Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Coral Reef Arks: En in situ mesokosm och verktygslåda för montering av revsamhällen

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/64778
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1, 4, 4, 1, 1, 1, 5, 6, 2, 2, 5, 4, 7, 1
1Department of Biology, San Diego State University, 2Energy and Environmental Sciences Branch, Naval Information Warfare Center (NIWC) Pacific, 3Coastal Monitoring Associates, 4Department of Marine Microbiology and Biogeochemistry, NIOZ Royal Netherlands Institute for Sea Research, 5Computational Science Research Center, San Diego State University, 6Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, 7Department of Organismic and Evolutionary Biology, Harvard University

Summary

Förtöjda geodetiska strukturer i mitten av vattnet som kallas Coral Arks ger en modulär, skalbar och vertikalt justerbar forskningsplattform som kan användas för att bygga, övervaka och störa korallrevsamhällen i tidigare inoperativa områden, inklusive offshore.

Abstract

Korallrev trivs och ger maximala ekosystemtjänster när de stöder en trofisk struktur på flera nivåer och växer under gynnsamma vattenkvalitetsförhållanden som inkluderar höga ljusnivåer, snabbt vattenflöde och låga näringsnivåer. Dålig vattenkvalitet och andra antropogena stressfaktorer har orsakat koralldödlighet under de senaste decennierna, vilket leder till trofisk nedgradering och förlust av biologisk komplexitet på många rev. Lösningar för att vända orsakerna till trofisk nedgradering är fortfarande svårfångade, delvis för att ansträngningar för att återställa rev ofta försöks under samma minskade förhållanden som orsakade koralldödlighet i första hand.

Korallarkar, positivt flytande, mittvattenstrukturer, är utformade för att ge förbättrade vattenkvalitetsförhållanden och stödjande kryptisk biologisk mångfald för translokerade och naturligt rekryterade koraller för att montera friska revmesokosmer för användning som långsiktiga forskningsplattformar. Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS), passiva bosättningsanordningar, används för att flytta den kryptiska revets biologiska mångfald till korallarkerna, vilket ger en "boost" till naturlig rekrytering och bidrar med ekologiskt stöd till korallhälsan. Vi modellerade och experimentellt testade två konstruktioner av Arks för att utvärdera strukturernas dragegenskaper och bedöma deras långsiktiga stabilitet i mellanvattnet baserat på deras svar på hydrodynamiska krafter.

Vi installerade sedan två konstruktioner av Arks strukturer på två karibiska revplatser och mätte flera vattenkvalitetsmått associerade med Arks miljö över tid. Vid utplacering och 6 månader efter visade korallarkerna förbättrade mätvärden för revfunktion, inklusive högre flöde, ljus och upplöst syre, högre överlevnad av translokerade koraller och minskad sedimentering och mikrobialisering i förhållande till närliggande havsbottenplatser på samma djup. Denna metod ger forskare en anpassningsbar, långsiktig plattform för att bygga revsamhällen där lokala vattenkvalitetsförhållanden kan justeras genom att ändra utbyggnadsparametrar som djup och plats.

Introduction

Över hela världen genomgår korallrevsekosystem övergångar från högbiodiversitet, koralldominerade bentiska samhällen till samhällen med lägre mångfald som domineras av torv- och köttiga makroalger 1,2,3. Årtionden av framsteg när det gäller att karakterisera mekanismerna för nedbrytning av korallrev har avslöjat hur kopplingar mellan mikrobiella och makroorganismsamhällen ökar takten och svårighetsgraden av dessa övergångar. Till exempel initierar överfiske av rev av mänskliga populationer en trofisk kaskad där överskott av fotosyntetiskt härledda sockerarter från obetade alger shuntar energi in i revets mikrobiella samhällen, vilket driver patogenes och orsakar korallnedgång 4,5,6. Denna trofiska nedgradering förstärks av förlusten av biologisk mångfald på rev till följd av försämrad vattenkvalitet 7,8. Experiment på mesokosmnivå kan användas för att bättre förstå och mildra den trofiska nedgraderingen av korallrevssamhällen genom att förbättra den biologiska mångfalden och förbättra vattenkvaliteten, men logistiska utmaningar gör dessa studier svåra att genomföra in situ.

En konsekvens av trofisk nedgradering på rev är den utbredda förlusten av kryptisk biologisk mångfald, varav mycket förblir okarakteriserad 7,9. Koraller förlitar sig på en mångsidig serie kryptiska revorganismer ("kryptobiota") som stöder deras hälsa genom att spela integrerade roller i rovdjurförsvar 10, rengöring11, betande konkurrerande alger 12,13 och reglering av revvattenkemi 14,15. Fram till nyligen och på grund av de metodologiska begränsningarna för visuella undersökningar har revkryptobiota varit underrepresenterade och dåligt förstådda i samband med revekologi, och de beaktas därför sällan i ansträngningar att återställa eller bygga om rev. Under det senaste decenniet har användningen av standardiserade bosättningsenheter som kallas Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) i kombination med sekvenseringsmetoder med hög genomströmning möjliggjort bättre insamling och karakterisering av revkryptobiota16,17. ARMS rekryterar passivt representanter för nästan alla kända korallrevs biologiska mångfald och har hjälpt till att avslöja många funktionella roller hos kryptiska organismer i revskalprocesser 9,18,19,20,21,22,23. Dessa bosättningsenheter tillhandahåller därför en mekanism för att flytta kryptisk revbiota tillsammans med koraller för att samla mer intakta revsamhällen med biologiskt medierade mekanismer, såsom bete, försvar och förbättring av lokal vattenkvalitet, som är nödvändiga för att upprätthålla den trofiska strukturen.

Koralldominerade rev trivs i högljus, lågnäring och väl syresatta miljöer. Mänskliga aktiviteter som urbanisering, jordbruk och överfiske har minskat vattenkvaliteten på många korallrev genom att öka sediment, näringsämnen, metaller och andra föreningar i avrinning 24,25 och genom att ändra biogeokemisk cykling26. I sin tur försämrar dessa aktiviteter revsamhällen genom kvävning, energiutarmning, leverans av föroreningar i samband med sedimentering27,28, vilket ökar tillväxten av makroalger som konkurrerar med koraller 29, ökar överflödet av mikrobiella patogener6,30,31 och skapar hypoxiska zoner som dödar kryptiska ryggradslösa djur32,33 . Dessa och andra "lokala effekter" förvärras av regionala och globala förändringar i havsförhållandena, inklusive ökande temperaturer och minskande pH, vilket ytterligare förvärrar förhållandena för koraller och andra revorganismer34,35. Vid gränsytan mellan bentisk och vatten orsakar specifikt andnings- och fotosyntetisk dynamik i bentiska samhällen dielfluktuationer i pH och upplöst syre, som blir mer uttalade på mycket nedbrutna rev, vilket skapar förhållanden som bentiska ryggradslösa djur inte kan tolerera32,36,37,38 . Att tillhandahålla lämpliga vattenkvalitetsförhållanden är därför avgörande för att samla fungerande revsamhällen, men detta är fortfarande utmanande eftersom ett ökande antal rev fångas i olika nedbrytningstillstånd.

Många av de utmaningar som koraller och grundläggande kryptiska taxa på bentos står inför kan övervinnas genom flyttning till midvattnet, här definierat som vattenpelaren mellan havsytan och havsbotten. I mellanvattenmiljön förbättras vattenkvaliteten39,40, sedimentationen minskar och avståndet från havsbotten dämpar fluktuationer i parametrarna i samband med bentisk metabolism. Dessa egenskaper förbättras ytterligare genom att flytta offshore, där landbaserade antropogena effekter, såsom terrestriellt härledd avrinning, blir alltmer utspädda med avståndet från kusten. Här introducerar och tillhandahåller vi protokoll för att bygga, distribuera och övervaka Coral Reef Arks, ett tillvägagångssätt som utnyttjar förbättrade vattenkvalitetsförhållanden i mitten av vattnet och införlivar kryptisk biologisk mångfald på förankrade, positivt flytande strukturer för montering av korallrevssamhällen.

Coral Reef Arks-system, eller "Arks", består av två primära komponenter: (1) en suspenderad styv geodetisk plattform upphöjd över benthos och (2) organismtäckta eller "sådda" ARMS som translokerar revkryptobiota från närliggande bentiska områden, vilket kompletterar de naturliga rekryteringsprocesserna för att ge de translokerade korallerna ett mer varierat och funktionellt revsamhälle. En geodetisk struktur valdes för att maximera styrkan och minimera byggmaterialet (och därmed vikten), samt att skapa en intern, turbulent flödesmiljö som är analog med revmatrisen.

Två konstruktioner av arkar installerades framgångsrikt på två karibiska fältplatser och används för närvarande för forskning om revsamhällets etablering och ekologisk succession (figur 1). Coral Arks strukturer är avsedda att vara långsiktiga forskningsplattformar, och som sådan är ett primärt fokus för detta manuskript att beskriva protokoll för att placera, installera, övervaka och underhålla dessa strukturer för att maximera deras stabilitet och livslängd i midvattenmiljön. En kombination av modellering och vattentestning användes för att utvärdera strukturernas dragegenskaper och justera konstruktionen för att motstå de förväntade hydrodynamiska krafterna. Efter installationen etablerades revsamhällen på arkarna och på närliggande bentiska kontrollplatser på samma djup genom en kombination av aktiv translokation (koraller och sådda ARMS-enheter) och naturlig rekrytering. Vattenkvalitetsförhållanden, mikrobiell samhällsdynamik och korallöverlevnad på arkarna dokumenterades vid flera tidpunkter under den tidiga successionsperioden och jämfördes med de bentiska kontrollplatserna. Hittills har förhållandena i samband med Midwater Coral Arks-miljön varit konsekvent mer gynnsamma för koraller och deras associerade kryptiska konsortier i förhållande till de närliggande bentiska kontrollplatserna på samma djup. Metoderna nedan beskriver de steg som krävs för att replikera Coral Arks-metoden, inklusive hur du väljer platser och utformar och distribuerar Coral Arks-strukturer. Föreslagna metoder för övervakning av korallarkar ingår i kompletterande fil 1.

Protocol

OBS: Detaljerad information om tillverkning, distribution och övervakning av ARMS och Coral Arks strukturer, inklusive tekniska ritningar, diagram och foton, finns i kompletterande fil 1. Avsnitt i protokollet som involverar undervattensarbete, inklusive installation av arkar och ARMS-strukturer, rekommenderas att utföras av ett team av tre dykare (på SCUBA) och två ytstödspersonal.

