珊瑚礁方舟:用于组装珊瑚礁群落的 原位 介观和工具包

在全球范围内，珊瑚礁生态系统正在经历从高生物多样性、以珊瑚为主的底栖群落向以草皮和肉质大型藻类为主的低多样性群落的过渡1，^2，3。几十年来在描述珊瑚礁退化机制方面取得的进展揭示了微生物和大型生物群落之间的联系如何加快了这些转变的速度和严重程度。例如，人类对珊瑚礁的过度捕捞引发了营养级联，其中来自未放牧藻类的过量光合作用衍生糖将能量分流到珊瑚礁微生物群落中，从而推动发病机制并导致珊瑚衰退⁴，^5，6。由于^{水质下降导致}珊瑚礁生物多样性的丧失，加剧了这种营养降级7^，8。中宇宙水平的实验可用于通过增强生物多样性和改善水质来更好地了解和减轻珊瑚礁群落的营养降级，但后勤挑战使这些研究难以就地实施。

珊瑚礁营养降级的后果是神秘生物多样性的广泛丧失，其中大部分仍未表征^7，9。珊瑚依赖于各种神秘的珊瑚礁生物（"隐生物群"），通过在捕食者防御10，清洁11，放牧竞争藻类¹²，13和珊瑚礁水化学调节^14，15中发挥不可或缺的作用来支持它们的健康。直到最近，由于目视调查的方法限制，珊瑚礁隐生物群在珊瑚礁生态学的背景下代表性不足，知之甚少，因此在恢复或重建珊瑚礁的努力中很少考虑它们。在过去的十年中，使用称为自主珊瑚礁监测结构（ARMS）的标准化定居单元与高通量测序方法相结合，可以更好地收集和表征珊瑚礁隐生物群^16，17。ARMS被动地招募了几乎所有已知珊瑚礁生物多样性的代表，并帮助揭示了神秘生物在珊瑚礁^{规模过程中的许多}功能作用9，^18，19，²⁰，²¹，^22，23。因此，这些定居单位提供了一种机制，将神秘的珊瑚礁生物群与珊瑚一起转移，以便通过生物介导的机制（如放牧、防御和改善当地水质）聚集更完整的珊瑚礁群落，这对于维持营养结构至关重要。

以珊瑚为主的珊瑚礁在高光照、低营养和含氧良好的环境中茁壮成长。城市化、农业和过度捕捞等人类活动通过增加径流中的沉积物、营养物质、金属和其他化合物来降低许多珊瑚礁的水质²⁴，^25，并改变生物地球化学循环²⁶。反过来，这些活动通过窒息，能量消耗，与沉积相关的污染物的输送²⁷，²⁸，促进与珊瑚竞争的大型藻类的生长²⁹，增加微生物病原体的丰度6，^30，31以及创造杀死神秘无脊椎动物的缺氧区来降解珊瑚礁群落^32，33.海洋条件的区域和全球变化加剧了这些和其他"局部影响"，包括温度升高和pH值降低，进一步恶化了珊瑚和其他珊瑚礁生物的状况^34，35。具体而言，在底栖-水界面，底栖生物群落的呼吸和光合动力学导致pH值和溶解氧的波动，在高度退化的珊瑚礁上变得更加明显，从而创造了底栖无脊椎动物无法忍受的条件³²，³⁶，^37，38.因此，提供适当的水质条件对于组建功能正常的珊瑚礁群落至关重要，但这仍然具有挑战性，因为越来越多的珊瑚礁陷入各种退化状态。

底栖生物的珊瑚和基础隐秘分类群面临的许多挑战可以通过搬迁到中水来克服，这里定义为海洋表面和海底之间的水柱设置。在中水环境中，水质改善³⁹，⁴⁰，沉积减少^，与海底的距离抑制了与底栖代谢相关的参数的波动。这些特征通过向近海移动而得到进一步改善，在近海，陆上人为影响，如陆地衍生的径流，随着与海岸的距离而日益稀释。在这里，我们介绍并提供建造，部署和监测珊瑚礁方舟的协议，这种方法利用改善的中水水质条件，并在锚定的，正浮力结构上结合神秘的生物多样性，用于珊瑚礁群落的组装。

珊瑚礁方舟系统或"方舟"由两个主要组成部分组成:（1）悬挂在底栖生物上方的刚性测地平台和（2）生物覆盖或"播种"的ARMS，从附近的底栖地区转移珊瑚礁隐生物群，从而补充自然补充过程，为易位珊瑚提供更多样化和功能性的珊瑚礁群落。选择测地线结构以最大限度地提高强度并最小化建筑材料（从而减轻重量），并创建类似于珊瑚礁矩阵的内部湍流环境。

