för Clio är att sänka barriärerna för att slutföra en global undersökning av marin mikrobiologi och biokemi, " sa John "Chip" Breier, chefsforskare för havsförsöken och ledande huvudutredare för projektet från University of Texas Rio Grande Valley. "I sista hand, Fordonets kapacitet kommer att avsevärt utöka observationskapaciteten hos vår oceanografiska forskningsflotta."

När den väl sänktes från ett skepp, den vertikalt dykande Clio driver sig till botten av havsbotten med hjälp av ett par propeller och stannar sedan på en serie förprogrammerade djup under sin uppstigning för att filtrera vatten och samla prover.

UM-doktoranden Sharon Grim deltog i sjöförsöket den 9 juli och tog tillbaka prover som kommer att analyseras i Dicks labb. DNA och RNA kommer att extraheras och sekvenseras. Forskarna är intresserade av alla marina mikroorganismer, inklusive bakterier, arkéer och mikrobiella eukaryoter, såväl som de virus som infekterar dem.

"Clio provades för mikrober på programmerade djup genom att filtrera havsvattnet, sa Grim. När den väl var tillbaka på skeppet, vi återvann filtren och kommer att extrahera och sekvensera nukleinsyror från dem.

"Denna analys kommer att ge oss den stora bilden av mikrobiella typer, potentiella metabolismer, och aktiviteter i vattenpelaren. Då kan vi koppla denna mikrobiella ögonblicksbild med näringsämnena, spårmetaller och proteiner som vi också samlade in för att förstå mikrobernas roll i den globala elementcykeln."

Det autonoma undervattensfordonet, eller AUV, är ungefär lika stor som ett stort kylskåp, kan dyka till ett maximalt djup av 6, 000 meter (3,7 miles) och kan arbeta under vattnet i 12 till 14 timmar åt gången. Clio återvänder sedan till ytan med högar av filter som representerar 100-tals liter havsvatten som oceanografer kan använda för att mäta den genetiska och funktionella mångfalden av marina mikroorganismer, samt näringsämnen som styr deras mångfald.

"Som en AUV, Clio upptar ett unikt designutrymme, sa Mike Jakuba, chefsingenjör vid WHOI och en huvudutredare på projektet. "AUV:er är vanligtvis utformade för att färdas horisontellt längs havsbotten och för att övervaka på ett relativt konstant djup. Däremot Clio måste färdas vertikalt i vattnet och prova under långa tidsperioder på många djup åtskilda av hundratals till tusentals meter."

För närvarande, forskare samlar in dessa typer av marina prover genom att använda batteridrivna pumpar, sänkt ner till olika havsdjup på en vajer. Pumparna suger havsvatten genom ett filter som fångar upp partiklar. När pumparna är tillbaka på däck, huvudena som innehåller filtren tas bort och förs till ett labb för analys.

På stora expeditioner som undersöker hela havsbassänger, Clio kan vara i vattnet och utföra en undersökning, medan andra forskare samtidigt kan ta separata uppsättningar prover med hjälp av trådsystemet.

För att demonstrera denna förmåga under sjöförsök tidigare denna månad ombord på R/V Neil Armstrong, kryssningsvetenskapsfesten använde ett standardtrådmonterat oceanografiskt instrument känt som en CTD-rosett, som mäter konduktivitet, temperatur, och djup, medan Clio samtidigt filtrerade prover på djup några hundra meter bort.

Under expeditionen, Clio genomförde fem dyk, inklusive två dyk till 2, 000 meter (1,2 miles), och filtrerade mer än 1, 000 liter (264 gallon) havsvatten från nio olika djup för mikrobiologisk och biokemisk analys.

"Ur ett urvalsperspektiv, vi var tvungna att designa ett system som var tillräckligt mångsidigt för att möta de vetenskapliga behoven hos ett brett samhälle, enkel nog att fungera snabbt och med lite träning, och tillräckligt kompakt för att passa i AUV-en – en utmaning för att vara säker, sa Breier, en docent vid University of Texas Rio Grande Valley och adjungerad vetenskapsman vid WHOI.

Teammedlemmar hoppas att undersökningar av Clio kan användas för att utöka befintliga provtagningsinsatser, som den långvariga GEOTRACES-studien – en internationell ansträngning för att mäta och studera ett brett spektrum av element, isotoper, och kemikalier i havet – genom att tillhandahålla en biologisk och biokemisk motsvarighet.

"En av de riktigt spännande sakerna är att Clio tillhandahåller den typ av biomassaprover som behövs för de nya "omics"-metoderna för att mäta cellulära molekyler, såsom genomik, proteomik, och metabolomik, sa Mak Saito, en biogeokemist vid Woods Hole Oceanographic Institution och en av Clios huvudutredare.

Genom att analysera biomassan som Clio samlar in, forskare kan berätta vad som lever i vattnet och de näringsämnen de använder för att utföra biologiska funktioner, och lär dig också mer om havets mikrobiome – det mikrobiella systemet som hjälper till att driva livsprocesser och elementarcykler på jorden.

Nästa, Clio kommer att genomgå ett år av vetenskapliga tester i Bermuda med början i april 2018. Finansiering för design och utveckling av Clio tillhandahölls av National Science Foundations Ocean Technology and Interdisciplinary Coordination Program och Gordon and Betty Moore Foundation.