1. Montering och utplacering av vapen

OBS: ARMS är ungefär 1 ft 3 (30 cm3) strukturer gjorda av PVC- eller kalkstenbasmaterial som efterliknar den tredimensionella komplexiteten hos revets hårdbottensubstrat. Tabell 1 diskuterar två utformningar för ARMS med tanke på olika projektöverväganden. ARMS rekommenderas att användas i 1-2 år före överföring till Arks för att maximera koloniseringen med kryptisk biota.

  1. PVC-ARMAR
    OBS: De färdiga komponenter som avses i detta protokoll (och som anges i materialförteckningen) beskrivs med hjälp av brittiska enheter. De tillverkade materialen beskrivs med hjälp av metriska enheter. Detaljerade tillverkningsanvisningar, inklusive tekniska ritningar för tillverkning av komponenterna, finns i avsnitt 1 i kompletterande fil 1.
    1. Församling
      1. Sätt in fyra 1/4 in-20, 8 i långa hex-huvudbultar genom mitthålen på en 1/2 tum tjock PVC-basplatta; Vänd sedan upp och ner så att bultarna vetter uppåt vertikalt.
      2. Lägg till en nylondistans till varje bult och lägg sedan till en 1/4 i tjock, PVC 9 i x 9 i plåt. Detta skapar ett öppet lager mellan basplattan och den första stapelplattan.
      3. Lägg till en lång tvärdistans på två bultar i motsatta hörn och lägg sedan till två korta tvärdistanser på de återstående bultarna så att ett "X" bildas. Lägg till en annan PVC-stapelplatta för att skapa ett slutet lager.
      4. Upprepa steg 1.1.1.2 och steg 1.1.1.3, alternerande mellan öppna och slutna lager, tills sju till nio plåtskikt har lagts till bultarna (tilläggsfil 1-figur S5).
      5. Lägg till en bricka, en sexkantsmutter och en nyloninsatslåsmutter på toppen av varje bult och dra åt ordentligt.
    2. För utplacering, transportera den monterade PVC ARMS till målutplaceringsplatsen och täcka ARMS med 100 μm mesh under överföringen för att hålla kvar små rörliga ryggradslösa djur (kompletterande fil 1-figur S6). Leta reda på en lapp av rev hardbottom substrat i närheten av friska korallrev samhällen.
      OBS: De specifika utplaceringsplatserna bör väljas med hänsyn till lokala bestämmelser och tillståndsbestämmelser, till exempel att undvika kritiska livsmiljöer för Endangered Species Act-listade arter i amerikanska vatten.
      1. Använd 3 i längder på 1/2 tum armeringsjärn och en klubba, säkra ARMARNA till bentos i alla fyra hörnen genom att slå armeringsjärnet, något vinklat utåt, i baskalkstenen så att armeringsjärnet genererar spänning mot basplattans kant (figur 2A, B).
      2. Alternativt kan du ansluta kedjorna i ARMS med kraftiga buntband och förankra ändarna på kedjorna med härdade betongpåsar (figur 2C och kompletterande fil 1-figur S6).
  2. Kalksten VAPEN
    1. För montering, börja med 12 i x 12 i oavslutade kalkstens- eller travertinplattor (figur 2). Identifiera önskad komplexitet hos kalkstenens ARMS-interiör.
      OBS: Det rekommenderas att använda 2 cm3 kuber. Alternativa utformningar och överväganden finns i avsnitt 2 i kompletterande fil 1.
      1. Skär flera oavslutade plattor i 2 cm2 kvadratiska distanser (~ 250) med en våt kakelsåg.
      2. Skär travertinplattor till önskad form för ARMS-lagren. I likhet med PVC ARMS, använd 12 i x 12 i rutor och skikt dem med distanser för att bilda 1 fot3 kuber (kompletterande fil 1-figur S8).
      3. Använd en tvådelad, giftfri epoxi av marin kvalitet, limma de mindre travertinbitarna på en större travertinskiktplatta längs ett förritat rutmönster.
      4. Förbered flera lager som, när de staplas ihop, uppnår önskad ARMS-höjd. Låt epoxin härda baserat på tillverkarens rekommendationer.
      5. Montera ARMS-staplingsplattorna med epoxi för att limma varje lager till det ovanför.
        OBS: ARM-höjden varierar beroende på önskad vikt och intern komplexitet. En slutlig storlek på cirka 1 fot3 rekommenderas.
      6. Låt epoxin härda ur direkt solljus i 24 timmar före utplacering.
    2. För distribution transporterar du de monterade Limestone ARMS till måldistributionsplatsen. Leta reda på en lapp av rev hardbottom substrat i närheten av friska korallrev samhällen.
      OBS: De specifika utplaceringsplatserna bör väljas med hänsyn till lokala bestämmelser och tillståndsbestämmelser, till exempel att undvika kritiska livsmiljöer för Endangered Species Act-listade arter i amerikanska vatten.
      1. Transportera ARMS till bentos med en mjölklåda och lyftpåse. Kila in kalkstensarmarna i död revmatris (levande sten). Undvik sandbottenhabitat och de som är starkt koloniserade av torvalger eller bentiska cyanobakteriemattor.
      2. Placera Limestone ARMS bredvid steniga överhäng och hällar för att skydda dem från vågrörelser och stormfloder.

2. Coral Arks montering och distribution

OBS: Tabell 2 diskuterar designöverväganden för Coral Arks givet olika projektparametrar. Dimensionerna på underelementen (stag, nav, plattformar, förtöjningskomponenter och positiv flytkraft) kan modifieras beroende på önskad storlek och vikt på de slutliga Coral Ark-strukturerna.