在两个加勒比海野外地点成功安装了两种设计的方舟，目前正在用于研究珊瑚礁群落的建立和生态演替（图1）。珊瑚方舟结构旨在成为长期研究平台，因此，本手稿的主要重点是描述定位、安装、监测和维护这些结构的协议，以最大限度地提高它们在中水环境中的稳定性和寿命。建模和水中测试相结合，评估结构的阻力特性，并调整设计以承受预期的流体动力。安装后，通过主动易位（珊瑚和播种ARMS单位）和自然补充相结合，在方舟和附近相同深度的底栖控制点建立了珊瑚礁群落。在整个演替早期的几个时间点记录了方舟上的水质条件、微生物群落动态和珊瑚存活情况，并与底栖控制地点进行了比较。迄今为止，与中水珊瑚方舟环境相关的条件相对于相同深度的邻近底栖控制点，对珊瑚及其相关的神秘联盟一直更有利。下面的方法描述了复制珊瑚方舟方法所需的步骤，包括如何选择地点以及设计和部署珊瑚方舟结构。监测珊瑚方舟的建议方法包含在 补充文件1中。

注意:有关 ARMS 和珊瑚方舟结构的制造、部署和监控的详细信息，包括技术图纸、图表和照片，在 补充文件 1 中提供。协议中涉及水下工作的部分，包括方舟和ARMS结构的安装，建议由三名潜水员（水肺潜水）和两名水面支持人员组成的团队进行。

1. 武器组装和部署

注意:ARMS 是由 PVC 或石灰石基材制成的大约 1 英尺 3 英尺^（ 30 厘米³）的结构，模仿礁石硬底基材的三维复杂性。 表1 讨论了考虑到不同项目考虑因素的ARMS的两种设计。建议在转移到方舟之前部署ARMS1-2年，以最大限度地通过神秘生物群进行定植。

1. 聚氯乙烯臂
   注意:本协议中提到的现成组件（并在材料表中列出）使用英制单位进行描述。制造的材料使用公制单位进行描述。详细的制造说明，包括制造组件的技术图纸，在补充文件 1 的第 1 节中提供。
   1. 集会
      1. 将四个 1/4 英寸 20 英寸、8 英寸长的六角头螺栓穿过 1/2 英寸厚的 PVC 底板上的中心孔;然后，将其倒置，使螺栓垂直朝上。
      2. 在每个螺栓上添加一个尼龙垫片，然后添加一个 1/4 英寸厚的 PVC 9 英寸 x 9 英寸板。这将在底板和第一个堆叠板之间创建一个开放层。
      3. 在相对角的两个螺栓上添加一个长交叉垫片，然后在其余螺栓上添加两个短的交叉间隔条，以形成"X"。添加另一个PVC堆叠板以创建封闭层。
      4. 重复步骤1.1.1.2和步骤1.1.1.3，在开放层和闭层之间交替，直到在螺栓上添加七到九个板层（补充文件1-图S5）。
      5. 在每个螺栓的顶部添加一个垫圈、一个六角螺母和一个尼龙插入防松螺母，然后牢固地拧紧。
   2. 对于部署，将组装好的PVC ARMS运输到目标部署地点，在转移过程中用100μm网覆盖ARMS，以保留小型移动无脊椎动物（补充文件1-图S6）。在健康的珊瑚礁群落附近找到一块礁石硬底基质。
      注意:在选择具体部署地点时，应考虑当地法规和许可规定，例如避免美国水域中濒危物种法所列物种的关键栖息地。
      1. 使用 3 英寸长度为 1/2 英寸的钢筋和木槌，通过将略微向外倾斜的钢筋敲入基础石灰石中，使钢筋对底板边缘产生张力，将 ARMS 固定在所有四个角的底栖动物上（图 2A、B）。
      2. 或者，使用重型扎带连接 ARMS 的链条，并用硬化的混凝土袋固定链条的末端（图 2C 和 补充文件 1-图 S6）。
2. 石灰石武器
   1. 对于组装，从 12 英寸 x 12 英寸的未完成石灰石或石灰华瓷砖开始（图 2）。确定石灰石ARMS内部所需的复杂性。
      注意:建议使用 2 厘米³ 立方体。补充文件 1 的第 2 节提供了替代设计和注意事项。
      1. 使用湿瓷砖锯，将几块未完成的瓷砖切成 2 cm² 方形垫片 （~250）。
      2. 将石灰华瓷砖切割成 ARMS 层所需的形状。与 PVC ARMS 类似，使用 12 英寸 x 12 英寸的正方形，并用垫片分层形成 1 英尺³ 的立方体（补充文件 1 图 S8）。
      3. 使用两部分无毒的海洋级环氧树脂，将较小的石灰华片沿着预先绘制的网格图案粘在较大的石灰华分层板上。
      4. 准备几层，当堆叠在一起时，达到所需的 ARMS 高度。让环氧树脂根据制造商的建议固化。
      5. 使用环氧树脂组装 ARMS 堆叠板，将每一层粘在其上方。
         注意:ARMS 高度将根据所需的重量和内部复杂性而有所不同。建议最终尺寸约为 1 英尺³ 。
      6. 在展开前，让环氧树脂在阳光直射下固化24小时。
   2. 对于部署，将组装好的石灰石 ARMS 运输到目标部署地点。在健康的珊瑚礁群落附近找到一块礁石硬底基质。
      注意:具体的部署地点的选择应考虑当地法规和许可规定，例如避免美国水域中濒危物种法案所列物种的关键栖息地。
      1. 使用牛奶箱和升降袋将 ARMS 运送到底栖生物。将石灰岩ARMS楔入死礁基质（活岩）中。避免沙质底部栖息地和那些被草皮藻类或底栖蓝藻垫大量定植的栖息地。
      2. 将石灰石 ARMS 放在岩石悬垂和露头旁边，以保护它们免受波浪作用和风暴潮的影响。

