Korallenriff-Archen: Ein In-situ-Mesokosmos und ein Toolkit für den Aufbau von Riffgemeinschaften

Überall auf der Welt befinden sich Korallenriff-Ökosysteme im Übergang von benthischen Gemeinschaften mit hoher Biodiversität und Korallen zu Gemeinschaften mit geringerer Vielfalt, die von rasen- und fleischigen Makroalgen ^{dominiert werden 1,2,3}. Jahrzehntelange Fortschritte bei der Charakterisierung der Mechanismen des Abbaus von Korallenriffen haben gezeigt, wie Verbindungen zwischen mikrobiellen und makroorganismischen Gemeinschaften das Tempo und die Schwere dieser Übergänge erhöhen. Zum Beispiel löst die Überfischung von Riffen durch menschliche Populationen eine trophische Kaskade aus, in der überschüssige photosynthetisch gewonnene Zucker aus unbeweideten Algen Energie in die mikrobiellen Gemeinschaften der Riffe leiten, wodurch die Pathogenese vorangetrieben und ein Korallensterben verursacht^{wird 4,5,6}. Diese trophische Herabstufung wird durch den Verlust der Artenvielfalt an Riffen verstärkt, der sich aus dem Rückgang der Wasserqualität ergibt ^7,8. Experimente auf Mesokosmenebene können verwendet werden, um die trophische Herabstufung von Korallenriffgemeinschaften besser zu verstehen und zu mildern, indem die Biodiversität und die Wasserqualität verbessert werden, aber logistische Herausforderungen erschweren die Durchführung dieser Studien in situ.

Eine Folge der trophischen Herabstufung von Riffen ist der weit verbreitete Verlust der kryptischen Artenvielfalt, von der ein Großteil uncharakterisiert bleibt ^7,9. Korallen sind auf eine Vielzahl von kryptischen Rifforganismen ("Kryptobiota") angewiesen, die ihre Gesundheit unterstützen, indem sie eine wesentliche Rolle bei der Abwehr von Raubtieren¹⁰, der Reinigung 11, der Beweidung konkurrierender Algen 12,13 und der Regulierung der Riffwasserchemie ^14,15 spielen. Bis vor kurzem und aufgrund der methodischen Einschränkungen visueller Erhebungen waren Riffkryptobiota im Kontext der Riffökologie unterrepräsentiert und wurden daher selten berücksichtigt, um Riffe wiederherzustellen oder wieder aufzubauen. In den letzten zehn Jahren hat die Verwendung standardisierter Siedlungseinheiten, die als autonome Riffüberwachungsstrukturen (ARMS) bezeichnet werden, in Kombination mit Hochdurchsatz-Sequenzierungsansätzen eine bessere Sammlung und Charakterisierung von Riffkryptobiota^{ermöglicht 16,17}. ARMS rekrutiert passiv Vertreter fast aller bekannten Korallenriff-Biodiversitäten und hat dazu beigetragen, zahlreiche funktionelle Rollen von kryptischen Organismen in Prozessen im Riffmaßstab^aufzudecken 9,18,19,20,21,22,23. Diese Siedlungseinheiten bieten daher einen Mechanismus, um kryptische Rifflebewesen neben Korallen zu verlagern, um intaktere Riffgemeinschaften mit biologisch vermittelten Mechanismen wie Beweidung, Verteidigung und Verbesserung der lokalen Wasserqualität zusammenzustellen, die für die Aufrechterhaltung der trophischen Struktur unerlässlich sind.

Von Korallen dominierte Riffe gedeihen in lichtstarken, nährstoffarmen und sauerstoffreichen Umgebungen. Menschliche Aktivitäten wie Urbanisierung, Landwirtschaft und Überfischung haben die Wasserqualität an vielen Korallenriffen verringert, indem sie die Sedimente, Nährstoffe, Metalle und andere Verbindungen im Abfluss erhöht^{haben 24,25} und den biogeochemischen Kreislauf verändert^{haben 26}. Im Gegenzug degradieren diese Aktivitäten Riffgemeinschaften durch Erstickung, Energieerschöpfung, die Abgabe von Schadstoffen, die mit der Sedimentation verbunden sind^27,28, die Förderung des Wachstums von Makroalgen, die mit Korallen konkurrieren ²⁹, die Erhöhung der Häufigkeit mikrobieller Krankheitserreger^6,30,31 und die Schaffung hypoxischer Zonen, die kryptische wirbellose Tiere töten ^32,33 . Diese und andere "lokale Auswirkungen" werden durch regionale und globale Veränderungen der Meeresbedingungen, einschließlich steigender Temperaturen und sinkender pH-Wert, verstärkt, wodurch sich die Bedingungen für Korallen und andere Rifforganismen weiter verschlechtern^34,35. Insbesondere an der Grenzfläche zwischen Benth und Wasser verursacht die respiratorische und photosynthetische Dynamik benthischer Gemeinschaften Diel-Schwankungen des pH-Werts und des gelösten Sauerstoffs, die an stark degradierten Riffen stärker ausgeprägt sind und so Bedingungen schaffen, die benthische Wirbellose nicht tolerieren^{können 32,36,37,38} . Die Bereitstellung angemessener Wasserqualitätsbedingungen ist daher für den Aufbau funktionierender Riffgemeinschaften unerlässlich, aber dies bleibt eine Herausforderung, da immer mehr Riffe in verschiedenen Stadien der Degradation gefangen sind.

Viele der Herausforderungen, mit denen Korallen und grundlegende kryptische Taxa auf dem Benthos konfrontiert sind, können durch eine Verlagerung in das Mittelwasser überwunden werden, das hier als die Wassersäule zwischen der Meeresoberfläche und dem Meeresboden definiert wird. In der Mittelwasserumgebung wird die Wasserqualität verbessert^39,40, die Sedimentation wird reduziert und der Abstand vom Meeresboden dämpft Schwankungen der Parameter^, die mit dem benthischen Stoffwechsel verbunden sind. Diese Eigenschaften werden durch die Verlagerung vor die Küste weiter verbessert, wo landgestützte anthropogene Einflüsse, wie z. B. terrestrisch abgeleiteter Abfluss, mit zunehmender Entfernung von der Küste zunehmend verdünnt werden. Hier stellen wir Protokolle für den Aufbau, den Einsatz und die Überwachung von Korallenriff-Archen vor und stellen diese zur Verfügung, ein Ansatz, der verbesserte Wasserqualitätsbedingungen im Mittelwasser nutzt und kryptische Biodiversität auf verankerten, positiv schwimmfähigen Strukturen für den Aufbau von Korallenriffgemeinschaften einbezieht.

Korallenriff-Archensysteme oder "Archen" bestehen aus zwei Hauptkomponenten: (1) einer schwebenden starren geodätischen Plattform, die über dem Benthos liegt, und (2) mit Organismen bedeckten oder "gesäten" ARMS, die Riffkryptobiota aus nahe gelegenen benthischen Gebieten verlagern und dadurch die natürlichen Rekrutierungsprozesse ergänzen, um den umgesiedelten Korallen eine vielfältigere und funktionellere Riffgemeinschaft zu bieten. Eine geodätische Struktur wurde gewählt, um die Festigkeit zu maximieren und das Baumaterial (und damit das Gewicht) zu minimieren sowie eine interne, turbulente Strömungsumgebung analog zur Riffmatrix zu schaffen.

