Автор: Фредерик Ферако

Проводимая на базе Huntington Station (Нью-Йорк) научно-исследовательская программа Walt Whitman High School рассчитана на студентов 9-12 классов, заинтересованных в исследованиях. Эта программа предлагает студентам возможность развивать их способности проведения независимого научного исследования в процессе годового проекта в области естествознания, математики или технологий.

Исследовательская группа встречается ежедневно в течение всего года. Прогресс каждого студента оценивается по соответствию требованиям курса, включая завершение основного научного проекта. Прогресс каждого студента оценивается по успешному завершению всех задач курса с акцентом на план исследования и умение подавать материал (в том числе в письменном виде). Поддерживалось стремление участников курса продолжать исследовательскую программу на протяжении всех старших классов.

История
В 2016 году школа Walt Whitman High School модернизировала свою научно-исследовательскую программу. Учитель и руководитель научных исследований, Фредерик Ферако, хотел перевести научные исследования в классах на новый уровень. Джо Рачиоппи и Пол Олсен из Fishlife Aquarium (Южный Хантингтон) предложили идею создания теоретической системы аквакультуры кораллов, которая могла бы стать основой исследовательской программы. Школа поддержала идею. Компания Fishlife подарила школе систему, договорившись, что она станет частью студенческого исследования, где студенты будут принимать практическое участие в исследованиях вместе с экспертами, учеными, энтузиастами и профессионалами. Пожертвования, спонсоры и гранты на исследовательские программы играют ключевую роль в развитии столь тщательно разработанной системы, как данная система аквакультуры.

Цели
1. Расширение возможности практических исследований посредством участия студентов в установке и обслуживании основных функций системы аквакультуры кораллов.

2. Создание команды студентов для проекта в соответствии с конкретными интересами студентов или образовательными целями. Студенты будут организованы в функциональную команду, которая будет не только поддерживать основные принципы содержания здоровых систем аквакультуры кораллов, но и способствовать тимбилдингу и развитию навыков межличностного общения, необходимых для достижения успеха в современной профессиональной деятельности.

3. Участие в научно-исследовательских соревнованиях для старших классов на высоком уровне с результатами исследования аквакультуры кораллов.

Дизайн этой системы и идеи в отношении функциональности стали причиной ее использования для студенческих исследований. Пол Олсен из Fishlife Aquarium сначала отправил мне свой план дизайна. Пол и Джо страстно увлечены аквакультурой и всячески поддерживают студенческие исследования. Затем они объяснили подробно, как должна работать система.


Предлагаю краткий обзор системы фильтрации, которую я разработал для системы с фрагами. Все ее компоненты играют важную роль и должны быть в определенном порядке. В целом, система фильтрации создана так, чтобы вода проходила из аквариума в глубокий песчаный слой (Deep Sand Bed), к Chaeto (водоросли Chaetomorpha), к живым камням, к скиммеру, к кальциевому реактору и, наконец, к возвратной помпе, которая направляет отфильтрованную воду обратно в аквариум. Важно отметить, что доступная широкой аудитории информация, как правило, предлагается производителями аквариумного оборудования, а, следовательно, объясняется коммерческим интересом. Существует лишь небольшой процент людей в аквариумистике, мотивированных научным интересом, которые и могут считаться надежным источником информации. На рынке представлено множество вариантов оборудования, и большинство отлично работает. Данная система основана на моем личном 4-летнем исследовательском проекте в сочетании с моим опытом в качестве аквариумиста.

Глубокий песчаный слой
Данный компонент – очень спорный аспект рифовой аквариумистики. Подавляющее большинство аквариумистов использует рукавные (чулочные) фильтры или губки для механической фильтрации крупных частиц отходов и мусора. Глубокий песчаный слой (deep sand bed, DSB) выполняет эту функцию и многие другие. Большинство риферов полагается на многочисленные мифы и неточную информацию, доступную в отношении DSB. Принцип действия основан на том, что естественным образом происходит в океане. Все рифы окружены DSB. Твердые отходы от рыб, кораллов и других источников сносятся потоком воды от рифа и в результате оседают на океаническом дне (DSB). А там миллионы форм жизни, от микроскопических до мелких существ, населяют DSB. Аэробные организмы живут ближе к поверхности, тогда как анаэробные организмы обитают на большей глубине в песке. Все они принимают участие в переработке отходов; обычно отходы служат им в качестве источника пищи. Растворенные органические отходы удаляются из воды другими способами (скиммер/живые камни). Чтобы глубокий песчаный слой в аквариуме был эффективным, его глубина должна быть не менее 4″ (около 10 см), а желательно – ближе к 6″ (около 15 см). Необходимо также создать стабильный мягкий поток, чтобы жесткие отходы могли «оседать» на песчаном слое. При этом в песчаном слое не должно быть каких-либо закапывающихся или перемещающих песок животных, способных повредить структуру песчаного слоя. Существует множество преимуществ использования DSB. Это самостоятельно регулирующиеся организмы, популяции которых увеличиваются и уменьшаются в зависимости от количества жестких отходов, им не требуется уход; при этом отсутствует человеческий фактор, когда аквариумист забывает регулярно чистить и менять чулочные фильтры и губки; кроме того, эти организмы обеспечивают дополнительные источники пищи для обитателей рифа (существа, перерабатывающие жесткие отходы, также выступают в качестве пищи для кораллов, рыб и других рифовых обитателей).