2. 珊瑚方舟组装和部署

注: 表2 讨论了珊瑚方舟在不同项目参数下的设计考虑因素。子元件（支柱、轮毂、平台、系泊部件和正浮力）的尺寸可以根据最终珊瑚方舟结构的所需尺寸和重量进行修改。

1. 锚固系统的安装
   注意:根据现场和项目特定的考虑因素（如方舟设计、风暴频率、底部类型、场地暴露、项目持续时间以及阻力、水流和浮力引起的预期力）选择锚固系统。请参阅 PADI⁴¹ 以深入了解系泊系统选择。
   1. 在沙质底部和松散的瓦砾栖息地使用沙子螺钉。
      1. 将沙子螺钉运送到底栖生物中。将砂螺钉直立，扭转并埋入砂螺钉，直到第一个圆盘被沙子或松散的瓦砾覆盖。
      2. 将一个 5 英尺长的金属旋转杆穿过锚的眼睛，使大部分旋转杆从眼睛的一侧伸出。
      3. 在底栖生物上走路或游泳，将沙子拧入基质，直到只剩下眼睛伸出底栖生物（补充文件1-图S20）。
      4. 以三角形模式安装三个沙螺钉，由链条缰绳连接，以增加保持力（补充文件 1 图 S20）。
   2. 在硬底和碳酸盐岩栖息地使用哈拉斯锚。
      1. 将吊环螺栓中的9-12和潜水钻（电动或气动）运输到锚点。
      2. 使用潜水钻和直径为 1 英寸的砖石孔锯在基岩中钻一个 9 英寸深和 1 英寸宽的孔。使用火鸡棒定期清除孔中多余的基质。
      3. 用波特兰水泥或海洋级环氧树脂填充孔。将吊环螺栓轴推入孔中，并用水泥或环氧树脂填充剩余的间隙。
      4. 让水泥/环氧树脂固化 5 天。
      5. 为了增加保持力，请以三角形模式安装三个 Halas 锚，由链条缰绳连接。
   3. 在有现有系泊块或重型碎片元件的地点使用块式系泊设备。
      注意:安装新的系泊块需要商业级安装设备，例如驳船式起重机，不建议用于范围较小的项目。
      1. 通过硬件和钓具 将 系泊系统连接到现有的重型碎片元件（沉没的船只、发动机缸体）或现有的系泊块眼上。
      2. 确保金属系泊部件由类似金属制成，并使用牺牲阳极防止电偶腐蚀。
2. 1V频率结构（双平台）
   注意:详细的制造说明，包括制造组件的技术图纸，在 第四节 之 补充文件 1.此协议中提到的现成组件（并在 目录） 使用英制单位进行描述。
   1. 1V 测地线框架的组装
      1. 将 1/4-20 不锈钢六角螺母拧到 1/4-20 2.5 英寸不锈钢螺栓上，3/4 处拧到螺栓顶部。将螺栓插入支柱上的一个朝内孔中。
      2. 将防松螺母固定在螺钉的另一侧，将其拧紧，直到它与 PVC 牢固配合，以防止轮毂沿着支柱的长度滑动。
      3. 对支柱的另一侧和其余 29 个支柱重复此操作。
      4. 将每个支柱的末端推入轮毂中的一个孔中，并将另一个螺栓固定在支柱上的外孔中，最后用防松螺母完成以防止支柱滑出轮毂 （补充文件 1-图 S24）。
      5. 对一个轮毂中的所有五个支柱重复此操作，然后继续添加轮毂和支柱，直到组装测地线球体（补充文件 1-图 S24）。
      6. 解开 1/8 不锈钢钢丝绳，开始将其穿过支柱。用尼龙扎带创建 12 个环，大约一银元大小 - 每个集线器一个。当钢丝绳穿过支柱时，将绳子穿过轮毂处的拉链领带环，然后继续到下一个支柱。
         注意:某些支柱将重复。
      7. 继续穿线，直到钢丝绳穿过所有支柱，通过拉链领带环在每个顶点的中间连接。
      8. 将电缆拧回起点。使用钳子拉动拉链领带环，将它们缩小到尽可能小的尺寸，使钢丝绳的长度靠近在一起。将 1/2 英寸的不锈钢电缆夹安装到所有钢丝绳长度上并牢固拧紧。
      9. 对结构的所有顶点重复此操作。
      10. 将钢丝绳的起始长度与末端长度配合，并使用三个 1/2 英寸的电缆夹将它们夹在一起。
          注意:钢丝绳（断裂强度:2，000 磅）现在应支撑放置在结构上的大部分负载，从而大大加强它。
      11. 添加索具系统，该系统由两根长度为 3/8 英寸的不锈钢电缆组成，两端液压锻造到一个眼上。将 PVC 端盖安装在垫片之间，使电缆穿过整个方舟长度，顶部和底部有系泊/浮标绳附件的眼睛。中间的旋转扣系统连接两种长度的不锈钢电缆。
      12. 将电缆的底端穿过方舟的顶部和底部，使用木槌将端盖安装到顶部和底部轮毂上。将吊环螺栓拧入转扣并拧紧，直到结构上有足够的张力使系统刚性（补充文件 1 图 S24）。
      13. 使用重型 250 磅拉链扎带将切割成两个半五边形的每个模制玻璃纤维格板添加到方舟内部，将平台的侧面固定在方舟支柱上（补充文件 1-图 S24）。
      14. 在结构下方，放置一段长度的玻璃纤维工字钢，使其连接玻璃纤维平台的两半。使用两个 1/4 in-20 不锈钢 U 型螺栓固定在平台底部。
      15. 对其他四个工字梁重复此操作，将它们平均分布在平台的长度上。这连接并支撑了平台的两半，创建了一个完整的五边形。
      16. 拧紧平台边缘的重型拉链扎带，并夹掉多余的部分。在此步骤结束时，内部平台牢固地集成到方舟结构中（补充文件1-图S24）。