Zwei Arche-Konstruktionen wurden erfolgreich an zwei karibischen Feldstandorten installiert und werden derzeit für die Erforschung der Etablierung von Riffgemeinschaften und der ökologischen Sukzession verwendet (Abbildung 1). Coral Arks-Strukturen sind als langfristige Forschungsplattformen gedacht, und als solche liegt ein Hauptaugenmerk dieses Manuskripts auf der Beschreibung von Protokollen zum Standort, zur Installation, Überwachung und Wartung dieser Strukturen, um ihre Stabilität und Langlebigkeit in der Mittelwasserumgebung zu maximieren. Eine Kombination aus Modellierung und In-Water-Tests wurde verwendet, um die Widerstandseigenschaften der Strukturen zu bewerten und das Design so anzupassen, dass es den erwarteten hydrodynamischen Kräften standhält. Nach der Installation wurden Riffgemeinschaften auf den Archen und auf nahe gelegenen benthischen Kontrollstellen in gleicher Tiefe durch eine Kombination aus aktiver Translokation (Korallen und ausgesäte ARMS-Einheiten) und natürlicher Rekrutierung etabliert. Die Bedingungen für die Wasserqualität, die Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft und das Überleben der Korallen auf den Archen wurden zu mehreren Zeitpunkten während der frühen Sukzessionsperiode dokumentiert und mit den benthischen Kontrollstandorten verglichen. Bisher waren die Bedingungen, die mit der Umgebung der Korallenarchen in der Mitte des Wassers verbunden sind, für Korallen und die damit verbundenen kryptischen Konsortien im Vergleich zu den benachbarten benthischen Kontrollstandorten in den gleichen Tiefen durchweg günstiger. Die folgenden Methoden beschreiben die Schritte, die erforderlich sind, um den Coral Arks-Ansatz zu replizieren, einschließlich der Auswahl von Standorten und des Entwerfens und Bereitstellens von Coral Arks-Strukturen. Vorgeschlagene Ansätze zur Überwachung von Korallenarchen sind in der Zusatzdatei 1 enthalten.

HINWEIS: Detaillierte Informationen zur Herstellung, zum Einsatz und zur Überwachung von ARMS- und Coral Arks-Strukturen, einschließlich technischer Zeichnungen, Diagramme und Fotos, finden Sie in der Zusatzdatei 1. Es wird empfohlen, Abschnitte des Protokolls, die Unterwasserarbeiten betreffen, einschließlich der Installation von Arche- und ARMS-Strukturen, von einem Team von drei Tauchern (auf SCUBA) und zwei Oberflächenunterstützungspersonal durchgeführt zu werden.

1. Montage und Einsatz von ARMS

HINWEIS: ARMS sind ca. 1 Fuß³ (30 cm³) Strukturen aus PVC- oder Kalkstein-Basismaterialien, die die dreidimensionale Komplexität von Riff-Hardbottom-Substraten nachahmen. In Tabelle 1 werden zwei Entwürfe für ARMS unter Berücksichtigung unterschiedlicher Projektüberlegungen erörtert. Es wird empfohlen, ARMS 1-2 Jahre lang vor dem Transfer zu Archen einzusetzen, um die Besiedlung durch kryptische Biota zu maximieren.

1. PVC-ARME
   ANMERKUNG: Die Standardkomponenten, auf die in diesem Protokoll Bezug genommen wird (und die in der Materialtabelle aufgeführt sind), werden mit imperialen Einheiten beschrieben. Die hergestellten Materialien werden mit metrischen Einheiten beschrieben. Detaillierte Fertigungsanweisungen, einschließlich technischer Zeichnungen für die Herstellung der Komponenten, finden Sie in Abschnitt 1 der Ergänzungsdatei 1.
   1. Versammlung
      1. Setzen Sie vier 1/4 in-20, 8 Zoll lange Sechskantschrauben durch die Mittellöcher auf einer 1/2 Zoll dicken PVC-Grundplatte ein; Drehen Sie es dann so um, dass die Schrauben senkrecht nach oben zeigen.
      2. Fügen Sie jeder Schraube einen Nylon-Abstandshalter hinzu und fügen Sie dann eine 1/4 Zoll dicke PVC-Platte von 9 Zoll x 9 Zoll hinzu. Dadurch entsteht eine offene Schicht zwischen der Grundplatte und der ersten Stapelplatte.
      3. Fügen Sie einen langen Querabstandshalter auf zwei Schrauben in gegenüberliegenden Ecken hinzu und fügen Sie dann zwei kurze Querabstandshalter auf den verbleibenden Schrauben hinzu, so dass ein "X" gebildet wird. Fügen Sie eine weitere PVC-Stapelplatte hinzu, um eine geschlossene Schicht zu erzeugen.
      4. Wiederholen Sie die Schritte 1.1.1.2 und 1.1.1.3 abwechselnd zwischen offenen und geschlossenen Schichten, bis sieben bis neun Plattenschichten zu den Schrauben hinzugefügt wurden (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S5).
      5. Fügen Sie eine Unterlegscheibe, eine Sechskantmutter und eine Kontermutter mit Nyloneinsatz an der Oberseite jeder Schraube hinzu und ziehen Sie sie fest an.
   2. Transportieren Sie das zusammengebaute PVC-ARMS für den Einsatz zum Zieleinsatzort und bedecken Sie das ARMS während des Transfers mit 100 μm Maschenweite, um kleine bewegliche wirbellose Tiere zurückzuhalten (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S6). Suchen Sie ein Stück Riff-Hardbottom-Substrat in unmittelbarer Nähe gesunder Korallenriffgemeinschaften.
      HINWEIS: Die spezifischen Einsatzorte sollten unter Berücksichtigung der örtlichen Vorschriften und Genehmigungsbestimmungen ausgewählt werden, z. B. die Vermeidung der kritischen Lebensräume für nach dem Endangered Species Act aufgeführte Arten in US-Gewässern.
      1. Befestigen Sie die ARMS mit 3-Zoll-Längen von 1/2 Zoll Bewehrungsstahl und einem Hammer an allen vier Ecken am Benthos, indem Sie den Bewehrungsstab leicht nach außen abgewinkelt in den Grundkalkstein schlagen, so dass der Bewehrungsstab Spannung gegen die Kante der Grundplatte erzeugt (Abbildung 2A, B).
      2. Alternativ können Sie die Ketten des ARMS mit hochbelastbaren Kabelbindern verbinden und die Enden der Ketten mit gehärteten Betonsäcken verankern (Abbildung 2C und Zusatzdatei 1-Abbildung S6).
2. Kalkstein WAPPEN
   1. Beginnen Sie für die Montage mit 12 Zoll x 12 in unfertigen Kalkstein- oder Travertinfliesen (Abbildung 2). Identifizieren Sie die gewünschte Komplexität des ARMS-Innenraums aus Kalkstein.
      HINWEIS: Es wird empfohlen, 2 cm³ Würfel zu verwenden. Alternative Entwürfe und Überlegungen sind in Abschnitt 2 des Ergänzungsdossiers 1 enthalten.
      1. Schneiden Sie mit einer nassen Fliesensäge mehrere unfertige Fliesen in 2 cm² quadratische Abstandshalter (~250).
      2. Schneiden Sie Travertinfliesen in die gewünschte Form für die ARMS-Schichten. Verwenden Sie ähnlich wie beim PVC-ARMS 12 x 12 in Quadraten und schichten Sie sie mit Abstandshaltern, um 1 Fuß³ Würfel zu bilden (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S8).
      3. Kleben Sie die kleineren Travertinstücke mit einem zweikomponentigen, ungiftigen Epoxidharz in Marinequalität entlang eines vorgezeichneten Gittermusters auf eine größere Travertin-Schichtplatte.
      4. Bereiten Sie mehrere Schichten vor, die, wenn sie gestapelt werden, die gewünschte ARMS-Höhe erreichen. Lassen Sie das Epoxidharz gemäß den Empfehlungen des Herstellers aushärten.
      5. Montieren Sie die ARMS-Stapelplatten mit Epoxidharz, um jede Schicht mit der darüber liegenden zu verkleben.
         HINWEIS: Die ARMS-Höhe hängt vom gewünschten Gewicht und der internen Komplexität ab. Eine endgültige Größe von ca. 1 ft³ wird empfohlen.
      6. Lassen Sie das Epoxidharz vor dem Einsatz 24 Stunden lang vor direkter Sonneneinstrahlung aushärten.
   2. Transportieren Sie die zusammengebauten Kalkstein-ARMS für den Einsatz zum Zieleinsatzort. Suchen Sie ein Stück Riff-Hardbottom-Substrat in unmittelbarer Nähe gesunder Korallenriffgemeinschaften.
      HINWEIS: Die spezifischen Einsatzorte sollten unter Berücksichtigung der örtlichen Vorschriften und Genehmigungsbestimmungen ausgewählt werden, wie z. B. die Vermeidung der kritischen Lebensräume von Arten, die im Endangered Species Act aufgeführt sind, in US-Gewässern.
      1. Transportieren Sie das ARMS mit einer Milchkiste und einem Hebesack zum Benthos. Verkeil die Kalkstein-ARME in tote Riffmatrix (lebendes Gestein). Vermeiden Sie sandige Bodenlebensräume und solche, die stark von Rasenalgen oder benthischen Cyanobakterienmatten besiedelt sind.
      2. Platzieren Sie die Kalkstein-ARME neben felsigen Überhängen und Aufschlüssen, um sie vor Wellenbewegungen und Sturmfluten zu schützen.