  1. Installation av förankringssystemet
    OBS: Välj förankringssystem baserat på plats- och projektspecifika överväganden som Ark-design, stormfrekvens, bottentyp, platsexponering, projektets varaktighet och förväntade krafter på grund av drag, strömmar och flytkraft. Se PADI41 för insikter om val av förtöjningssystem.
    1. Använd sandskruvar i sandbotten och lösa murar.
      1. Transportera sandskruvarna till benthos. Stå sandskruven upprätt, vrid och begrav sandskruven tills den första skivan har täckts av sand eller lösa spillror.
      2. Placera en 5 fot lång metallstång genom ankarets öga så att majoriteten av vridstången sticker ut ur ena sidan av ögat.
      3. Gå eller simma i cirklar på benthos, skruva fast sandskruven i underlaget tills endast ögat återstår att sticka ut ur bentos (kompletterande fil 1-figur S20).
      4. Installera tre sandskruvar i ett triangulärt mönster, förbundna med ett kedjeträns, för ökad hållkraft (tilläggsfil 1-figur S20).
    2. Använd Halas ankare i hårdbottnade och karbonatbaserade berghabitat.
      1. Transport 9-12 i ögonbultar och en dränkbar borr (elektrisk eller pneumatisk) till ankarplatsen.
      2. Använd den nedsänkbara borren och en mursågen med en diameter på 1 tum för att borra ett 9 tum djupt och 1 tum brett hål i basberget. Rengör regelbundet överflödigt substrat från hålet med en kalkonbaster.
      3. Fyll hålet med Portlandcement eller epoxi av marin kvalitet. Tryck in ögonbultaxeln i hålet och fyll de återstående luckorna med cement eller epoxi.
      4. Låt cement/epoxin härda i 5 dagar.
      5. För ökad hållkraft, installera tre Halas-ankare i ett triangulärt mönster, förbundna med ett kedjeträns.
    3. Använd förtöjning av blocktyp på platser med befintliga förtöjningsblock eller tunga skräpelement.
      OBS: Installation av ett nytt förtöjningsblock kräver kommersiell installationsutrustning som en pråmmonterad kran och rekommenderas inte för projekt med mindre omfattning.
      1. Fäst förtöjningssystemet på befintliga tunga skräpelement (nedsänkta fartyg, motorblock) eller på befintliga förtöjningsblocköglor via hårdvara och tackling.
      2. Se till att metallförtöjningskomponenterna är tillverkade av liknande metaller och skyddade mot galvanisk korrosion med offeranoder.
  2. 1V-frekvensstrukturen (två plattformar)
    Detaljerade tillverkningsanvisningar, inklusive tekniska ritningar för tillverkning av komponenterna, finns i Avsnitt 4 av Kompletterande fil 1. De standardkomponenter som avses i detta protokoll (och som förtecknas i Tabell över material) beskrivs med hjälp av brittiska enheter.
    1. Montering av 1V geodetisk ram
      1. Skruva fast en 1/4-20 sexkantsmutter i rostfritt stål på en 1/4-20 2,5 i rostfritt stål bult 3/4 av vägen till toppen av bulten. Sätt in bulten i ett av de inre hålen på fjäderbenet.
      2. Fäst en låsmutter på andra sidan av skruven, dra åt den tills den passar ordentligt med PVC för att förhindra att navet glider ner längs fjäderbenet.
      3. Upprepa för motsatt sida av fjäderbenet och för de återstående 29 stagen.
      4. Tryck änden på varje fjäderben genom ett av hålen i navet och fäst en annan bult genom det yttre hålet på fjäderbenet, avsluta med en låsmutter för att förhindra att fjäderbenet glider ut ur navet (kompletterande fil 1-figur S24).
      5. Upprepa för alla fem stag i ett nav och fortsätt sedan att lägga till nav och stag tills den geodetiska sfären är monterad (tilläggsfil 1-figur S24).
      6. Lossa 1/8 i rostfritt stållina och börja gänga den genom stagarna. Skapa 12 öglor, ungefär lika stora som en silverdollar, av nylonbuntband - en för varje nav. När vajern är gängad genom stagarna, passera repet genom dragkedjan vid navet och fortsätt sedan till nästa fjäderben.
        OBS: Vissa stag kommer att upprepas.
      7. Fortsätt gänga tills vajern har träts genom alla fjäderben, ansluten i mitten av varje toppunkt med dragkedjan.
      8. Trä kabeln tillbaka till utgångspunkten. Dra i dragkedjorna med tång för att krympa dem till minsta möjliga storlek och föra vajerns längder nära varandra. Montera en 1/2 i rostfritt stål kabelklämma på alla vajerlängder och dra åt ordentligt.
      9. Upprepa för alla hörn i strukturen.
      10. Para ihop vajerns startlängd med ändlängden och kläm ihop dessa med tre 1/2 tum kabelklämmor.
        OBS: Vajern (brottstyrka: 2,000 lb) bör nu stödja det mesta av belastningen på strukturen och stärka den avsevärt.
      11. Lägg till riggsystemet, som består av två längder på 3/8 i rostfritt stålkabel hydrauliskt svängt på ett öga i varje ände. Montera PVC-ändkåporna mellan swagarna så att kabeln passerar genom hela Ark-längden, med öglor upptill och nedtill för förtöjnings-/bojlinorna. Ett spännsystem i mitten förbinder de två längderna av rostfri kabel.
      12. För kabelns nedre ändar genom arkens övre och nedre del och montera ändkåporna på de övre och nedre navet med en klubba. Skruva in ögonbultarna i spännet och dra åt tills det finns tillräcklig spänning på strukturen för att göra systemet styvt (kompletterande fil 1-figur S24).
      13. Lägg till varje gjutet glasfibergaller, skuren i två halvpentagoner, i Ark-interiören med kraftiga 250 lb dragkedjor för att förankra plattformens sidor till Ark-stöttorna (kompletterande fil 1-figur S24).
      14. Under strukturen, placera en längd av glasfiber I-balk så att den förenar båda halvorna av glasfiberplattformen. Fäst på undersidan av plattformen med två 1/4 in-20 U-bultar i rostfritt stål.
      15. Upprepa för de andra fyra I-balkarna, fördela dem lika längs plattformens längd. Detta förenar och stöder plattformens två halvor, vilket skapar en fullständig femkant.
      16. Dra åt de kraftiga dragkedjorna vid plattformens kanter och klipp av överskottet. I slutet av detta steg är den interna plattformen fast integrerad i Ark-strukturen (Supplemental File 1-Figur S24).
      17. Använd mustråd i rostfritt stål för att musa ändarna på spännet och alla bojor. I slutet av detta steg kommer Ark att ha två integrerade plattformar, övre och nedre fästen för hårdvarufäste och en central kabel som bär huvuddelen av den spänningskraft som placeras på strukturerna via förankring och positiv flytkraft.
    2. Fästning av förtöjningslinjen till den geodetiska ramen
      OBS: Förtöjningssystem bör utformas så att brotthållfastheten hos alla enskilda förtöjningskomponenter överstiger den maximala belastning som förväntas på grund av omgivande och extrema miljöförhållanden. Se de representativa resultaten för en beskrivning av användningen av hydrodynamisk modellering vid utformning av förtöjningssystem. Det rekommenderas att fördela lasten över flera fästpunkter på arken och på havsbottenförankringssystemet, eftersom detta ger systemet redundans i händelse av fel på enskilda element.
      1. Utforma förtöjningslinor och hårdvara för att säkerställa säkra anslutningar mellan Ark-basen och ankarsystemet (se figur 1 för ett exempel).
        OBS: Det rekommenderas att utforma förtöjningssystemet så att Ark-konstruktionens mittlinje placeras på 30 m djup.
      2. Anslut toppen av en dubbelskarvad linje till arkens basöga med en schackel. Anslut en svängbar schackel i höghållfast rostfritt stål till basen av denna linje (figur 1 och kompletterande fil 1-figur S25).
      3. Anslut toppen av en dubbelskarvad linje till basen av svängbygeln. Nederkanten av denna rad kommer att ansluta till ankarsystemet (figur 1 och kompletterande fil 1-figur S25).
    3. Transport av arken till utplaceringsplatsen
      1. Transportera arken via en lastbil till en strand intill utplaceringsplatsen (utplacering nära land med sandingång) eller till en båtlanseringsplats (fartygsutplacering).
      2. Fäst en 220 lb lyftväska på arkens övre rostfria öga med en 1/2 tum schackel.
      3. Fäst en förtöjningslina, inklusive hårdvaran för att fästa på havsbottenankaret, på arkens bas.
      4. För utplacering från ett fartyg som saknar A-ram eller dävert, lasta arken på fartyget så att den lätt kan rullas av båten och i vattnet (undvik bågar med höga gunnels eller akter med utombordsmotorer).
      5. För utplacering från stranden, rulla arken i vattnet tills ett tillräckligt djup där lyftpåsen kan fyllas med luft (figur 3).
      6. Simma, bogsera eller transportera arken till ankarplatsen vid ytan (figur 3).
    4. Anslutning av arkarna till förtöjningssystemet
      OBS: I detta skede flyter Ark-systemet vid ytan ovanför förankringsplatsen med en lyftpåse. Följande uppgifter utförs under vattnet på SCUBA och kräver ett team på minst tre dykare.
      1. Ventilera långsamt luften från lyftväskan, utför en kontrollerad nedstigning till förankringssystemet.
      2. Fäst förtöjningshårdvaran vid arkens bas på förankringssystemet.
      3. Öka Arks-systemets positiva flytkraft genom att fylla lyftpåsen med luft och inspektera övervakningskomponenterna för strukturell integritet. Se till att schacklarna sitter ordentligt och att ankarna sitter ordentligt på plats. Använd mustråd för att musa alla bojor.
      4. Anslut ögat på en kort, dubbelskarvad linjelängd till det övre ögat på Arks-systemet med en schackel. Anslut en uppblåsbar förtöjningsboj i polyform till den andra änden av denna linje med en schackel (tilläggsfil 1-figur S25).
      5. Fyll förtöjningsbojen med luft med en vanlig lågtrycksadapter för blåsmunstycke som är ansluten till en ponnyflaska med tryckluft tills den är cirka 75 % full av luft.
      6. Ventilera långsamt luften från lyftpåsen och ta bort den från systemet.
      7. Lägg till större eller fler förtöjningsbojar för Arks-system som använder kalksten ARMS eller för att kompensera för biologisk massansamling.
    5. Fästning av ARMARNA till arkarna
      1. Hämta ARMS från såddplatsen och placera dem i mjölklådor fodrade med 100 μm mesh för att förhindra förlust av små rörliga ryggradslösa djur som lever inom ARMS.
      2. Överför ARMS till Arks-platserna i badkar med skuggat, kallt havsvatten.
      3. Placera ARMARNA på arkarnas övre eller nedre plattform och fördela vikten jämnt över plattformen.
      4. För kraftiga buntband genom både den gjutna glasfiberplattformen och basen på PVC- eller kalkstensarmarna och dra åt för att fästa ARMARNA på Ark-ramen (kompletterande fil 1-figur S25).
  3. 2V-frekvensstrukturen (Shell)
    Detaljerade tillverkningsanvisningar, inklusive tekniska ritningar för tillverkning av komponenterna, finns i Avsnitt 3 av Kompletterande fil 1.
    1. Montering av 2V geodetisk ram
      1. Montera Ark-monteringsramen enligt den medföljande guiden från VikingDome (kompletterande fil 1-figur S11).
      2. Lägg till en bricka till en 2,5 tum lång, 10/32 rostfri bult. Sätt in bulten genom ett av de två hålen i slutet av en fjäderben, lägg till en STAR-kontakt på insidan (hål specifikt för S1- eller S2-fjäderben) och fäst med en låsmutter.
      3. Upprepa för det andra bulthålet. Fortsätt utan att dra åt låsmuttrarna tills strukturen är helt monterad (tilläggsfil 1-figur S12).
      4. Dra åt monteringsramen för Ark. I slutet av steg 2.3.1.1 kommer fjäderben-STAR-anslutningarna att vara lösa och formbara. Börja dra åt låsmuttrarna med en hylsnyckel (10 mm eller 3/8 tum) och en Philips skruvmejsel.
      5. Fortsätt genom hela strukturen tills alla låsmuttrar har dragits åt, med låsmutterns nyloninsats helt inkopplad på bultarnas gängor.
      6. Lägg till dynögon för fastsättning av förtöjningstränsen. Lägg till en dynögla på den rostfria S1-fjäderbenet vid basen av arken och säkra med fyra 3-tums huvudbultar i rostfritt stål.
      7. Tillsätt 1/4 tum 20 låsmuttrar och dra åt. Upprepa för totalt fem förtöjningsanslutningar (tilläggsfil 1-figur S17).
      8. Montera 10 ARMS-basplattor på de mittvända N2 STAR-kontakterna. Placera en 3-tums pannhuvudbult genom mitthålet på ARMS-basplattan. Lägg till en grå PVC-avstängning på bultaxeln och placera den genom mitthålet på N2 STAR-kontakten, med basplattan inuti strukturen. Lägg till en bricka och en låsmutter och dra åt den.
      9. Lägg till två fästen och använd fyra 3 1/4 tum sexkantiga huvudbultar och låsmuttrar för att fästa ARMS-basplattan på fjäderbenen. Dra åt alla låsmuttrar. Behåll samma orientering för alla ARMS-basplattor (kompletterande fil 1-figur S15).
      10. Montera 20 korallplattor på de övre stöttorna. Placera fyra 3 i sexkantiga huvudbultar genom hålen på korallplattans basplatta och fäst på fjäderbenet med en konsol och en låsmutter. Upprepa för den andra sidan. Dra åt låsmuttrarna för att säkra (tilläggsfil 1-figur S15).
      11. Lägg till ett centralt spö och trålflöte till arkens centrala ryggrad. Sätt in en 8 fot lång, ogängad glasfiberstång i STAR-kontakterna modifierade med ett svetsat rörsegment vid arkens bas. Lägg till en 1-tums bricka och en omodifierad trålflottör på den ogängade glasfiberstången inuti strukturen. Sätt in staven genom arkens övre STAR-kontakt.
      12. Montera bultarna genom metallröret på de modifierade STAR-kontakterna och låsmuttrarna på låsstången inuti arken. Lägg till en grön rörklämma tätt under trålflottören (toppen av arken) och dra åt den.
      13. Montera modifierade trålflottörer inuti de övre vända N2- och N1 STAR-kontakterna modifierade med ett 1-tums mitthål. Lägg till en glasfiberbricka i den längre änden av den exponerade gängade glasfiberstången.
      14. Säkra genom det modifierade STAR-anslutningshålet så att trålen flyter inuti strukturen. Lägg till ytterligare en glasfiberbricka och en sexkantsmutter av glasfiber. Dra åt med en skiftnyckel och genom att vrida flottörerna (tilläggsfil 1-figur S16).
    2. Fästning av förtöjningssystemet till den geodetiska ramen
      1. Utforma förtöjningslinor och hårdvara för att säkerställa säkra anslutningar mellan Ark-basen och ankarsystemet (se till exempel figur 1 ).
        OBS: Det rekommenderas att utforma förtöjningssystemet så att Ark-konstruktionens mittlinje placeras på 10 m djup.
      2. Anslut varje padöga vid basen av Ark-strukturen till det skarvade ögat i slutet av en dubbelskarvad längd på en 3/4 tum spektralinje med en höghållfast, 7/16 i schackel av rostfritt stål (kompletterande fil 1-figur S17).
      3. Använd en 1/2 tum skruvstiftsschackel och anslut den andra änden av varje spektralinje till en av de två masterlänkarna i rostfritt stål, så att varje länk har två eller tre anslutningar.
      4. Fäst 3/4 i svängbar schackel på botten av Masterlink och ögat på en 1 i nylonlinje skarvad med en fingerborg i rostfritt stål.
      5. Fäst en 3/4 i schackel på ögat och fingerborg i andra änden av nylonlinjen. Denna schackel kommer att ansluta till ankarsystemet (kompletterande fil 1-figur S17).
    3. Transport av 2V Ark till distributionsplatsen
      OBS: Utplaceringen av Shell Ark kräver ett fartyg med en platt akter och inombordsmotorer, så att arken kan rullas av båtdäcket och i vattnet, eller ett fartyg med en stor davit eller A-ram.
      1. Transportera arken via ett lastbilsflak till kajen eller småbåtshamnen.
      2. Lasta arken på fartyget med en gaffeltruck av lämplig storlek (kompletterande fil 1-figur S21).
      3. Fäst förtöjningslinorna och hårdvaran, inklusive downlines och hårdvara för att fästa på havsbottenankarsystemet, till arkens bas.
      4. Transportera arken till ankarplatsen (figur 3). Förbered en lina som är ungefär lika lång som förankringssystemets djup med en schackel i ena änden och en boj i den andra änden.
      5. Fäst linans bygelände på förankringssystemet, med bojens ände flytande vid ytan.
      6. Rulla arken säkert från akterdäcket i vattnet eller placera arken i vattnet med en davit eller A-ram. Fäst linans bojände på den positivt flytande arken så att strukturen flyter ovanför förankringssystemet.
    4. Arkens fastsättning i förtöjningssystemet
      OBS: I detta skede flyter Ark-strukturen vid ytan ovanför förankringsplatsen med de integrerade flytelementen (flottörer) som ger flotation. Följande uppgifter utförs under vattnet på SCUBA och kräver ett team på minst tre dykare och två ytstödspersonal.
      1. Fäst det övre blocket på ett block och ta itu med remskivsystemet till en säker fästpunkt på arkens bas, lossa remskivan medan du går ner mot havsbotten och fäst sedan bottenblocket på förankringssystemet (tilläggsfil 1-figur S19).
      2. Dra linjen genom bottenblocket för att koppla in remskivan och dra arken till djupet. Linjen ska låsas i klossen med varje drag (tilläggsfil 1-figur S19).
        OBS: För Arks-system med hög initial positiv flytkraft, använd ett 6: 1-block- och tacklingssystem för maximalt köp. Vikter kan också tillfälligt fästas på Arks-systemet för att minska den flytande kraften som krävs för att sänka strukturen.
      3. Fortsätt att dra arken till djupet tills hårdvaran för förtöjningsfästet kan anslutas till ankarsystemet. Använd tråd för att musa alla bojor.
      4. Kontrollera alla förtöjningskomponenter för integritet. Se till att schacklarna sitter ordentligt och att ankarna sitter ordentligt på plats.
      5. Överför långsamt spänningen från blocket och ta itu med förtöjningssystemet. Ta bort blocket och tackla, vikter och bojlina.
    5. Fästning av ARMARNA till arkarna
      1. Hämta ARMS från såddplatsen och placera dem i mjölklådor fodrade med 100 μm mesh för att förhindra förlust av små rörliga ryggradslösa djur som lever inom ARMS. Överför ARMS till Arks-platserna i badkar med skuggat, kallt havsvatten.
      2. Manövrera ARMARNA genom en av de större triangulära öppningarna nära arkens mittlinje så att ARMARNA är inne i strukturen. Håll fast ARMARNA ordentligt i en av de vita basplattorna monterade inuti Ark-ramverket.
      3. Fäst en 1/2 in-13, 1,75 tum lång, insexhuvudbult i rostfritt stål genom ett öppet hörnhål på ARMS-basplattan och den vita, underliggande HDPE-basplattan, fäst en låsmutter i rostfritt stål på bulten som sticker ut genom den andra sidan och dra åt tills den sitter ordentligt. Upprepa för de andra tre sidorna (figur 2D).
      4. Tryck armarna fram och tillbaka för att säkerställa fast fastsättning.
    6. Fästning av korallerna till arkarna
      1. Fäst korallplattorna som innehåller koraller epoxierade till kalkstenplattan till korallplattans HDPE-basplattor på utsidan av arken med 2 i långa, 1/4 in-20, sexkantiga huvudbultar i rostfritt stål, en bricka och en låsmutter i alla fyra hörnen.
      2. Dra åt låsmuttrarna med en hylsnyckel för att säkra korallplattan på plats.