      17. 使用不锈钢鼠标鼠标旋转扣的末端和所有卸扣。在此步骤结束时，方舟将有两个集成平台，用于硬件连接的顶部和底部附件，以及一根中央电缆，该电缆通过锚固和正浮力 承受 施加在结构上的大部分拉力。
   2. 系泊缆绳连接到测地线框架
      注意:系泊系统的设计应使所有单个系泊部件的断裂强度超过由于环境和极端环境条件而预期的最大载荷。有关在系泊系统设计中使用流体动力学建模的说明，请参阅代表性结果。建议将负载分布在方舟和海底锚固系统上的多个连接点上，因为这会在单个元件发生故障时为系统增加冗余。
      1. 设计系泊缆绳和硬件，以确保方舟底座和锚系统之间的安全连接（有关示例，请参见 图 1 ）。
         注意:建议设计系泊系统，使方舟结构的中线位于 30 m 深度。
      2. 用镣铐将双拼接线的顶部连接到方舟的底座眼睛。将高强度不锈钢旋转卸扣连接到该线的底部（图 1 和补充文件 1-图 S25）。
      3. 将双接头线的顶部连接到旋转卸扣的底部。此行的底部将连接到锚点系统（图 1 和补充文件 1-图 S25）。
   3. 将方舟运送到部署地点
      1. 通过平板卡车 将 方舟运送到部署地点附近的海滩（近岸部署与沙子进入）或船只发射场（船舶部署）。
      2. 使用 1/2 英寸的卸扣将 220 磅的升降袋连接到方舟的顶部不锈钢眼上。
      3. 将系泊缆绳（包括用于连接到海底锚的硬件）连接到方舟的底部。
      4. 对于从没有A型框架或吊架的船只上部署，请将方舟装载到船上，以便可以轻松地将其从船上滚入水中（避免使用高炮的船首或带有舷外发动机的船尾）。
      5. 要从岸上展开，将方舟滚入水中，直到足够深度，使升降袋可以充满空气（图3）。
      6. 游泳、拖曳或将方舟运送到水面的锚定地点（图 3）。
   4. 方舟与系泊系统的连接
      注意:在此阶段，方舟系统用升降袋漂浮在锚固地点上方的表面上。以下任务在水下水肺潜水执行，需要至少三名潜水员的团队。
      1. 慢慢地从提升袋中排出空气，执行受控下降到锚固系统。
      2. 将方舟底部的系泊硬件连接到锚固系统。
      3. 通过在升降袋中充满空气来增加 Arks 系统的正浮力，并检查监测组件的结构完整性。确保卸扣正确就位，锚牢固就位。使用鼠标铁丝鼠标所有镣铐。
      4. 用卸扣将短的双拼接线的眼部连接到方舟系统的顶眼。用卸扣将多形充气系泊浮标连接到该线的另一端（补充文件 1-图 S25）。
      5. 使用连接到压缩空气小马瓶的标准低压空气喷嘴适配器将系泊浮标填充空气，直到它充满大约 75% 的空气。
      6. 慢慢排出升降袋中的空气，然后将其从系统中取出。
      7. 为使用石灰石ARMS的方舟系统添加更大或更多的系泊浮标，或补偿生物质量积累。
   5. 将武器连接到方舟
      1. 从播种位置取回ARMS，并放入衬有100μm网眼的牛奶箱中，以防止生活在ARMS内的小型移动无脊椎动物的损失。
      2. 将 ARMS 转移到阴凉的海水桶中的方舟站点。
      3. 将 ARMS 放在方舟的顶部或底部平台上，将重量均匀地分布在平台上。
      4. 将重型电缆扎带穿过模制玻璃纤维平台和 PVC 或石灰石 ARMS 的底座，然后拧紧以将 ARMS 固定在方舟框架上（补充文件 1-图 S25）。
3. 2V频率结构（外壳）
   注意:详细的制造说明，包括制造组件的技术图纸，在 第三节 之 补充文件 1.
   1. 2V 测地线框架的组装
      1. 根据VikingDome提供的指南组装方舟安装框架（补充文件1-图S11）。
      2. 将垫圈添加到 2.5 英寸长的 10/32 不锈钢螺栓上。将螺栓插入支柱末端的两个孔之一，在内表面（S1 或 S2 支柱专用孔）添加 STAR 连接器，并用防松螺母固定。
      3. 对第二个螺栓孔重复此操作。继续不拧紧防松螺母，直到结构完全组装好（补充文件 1-图 S12）。
      4. 拧紧方舟安装框架。在步骤 2.3.1.1 结束时，支柱-STAR 连接将松散且具有延展性。使用套筒扳手（10 mm 或 3/8 英寸套筒）和飞利浦螺丝刀开始拧紧防松螺母。
      5. 继续整个结构，直到所有防松螺母都拧紧，防松螺母的尼龙嵌件完全啮合在螺栓的螺纹上。
      6. 为系泊缰绳的附件添加垫眼。在方舟底部的不锈钢 S1 支柱上添加一个垫眼，并用四个 3 英寸盘头不锈钢螺栓固定。
      7. 加入 1/4 in-20 防松螺母并拧紧。重复总共五个系泊连接点（补充文件 1 图 S17）。
      8. 将 10 个 ARMS 底板安装到朝中间的 N2 STAR 连接器上。将 3 英寸的盘头螺栓穿过 ARMS 底板上的中心孔。在螺栓轴上添加一个灰色 PVC 支座，并将其穿过 N2 STAR 连接器的中心孔，底板位于结构内。添加垫圈和防松螺母并拧紧。
      9. 添加两个支架，并使用四个 3 1/4 英寸六角头螺栓和防松螺母将 ARMS 底板固定到支柱上。拧紧所有防松螺母。所有 ARMS 底板保持相同的方向（补充文件 1 图 S15）。