2. Montage und Einsatz von Coral Arks

HINWEIS: In Tabelle 2 werden die Designüberlegungen von Coral Arks unter Berücksichtigung unterschiedlicher Projektparameter erörtert. Die Abmessungen der Unterelemente (Streben, Naben, Plattformen, Verankerungskomponenten und positiver Auftrieb) können je nach gewünschter Größe und Gewicht der endgültigen Coral Ark-Strukturen geändert werden.

1. Einbau des Verankerungssystems
   HINWEIS: Wählen Sie das Verankerungssystem auf der Grundlage standort- und projektspezifischer Überlegungen aus, wie z. B. Arche-Design, Sturmhäufigkeit, Bodentyp, Standortexposition, Dauer des Projekts und erwartete Kräfte aufgrund von Luftwiderstand, Strömungen und Auftrieb. Siehe PADI⁴¹ für Einblicke in die Auswahl des Verankerungssystems.
   1. Verwenden Sie Sandschrauben in sandigen Böden und losen Schuttlebensräumen.
      1. Transportieren Sie die Sandschrauben zum Benthos. Stellen Sie die Sandschraube aufrecht, drehen Sie die Sandschraube und vergraben Sie sie, bis die erste Scheibe mit Sand oder losem Schutt bedeckt ist.
      2. Platzieren Sie eine 5 Fuß lange Metallwendestange durch das Auge des Ankers, so dass der Großteil der Drehstange aus einer Seite des Auges herausragt.
      3. Wenn Sie auf dem Benthos im Kreis laufen oder schwimmen, schrauben Sie die Sandschraube in den Untergrund, bis nur noch das Auge aus dem Benthos herausragt (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S20).
      4. Installieren Sie drei Sandschrauben in einem dreieckigen Muster, die durch ein Kettenzaumzeug verbunden sind, um die Haltekraft zu erhöhen (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S20).
   2. Verwenden Sie Halas-Anker in Lebensräumen mit hartem Boden und karbonathaltigem Basisgestein.
      1. Transportieren Sie 9-12 in Ringschrauben und einem Tauchbohrer (elektrisch oder pneumatisch) zur Ankerstelle.
      2. Verwenden Sie den Tauchbohrer und eine Mauerwerkslochsäge mit einem Durchmesser von 1 Zoll, um ein 9 Zoll tiefes und 1 Zoll breites Loch in das Grundgestein zu bohren. Reinigen Sie regelmäßig überschüssiges Substrat mit einem Putenbaster aus dem Loch.
      3. Füllen Sie das Loch mit Portlandzement oder Epoxidharz in Marinequalität. Schieben Sie den Ringschraubenschaft in das Loch und füllen Sie die verbleibenden Lücken mit Zement oder Epoxidharz.
      4. Lassen Sie den Zement/Epoxidharz 5 Tage aushärten.
      5. Um die Haltekraft zu erhöhen, installieren Sie drei Halas-Anker in einem dreieckigen Muster, die durch ein Kettenzaumzeug verbunden sind.
   3. Verwenden Sie blockartige Verankerungen an Standorten mit vorhandenen Verankerungsblöcken oder schweren Schuttelementen.
      HINWEIS: Die Installation eines neuen Verankerungsblocks erfordert handelsübliche Installationsausrüstung wie einen auf Lastkähnen montierten Kran und wird nicht für Projekte mit kleinerem Umfang empfohlen.
      1. Befestigen Sie das Verankerungssystem an vorhandenen schweren Schuttelementen (versenkte Schiffe, Motorblöcke) oder an vorhandenen Festmacherblockösen über Hardware und Tackle.
      2. Stellen Sie sicher, dass die Metallverankerungskomponenten aus ähnlichen Metallen bestehen und mit Opferanoden vor galvanischer Korrosion geschützt sind.
2. Die 1V-Frequenzstruktur (zwei Plattformen)
   HINWEIS: Detaillierte Fertigungsanweisungen, einschließlich technischer Zeichnungen für die Herstellung der Komponenten, finden Sie in Abschnitt 4 von Ergänzungsdatei 1. Die Standardkomponenten, auf die in diesem Protokoll Bezug genommen wird (und die in der Materialtabelle) werden mit imperialen Einheiten beschrieben.
   1. Montage des geodätischen 1V-Rahmens
      1. Schrauben Sie eine 1/4-20 Edelstahl-Sechskantmutter auf eine 1/4-20 2,5-Zoll-Edelstahlschraube 3/4 des Weges bis zur Oberseite der Schraube. Setzen Sie die Schraube in eines der nach innen gerichteten Löcher der Strebe ein.
      2. Befestigen Sie eine Kontermutter auf der anderen Seite der Schraube und ziehen Sie sie fest, bis sie sicher mit dem PVC zusammenpasst, um zu verhindern, dass die Nabe über die Länge des Federbeins rutscht.
      3. Wiederholen Sie dies für die gegenüberliegende Seite des Federbeins und für die restlichen 29 Streben.
      4. Schieben Sie das Ende jedes Federbeins durch eines der Löcher in den Naben und befestigen Sie eine weitere Schraube durch das äußere Loch am Federbein, wobei Sie mit einer Kontermutter abschließen, um zu verhindern, dass das Federbein aus der Nabe rutscht (Zusatzdatei 1-Abbildung S24).
      5. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle fünf Streben in einer Nabe, und fügen Sie dann weitere Naben und Streben hinzu, bis die geodätische Kugel zusammengebaut ist (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S24).
      6. Wickeln Sie das 1/8-Zoll-Edelstahldrahtseil ab und beginnen Sie, es durch die Streben zu fädeln. Erstellen Sie 12 Schlaufen, etwa so groß wie ein Silberdollar, aus Nylonkabelbindern - eine für jeden Hub. Wenn das Drahtseil durch die Streben gefädelt ist, führen Sie das Seil durch die Kabelbinderschlaufe an der Nabe und fahren Sie dann mit der nächsten Strebe fort.
         HINWEIS: Einige Streben werden wiederholt.
      7. Fahren Sie mit dem Einfädeln fort, bis das Drahtseil durch alle Streben gefädelt ist, die in der Mitte jedes Scheitelpunkts durch die Kabelbinderschlaufe verbunden sind.
      8. Fädeln Sie das Kabel zurück zum Ausgangspunkt. Ziehen Sie mit einer Zange an den Kabelbinderschlaufen, um sie auf die kleinstmögliche Größe zu schrumpfen, und bringen Sie die Drahtseillängen nahe zusammen. Befestigen Sie eine 1/2-Zoll-Edelstahl-Kabelklemme an allen Drahtseillängen und ziehen Sie sie fest fest.
      9. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle Scheitelpunkte der Struktur.
      10. Verbinden Sie die Anfangslänge des Drahtseils mit der Endlänge und klemmen Sie diese mit drei 1/2-Zoll-Kabelklemmen zusammen.
          HINWEIS: Das Drahtseil (Bruchfestigkeit: 2.000 lb) sollte nun den größten Teil der auf die Struktur ausgeübten Last tragen und sie erheblich verstärken.
      11. Fügen Sie das Rigging-System hinzu, das aus zwei Längen von 3/8-Edelstahlkabeln besteht, die an jedem Ende hydraulisch auf eine Öse gequetscht werden. Bringen Sie die PVC-Endkappen so zwischen die Hänge an, dass das Kabel durch die gesamte Ark-Länge verläuft, mit Ösen oben und unten für die Festmacher-/Bojenbefestigungen. Ein Spannschlosssystem in der Mitte verbindet die beiden Längen des Edelstahlkabels.
      12. Führen Sie die unteren Enden des Kabels durch die Ober- und Unterseite der Arche und befestigen Sie die Endkappen mit einem Hammer an den oberen und unteren Naben. Schrauben Sie die Ringschrauben in das Spannschloss und ziehen Sie sie fest, bis genügend Spannung auf der Struktur vorhanden ist, um das System steif zu machen (Zusatzdatei 1-Abbildung S24).
      13. Fügen Sie jedes geformte Glasfasergitter, das in zwei halbe Fünfecke geschnitten ist, mit strapazierfähigen 250-Pfund-Kabelbindern in den Innenraum der Arche ein, um die Seiten der Plattform an den Ark-Streben zu verankern (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S24).
      14. Platzieren Sie unter der Struktur eine Länge des Glasfaser-I-Trägers so, dass sie beide Hälften der Glasfaserplattform verbindet. Befestigen Sie die Unterseite der Plattform mit zwei 1/4 in-20 Edelstahl-U-Bolzen.
      15. Wiederholen Sie dies für die anderen vier I-Träger und verteilen Sie sie gleichmäßig über die Länge der Plattform. Dies verbindet und stützt die beiden Hälften der Plattform, wodurch ein vollständiges Fünfeck entsteht.
      16. Ziehen Sie die strapazierfähigen Kabelbinder an den Rändern der Plattform fest und schneiden Sie den Überschuss ab. Am Ende dieses Schritts ist die interne Plattform fest in die Arche-Struktur integriert (Supplemental File 1-Figure S24).