Chaeto
Водоросли Chaetomorpha – разновидность макроводорослей (морские растения привычного внешнего вида) в отличие от микроводорослей (одноклеточных растений, которые покрывают все в аквариуме и доставляют массу неудобств). Их помещают в систему фильтрации для вытеснения микроводорослей в борьбе за питательные вещества, необходимые водорослям. Выбор остановился на Chaeto, потому что они очень эффективны в потреблении нитратов и фосфатов, которые удаляются из аквариума вместе с излишками самих разросшихся водорослей chaeto, и потому что их рост легко контролировать, т.к. они не пускают корни, побеги или другие средства разрастания (они растут, плавая в воде, при необходимости их можно просто подрезать).


Живые камни
Живые камни, прежде всего, служат убежищем для мелких уязвимых существ, когда те отдыхают от «уборки мусора», но, что самое главное, предлагают обширную площадь поверхности в трещинах и щелях для роста и колонизации бактерий. Эти бактерии обеспечивают азотный цикл. Первое, что происходит с отходами, когда они попадают в свежую чистую соленую воду, они сначала разлагаются, а затем растворяются и превращаются в растворенные органические отходы. Растворенные органические отходы способствуют образованию аммиака, вредного для животных. Затем появляются нитрит-окисляющие бактерии, которые потребляют аммиак. В результате образуются нитриты, также токсичные для животных. Еще один тип бактерий, нитробактер, начинает колонизировать поверхности аквариума и поглощает нитриты. В результате этого процесса образуются нитраты. Подмены воды используются для снижения концентрации нитратов до менее токсичного уровня, или же они удаляются при помощи процесса нитрификации. Для протекания процесса нитрификации в аквариуме необходимо создать анаэробную среду. Здесь на первый план выходят живые камни. В мелких трещинах живых камней отсутствует кислород, поэтому они являются анаэробной средой. Здесь нитраты превращаются в газ, который выводится из воды на поверхности. По мере завершения всех трех процессов считается, что цикл завершен, соответственно, аквариум становится безопасным для запуска в него животных, потому что в нем образовались все три колонии бактерий, которые будут разрастаться или уменьшаться в зависимости от увеличения или уменьшения количества отходов в аквариуме, соответственно, удаляя токсичные элементы, образующиеся в результате разложения органики.

Скиммер


Существует два вида оборудования, жизненно-необходимого для выращивания кораллов (или рифового аквариума). Практически невозможно добиться успеха с кораллами без соответствующего освещения и качественного и эффективного скиммера. Скиммер копирует процесс, который мы наблюдаем, прогуливаясь вдоль пляжа: образование пены на песке, там, где вода встречается с песком. Пена на гребнях волн – также часть процесса. Не углубляясь в технические детали, скиммер впрыскивает огромное количество воздуха и добавляет турбулентность в камеру, где образуются микропузырьки. Электрический заряд на поверхности пузырьков притягивает растворенную в воде органику с противоположным зарядом, а затем воздушные пузырьки поднимают растворенную органику к поверхности воды, где она проходит через узкое горло в чашу, а затем обслуживающий персонал (вы) сливает скиммат из чаши и тем самым удаляет растворенную органику из аквариума.


Кальциевый реактор
Кальциевый реактор – необязательный (дополнительный) компонент оборудования; он используется для восполнения уровня содержания кальция и щелочи, потребленных из воды кораллами для выстраивания скелетов. Необязательным реактор является потому, что эти ионы можно восполнить, увеличив подмены воды. В небольших аквариумах или в системах с небольшим количеством кораллов большинство аквариумистов использует подмены воды для восстановления содержания кальция. Если загрузка системы слишком большая для подмен воды, большинство аквариумистов дозирует кальций и щелочь в жидкой форме для поддержания уровня их содержания в системе. В больших системах или сильно загруженных (кораллами) аквариумах дозирование не будет практичным или эффективным методом. В этом случае лучше подойдет кальциевый реактор. Он работает следующим образом: дробленые скелеты кораллов или другие источники кальция помещаются в камеру реактора, куда с регулируемой скоростью подается CO2 для периодического уменьшения уровня PH воды в камере таким образом, что сырой кальций растворяется, а затем раствор с регулируемой скоростью подается (капельным способом) в аквариум для поддержания в системе уровня содержания кальция около 420 ppm.

Возвратный насос


Система была запущена летом 2017 года. У нас растут представители LPS и SPS кораллов, зоантиды. Каждый день, когда мы занимались системой и ее обитателями, мы узнавали что-то новое. Студенты занимаются изучением различных тем.

В настоящее время в рамках научного исследования студенты:
· Разрабатывают недорогую систему покадровой съемки с микрокомпьютерами для наблюдения за кораллами.
· Разрабатывают алгоритм машинного осмысления для точного считывания параметров воды.
· Занимаются ДНК-кодированием видов кораллов.
· Отслеживают рост SPS, LPS кораллов и зоантид посредством обработки изображений.
· Определяют наиболее эффективный метод истребления Aiptasia.
· Разрабатывают системы для выращивания ротифер.
· Наблюдают за поведением полипов в дневное и ночное время.

Пока что я очень доволен результатами проекта и ежедневно наблюдаю ощутимые преимущества проекта для моих студентов.