      10. 将 20 个珊瑚板底板安装到朝顶的支柱上。将四个 3 英寸六角头螺栓穿过珊瑚板底板上的孔，并使用支架和防松螺母固定在支柱上。对另一侧重复此操作。拧紧防松螺母以固定（补充文件 1 图 S15）。
      11. 在方舟的中央脊柱上添加一个中心杆和拖网浮子。 将一根 8 英尺长的无螺纹玻璃纤维棒插入用方舟底部的焊接管段修改的 STAR 连接器中。 在结构内的无螺纹玻璃纤维杆上添加一个 1 英寸的垫圈和一个未修改的拖网浮子。完成将杆插入方舟的顶部 STAR 连接器。
      12. 将螺栓穿过改装的 STAR 连接器上的金属管，并将防松螺母安装到方舟内的锁杆上。 在拖网浮子（方舟顶部）下方添加一个绿色管夹，然后拧紧。
      13. 安装改装拖网漂浮在顶部朝向 N2 和 N1 STAR 连接器内，中间孔为 1。将玻璃纤维垫圈添加到裸露的螺纹玻璃纤维棒的较长端。
      14. 通过改进的 STAR 连接器孔固定，以便拖网浮在结构内部。添加另一个玻璃纤维清洗机和一个玻璃纤维六角螺母。使用扳手和扭转浮子拧紧（补充文件 1 图 S16）。
   2. 系泊系统连接到测地线框架
      1. 设计系泊缆绳和硬件，以确保方舟底座和锚系统之间的安全连接（例如，请参见 图 1 ）。
         注意:建议设计系泊系统，使方舟结构的中线位于 10 m 深度。
      2. 将方舟结构底部的每个垫眼连接到具有高强度 7/16 英寸不锈钢卸扣的 3/4 英寸光谱线双拼接长度末端的拼接眼图（补充文件 1-图 S17）。
      3. 使用1/2英寸的螺旋销卸扣，将每条光谱线的另一端连接到两个不锈钢主链节之一，使每个链节有两个或三个连接。
      4. 将 3/4 英寸旋转卸扣连接到万事达链节的底部，并将用不锈钢顶针拼接的 1 英寸尼龙线的眼部。
      5. 将 3/4 英寸的卸扣连接到眼睛上，并在尼龙线的另一端安装顶针。此卸扣将连接到锚系统（补充文件 1-图 S17）。
   3. 将2V方舟运送到部署地点
      注意:壳牌方舟的部署需要一艘具有扁平船尾和舷内发动机的船只，以便方舟可以从船甲板上滚入水中，或者一艘带有大型吊架或 A 型框架的船只。
      1. 通过平板卡车 将 方舟运送到码头或码头。
      2. 使用适当大小的叉车将方舟装载到船上（补充文件 1-图 S21）。
      3. 将系泊缆绳和硬件（包括用于连接到海底锚系统的下线和硬件）连接到方舟的底部。
      4. 将方舟运送到锚点（图3）。准备一条与锚固系统深度长度大致相同的线，一端是卸扣，另一端是浮标。
      5. 将绳索的卸扣端连接到锚固系统，浮标端漂浮在水面上。
      6. 将方舟安全地从船尾甲板上滚入水中，或使用吊架或 A 型框架将方舟展开到水中。将线的浮标端连接到正浮力方舟上，使结构漂浮在锚固系统上方。
   4. 方舟与系泊系统的附件
      注意:在此阶段，方舟结构漂浮在锚定地点上方的表面上，集成的浮力元件（浮子）提供浮力。以下任务在水下水肺完成，需要至少三名潜水员和两名水面支持人员组成的团队。
      1. 将块和滑轮系统的顶部块连接到方舟底部的安全连接点，在向海底下降时解开滑轮，然后将底部块连接到锚固系统（补充文件 1-图 S19）。
      2. 将线拉过底部块以接合滑轮，将方舟拉到深处。每次拉动时，线应锁定在夹板中（补充文件 1 图 S19）。
         注意:对于具有高初始正浮力的 Arks 系统，请使用 6:1 的块和钓具系统以获得最大购买量。砝码也可以临时连接到方舟系统，以减少下沉结构所需的浮力。
      3. 继续将方舟拉到深处，直到下线和系泊附件硬件可以连接到锚系统。用铁丝把所有的镣铐都放在鼠标上。
      4. 检查所有系泊部件的完整性。确保卸扣正确就位，锚牢固就位。
      5. 慢慢地将张力从块和钓具传递到系泊系统。拆下块和铲斗、重物和浮标线。
   5. 将武器连接到方舟
      1. 从播种位置取回ARMS，并放入衬有100μm网眼的牛奶箱中，以防止生活在ARMS内的小型移动无脊椎动物的损失。将 ARMS 转移到阴凉的海水桶中的方舟站点。
      2. 操纵 ARMS 通过方舟中线附近的一个较大的三角形开口，使 ARMS 位于结构内部。将 ARMS 牢固地固定在 Ark 框架内部的白色底板上。
      3. 将 1/2 英寸 13 英寸、1.75 英寸长的不锈钢六角头螺栓穿过 ARMS 底板和白色底层 HDPE 底板的开角孔，将不锈钢防松螺母连接到从另一侧突出的螺栓上，然后拧紧直至紧贴。对其他三个面重复此操作（图2D）。
      4. 来回推动 ARMS 以确保牢固连接。
   6. 珊瑚与方舟的附着
      1. 使用 2 英寸长、1/4 英寸 20 英寸的不锈钢六角头螺栓、垫圈和防松螺母，将含有环氧树脂的珊瑚板固定在石灰石瓷砖上的珊瑚板 HDPE 底板上方舟外部。
      2. 使用套筒扳手拧紧防松螺母，将珊瑚板固定到位。