3. Coral Arks övervakning och underhåll

OBS: Detaljerade tillverkningsinstruktioner, inklusive tekniska ritningar för tillverkning av komponenterna, finns i avsnitt 7 i kompletterande fil 1.

  1. Mätning av arkarnas vikt i vattnet
    1. Fäst den nedsänkbara lastcellen på ett block och ta itu med remskivsystemet för användning vid tillfällig överföring av spänning på förtöjningslinjen till töjningsmätarsystemet.
    2. Fäst blockets botten och tackla på en säker plats på Arks förtöjningssystem, till exempel en mellanliggande schackelpunkt eller på havsbottenankaret. Fäst toppen av lastcellen på en säker plats på Ark-monteringsramen (kompletterande fil 1-figur S33).
    3. Utan att ta bort eller ändra förtöjningskomponenterna på arken, dra linan genom blocket och ta itu med remskivesystemet så att spänningen överförs från arkens förtöjningssystem till remskivans system och klyver linan med varje drag (tilläggsfil 1-figur S33).
    4. Se till att förtöjningslinan är helt slak så att töjningsmätaren kan samla in spänningsmätningar (kompletterande fil 1-figur S33).
    5. Överför långsamt spänningen från blocket och ta itu med remskivesystemet till Ark-förtöjningslinjen, kontrollera att schacklarna och andra förtöjningskomponenter sitter ordentligt och är säkra.
    6. För långsiktig datainsamling, integrera en lastcell i förtöjningssystemet som en "in-line" -komponent. Byt regelbundet ut dataloggarna för att hämta data.
  2. Långsiktigt underhåll av arkarna
    1. Utföra rutininspektioner av Arks förtöjningssystem och utföra underhållsarbete efter behov.
      Se kompletterande bild S18 för ett exempel på en checklista för underhåll. Halvårsunderhåll rekommenderas.
    2. Se till att förankringarna fortsätter att ge maximal hållkraft (dvs. inte backa ut ur underlaget).
    3. Rengör förtöjningslinorna från påväxtorganismer som kan invadera och äventyra linornas integritet.
    4. Byt ut förnedrande komponenter, såsom offeranoder, schacklar och förtöjningslinor, efter behov (kompletterande filfigur S18).
    5. Lägg till extra flytkraft efter behov genom att lägga till fasta flytflottor eller luft till de befintliga förtöjningsbojarna för att kompensera för biologisk massaackumulering.

Representative Results

Ovanstående metoder ger monterings- och installationsinstruktioner för två konstruktioner av Coral Arks-system. Prototyper för varje design monterades och fälttestades i San Diego, USA, före långsiktig distribution för att utvärdera dragegenskaperna och optimera den strukturella integriteten baserat på modellerade och empiriska värden av styrka. Modelleringsinsatserna som bidrar till valet och förfiningen av båda Arks-geometrierna som presenteras här, inklusive resultaten från vindtunneltestning, hydrodynamiska simuleringar och validering i vatten av de modellerade värdena med hjälp av prototypstrukturer, beskrivs i detalj i avsnitt 6 i kompletterande fil 1. Resultaten från modellering och vattentestning av "Shell" Arks design visas här. Två strukturer av varje design distribuerades sedan på karibiska fältplatser i Puerto Rico och Curaçao (fyra totala arkstrukturer installerade), och koraller flyttades till strukturerna. Vattenkvalitet, mikrobiellt samhälle och korallöverlevnadsmått associerade med "Shell" Arks design och två kontrollplatser på havsbotten samlades in vid flera tidpunkter som sträckte sig över 6 månader för att karakterisera och bestämma förändringarna i miljöparametrarna och korallhälsan i samband med Arks strukturer efter naturlig rekrytering och tillägg av sådd ARMS.

Dragegenskaper hos Coral Arks
Det är viktigt att förstå Coral Arks dragegenskaper för att designa en struktur och förtöjning som kommer att överleva målmiljön. Ur ett strukturellt perspektiv medför det hydrodynamiska motståndet, i kombination med nettoflytkraften, belastningar inom konstruktionen, särskilt på förtöjningen och dess förankringssystem. Vi genomförde modellering och experimentella mätningar för att uppskatta Arks-strukturernas dragegenskaper. Resultaten av dessa tester för "Shell" -designen av Arks-strukturer beskrivs nedan. Modellering utfördes genom att uppskatta motståndet hos de enskilda elementen i strukturen, summera dessa och sedan kombinera resultatet till en effektiv dragkoefficient som visas i ekvation (1) och ekvation (2):

Equation 1(1)

Equation 2(2)

där D totalt är det totala motståndet för strukturen uppskattad från summan av D i-elementdragen, CD är den totala strukturdragkoefficienten, är vätskedensiteten, U är objektets flödeshastighet relativt vätskan och A är strukturens främre yta. I dessa beräkningar antogs alla element vara cylindrar, med deras orientering mot flödet dikterad av arkstrukturens upprättstående geometri. Modelleringen utfördes för samma prototyp "Shell" -system (en 2V geodetisk sfär) som användes för bogseringstestning (beskrivs nedan) före konstruktionen av de slutliga fältsystemen. Prototypen hade en total frontyta på cirka 2,10 m2, och modelleringsresultaten indikerade en effektiv dragkoefficient för hela strukturen på cirka 0,12. Det modellförutsagda motståndet i strukturen som en funktion av hastigheten visas i figur 4.

Experimentella uppskattningar av strukturens dragkraft som skulle upplevas under olika flödeshastigheter erhölls genom att bogsera Ark-strukturen bakom ett fartyg med en lastcell skarvad i linje med bogseringslinjen och en lutningssensor för att registrera förändringarna i arkens orientering i förhållande till den vertikala axeln vid ett intervall av bogserhastigheter. Före bogsering bestämdes konstruktionens vikt i vattnet och tillräcklig extra vikt lades till strukturen för att simulera en nettoflytkraft på cirka 200 kg (ett initialt mål för systemet). Baserat på spänningen i dragkabeln och arkens lutningsvinkel bestämdes motståndet (D-drag) vid varje hastighet med hjälp av ekvation (3):

Equation 3(3)

där T är den uppmätta spänningen från lastcellen och är lutningsvinkeln relativt den vertikala axeln. Det resulterande förhållandet mellan drag och hastighet visas i figur 4. En bäst anpassad dragkurva (av formen D-släp α U2; se figur 4), i kombination med uppskattningar av frontytan och vattentätheten, användes sedan för att bestämma den empiriska luftmotståndskoefficienten på 0,13.