      17. Verwenden Sie Edelstahl-Mausdraht, um die Enden des Spannschlosses und alle Schäkel zu bewegen. Am Ende dieses Schritts wird die Arche über zwei integrierte Plattformen verfügen, obere und untere Befestigungen für die Hardware-Befestigung und ein zentrales Kabel, das den Großteil der Spannkraft trägt, die durch Verankerung und positiven Auftrieb auf die Strukturen ausgeübt wird.
   2. Befestigung der Festmacherleine am geodätischen Rahmen
      HINWEIS: Verankerungssysteme sollten so ausgelegt sein, dass die Bruchfestigkeit aller einzelnen Verankerungskomponenten die aufgrund von Umgebungs- und extremen Umgebungsbedingungen zu erwartende maximale Belastung übersteigt. In den repräsentativen Ergebnissen finden Sie eine Beschreibung des Einsatzes der hydrodynamischen Modellierung bei der Auslegung von Verankerungssystemen. Es wird empfohlen, die Last auf mehrere Befestigungspunkte auf der Arche und auf dem Meeresbodenverankerungssystem zu verteilen, da dies dem System im Falle des Ausfalls einzelner Elemente Redundanz verleiht.
      1. Entwerfen Sie die Festmacherleinen und die Hardware, um sichere Verbindungen zwischen der Arche-Basis und dem Ankersystem zu gewährleisten (siehe Abbildung 1 für ein Beispiel).
         HINWEIS: Es wird empfohlen, das Verankerungssystem so zu konstruieren, dass die Mittellinie der Arche-Struktur in einer Tiefe von 30 m positioniert ist.
      2. Verbinden Sie die Oberseite einer doppelt gespleißten Linie mit einem Schäkel mit dem Basisauge der Arche. Verbinden Sie einen hochfesten Wirbelschäkel aus Edelstahl mit der Basis dieser Leitung (Abbildung 1 und Zusatzdatei 1 - Abbildung S25).
      3. Verbinden Sie die Oberseite einer doppelt gespleißten Schnur mit der Basis des Schwenkschäkels. Am unteren Rand dieser Zeile wird eine Verbindung zum Ankersystem hergestellt (Abbildung 1 und Zusatzdatei 1 - Abbildung S25).
   3. Transport der Arche zum Einsatzort
      1. Transportieren Sie die Arche mit einem Pritschenwagen zu einem Strand neben dem Einsatzort (küstennaher Einsatz mit Sandeintritt) oder zu einem Bootsstartplatz (Schiffseinsatz).
      2. Befestigen Sie einen 220-Pfund-Hebesack mit einem 1/2-Zoll-Schäkel am oberen rostfreien Auge der Arche.
      3. Befestigen Sie eine Festmacherleine, einschließlich der Hardware zur Befestigung am Meeresbodenanker, an der Basis der Arche.
      4. Für den Einsatz von einem Schiff ohne A-Rahmen oder Davit laden Sie die Arche so auf das Schiff, dass sie leicht vom Boot ins Wasser gerollt werden kann (vermeiden Sie Bugs mit hohen Kanonen oder Hecks mit Außenbordmotoren).
      5. Für den Einsatz vom Ufer aus rollen Sie die Arche bis zu einer ausreichenden Tiefe ins Wasser, in der das Hebekissen mit Luft gefüllt werden kann (Abbildung 3).
      6. Schwimmen, schleppen oder transportieren Sie die Arche zum Ankerplatz an der Oberfläche (Abbildung 3).
   4. Befestigung der Archen am Verankerungssystem
      HINWEIS: In diesem Stadium schwebt das Ark-System mit einem Hebesack an der Oberfläche über der Verankerungsstelle. Die folgenden Aufgaben werden unter Wasser auf SCUBA durchgeführt und erfordern ein Team von mindestens drei Tauchern.
      1. Entlüften Sie langsam die Luft aus dem Hebekissen und führen Sie einen kontrollierten Abstieg zum Verankerungssystem durch.
      2. Befestigen Sie die Verankerungshardware an der Basis der Arche am Verankerungssystem.
      3. Erhöhen Sie den positiven Auftrieb des Arks-Systems, indem Sie den Hebesack mit Luft füllen, und überprüfen Sie die Überwachungskomponenten auf strukturelle Integrität. Stellen Sie sicher, dass die Schäkel richtig sitzen und dass die Anker fest sitzen. Verwenden Sie Mausdraht, um alle Fesseln zu mausen.
      4. Verbinden Sie das Auge einer kurzen, doppelt gespleißten Linie mit einem Schäkel mit dem oberen Auge des Arks-Systems. Verbinden Sie eine polyforme, aufblasbare Festmacherboje mit einem Schäkel am anderen Ende dieser Leine (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S25).
      5. Füllen Sie die Anlegeboje mit Luft mit einem Standard-Niederdruck-Luftdüsenadapter, der an einer Ponyflasche Druckluft befestigt ist, bis sie zu ca. 75 % mit Luft gefüllt ist.
      6. Entlüften Sie langsam die Luft aus dem Hebekissen und entfernen Sie sie aus dem System.
      7. Fügen Sie größere oder zahlreichere Verankerungsbojen für Archensysteme hinzu, die Kalkstein-ARMS verwenden oder um die Ansammlung biologischer Massen auszugleichen.
   5. Befestigung des Wappens an den Archen
      1. Holen Sie die ARMS von der Aussaatstelle und legen Sie sie in Milchkisten, die mit einer Maschenweite von 100 μm ausgekleidet sind, um den Verlust kleiner mobiler wirbelloser Tiere zu verhindern, die im ARMS leben.
      2. Bringen Sie die ARMS in Wannen mit schattigem, kühlem Meerwasser zu den Archenstandorten.
      3. Platzieren Sie die ARMS auf der oberen oder unteren Plattform der Archen und verteilen Sie das Gewicht gleichmäßig auf die Plattform.
      4. Führen Sie strapazierfähige Kabelbinder sowohl durch die geformte Glasfaserplattform als auch durch die Basis des PVC- oder Kalkstein-ARMS und ziehen Sie sie fest, um das ARMS am Arche-Rahmen zu befestigen (Zusatzdatei 1-Abbildung S25).
3. Die 2V-Frequenzstruktur (Shell)
   HINWEIS: Detaillierte Fertigungsanweisungen, einschließlich technischer Zeichnungen für die Herstellung der Komponenten, finden Sie in Abschnitt 3 von Ergänzungsdatei 1.
   1. Montage des geodätischen 2V-Rahmens
      1. Montieren Sie das Ark-Montagegerüst gemäß der mitgelieferten Anleitung von VikingDome (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S11).
      2. Fügen Sie eine Unterlegscheibe zu einer 2,5 Zoll langen, 10/32 rostfreien Schraube hinzu. Führen Sie die Schraube durch eines der beiden Löcher am Ende einer Strebe, fügen Sie einen STAR-Verbinder an der Innenfläche hinzu (Loch speziell für S1- oder S2-Streben) und befestigen Sie sie mit einer Kontermutter.
      3. Wiederholen Sie dies für das zweite Schraubenloch. Fahren Sie fort, ohne die Kontermuttern festzuziehen, bis die Struktur vollständig montiert ist (Zusatzdatei 1-Abbildung S12).
      4. Ziehen Sie den Ark-Montagerahmen fest. Am Ende von Schritt 2.3.1.1 sind die Strut-STAR-Verbindungen lose und verformbar. Beginnen Sie mit dem Festziehen der Kontermuttern mit einem Steckschlüssel (10 mm oder 3/8 Zoll) und einem Kreuzschlitzschraubendreher.
      5. Fahren Sie in der gesamten Struktur fort, bis alle Kontermuttern festgezogen sind, wobei der Nyloneinsatz der Kontermutter vollständig in die Gewinde der Schrauben eingerastet ist.
      6. Fügen Sie Pad-Ösen für die Befestigung des Zaumzeugs hinzu. Fügen Sie der rostfreien S1-Strebe an der Basis der Arche eine Pad-Öse hinzu und sichern Sie sie mit vier 3-Zoll-Pfannenkopf-Edelstahlschrauben.
      7. Fügen Sie 1/4 von 20 Kontermuttern hinzu und ziehen Sie sie fest. Wiederholen Sie den Vorgang für insgesamt fünf Anlegestellen (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S17).
      8. Montieren Sie 10 ARMS-Grundplatten an den mittig gerichteten N2 STAR-Anschlüssen. Platzieren Sie eine 3-Zoll-Pfannenkopfschraube durch das mittlere Loch auf der ARMS-Grundplatte. Fügen Sie der Schraubenwelle einen grauen PVC-Abstandshalter hinzu und platzieren Sie ihn durch das mittlere Loch des N2 STAR-Steckers, wobei sich die Grundplatte in der Struktur befindet. Fügen Sie eine Unterlegscheibe und eine Kontermutter hinzu und ziehen Sie sie fest.
      9. Fügen Sie zwei Halterungen hinzu und verwenden Sie vier 3 1/4-Zoll-Sechskantschrauben und Kontermuttern, um die ARMS-Grundplatte an den Streben zu befestigen. Ziehen Sie alle Kontermuttern fest. Behalten Sie die gleiche Ausrichtung für alle ARMS-Grundplatten bei (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S15).