3. 珊瑚方舟监控和维护

注意:补充文件 1 的第 7 节中提供了详细的制造说明，包括制造组件的技术图纸。

1. 测量方舟的水中重量
   1. 将潜水称重传感器连接到块和滑轮系统，用于将系泊缆绳上的张力临时传递到应变片系统。
   2. 将块的底座和钓具连接到方舟系泊系统上的安全位置，例如中间卸扣点或海底锚。将称重传感器的顶部连接到 Ark 安装框架上的安全位置（补充文件 1-图 S33）。
   3. 在不拆卸或改变方舟上的系泊部件的情况下，将缆绳拉过块和处理滑轮系统，使张力从方舟系泊系统传递到滑轮系统，每次拉动时将缆绳固定（补充文件 1-图 S33）。
   4. 确保系泊缆绳完全松弛，以允许应变片收集张力测量值（补充文件 1-图 S33）。
   5. 慢慢地将张力从块和滑轮系统转移到方舟系泊缆绳，检查以确保卸扣和其他系泊部件正确就位并固定。
   6. 对于长期数据收集，将称重传感器作为"在线"组件集成到系泊系统中。定期切换数据记录器以检索数据。
2. 方舟的长期维护
   1. 对方舟系泊系统进行例行检查，并根据需要进行维护工作。
      注:有关维护清单示例，请参阅 补充文件图 S18 。建议每半年维护一次。
   2. 确保锚继续提供最大的保持力（即，不退出基板）。
   3. 清洁系泊缆绳中可能侵入并损害缆绳完整性的污垢生物。
   4. 根据需要更换退化组件，例如牺牲阳极、卸扣和系泊缆绳（补充文件-图 S18）。
   5. 根据需要通过在现有的系泊浮标中添加固定浮标或空气来增加补充浮力，以补偿生物质量积累。

上述方法为珊瑚方舟系统的两种设计提供了组装和安装说明。在长期部署之前，每个设计的原型都在美国圣地亚哥组装和现场测试，以评估阻力特性并根据建模和强度经验值优化结构完整性。补充文件 1 的第 6 节详细介绍了有助于选择和完善此处介绍的两种 Arks 几何形状的建模工作，包括风洞测试、流体动力学模拟和使用原型结构对建模值进行水中验证的结果。此处显示了"壳牌"方舟设计的建模和水中测试结果。然后，在波多黎各和库拉索岛的加勒比海实地地点部署了每种设计的两个结构（总共安装了四个方舟结构），并将珊瑚转移到这些结构上。在跨越6个月的几个时间点收集了与"壳牌"方舟设计和两个海底控制地点相关的水质，微生物群落和珊瑚生存指标，以表征和确定自然补充和添加种子ARMS后与方舟结构相关的环境参数和珊瑚健康的变化。