Reynolds-talet under bogseringstestningen (och intervallet som användes för modelleringen) låg i intervallet 105-10 6, i allmänhet i de turbulenta flödesregimerna. Typiska värden för luftmotståndskoefficienten för en sfär i detta Reynolds-talintervall är mellan 0,2 och 0,4. För jämförelseändamål visas ett diagram över dragkurvan för en sfär med en dragkoefficient på 0,3 i figur 4. Således är de modellerade och experimentella uppskattningarna av dragkoefficienten i storleksordningen två till tre gånger mindre än för en sfär, vilket överensstämmer med strukturens mer öppna karaktär.

För att validera dessa modellerade resultat genomförde vi också fältmätningar av responsen hos två "Shell" Arks-strukturer på flöde. För att uppnå detta installerades samma lastcell tillfälligt i linje med Arks huvudförtöjningslinje, en lutningssensor installerades på arken och en strömmätare installerades på platsen för att samtidigt övervaka vattenhastigheten. Spänningens flytkraft och dragkomponenter beräknades sedan utifrån lutningsvinkeln och belastningscellmätningarna (figur 5). Strömhastigheterna under mätperioden var relativt stabila på cirka 20 cm/s och datamängden var relativt kort; Därför beräknades data i genomsnitt över perioden och användes för att jämföra fältmotståndet och hastighetsresponsen med de modellerade och experimentella bogseringsuppskattningarna. Dessa resultat visar att under förväntade förhållanden på utplaceringsplatsen (flödeshastigheter upp till 1,3 m/s under en typisk stormhändelse) förväntas dragkraften på systemet vara mindre än 300 kg.

Båda "Shell" -strukturerna i Vieques, Puerto Rico, överlevde en direkt träff från kategori 1 orkanen Fiona i september 2022 utan uppenbara skador på strukturerna, förtöjnings- eller förankringssystemet, vilket ger ett in situ-test som stöder designen. En närliggande boj (CARICOOS) registrerade strömhastigheter på 1,05 m/s på 10 m djup vid utplaceringsplatsen, vilket motsvarar en dragkraft på cirka 160 kg på förtöjningssystemen. Systemen har utformats för att tåla 1 600 kg kraft (med tanke på ankarkapaciteten och komponentens brotthållfasthet) och förväntas därför inte misslyckas under omgivande eller typiska stormförhållanden.

Övervakning av nettoflytkraft för korallarkar
Samma tillvägagångssätt som beskrivs för validering av arkstrukturernas dragegenskaper användes också för att utveckla en metod för övervakning av arkarnas nettoflytkraft. Så länge arkens fysiska struktur förblir konstant, ger nettoflytkraften en grov proxy för övervakning av den totala förkalkningen i samhället och därmed koralltillväxten, samt ett underhållsmått för att avgöra om systemet har tillräcklig positiv flytkraft för att kompensera för biologisk tillväxt över tiden. Förtöjningsspänningens flytkraftskomponent (B) beräknades med hjälp av töjningsmätaren och lutningssensordata i ekvation (4):

Equation 4(4)

där T är den uppmätta spänningen från lastcellen och är lutningsvinkeln. De resulterande tidsserierna för nettoflytkraften visas i figur 5. Under de relativt stabila nuvarande förhållandena under fältövervakningshändelserna fann vi att de två "Shell" Arks-strukturerna som användes i Vieques, Puerto Rico, hade liknande nettoflytningar på 82,7 kg ± 1,0 kg (Ark 1) och 83,0 kg ± 0,9 kg (Ark 2) i genomsnitt under övervakningsperioden (± en standardavvikelse) efter att alla koraller och sådda ARMS-enheter flyttades till strukturerna 6 månader efter den första strukturutplaceringen. Resultaten visar att korttidsövervakning under relativt stabila perioder av vattenflöde kan användas för att bestämma nettoflytkraften i fält inom ~ 1 kg, vilket bör visa sig vara användbart på lång sikt för att övervaka förändringar i biomassa.

Vattenkvalitet och mikrobiell samhällsdynamik
Mätvärden associerade med vattenkvalitet och vattenkolonnassocierade mikrobiella samhällen mättes på två midwater "Shell" Arks, som förankrades i 55 fot vatten med toppen av arkarna på ett 25 fot djup, offshore av Isla Vieques, Puerto Rico (figur 6C). Vattenkvalitetsmätvärdena, mikrobiella och virala överflöd och genomsnittlig mikrobstorlek från två arkar jämfördes med samma mätvärden från två närliggande havsbotten "kontroll" -platser, som också var på ett 25 fot djup men mycket närmare stranden (figur 6D). Mätningarna som visades samlades in omedelbart efter installationen av arkarna med en första sats translokerade koraller (november 2021) och 6 månader senare efter att en andra sats koraller och fröade ARMS translokerades till arkarna (maj 2022); de var sedan genomsnittliga över båda platserna (arkar och kontrollplatser) för jämförelse. Eftersom de sådda ARMARNA överfördes till arkarna 6 månader efter utplaceringen, var ackumuleringen av biologiska samhällen på strukturerna under den första 6-månadersperioden förknippad med biofouling och naturlig rekrytering.

Arksmiljön uppvisade högre genomsnittliga ljusintensiteter dagtid (figur 6A), högre genomsnittliga flödeshastigheter (figur 6C), lägre koncentrationer av löst organiskt kol (figur 6F) och lägre dielfluktuationer i upplösta syrekoncentrationer (figur 6G) än de bentiska kontrollställena. Arkarna visade också mikrobiella samhällen med högre virus-till-mikrobförhållanden än kontrollplatserna (figur 7A), driven av ett högre överflöd av fria virus (figur 7C) och ett lägre överflöd av mikrober (figur 7B) i midwater Arks-miljön. De mikrobiella samhällena på arkarna bestod i genomsnitt av fysiskt mindre celler än de mikrobiella samhällena på havsbottenplatserna (figur 7D). Temperaturskillnaderna mellan arkarna och kontrollplatserna var inte signifikanta (figur 6E). Alla ovanstående trender överensstämmer med bättre vattenkvalitet och friskare mikrobiella samhällen på arkarna än på kontrollplatserna. Dessa förhållanden kvarstod under de första 6 månaderna av utplaceringen, under vilka ett framväxande biologiskt samhälle utvecklades på arkarna genom både translokation av korallnubbiner och naturlig rekrytering från vattenpelaren och upplevde successiva förändringar, samt genom tillägg av sådda ARMS på strukturerna vid månad 6.

Korall överlevnad
En kohort av koraller bestående av åtta arter och olika morfologier distribuerades till arkarna och bentiska kontrollplatser både efter installationen av arkarna (månad 0) och efter tillägget av de sådda ARMS vid månad 6. De ursprungliga föräldrakolonierna för varje korallart fragmenterades i nubbiner (2-8 cm i en given dimension) och fästes på kalkstenskorallplattor (fyra till fem nubbiner per 20 cm2 platta) som fördelades lika på både arkerna och kontrollplatserna, vilket säkerställde att samma arter och genotyper var representerade på både midwater Arks platser och kontrollplatser. Överlevnaden av dessa translokerade koraller bedömdes var 3: e månad vid arkarna och kontrollplatserna. Nio månader efter translokationen av den första kohorten av koraller levde fortfarande fler koraller på arkarna (80%, figur 8) jämfört med kontrollplatserna (42%, figur 8).

Figure 1
Figur 1: Diagram som visar de strukturella komponenterna i två fullt installerade Coral Ark-strukturer. Vänster, "Shell" och "Two-Platform" (höger) Coral Arks strukturer visas, tillsammans med två metoder för att ge positiv flytkraft och två metoder för förankring. Förkortning: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Design, utplacering och överföring av ARMS-enheter. (A-D) PVC ARMS och (E-H) Limestone ARMS från såddplatser på havsbotten till Coral Arks. (A) Fotokredit till Michael Berumen. (B) Fotokredit till David Littschwager. Förkortningar: PVC = polyvinylklorid; ARMS = Autonoma revövervakningsstrukturer. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Bilder som representerar distributionsstegen för Coral Arks, inklusive transport till platsen och fullständig installation. (A-C) skaltyp och (D-F) system av tvåplattformstyp. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Dragegenskaper för "Shell" Ark-strukturerna baserat på modellering, experimentell bogseringstestning och fältvalidering i förhållande till motståndet i en sfär av samma ungefärliga skala. "ARK1" och "ARK2" är identiska "Shell" Ark-strukturer installerade på samma plats i Vieques, Puerto Rico. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: Uppmätta nettoflytvärden för två "Shell"-arkar i Vieques, Puerto Rico. Visas vattenhastigheten (höger axel, mellanfärger), nettoflytkraft (vänster axel, ljusa färger) och beräknat drag / spänning på förtöjningslinjen (vänster axel, mörka färger) för "Shell" Ark 1 (blå) och "Shell" Ark 2 (grön). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Vattenkvalitetsmått för "Shell"-arkerna och kontrollplatserna på havsbotten i Vieques, Puerto Rico, omedelbart efter installationen och 6 månader efteråt. (A) ljusintensitet dagtid, (B) strömhastighet, (C, D) foton tagna 6 månader efter installationen, (E) temperatur, (F) löst organiskt kol, (G) förändringar i upplösta syrenivåer i arkarna jämfört med kontrollplatser under 6 månader. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Mått associerade med vattenpelarassocierade mikrobiella samhällen på "Shell" -arkerna och kontrollplatserna på havsbotten i Vieques, Puerto Rico omedelbart efter installationen och 6 månader efteråt . (A) Virus-till-mikrob-förhållande, (B) bakteriell cellmängd, (C) fri virusmängd, och (D) genomsnittlig bakteriecellstorlek. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 8
Figur 8: Andel överlevande koraller på "Shell" -arkerna och havsbottenkontrollplatserna i Vieques, Puerto Rico under de första 9 månaderna efter flyttning. Bilderna representerar statusen för en enda korallplatta på arkarna (överst) och på de bentiska kontrollplatserna (botten) omedelbart efter translokation (vänster) och 6 månader efter translokation (höger). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Tabell 1: ARMS konstruktion och designöverväganden. Förkortningar: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures; PVC = polyvinylklorid. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Tabell 2: Coral Arks designöverväganden. Förkortningar: PVC = polyvinylklorid; ARMS = autonoma revövervakningsstrukturer; HDPE = polyeten med hög densitet. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Kompletterande fil. Klicka här för att ladda ner den här filen. 