      10. Montieren Sie 20 Grundplatten aus Korallenplatten an den nach oben gerichteten Streben. Setzen Sie vier 3-Zoll-Sechskantschrauben durch die Löcher auf der Grundplatte der Korallenplatte und befestigen Sie sie mit einer Halterung und einer Kontermutter an der Strebe. Wiederholen Sie dies für die andere Seite. Ziehen Sie die Kontermuttern fest, um sie zu sichern (Zusatzdatei 1-Abbildung S15).
      11. Fügen Sie eine zentrale Rute und einen Schleppnetzschwimmer zum zentralen Rückgrat der Arche hinzu. Führen Sie einen 8 Fuß langen, ungewindeten Glasfaserstab in die STAR-Verbinder ein, die mit einem geschweißten Rohrsegment an der Basis der Arche modifiziert sind. Fügen Sie eine 1-Zoll-Unterlegscheibe und einen unmodifizierten Schleppnetzschwimmer auf den Glasfaserstab ohne Gewinde in der Struktur hinzu. Führen Sie den Stab durch den oberen STAR-Anschluss der Arche ein.
      12. Befestigen Sie die Schrauben durch das Metallrohr an den modifizierten STAR-Verbindern und die Kontermuttern an der Sicherungsstange im Inneren der Arche. Fügen Sie eine grüne Rohrklemme unter dem Schleppnetzschwimmer (Oberseite der Arche) hinzu und ziehen Sie sie fest.
      13. Montieren Sie modifizierte Schleppnetzschwimmer in den nach oben gerichteten N2- und N1-STAR-Steckverbindern, die mit einem 1-Zoll-Mittelloch modifiziert sind. Fügen Sie eine Glasfaserscheibe am längeren Ende des freiliegenden Glasfaserstabs mit Gewinde hinzu.
      14. Durch das modifizierte STAR-Verbindungsloch sichern, so dass der Schleppnetzschwimmer in die Struktur zeigt. Fügen Sie eine weitere Glasfaserscheibe und eine Glasfaser-Sechskantmutter hinzu. Ziehen Sie mit einem Schraubenschlüssel und durch Drehen der Schwimmer fest (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S16).
   2. Befestigung des Verankerungssystems am geodätischen Rahmen
      1. Entwerfen Sie die Festmacherleinen und die Hardware, um sichere Verbindungen zwischen der Arche-Basis und dem Ankersystem zu gewährleisten (siehe z. B. Abbildung 1 ).
         HINWEIS: Es wird empfohlen, das Verankerungssystem so zu konstruieren, dass die Mittellinie der Arche-Struktur in einer Tiefe von 10 m positioniert ist.
      2. Verbinden Sie jedes Padauge an der Basis der Arche-Struktur mit dem gespleißten Auge am Ende einer doppelt gespleißten Länge einer 3/4-Zoll-Spektrenlinie mit einem hochfesten 7/16-Zoll-Edelstahlschäkel (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S17).
      3. Verbinden Sie mit einem 1/2-Zoll-Schraubstiftschäkel das andere Ende jeder Spektrenlinie mit einem der beiden Edelstahl-Masterlinks, so dass jedes Glied zwei oder drei Anschlüsse hat.
      4. Befestigen Sie den 3/4-Zoll-Wirbelschäkel an der Unterseite des Masterlinks und das Auge einer 1-Zoll-Nylonschnur, die mit einem Fingerhut aus Edelstahl gespleißt ist.
      5. Befestigen Sie einen 3/4-Zoll-Schäkel am Auge und Fingerhut am anderen Ende der Nylonschnur. Dieser Schäkel wird mit dem Ankersystem verbunden (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S17).
   3. Transport der 2V Ark zum Einsatzort
      HINWEIS: Der Einsatz der Shell Ark erfordert ein Schiff mit flachem Heck und Innenbordmotoren, so dass die Ark vom Bootsdeck ins Wasser gerollt werden kann, oder ein Schiff mit einem großen Davit oder A-Rahmen.
      1. Transportieren Sie die Arche mit einem Pritschenwagen zum Dock oder Yachthafen.
      2. Laden Sie die Arche mit einem entsprechend großen Gabelstapler auf das Schiff (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S21).
      3. Befestigen Sie die Festmacherleinen und die Hardware, einschließlich der Downlines und der Hardware zur Befestigung am Ankersystem am Meeresboden, an der Basis der Arche.
      4. Transportieren Sie die Arche zum Ankerplatz (Abbildung 3). Bereiten Sie eine Leine vor, die ungefähr der Tiefe des Verankerungssystems entspricht, mit einem Schäkel an einem Ende und einer Boje am anderen Ende.
      5. Befestigen Sie das Schäkelende der Leine am Verankerungssystem, wobei das Bojenende an der Oberfläche schwimmt.
      6. Rollen Sie die Arche sicher vom Heckdeck ins Wasser oder setzen Sie die Arche mit einem Davit oder A-Rahmen ins Wasser ein. Befestigen Sie das Bojenende der Leine so an der positiv schwimmfähigen Arche, dass die Struktur über dem Verankerungssystem schwebt.
   4. Befestigung der Arche am Verankerungssystem
      HINWEIS: In diesem Stadium schwimmt die Arche-Struktur an der Oberfläche über der Verankerungsstelle, wobei die integrierten Auftriebselemente (Schwimmer) für den Auftrieb sorgen. Die folgenden Aufgaben werden unter Wasser auf SCUBA erledigt und erfordern ein Team von mindestens drei Tauchern und zwei Oberflächenunterstützungspersonal.
      1. Befestigen Sie den oberen Block eines Block- und Tackle-Flaschenzugsystems an einem sicheren Befestigungspunkt an der Basis der Arche, wickeln Sie die Riemenscheibe ab, während Sie in Richtung Meeresboden absteigen, und befestigen Sie dann den unteren Block am Verankerungssystem (Ergänzende Datei 1-Abbildung S19).
      2. Ziehen Sie die Leine durch den unteren Block, um die Riemenscheibe einzurasten und die Arche in die Tiefe zu ziehen. Die Leine sollte bei jedem Zug in die Klampe eingerastet werden (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S19).
         HINWEIS: Verwenden Sie für Arks-Systeme mit hohem anfänglichem positivem Auftrieb ein 6:1-Block- und Tackle-System für maximalen Kauf. Gewichte können auch vorübergehend am Arks-System angebracht werden, um die Auftriebskraft zu reduzieren, die zum Versenken der Struktur erforderlich ist.
      3. Ziehen Sie die Arche weiter in die Tiefe, bis die Downline und die Hardware der Verankerungsbefestigung mit dem Ankersystem verbunden werden können. Verwenden Sie Draht, um alle Fesseln mit der Maus zu entfernen.
      4. Überprüfen Sie alle Verankerungskomponenten auf Unversehrtheit. Stellen Sie sicher, dass die Schäkel richtig sitzen und die Anker fest sitzen.
      5. Übertragen Sie die Spannung langsam vom Block und Gerät auf das Verankerungssystem. Entfernen Sie den Block und das Gerät, die Gewichte und die Bojenleine.
   5. Befestigung des Wappens an den Archen
      1. Holen Sie die ARMS von der Aussaatstelle und legen Sie sie in Milchkisten, die mit einer Maschenweite von 100 μm ausgekleidet sind, um den Verlust kleiner mobiler wirbelloser Tiere zu verhindern, die im ARMS leben. Bringen Sie die ARMS in Wannen mit schattigem, kühlem Meerwasser zu den Archenstandorten.
      2. Manövrieren Sie das ARMS durch eine der größeren dreieckigen Öffnungen in der Nähe der Mittellinie der Arche, so dass sich das ARMS innerhalb der Struktur befindet. Halten Sie das ARMS fest an einer der weißen Grundplatten, die im Inneren des Ark-Rahmens montiert sind.
      3. Befestigen Sie eine 1/2 in-13, 1,75 Zoll lange Sechskantschraube aus Edelstahl durch ein offenes Eckloch der ARMS-Grundplatte und der weißen, darunter liegenden HDPE-Grundplatte, befestigen Sie eine Edelstahl-Kontermutter an der Schraube, die durch die andere Seite herausragt, und ziehen Sie sie fest, bis sie fest sitzt. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die anderen drei Seiten (Abbildung 2D).
      4. Schieben Sie die ARMS hin und her, um eine feste Befestigung zu gewährleisten.
   6. Befestigung der Korallen an den Archen
      1. Befestigen Sie die Korallenplatten, die Korallen enthalten, die mit der Kalksteinfliese epoxidiert sind, an den HDPE-Grundplatten der Korallenplatte an der Außenseite der Arche mit 2 Zoll langen, 1/4 Zoll 20 Edelstahl-Sechskantschrauben, einer Unterlegscheibe und einer Kontermutter an allen vier Ecken.
      2. Ziehen Sie die Kontermuttern mit einem Steckschlüssel fest, um die Korallenplatte an Ort und Stelle zu befestigen.