珊瑚方舟的拖曳特性
重要的是要了解珊瑚方舟的阻力特性，以便设计出能够在目标环境中生存的结构和系泊设备。从结构的角度来看，流体动力阻力与净浮力相结合，在结构内施加载荷，特别是在系泊设备及其锚固系统上。我们进行了建模和实验测量，以估计方舟结构的阻力特性。方舟结构的"壳牌"设计的这些测试结果详述如下。建模是通过估计结构中各个元素的阻力，将这些元素相加，然后将结果组合成有效阻力系数，如公式（1）和公式（2）所示:

（1）

（二）

其中D总计是根据D i元素阻力的总和估计的结构总阻力，CD是整体结构阻力系数，是流体密度，U是物体相对于流体的流动速度，A是结构的正面面积。在这些计算中，这些元素都被假定为圆柱体，它们对流动的方向由方舟结构的直立几何形状决定。建模是在建造最终现场系统之前针对用于拖曳测试（如下所述）的相同原型"壳牌"系统（2V 测地线球）进行的。样机的总正面面积约为2.10 m2，建模结果表明整个结构的有效阻力系数约为0.12。模型预测的结构阻力作为速度的函数如图4所示。

通过将方舟结构拖到船舶后面，将称重传感器与拖曳线和倾斜传感器连接在一起，以记录方舟方向相对于垂直轴的变化，从而获得了在不同流速下将经历的结构阻力的实验估计。在拖曳之前，确定了结构的水中重量，并向结构添加了足够的额外重量，以模拟约200公斤的净浮力（系统的初始目标）。根据牵引电缆的张力和方舟的倾斜角度，使用公式（3）确定每种速度下的阻力（D拖）:

（三）

其中 T 是称重传感器测量的张力，是相对于垂直轴的倾斜角度。由此产生的阻力与速度的关系如图 4 所示。然后使用最佳拟合阻力曲线（ 形式为D拖曳α U2;见 图4）结合锋面面积和水密度的估计值来确定0.13的经验阻力系数。

拖曳测试期间的雷诺数（以及用于建模的范围）通常在 105-10 6 范围内，通常在湍流状态下。在此雷诺数范围内球体的阻力系数的典型值介于 0.2 和 0.4 之间。为了进行比较，图 4 显示了阻力系数为 0.3 的球体的阻力曲线 图。因此，阻力系数的建模和实验估计值比球体小两到三倍，这与结构的更开放特征一致。

为了验证这些建模结果，我们还对两个"壳牌"方舟结构对流动的响应进行了现场测量。为了实现这一目标，在方舟主系泊缆绳上临时安装了相同的称重传感器，在方舟上安装了倾斜传感器，并在现场安装了电流计以同时监测水速。然后根据倾斜角度和称重传感器测量值计算张力的浮力和阻力分量（图5）。测量期间的当前速度相对稳定在20 cm/s左右，数据集相对较短;因此，对在此期间的数据进行平均，并用于将场阻力和速度响应与建模和实验拖曳估计值进行比较。这些结果表明，在部署地点的预期条件下（典型风暴事件期间流速高达1.3 m/s），系统上的拖曳力预计小于300 kg。

波多黎各别克斯岛的两个"壳牌"结构在 2022 年 9 月的 1 级飓风菲奥娜的直接袭击中幸存下来，结构、系泊或锚固系统没有明显损坏，提供了支持设计的 原位 测试。附近的浮标（CARICOOS）在部署地点的10米深度记录了1.05米/秒的当前速度，相当于系泊系统上约160公斤的阻力。该系统设计可承受 1，600 kg 的力（考虑到锚能力和部件断裂强度），因此预计在环境或典型风暴条件下不会失效。

珊瑚方舟的净浮力监测
用于验证方舟结构阻力特性的相同方法也用于开发一种监测方舟净浮力的方法。只要方舟的物理结构保持不变，净浮力就为监测整个群落钙化以及珊瑚生长提供了一个粗略的代理，以及一个维持指标，以确定系统是否有足够的正浮力来补偿生物生长随着时间的推移。系泊张力的浮力分量（B）是使用公式（4）中的应变片和倾斜传感器数据计算的:

（四）

其中 T 是称重传感器测量的张力，是倾斜角度。得到的净浮力时间序列如图 5所示。在实地监测事件期间相对稳定的当前条件下，我们发现部署在波多黎各别克斯岛的两个"壳牌"方舟结构在最初结构部署6个月后，在所有珊瑚和种子ARMS单元转移到结构后，在监测期间（±一个标准差）的平均值下，净浮力相似，分别为82.7千克±1.0千克（方舟1号）和83.0千克±0.9千克（方舟2）。结果表明，在相对稳定的水流时期进行短期监测可用于确定野外净浮力在~1 kg以内，这对于监测生物量变化的长期应用应证明是有用的。