Discussion

De representativa resultaten som presenteras ovan visar att korallarkar ger en livsmiljö och förbättrade vattenkvalitetsförhållanden för att samla revsamhällen på stabila, in situ-forskningsplattformar. Arkar och kontrollplatser på havsbotten på samma djup uppvisade genomgående olika vattenkvalitetsprofiler. Högre genomsnittliga strömhastigheter och längre avstånd från kusten minskade sedimentering och grumlighet i mellanvattenmiljön vid Arks-platserna (figur 6B), vilket sannolikt bidrog till de lägre uppmätta koncentrationerna av upplöst organiskt kol på Arks (figur 6F). Vidare resulterade dessa förbättringar i vattenklarhet i förhöjda ljusintensiteter på dagtid på arkerna i förhållande till kontrollplatserna (figur 6A). Lägre dielfluktuationer i upplöst syre indikerar förbättrad syretillgänglighet för koraller på arkerna jämfört med benthos, särskilt på natten (figur 6G). Dessa mätvärden har alla associerats med förbättringar i korallöverlevnad42, tillväxt 43,44,45 och återhämtning från stress 46,47 i tidigare arbete och kan kopplas till förbättrade överlevnadsresultat för koraller translokerade till arkar jämfört med bentiska kontrollplatser (figur 8 ). Det faktum att dessa förhållanden kvarstår även efter ackumulering av betydande biomassa genom biofouling indikerar att naturliga rekryteringsprocesser inte minskar de förbättrade vattenkvalitetsegenskaperna i mellanvattenmiljön. Arkar placerades ut 3 km utanför de bentiska kontrollplatserna och gynnades sannolikt av minskad tillförsel av terrestriellt härledda sediment, näringsämnen och eventuellt fisketryck som utmanar strandnära platser. Att placera arkar i områden med rent vatten och låg mänsklig påverkan (som offshore) kan ge en bättre miljö än kraftigt påverkade kustzoner för att sprida revets biologiska mångfald för experiment på mesokosmnivå.

De preliminära resultaten föreslog också att midwater Arks upplevde mindre mikrobialisering, en central revprocess i samband med nedbrytningen av bentiska revhabitat 4,48. Hög näringstillförsel och överfiske har identifierats som drivkrafter för revomfattande trofiska återkopplingsslingor där energiskt destabiliserade mikrobiella samhällen sprider sig, vilket resulterar i andningsuttag av metaboliskt tillgängligt syre och ökad förekomst av korallpatogener vid benthos 6,49,50,51 . Det minskade överflödet av fria virus på mikrobialiserade rev, som fungerar som en primär lytisk kontroll på mikrobiell samhällstillväxt, indikerar en nedbrytning i den trofiska strukturen som gynnar ytterligare mikrobiell expansion52. Vattenpelarassocierade mikrober på arkarna var både mindre rikliga (figur 7B) och fysiskt mindre (figur 7D) än på havsbottenplatserna. Arkerna visade också högre virus-till-mikrobförhållanden (figur 7A), överflöd av fria virus (figur 7C) och tillgänglighet av upplöst syre, särskilt på natten (figur 6G). Sammantaget indikerar dessa resultat att mellanvattenmiljön uppvisade mindre potential för mikrobialisering i förhållande till havsbottenplatserna. Arkar, som mesokosmer på vilka miljöförhållandena kan ändras helt enkelt genom vertikal justering i vattenspelaren, erbjuder en möjlighet att mildra och ytterligare utforska de mikrobiella och molekylära mekanismerna för revnedbrytning.

Geodetiska sfärer med två olika frekvenser valdes för utformningen av korallarkerna som presenteras här (figur 1). Geodetisk frekvens (1V, 2V, 3V) indikerar antalet upprepande delelement i en geodetisk sfär, med högre frekvenser som motsvarar ett högre antal triangulära delelement. Ur ett strukturellt perspektiv fördelar geodetiska polyeder mekanisk spänning i hela strukturen, vilket resulterar i en hög medfödd styrka för deras storlek53,54. Dessa egenskaper ger hög hållbarhet och livslängd men kommer på bekostnad av högre hydrodynamiskt motstånd, vilket kan resultera i högre belastningar på förtöjningssystemet. Ur ett livsmiljöperspektiv representerar motståndet som genereras av ett Ark-system en indikator på diffusionen av momentum inom strukturen och därmed i vilken grad det interna omgivande flödet reduceras. De modellerade och experimentellt validerade resultaten indikerar en 40% -70% minskning av flödeshastigheten inuti "Shell" Arks i förhållande till det omgivande flödesfältet på grund av generering av turbulent flöde inuti strukturerna (se avsnitt 6 i kompletterande fil 1). Medan den optimala nivån av intern flödesminskning inte är klar (och skiljer sig åt med geodetisk frekvens), är områden med minskat flöde inom strukturen viktiga för att skapa nischhabitat 55,56, remineralisera näringsämnen 57,58 och främja retention och bosättning av larver 59,60 . I allmänhet kräver större och högre frekvensgeodetiska strukturer, särskilt på mer utsatta installationsplatser, förankringssystem med högre hållkraft och mer redundans införlivad i strukturdesignen.

Resultaten från de fältbaserade mätningarna av dragkomponenten i spänning på förtöjningssystemet "Shell" Ark matchade nära de resultat som genererades från de modellerade och experimentella bogseringsuppskattningarna (figur 4) och låg väl inom de förväntade designområdena. Dessa resultat indikerar att antagandena i den hydrodynamiska modellen är giltiga och att modellen kan förutsäga dragkrafter över bakgrundsströmområdena. Men medan avvikelserna i modellerade och experimentella data var små, möjliggjorde flödesområdet under testperioden, som var typiskt för omgivande flödeshastigheter utan storm på platsen, inte en rigorös validering över hela modelleringsspektrumet. För att förutsäga designkraven för Coral Arks-system bör modelleringsinsatser kombineras med information om stormfrekvens och exponering på de planerade utplaceringsplatserna för att designa strukturer och förtöjningssystem som kan överleva de förväntade hydrodynamiska krafterna. Modelleringsarbetet som presenteras här kan användas för att designa Ark-system på andra platser med minimala ingångar (önskad Ark-storlek, frekvens och genomsnittliga strömhastigheter på utplaceringsplatsen) genom att tillhandahålla dragkoefficienter och maximala förväntade krafter på förtöjnings- och förankringssystemet.

Arks och ARMS system är modulära och kan byggas i andra skalor och med alternativa material än de som beskrivs här. Även om deras ultimata livslängd ännu inte har fastställts, var Coral Arks utformade för att ha en livscykel på cirka 10 år. Arkarnas och ARM:arnas materialsammansättning påverkar konstruktionernas livslängd, systemens vikt och därmed den flytkraft som krävs för att kompensera vikten och kan påverka responsen hos tidiga påväxtsamhällen (kompletterande fil 1-figur S7). Till exempel ger kalksten ett mer naturligt substrat för biologisk kolonisering på ARMS och är lätt och billigt anskaffat på de flesta karbonatrevöar, men det är mer ömtåligt och tyngre än andra material som PVC och glasfiber. Dessa faktorer bör beaktas mot platsspecifika egenskaper för att utforma ARMS, Arks och förtöjningssystem som bäst tillgodoser de önskade projektresultaten.

Utplaceringsplatserna för korallarkar bör också väljas utifrån de avsedda projektmålen (dvs. forskning, begränsning eller restaurering). Faktorer att tänka på för platsval inkluderar tillgång till material, revets tillstånd eller tillstånd, samhällsinvesteringar / engagemang, resursbegränsning, institutionellt stöd och tillståndskrav. Korallarkar kan ge möjligheter att tillgodose specifika behov på platser som (1) innehåller levande korallrev som är i relativt dåligt skick och skulle dra nytta av restaureringsaktiviteter för att förbättra korallrekryteringen, korallskyddet, kustskyddet eller mänskliga livsmedelsresurser; (2) har ett behov av flyttning av koraller till en annan plats, vilket kan inträffa till exempel när det finns rättsliga krav på att flytta levande koraller från skräpföremål som är avsedda att avlägsnas (på dessa platser kan korallarkar användas i samarbete med eller till stöd för befintliga restaurerings- och utplanteringsinsatser för att förbättra translokationsresultaten); (3) kräva forskning om ny teknik för bevarande och restaurering med hjälp av korallarkar för att förbättra framgången för lokala insatser, eller (4) har tillräckligt distinkta lokala förhållanden (dvs. olika storlek på antropogen påverkan), vilket innebär att standardiserade mesokosmer kan ge meningsfulla jämförelser om revprocesser och interventioner. De specifika metoderna för övervakning av aspekter av Coral Arks ekosystem som biologisk tillväxt, mångfald och vattenkemi kommer att variera mellan projekt baserat på projektmålen och platsspecifika variabler. En representativ översikt för den vetenskapliga övervakningen av korallarkar som hittills genomförts finns i avsnitt 5 i kompletterande fil 1.

Utformningen av Coral Arks strukturer kan rymma koraller av nästan alla arter, storlekar och åldrar och bör ge förbättrade förhållanden i förhållande till dem på ett stört rev benthos. Beroende på de tillväxt- och förkalkningshastigheter som observerats på ett givet system kan tillsatsen av positiv flytkraft till Arks-strukturerna krävas för att kompensera för biologisk tillväxt och för att minska risken för sjunkning. Positivt flytande mellanvattenstrukturer kan vägas med hjälp av en spännings- / kompressionsbelastningscell eller töjningsmätare för att bestämma om samhällets vikt i vattnet ökar (figur 5). Periodiska eller långsiktiga mätningar med lastcellen kan komplettera andra koralltillväxtmått med finare upplösning för att generera ett mått på tillväxt / förkalkning på gemenskapsnivå och har inkluderats som en regelbunden underhållsuppgift för att avgöra om systemet har tillräcklig positiv flytkraft för att kompensera för denna biologiska tillväxt över tiden. Om en installerad ark inte längre kan övervakas eller underhållas, kan den flyttas och / eller flytkraften kan tas bort så att arken kan fästas ordentligt på benthos.

Metoderna som beskrivs här ger forskare en mångsidig verktygslåda för att montera midwater reef-samhällen som kan placeras på platser med förbättrad vattenkvalitet. Genom att ändra djupet eller placeringen av Arks strukturer kan förändringar i vattenkvalitetsparametrar experimentellt kopplas till förändringar i revsamhällets struktur och successionsbanor. Denna designfunktion gör det möjligt för forskare att utnyttja det rikliga och underutnyttjade utrymmet i midvattenmiljön för att montera och studera korallrevsmesokosmer. Användningen av sådda ARMS för att flytta kryptisk biologisk mångfald och ge en "boost" till den naturliga rekryteringen av mobila ryggradslösa djur ger en funktionell lösning för att minska algbiofouling och därmed bentisk konkurrens om koraller. Att använda etablerade och standardiserade provtagningsstrukturer som komponenter i detta system ger mervärde genom att möjliggöra långsiktig övervakning av kryptiska samhällen på Arks och jämförelse med dataset som genereras med ARMS som ett globalt folkräkningsverktyg för biologisk mångfald.