3. Überwachung und Wartung von Coral Arks

ANMERKUNG: Detaillierte Fertigungsanweisungen, einschließlich technischer Zeichnungen für die Herstellung der Komponenten, finden Sie in Abschnitt 7 der Zusatzdatei 1.

1. Messung des Gewichts der Archen im Wasser
   1. Befestigen Sie die Tauchwägezelle an einem Block und greifen Sie das Flaschenzugsystem an, um die Spannung an der Festmacherleine vorübergehend auf das DMS-System zu übertragen.
   2. Befestigen Sie die Basis des Blocks und das Gerät an einer sicheren Stelle des Ark-Verankerungssystems, z. B. an einem Zwischenhindernis oder am Meeresbodenanker. Befestigen Sie die Oberseite der Wägezelle an einer sicheren Stelle am Ark-Montagerahmen (Zusatzdatei 1-Abbildung S33).
   3. Ziehen Sie die Leine durch das Block- und Tackle-Flaschenzugsystem, ohne die Verankerungskomponenten an der Arche zu entfernen oder zu verändern, so dass die Spannung vom Ark-Verankerungssystem auf das Flaschenzugsystem übertragen wird, wobei die Leine bei jedem Zug geklebt wird (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S33).
   4. Stellen Sie sicher, dass die Festmacherleine vollständig durchlässig ist, damit der Dehnungsmessstreifen Zugspannungsmessungen erfassen kann (Zusatzdatei 1-Abbildung S33).
   5. Übertragen Sie die Spannung langsam vom Block- und Tackle-Flaschenzugsystem auf die Ark-Festmacherleine und überprüfen Sie, ob die Schäkel und andere Verankerungskomponenten richtig sitzen und sicher sind.
   6. Für die Langzeitdatenerfassung integrieren Sie eine Wägezelle als "Inline"-Komponente in das Verankerungssystem. Schalten Sie die Datenlogger regelmäßig aus, um die Daten abzurufen.
2. Langfristige Wartung der Archen
   1. Führen Sie routinemäßige Inspektionen des Arks-Verankerungssystems durch und führen Sie bei Bedarf Wartungsarbeiten durch.
      HINWEIS: Siehe Ergänzende Datei-Abbildung S18 für ein Beispiel für eine Wartungs-Checkliste. Eine halbjährliche Wartung wird empfohlen.
   2. Stellen Sie sicher, dass die Anker weiterhin die maximale Haltekraft bieten (d. h. nicht aus dem Untergrund herausweichen).
   3. Reinigen Sie die Festmacherleinen von Verschmutzungsorganismen, die eindringen und die Integrität der Leinen beeinträchtigen können.
   4. Ersetzen Sie bei Bedarf verschlechternde Komponenten wie die Opferanoden, Schäkel und Festmacherleinen (Ergänzende Datei-Abbildung S18).
   5. Fügen Sie bei Bedarf zusätzlichen Auftrieb hinzu, indem Sie den vorhandenen Festmacherbojen feste Auftriebsschwimmer oder Luft hinzufügen, um die Ansammlung biologischer Massen auszugleichen.

Die oben genannten Methoden enthalten Montage- und Installationsanweisungen für zwei Designs von Coral Arks-Systemen. Prototypen für jedes Design wurden vor dem langfristigen Einsatz in San Diego, USA, zusammengebaut und in der Praxis getestet, um die Widerstandseigenschaften zu bewerten und die strukturelle Integrität auf der Grundlage modellierter und empirischer Festigkeitswerte zu optimieren. Die Modellierungsbemühungen, die für die Auswahl und Verfeinerung der beiden hier vorgestellten Arks-Geometrien von entscheidender Bedeutung sind, einschließlich der Ergebnisse von Windkanaltests, hydrodynamischen Simulationen und der Validierung der modellierten Werte im Wasser unter Verwendung von Prototypstrukturen, werden in Abschnitt 6 der Ergänzungsdatei 1 ausführlich beschrieben. Die Ergebnisse der Modellierung und In-Water-Tests des "Shell" Arks-Designs sind hier dargestellt. Zwei Strukturen jedes Designs wurden dann an karibischen Feldstandorten in Puerto Rico und Curaçao eingesetzt (insgesamt vier Arche-Strukturen installiert), und Korallen wurden in die Strukturen umgesiedelt. Die Wasserqualität, die mikrobielle Gemeinschaft und die Überlebensmetriken der Korallen, die mit dem "Shell"-Archen-Design und zwei Meeresbodenkontrollstandorten verbunden sind, wurden zu mehreren Zeitpunkten über einen Zeitraum von 6 Monaten gesammelt, um die Veränderungen der Umweltparameter und der Korallengesundheit zu charakterisieren und zu bestimmen, die mit den Archs-Strukturen nach der natürlichen Rekrutierung und der Hinzufügung von gesäten ARMS verbunden sind.