水质和微生物群落动态
在两艘中水"壳牌"方舟上测量了与水质和水柱相关的微生物群落相关的指标，这些方舟锚定在波多黎各别克斯岛近海 25 英尺深的水中，方舟顶部深度为 25 英尺（图 6C）。将来自两个方舟的水质指标、微生物和病毒丰度以及平均微生物大小与附近两个海底"控制"地点的相同指标进行比较，这两个地点也位于 25 英尺深，但更靠近海岸（图 6D）。显示的测量值是在安装方舟后立即收集的，第一批易位珊瑚（2021 年 11 月）和 6 个月后，第二批珊瑚和种子 ARMS 转移到方舟（2022 年 5 月）;然后对两个站点（方舟和对照站点）进行平均进行比较。由于种子ARMS在部署后6个月被转移到方舟，因此在前6个月期间结构上生物群落的积累与生物污染和自然招募有关。

与底栖对照点相比，方舟环境表现出更高的平均日间光强度（图6A），更高的平均流速（图6C），较低的溶解有机碳浓度（图6F）和较低的溶解氧浓度的柴油波动（图6G）。方舟还显示出比对照位点具有更高病毒与微生物比率的微生物群落（图7A），这是由中水方舟环境中较高丰度的游离病毒（图7C）和较低丰度的微生物（图7B）驱动的。平均而言，方舟上的微生物群落由物理上比海底微生物群落更小的细胞组成（图7D）。方舟和控制位点之间的温度差异不显著（图6E）。上述所有趋势都与方舟上比对照地点更好的水质和更健康的微生物群落一致。这些条件持续到部署的最初6个月，在此期间，通过珊瑚块的易位和水柱的自然募集，方舟上形成了一个新生的生物群落，并经历了演替变化，以及通过在第6个月将播种的ARMS添加到结构上。

珊瑚生存
在安装方舟（第0个月）和第6个月添加种子ARMS之后，将包括8个物种和各种形态的珊瑚队列分布到方舟和底栖控制地点。每种珊瑚的原始亲本菌落被破碎成小块（给定尺寸为2-8厘米）并附着在石灰岩珊瑚板上（每20厘米2板4至5个小块），这些珊瑚板平均分布在方舟和对照地点，确保相同的物种和基因型在中水方舟地点和对照地点都有代表。这些易位珊瑚的存活情况每3个月在方舟和控制地点进行评估。在第一批珊瑚易位九个月后，与对照地点（42%，图8）相比，方舟上仍有更多的珊瑚存活（80%，图8）。

图1:显示两个完全安装的珊瑚方舟结构的结构组件的图表。 左图显示了"壳牌"和"双平台"（右）珊瑚方舟结构，以及两种提供正浮力的方法和两种锚定方法。缩写:ARMS = 自主珊瑚礁监测结构。 请点击此处查看此图的大图。

图 2:ARMS 单元的设计、部署和转移。 （A-D） PVC ARMS 和 （E-H） 石灰石 ARMS 从海底播种地点到珊瑚方舟。（A）照片来源于Michael Berumen。（B）照片来源于David Littschwager。缩写:PVC = 聚氯乙烯;ARMS = 自主珊瑚礁监测结构。请点击此处查看此图的大图。

图 3:代表珊瑚方舟部署阶段的图像，包括到现场的运输和完整安装。 （A-C）壳式和（D-F）双平台型系统。请点击此处查看此图的大图。

图 4:基于建模、实验牵引测试和现场验证的"壳牌"方舟结构相对于相同近似尺度球体阻力的阻力特性。 "ARK1"和"ARK2"是安装在波多黎各别克斯岛同一地点的相同"壳牌"方舟结构。 请点击此处查看此图的大图。

图5:波多黎各别克斯岛两艘"壳牌"方舟的实测净浮力值。 图中显示了"壳牌"方舟 1（蓝色）和"壳牌"方舟 2（绿色）的水流速（右轴，中色）、净浮力（左轴，浅色）和系泊线上计算的阻力/张力（左轴，深色）。 请点击此处查看此图的大图。

图6:与波多黎各别克斯岛"壳牌"方舟和海底控制地点有关的水质指标，安装后和安装后6个月。 （A）白天的光强度，（B）当前速度，（C，D）安装后6个月拍摄的照片，（E）温度，（F）溶解有机碳，（G）方舟与对照地点6个月内溶解氧水平的变化。请点击此处查看此图的大图。

图7:与波多黎各别克斯岛"壳牌"方舟和海底控制地点的水柱相关微生物群落相关的指标，安装后和安装后6个月 。 （A）病毒与微生物的比例，（B）细菌细胞丰度，（C）游离病毒丰度，以及（D）平均细菌细胞大小。 请点击此处查看此图的大图。

图8:移位后头9个月波多黎各别克斯岛"壳牌"方舟和海底控制地点幸存的珊瑚比例。 这些图像代表了易位后立即（左）和易位后6个月（右）的方舟（上）和底栖控制点（底部）上的单个珊瑚板的状态。 请点击此处查看此图的大图。

表 1:ARMS 的构造和设计注意事项。 缩写:ARMS = 自主珊瑚礁监测结构;聚氯乙烯=聚氯乙烯。 请按此下载此表格。

表 2:珊瑚方舟设计注意事项。 缩写:PVC = 聚氯乙烯;ARMS = 自主珊瑚礁监测结构;HDPE = 高密度聚乙烯。 请按此下载此表格。

补充文件。 请点击这里下载此文件。

作者没有相互竞争的经济利益或其他利益冲突。