Korallarkar kan fungera som en mer holistisk, integrerad och självreglerande plattform för förökning av korall- och ryggradslösa biobränslen som sedan kan planteras ut till närliggande nedbrutna rev och kan ge en säker fristad för koraller att växa och reproducera under förbättrade vattenkvalitetsförhållanden. Som för närvarande demonstreras i Puerto Rico kan Arks ge förbättrade överlevnadsresultat för begränsningsprojekt som involverar flyttning av koraller och revbiologisk mångfald från skräpartiklar eller försämrade områden. Arkar har relevans i långsiktiga projekt som en metod för att ersätta livsmiljöer för fiskpopulationer, testa nya bevarandestrategier och bevara inhemsk revbiologisk mångfald. I processen tillhandahåller Arks mångsidiga verktyg för att genomföra in situ-studier av revsammansättningar och ekologisk succession och kan generera nya insikter om revanslutning.

Disclosures

Författarna har inga konkurrerande ekonomiska intressen eller andra intressekonflikter.

Acknowledgments

Vi tackar Mark Vermeij, Kristen Marhaver och CARMABI Research Foundation på Curaçao för att ha tillhandahållit resurser, stöd och insikt för detta projekt. Vi tackar NAVFAC Atlantic Vieques Restoration Program och Jacobs Engineering-teamet för deras omfattande logistiska och tekniska stöd vid installation, underhåll och övervakning av korallarkarna i Vieques. Vi är också tacksamma mot Mike Anghera, Toni Luque, Cynthia Silveira, Natascha Varona, Andres Sanchez-Quinto, Lars ter Horst och Ben Darby för deras hjälp och konstruktiva bidrag inom området. Denna forskning finansierades av en Gordon och Betty Moore Foundation Aquatic Symbiosis Investigator Award till FLR och av Department of Defense Environmental Security Technology Certification Program (RC20-5175).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PVC ARMS
316 Stainless Steel Hex Head Bolt, Partially Threaded, 8" length, 1/4"-20 Thread Size McMaster Carr 92186A569 Bolts for PVC ARMS assembly
Per unit: 4x
316 Stainless Steel Hex Nut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread Size McMaster Carr 94805A029 Nuts for PVC ARMS assembly
Per unit: 8x
316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread Size McMaster Carr 90715A125 Locknuts for PVC ARMS assembly
Per unit: 4x
316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" OD McMaster Carr 90107A029 Washers for PVC ARMS assembly
Per unit: 8x
Nylon Unthreaded Spacers - 1/2" Long, 1/2" OD, Black McMaster Carr 90176A159 Nylon spacers for PVC ARMS assembly
Per unit: 20x
PVC Sheet Type 1, 0.25" Thick, Gray McMaster Carr 8747K215 PVC for ARMS stacking plates. See Supplemental File 1-Figure SI 4.
Per unit: 9x
Refers to drawing: Yes
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, Gray McMaster Carr 8747K217 PVC for ARMS baseplates. See Supplemental File 1-Figure SI 1.
Per unit: 1x
Refers to drawing: Yes
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, Gray McMaster Carr 8747K217 PVC for ARMS long cross spacers. See Supplemental File 1-Figure SI 2.
Per unit: 4x
Refers to drawing: Yes
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, Gray McMaster Carr 8747K217 PVC for ARMS short cross spacers. See Supplemental File 1-Figure SI 3.
Per unit: 8x
Refers to drawing: Yes
Ratcheting Combination Wrench, 7/16" McMaster Carr 5163A15 Wrenches to secure PVC ARMS hardware
Per unit: 2x
Rebar, 3-ft Lengths, 1/2" Thick McMaster Carr 7480N115 Rebar stakes to secure PVC ARMS to benthos. Mallet required.
Per unit: 4x
Sequentially Numbered Metal Tags McMaster Carr 2208N349 Numbered tags for ARMS ID
Per unit: 1x
Limestone ARMS
DeWalt Wet Tile Saw Home Depot D24000S Cut limestone tile into stackable pieces
Per unit: 1x
Lift Bag, 50 lb Capacity Amazon B07GCNGRDR Lift bag for transport of Limestone ARMS to benthos
Per unit: 1x
Milk Crate, Heavy Duty, 13" x 19" x 11" Amazon B06XGBDJMD Crate for transport of Limestone ARMS to benthos
Per unit: 1x
Natural Limestone or Travertine Tile (Unfilled) - 12" x 12" Bedrosians Tile & Stone TRVSIENA1212T Base material for Limestone ARMS layers and stacking pieces. See Supplemental File 1-Figure SI 7 and Figure SI 8.
Per unit: 10x
Refers to drawing: Yes
PC-11 Epoxy Adhesive Paste, Two-Part Marine Grade Amazon B008DZ1864 Two-part epoxy for Limestone ARMS assembly
Shell Ark
Downline: 1" Nylon, 6' length thimble-to-thimble with stainless sailmaker thimble at top, heavy duty galvanized thimble at bottom West Marine Custom Nylon mooring line for attaching Ark mooring bridle to anchor system.
Per unit: 1
Main structure: 105-B Epoxy West Marine (made by West System) 318352 Epoxy to seal foam in struts. 
Main structure: 205-B Hardener West Marine (made by West System) 318378 Epoxy to seal foam in struts. 
Mooring bridle: 3-1/8" X 2" small diamond base padeye with 7/8" bail West Marine (Made by Harken) 130560 Padeyes for attaching mooring system to Ark base.
Per unit: 5
Main structure: 3/4" H-80 Divinycell Closed-Cell Foam, Plain Sheet 48" x 96" Fiberglass Supply L18-1110 Buoyant foam for struts. Cut foam into 1.5" wide strips, 15.5" long for S1 struts and 19" long for S2 struts, add to struts.
Per unit: 120
Downline: 3/4" Stainless Masterlink Lift-It (Made by Suncor) S0652-0020 Masterlink, connects top of swivel to lower portion of 5-point mooring bridle.
Per unit: 1
Mooring bridle: 3/8" Stainless Long D Shackles with Captive Self-Locking Pin West Marine (Made by Wichard) 116293 High-strength shackles to connect pad eyes to mooring system.
Per unit: 5
Main structure: 316 SS, Pan Head Phillips Screw, 1/4-20, 3" Long McMaster Carr 91735A385 Bolts to attach hull anodes to stainless struts
Per unit: 2
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/2"-13 Thread Size McMaster 90715A165 Locknuts for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (8 per unit)
Per unit: 80
ARMS Baseplates: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread Size McMaster 90715A125 Locknuts for ARMS mounting baseplates (struts and Stars)
Per unit: 600
Coral plate baseplates: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread Size McMaster 90715A125 Locknuts for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 600
Coral plate attach: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread Size McMaster 90715A125 Locknuts to attach coral plates to baseplates
Per unit: 80
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread Size McMaster 90715A125 Padeye locknuts for attaching pad eyes to struts.
Per unit: 20
Main structure: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 10-32 Thread Size McMaster 90715A115 Locknuts for star-strut connections
Per unit: 475
Main structure: 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Screw, 10-32 Thread, 2-1/2" Long McMaster 91735A368 Bolts for star-strut connections
Per unit: 475
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Phillips Flat Head Screws, 1/4"-20 Thread Size, 2-3/4" Long McMaster 91500A341 Padeye bolts for attaching pad eyes to struts.
Per unit: 15
ARMS Baseplates: 316 Stainless Steel Phillips Flat Head Screws, 1/4"-20 Thread Size, 3" Long McMaster 91500A554 Bolts for attaching ARMS mounting baseplates to Stars
Per unit: 475
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Phillips Flat Head Screws, 1/4"-20 Thread Size, 3" Long McMaster 91500A554 Padeye bolts for attaching pad eyes through struts & Stars.
Per unit: 5
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Screw-Pin Shackle - for Lifting, 1/2" Thick McMaster 3583T15 Shackles to connect lower bridle thimbles to small links on Masterlink.
Per unit: 5
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Split Lock Washer for 1/2" Screw Size, 0.512" ID, 0.869" OD McMaster 92147A033 Lock washers for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Washer for 1/2" Screw Size, 0.531" ID, 1.25" OD McMaster 90107A033 Backing washers for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
ARMS Baseplates: 316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" OD McMaster 90107A029 Washers for attaching ARMS mounting baseplates to struts
Per unit: 40
Coral plate baseplates: 316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" OD McMaster 90107A029 Washers for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 40
Coral plate attach: 316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" OD McMaster 90107A029 Washers to attach coral plates to baseplates
Per unit: 160
Main structure: 316 Stainless Steel Washer for Number 10 Screw Size, 0.203" ID, 0.438" OD McMaster 90107A011 Washers for star-strut connections
Per unit: 475
Buoyancy: 316 Stainless Steel Washer, 1" Screw Size, 2" OD McMaster 90107A038 Large washers for central rod (2 per float)
Per unit: 22
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Washer, Oversized, 1/2" Screw, 1.5" OD, 0.052"- 0.072" Thickness McMaster 91525A145 Oversized washers for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
Coral plates: 3M Marine Adhesive Sealant - Fast Cure 5200  McMaster 67015A44 Adhesive to glue limestone tiles to PVC coral baseplates. Drill out corners with masonry bit. 
Buoyancy: 3M Marine Adhesive Sealant - Fast Cure 5200  McMaster 67015A44 Adhesive for securing fiberglass threaded rods into trawl floats
Per unit: 2
Mooring bridle: 5/8" Dyneema with Stainless Sailmakers Thimbles at Top and Bottom West Marine Custom 5-leg mooring bridle for attaching Ark to downline.
Per unit: 5
Downline: Clevis-to-Clevis Swivel - Not for Lifting, 316 Stainless Steel, 6-7/32" Long McMaster 37405T29 Swivel, bottom connects to top of downline, top connects to large link in Masterlink.
Per unit: 1
Buoyancy: Fiberglass Hex Nut, 1"-8 Thread Size McMaster 91395A038 Fiberglass hex nuts for securing fiberglass threaded rods into trawl floats
Per unit: 30