Widerstandseigenschaften von Coral Arks
Es ist wichtig, die Luftwiderstandseigenschaften von Coral Arks zu verstehen, um eine Struktur und Verankerung zu entwerfen, die die Zielumgebung überleben. Aus struktureller Sicht führt der hydrodynamische Luftwiderstand in Kombination mit dem Nettoauftrieb zu Lasten innerhalb des Bauwerks, insbesondere der Verankerung und ihres Verankerungssystems. Wir führten Modellierungen und experimentelle Messungen durch, um die Widerstandseigenschaften der Arks-Strukturen abzuschätzen. Die Ergebnisse dieser Tests für das "Shell"-Design von Arks-Strukturen sind im Folgenden aufgeführt. Die Modellierung wurde durchgeführt, indem der Luftwiderstand der einzelnen Elemente der Struktur geschätzt, summiert und dann das Ergebnis zu einem effektiven Luftwiderstandsbeiwert kombiniert wurde, wie in Gleichung (1) und Gleichung (2) gezeigt:

Bewertungen (1)

Bewertungen (2)

wobei D total der Gesamtwiderstand der Struktur ist, der aus der Summe der Di-Elementschleifen geschätzt wird, CD der Luftwiderstandsbeiwert der Gesamtstruktur ist, die Fluiddichte, U die Strömungsgeschwindigkeit des Objekts relativ zum Fluid ist und A die Stirnfläche der Struktur ist. In diesen Berechnungen wurde angenommen, dass es sich bei den Elementen um Zylinder handelt, deren Ausrichtung auf die Strömung durch die aufrechte Geometrie der Arche-Struktur bestimmt wird. Die Modellierung wurde für den gleichen Prototyp des "Shell"-Systems (eine geodätische 2-V-Kugel) durchgeführt, der vor dem Bau der endgültigen Feldsysteme für Schlepptests (siehe unten) verwendet wurde. Der Prototyp hatte eine Gesamtfrontfläche von ca. 2,10 m2, und die Modellierungsergebnisse zeigten einen effektiven Luftwiderstandsbeiwert für die gesamte Struktur von ca. 0,12. Der vom Modell vorhergesagte Widerstand der Struktur als Funktion der Geschwindigkeit ist in Abbildung 4 dargestellt.

Experimentelle Schätzungen der Widerstandskraft der Struktur, die bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten würde, wurden erhalten, indem die Arche-Struktur hinter einem Schiff mit einer Wägezelle, die in einer Linie mit der Schleppleine gespleißt war, und einem Neigungssensor gezogen wurde, um die Änderungen in der Ausrichtung der Arche relativ zur vertikalen Achse bei einem Bereich von Schleppgeschwindigkeiten aufzuzeichnen. Vor dem Abschleppen wurde das Gewicht der Struktur im Wasser bestimmt, und der Struktur wurde ausreichend zusätzliches Gewicht hinzugefügt, um einen Nettoauftrieb von ca. 200 kg zu simulieren (ein ursprüngliches Ziel für das System). Basierend auf der Spannung im Schleppseil und dem Neigungswinkel der Arche wurde der Luftwiderstand (D-Schlepp) bei jeder Geschwindigkeit mit Gleichung (3) bestimmt:

Bewertungen (3)

wobei T die gemessene Spannung der Wägezelle und der Neigungswinkel relativ zur vertikalen Achse ist. Die resultierende Beziehung zwischen Luftwiderstand und Geschwindigkeit ist in Abbildung 4 dargestellt. Eine Best-Fit-Widerstandskurve (in der Form D tow α U2; siehe Abbildung 4), kombiniert mit Schätzungen der Stirnfläche und der Wasserdichte, wurde dann verwendet, um den empirischen Luftwiderstandsbeiwert von 0,13 zu bestimmen.

Die Reynolds-Zahl während der Schlepptests (und der für die Modellierung verwendete Bereich) lag im Bereich von 105-10 6, im Allgemeinen in den turbulenten Strömungsbereichen. Typische Werte des Luftwiderstandsbeiwerts für eine Kugel in diesem Reynolds-Zahlenbereich liegen zwischen 0,2 und 0,4. Zu Vergleichszwecken ist in Abbildung 4 ein Diagramm der Widerstandskurve für eine Kugel mit einem Luftwiderstandsbeiwert von 0,3 dargestellt. Somit liegen die modellierten und experimentellen Schätzungen des Luftwiderstandsbeiwerts in der Größenordnung von zwei- bis dreimal kleiner als für eine Kugel, was mit dem offeneren Charakter der Struktur übereinstimmt.

Um diese modellierten Ergebnisse zu validieren, führten wir auch Feldmessungen der Reaktion von zwei "Shell" Arks-Strukturen auf die Strömung durch. Um dies zu erreichen, wurde die gleiche Wägezelle vorübergehend in einer Linie mit der Hauptfestmacherleine der Arche installiert, ein Neigungssensor wurde auf der Arche installiert und ein Strommesser wurde am Standort installiert, um gleichzeitig die Wassergeschwindigkeit zu überwachen. Die Auftriebs- und Widerstandskomponenten der Spannung wurden dann aus dem Neigungswinkel und den Wägezellenmessungen berechnet (Abbildung 5). Die aktuellen Geschwindigkeiten während des Messzeitraums waren relativ stabil bei etwa 20 cm/s, und der Datensatz war relativ kurz; Daher wurden die Daten über den Zeitraum gemittelt und verwendet, um den Feldwiderstand und die Geschwindigkeitsreaktion mit den modellierten und experimentellen Schleppschätzungen zu vergleichen. Diese Ergebnisse zeigen, dass unter den erwarteten Bedingungen am Einsatzort (Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 1,3 m/s während eines typischen Sturmereignisses) die Widerstandskraft des Systems voraussichtlich weniger als 300 kg betragen wird.

Beide "Shell"-Strukturen in Vieques, Puerto Rico, überlebten einen direkten Treffer des Hurrikans Fiona der Kategorie 1 im September 2022 ohne offensichtliche Schäden an den Strukturen, der Verankerung oder dem Verankerungssystem, was einen In-situ-Test ermöglicht, der das Design unterstützt. Eine nahegelegene Boje (CARICOOS) verzeichnete am Einsatzort Strömungsgeschwindigkeiten von 1,05 m/s in 10 m Tiefe, was einer Widerstandskraft von ca. 160 kg auf die Verankerungssysteme entspricht. Die Systeme wurden so konstruiert, dass sie einer Kraft von 1.600 kg standhalten (unter Berücksichtigung der Ankerkapazität und der Bruchfestigkeit der Komponenten) und daher nicht unter Umgebungs- oder typischen Sturmbedingungen ausfallen dürften.

Netto-Auftriebsüberwachung für Coral Arks
Derselbe Ansatz, der zur Validierung der Luftwiderstandseigenschaften der Arche-Strukturen beschrieben wurde, wurde auch verwendet, um eine Methode zur Überwachung des Nettoauftriebs der Archen zu entwickeln. Solange die physische Struktur der Arche konstant bleibt, bietet der Nettoauftrieb einen groben Näherungswert für die Überwachung der gesamten Verkalkung der Gemeinschaft und damit des Korallenwachstums sowie eine Wartungsmetrik, um festzustellen, ob das System einen ausreichenden positiven Auftrieb aufweist, um das biologische Wachstum im Laufe der Zeit zu kompensieren. Die Auftriebskomponente (B) der Verankerungsspannung wurde unter Verwendung der Daten des Dehnungsmessstreifens und des Neigungssensors in Gleichung (4) berechnet:

Bewertungen (4)

wobei T die gemessene Spannung der Wägezelle und der Neigungswinkel ist. Die resultierende Zeitreihe des Nettoauftriebs ist in Abbildung 5 dargestellt. Unter den relativ stabilen aktuellen Bedingungen, die während der Feldüberwachungsereignisse vorhanden waren, stellten wir fest, dass die beiden in Vieques, Puerto Rico, eingesetzten "Shell"-Arche-Strukturen ähnliche Nettoauftriebe von 82,7 kg ± 1,0 kg (Ark 1) und 83,0 kg ± 0,9 kg (Ark 2) aufwiesen, wenn sie über den Überwachungszeitraum gemittelt wurden (± einer Standardabweichung), nachdem alle Korallen und ausgesäten ARMS-Einheiten 6 Monate nach dem ersten Struktureinsatz in die Strukturen umgesiedelt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe der Kurzzeitüberwachung während relativ stabiler Wasserströmungsperioden der Nettoauftrieb im Feld auf ~1 kg genau bestimmt werden kann, was sich langfristig für die Überwachung von Veränderungen der Biomasse als nützlich erweisen sollte.

Wasserqualität und Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft
Metriken im Zusammenhang mit der Wasserqualität und den mit der Wassersäule assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften wurden an zwei Mittelwasser-"Shell"-Archen gemessen, die in 55 Fuß Wassertiefe mit der Spitze der Archen in einer Tiefe von 25 Fuß vor der Küste von Isla Vieques, Puerto Rico, verankert waren (Abbildung 6C). Die Wasserqualitätsmetriken, die mikrobiellen und viralen Abundanzen und die durchschnittliche Mikrobengröße von zwei Archen wurden mit den gleichen Metriken von zwei nahe gelegenen Meeresboden-"Kontroll"-Standorten verglichen, die sich ebenfalls in einer Tiefe von 25 Fuß, aber viel näher an der Küste befanden (Abbildung 6D). Die gezeigten Messungen wurden unmittelbar nach der Installation der Archen mit einer ersten Charge translozierter Korallen (November 2021) und 6 Monate später, nachdem eine zweite Charge von Korallen und ausgesäten ARMS in die Archen umgesiedelt wurde (Mai 2022), gesammelt; Sie wurden dann zum Vergleich über beide Standorte (Archen und Kontrollstandorte) gemittelt. Da die gesäten ARMS 6 Monate nach dem Einsatz in die Archen überführt wurden, war die Anhäufung von Lebensgemeinschaften auf den Strukturen während des ersten 6-Monats-Zeitraums mit Biofouling und natürlicher Rekrutierung verbunden.

Die Arks-Umgebung wies höhere durchschnittliche Tageslichtlichtintensitäten (Abbildung 6A), höhere durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeiten (Abbildung 6C), niedrigere Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff (Abbildung 6F) und geringere Diel-Schwankungen der Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff (Abbildung 6G) auf als die benthischen Kontrollstellen. Die Archen zeigten auch mikrobielle Gemeinschaften mit höheren Virus-Mikroben-Verhältnissen als die Kontrollstellen (Abbildung 7A), angetrieben von einer höheren Häufigkeit freier Viren (Abbildung 7C) und einer geringeren Häufigkeit von Mikroben (Abbildung 7B) in der Mittelwasser-Archenumgebung. Die mikrobiellen Gemeinschaften auf den Archen bestanden im Durchschnitt aus physisch kleineren Zellen als die mikrobiellen Gemeinschaften am Meeresboden (Abbildung 7D). Die Temperaturunterschiede zwischen den Archen und den Kontrollstellen waren nicht signifikant (Abbildung 6E). Alle oben genannten Trends stehen im Einklang mit einer besseren Wasserqualität und gesünderen mikrobiellen Gemeinschaften auf den Archen als an den Kontrollstandorten. Diese Bedingungen hielten in den ersten 6 Monaten des Einsatzes an, in denen sich auf den Archen eine im Entstehen begriffene biologische Gemeinschaft sowohl durch die Umsiedlung von Korallennoppen als auch durch die natürliche Rekrutierung aus der Wassersäule entwickelte und sukzessive Veränderungen erfuhr, sowie durch die Hinzufügung von gesäten ARMS auf den Strukturen in Monat 6.

Überleben der Korallen
Eine Kohorte von Korallen mit acht Arten und verschiedenen Morphologien wurde sowohl nach der Installation der Archen (Monat 0) als auch nach der Hinzufügung der ausgesäten ARMS im 6. Monat auf die Archen und benthischen Kontrollstellen verteilt. Die ursprünglichen Elternkolonien jeder Korallenart wurden in Nubbins (2-8 cm in einer bestimmten Dimension) fragmentiert und an Kalksteinkorallenplatten (vier bis fünf Noppen pro 20 cm2 Platte) befestigt, die sowohl an den Archen als auch an den Kontrollstandorten gleichmäßig verteilt waren, um sicherzustellen, dass die gleichen Arten und Genotypen sowohl an den Mittelwasser-Archen als auch an den Kontrollstandorten vertreten waren. Das Überleben dieser umgesiedelten Korallen wurde alle 3 Monate an den Archen und Kontrollstellen bewertet. Neun Monate nach der Translokation der ersten Korallenkohorte lebten auf den Archen noch mehr Korallen (80 %, Abbildung 8) als an den Kontrollstellen (42 %, Abbildung 8).

Abbildung 1: Diagramm, das die strukturellen Komponenten von zwei vollständig installierten Coral Ark-Strukturen zeigt. Links werden die Strukturen "Shell" und "Two-Platform" (rechts) der Coral Arks gezeigt, zusammen mit zwei Methoden zur Bereitstellung von positivem Auftrieb und zwei Methoden zur Verankerung. Abkürzung: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Entwurf, Einsatz und Transfer von ARMS-Einheiten. (A-D) PVC-ARMS und (E-H) Kalkstein-ARMS von den Aussaatplätzen des Meeresbodens zu Korallenarchen. (A) Bildnachweis an Michael Berumen. (B) Bildnachweis an David Littschwager. Abkürzungen: PVC = Polyvinylchlorid; ARMS = Autonome Riffüberwachungsstrukturen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Bilder, die die Bereitstellungsphasen von Coral Arks darstellen, einschließlich des Transports zum Standort und der vollständigen Installation. (A-C) Shell-Typ- und (D-F) Zwei-Plattform-Systeme. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Widerstandseigenschaften der "Shell"-Arche-Strukturen basierend auf Modellierung, experimentellen Schlepptests und Feldvalidierung relativ zum Widerstand einer Kugel desselben ungefähren Maßstabs. "ARK1" und "ARK2" sind identische "Shell"-Arche-Strukturen, die am selben Standort in Vieques, Puerto Rico, installiert wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Gemessene Nettoauftriebswerte für zwei "Shell"-Archen in Vieques, Puerto Rico. Dargestellt sind die Wassergeschwindigkeit (rechte Achse, mittlere Farben), der Nettoauftrieb (linke Achse, helle Farben) und der berechnete Luftwiderstand/Spannung an der Festmacherleine (linke Achse, dunkle Farben) für "Shell" Ark 1 (blau) und "Shell" Ark 2 (grün). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Wasserqualitätsmetriken im Zusammenhang mit den "Shell"-Archen und den Kontrollstandorten des Meeresbodens in Vieques, Puerto Rico, unmittelbar nach der Installation und 6 Monate danach. (A) Tageslichtintensität, (B) aktuelle Geschwindigkeit, (C, D) Fotos, die 6 Monate nach der Installation aufgenommen wurden, (E) Temperatur, (F) gelöster organischer Kohlenstoff, (G) Änderungen des Gehalts an gelöstem Sauerstoff in den Archen im Vergleich zu Kontrollstandorten über 6 Monate. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 7: Metriken im Zusammenhang mit den mit der Wassersäule assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften auf den "Shell"-Archen und den Kontrollstellen für den Meeresboden in Vieques, Puerto Rico, unmittelbar nach der Installation und 6 Monate danach . (A) Virus-Mikroben-Verhältnis, (B) Bakterienzellhäufigkeit, (C) freie Virushäufigkeit und (D) durchschnittliche Bakterienzellgröße. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 8: Anteil der überlebenden Korallen auf den "Shell"-Archen und Meeresbodenkontrollstellen in Vieques, Puerto Rico während der ersten 9 Monate nach der Umsiedlung. Die Bilder zeigen den Zustand einer einzelnen Korallenplatte auf den Archen (oben) und an den benthischen Kontrollstellen (unten) unmittelbar nach der Translokation (links) und 6 Monate nach der Translokation (rechts). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Überlegungen zur Konstruktion und zum Design von ARMS. Abkürzungen: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures; PVC = Polyvinylchlorid. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Überlegungen zum Design von Coral Arks. Abkürzungen: PVC = Polyvinylchlorid; ARMS = Autonome Riffüberwachungsstrukturen; HDPE = Polyethylen hoher Dichte. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Ergänzende Datei. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. 

Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder andere Interessenkonflikte.