Buoyancy: Fiberglass Threaded Rod, 1"-8 Thread Size, 8 Feet Long McMaster 91315A238 Fiberglass threaded rod to attach float to Ark. See Supplemental File 1-Figure SI 16.
Per unit: 10
Refers to drawing: Yes
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 1/2" Thick McMaster 3663T42 Middle shackle from chain to pear link.
Per unit: 3
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/4" Thick McMaster 3663T44 Upper large shackle to connect pear link to lower downline thimble.
Per unit: 1
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/4" Thick McMaster 3663T44 Anchor shackle.
Per unit: 3
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/8" Thick McMaster 3663T51 Shackle to connect chain to upper middle shackle.
Per unit: 3
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/8" Thick McMaster 3663T51 Lower small shackle to connect chain and anchor shackle.
Per unit: 3
Install & Tools: HARKEN–57mm Carbo Air® Triple Block West Marine 200076 Top of block and tackle
Per unit: 1
Install & Tools: HARKEN–57mm Carbo Air® Triple Block with Becket and Cam West Marine 1171644 Base of block and tackle
Per unit: 1
ARMS Baseplates: Heat-Shrink Tubing, 0.50" ID Before Shrinking McMaster 7856K47 Heatshrink for non-slip. Cut into 1.5" lengths, slide over a SS u-bolt bracket and use heat gun to tighten onto bracket.
Per unit: 20
Coral plate baseplates: Heat-Shrink Tubing, 0.50" ID Before Shrinking McMaster 7856K47 Heatshrink for non-slip. Cut into 1.5" lengths, slide over a SS u-bolt bracket and use heat gun to tighten onto bracket.
Per unit: 40
Buoyancy: Heatshrink for covering threaded rods before mounting in floats, 14" sections McMaster 7856K66 Heatshrink for non-slip. Cut into 14" lengths. Slide onto fiberglass rods with 1" exposed on one end and 2-1/4" exposed on the other. Use heat gun to shrink until snug.
Per unit: 11 
Anchor system: High-Strength Grade 40/43 Chain-Not for Lifting, Galvanized Steel, 5/16 Trade Size McMaster 3588T23 Chain to connect anchors and downline.
Per unit: 3
Install & Tools: LOW-STRETCH ROPE, 7/16" DIAMETER McMaster 3789T25 Rope for block and tackle
Per unit: 250
ARMS Baseplates: Marine-Grade Moisture-Resistant HDPE, 48" x 48", 1/2" Thick McMaster 9785T82 Sheeting for ARMS mounting baseplates. See Supplemental File 1-Figure SI 13.
Per unit: 10
Refers to drawing: Yes
Coral plate baseplates: Marine-Grade Moisture-Resistant HDPE, 48" x 48", 1/2" Thick McMaster 9785T82 Sheeting for coral plate baseplates. See Supplemental File 1-Figure SI 14. 
Per unit: 20
Refers to drawing: Yes
Mooring bridle: Martyr Collar Anode Zinc 3/4" x 2 1/8" x 2 1/8" West Marine 5538715 Sacrificial anodes for Masterlinks on mooring lines
Per unit: 2
Main structure: Martyr Hull Anode Zinc 6 1/4" x 2 3/4" x 5/8" West Marine 484998 Sacrificial anodes for stainless struts at Ark base
Per unit: 3
ARMS Baseplates: Mounting Plate for 1/4"-20 Thread Size, 2" ID 304 Stainless Steel U-Bolt McMaster 8896T156 Bracket plate w/heatshrink, for attaching ARMS mounting baseplates to struts
Per unit: 6
Coral plate baseplates: Mounting Plate for 1/4"-20 Thread Size, 2" ID 304 Stainless Steel U-Bolt McMaster 8896T156 Bracket plate w/heatshrink, for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 40
Main structure: N1 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, modified  Viking Dome ICO2-AISI N1 Stars modified for central rod. Machine/weld connections to insert top and bottom of unthreaded fiberglass structural rod. See Supplemental File 1-Figure SI 10.
Per unit: 2
Main structure: N1 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, unmodified Viking Dome ICO2-AISI Unmodified N1 Stars for Ark assembly. See Supplemental File 1-Figure SI 10
Per unit: 10
Refers to drawing: Yes
Main structure: N2 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, modified Viking Dome ICO2-AISI N2 Stars modified for floats. Drill larger center hole to accommodate 1" threaded fiberglass rod.
Per unit: 10
Main structure: N2 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, modified Viking Dome ICO2-AISI N2 Stars modified for pad eyes. Drill larger bolt hole (bit - 1/4") on outer hole of one arm for Padeye connector.
Per unit: 5 
Main structure: N2 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, unmodified Viking Dome ICO2-AISI Unmodified N2 Stars for Ark assembly
Per unit: 15
Anchor system: Pear-Shaped Link - Not for Lifting, Galvanized Steel, 3/4" Thick McMaster 3567T34 Link to connect 3x 1/2" shackles to upper large shackle.
Per unit: 1
Install & Tools: Phillips Screwdriver, Size No. 2 McMaster Carr 5682A28 Tighten down locknuts on star-strut bolts
Per unit: 1
Coral plates: PVC Sheet Type 1, Gray, 48" x 48", 1/4" Thick McMaster 8747K194 PVC baseplates for coral plates. See Supplemental File 1-Figure SI 4.
Per unit: 20
Refers to drawing: Yes
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 3/4" McMaster Carr 5163A21 Attach ARMS to ARMS mounting baseplates
Per unit: 2
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 3/8" McMaster Carr 5163A14 Tighten down locknuts on star-strut bolts
Per unit: 2
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 7/16" McMaster Carr 5163A15 Attach coral plates to coral plate baseplates
Per unit: 2
Install & Tools: Round Bend-and-Stay Multipurpose Stainless Steel Wire, 0.012" diameter, 645 feet McMaster 9882K35 Wire for mousing stainless shackles
Per unit: 1
Main structure: S1 Struts - Structural FRP Fiberglass Square Tube, 2" Wide x 2" High Outside, 1/4" Wall Thickness McMaster 8548K34 Fiberglass S1 Struts. Cut to 20.905" long (531 mm), drill bolt holes (bit - 7/32"), fill w/ divinycell foam & epoxy. See Supplemental File 1-Figure SI 9
Per unit: 55
Refers to drawing: Yes
Main structure: S1 Struts (SS) - Corrosion-Resistant 316/316L Stainless Steel Rectangular Tube, 0.12" Wall Thickness, 2" x 2" Outside McMaster 2937K17 Stainless S1 Struts. Cut to 20.905" long (531 mm), drill bolt holes (bit - 1/4"). See Supplemental File 1-Figure SI 9.
Per unit: 5
Refers to drawing: Yes
Main structure: S2 Struts - Structural FRP Fiberglass Square Tube, 2" Wide x 2" High Outside, 1/4" Wall Thickness McMaster 8548K34 Fiberglass S2 Struts. Cut to 24.331" long (618 mm), drill bolt holes (bit - 7/32"), fill w/ divinycell foam & epoxy. See Supplemental File 1-Figure SI 9.
Per unit: 60
Refers to drawing: Yes
Anchor system: Skrew SK2500  Spade Anchor USA SK2500 Two-plate sand screw anchors
Per unit: 3
Coral plates: Stainless Steel Washers for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" OD McMaster 90107A029 Numbered tags for coral plates. Stamp SS washers with numbered stamps and glue to coral plate for later ID.
Per unit: 100 
Main structure: Structural FRP Fiberglass Rod, 10 Feet Long, 1" Diameter McMaster 8543K26 Central fiberglass rod, cut to Ark diameter
Per unit: 1
ARMS attachments: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/2"-13 Thread Size, 1-3/4" Long McMaster 93190A718 Bolts for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
Coral plate attach: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/4"-20 Thread Size, 2" Long, Fully Threaded McMaster 93190A550 Bolts to attach coral plates to baseplates
Per unit: 80
ARMS Baseplates: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/4"-20 Thread Size, 3-1/2" Long McMaster 92186A556 Bolts for attaching ARMS mounting baseplates to struts
Per unit: 40
Coral plate baseplates: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/4"-20 Thread Size, 3" Long, Partially Threaded McMaster 92186A554 Bolts for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 160
Buoyancy: TFLOAT 14" CENTERHOLE OR 437FM, modified Seattle Marine YUN12B-8  14" trawl floats for mounting to Stars. Slide fiberglass rod with heat shrink through trawl float. Add stainless washer and fiberglass hex nut on both sides. Seal washers with 3M 5200. Tighten nuts down.  See Supplemental File 1-Figure SI 16.
Per unit: 11
Refers to drawing: Yes
Buoyancy: TFLOAT 14" CENTERHOLE OR 437FM, unmodified Seattle Marine YUN12B-8  14" trawl float
Per unit: 2
ARMS Baseplates: Thick-Wall Dark Gray PVC Pipe for Water, Unthreaded, 1/4 Pipe Size, 5 Feet Long McMaster 48855K41 Star standoffs for attaching ARMS mounting baseplates to Stars. Cut to 1.75" long sections.
Per unit: 40
Coral plates: Unfilled, Natural Travertine Flooring Tile, 16" x 16" Home Depot 304540080 Limestone tiles for coral plates. Cut to 9" x 9" tiles using wet tile saw.
Per unit: 20
Buoyancy: Vibration-Damping Routing Clamp, Weld mount, Polypropylene with Stainless Steel Plates, 1" ID McMaster 3015T47 Attachment for central rod and float
Per unit: 1
Buoyancy: Water- and Steam-Resistant Fiberglass Washer for 1" Screw Size, 1.015" ID, 1.755" OD McMaster 93493A110 Fiberglass washers for securing fiberglass threaded rods into trawl floats
Per unit: 20
Install & Tools: Zinc-Galvanized Steel Wire, 0.014" diameter, 475 feet long McMaster 8872K19 Wire for mousing galvanized shackles
Per unit: 1
Two Platform Ark
Downline: 1" Nylon, 15' length thimble-to-thimble with SS Sailmaker Thimble spliced at top, galvanized thimble spliced at bottom West Marine Custom Runs from bottom of swivel shackle (SS) to top of anchor system (galvanized)
Per unit: 1x
Downline: 1/2" Spectra Rope with SS316 Sailmakers Thimbles Spliced at Top and Bottom West Marine Custom Runs from bottom of Ark to top of swivel shackle.
Per unit: 2x
Buoyancy: 1/2" Spectra Rope with SS316 Sailmakers Thimbles Spliced at Top and Bottom West Marine Custom Connects mooring buoy to top eye on Ark
Per unit: 2x
Main structure: 3/8 x 36 Inch SS Thimble Eye Swages and 5/8 Jaw-Jaw Turnbuckle Cable Assembly Pacific Rigging & Loft Custom Custom rigging system with turnbuckle, 3/8" SS wire rope swaged into PVC end caps
Per unit: 1x
Main structure: 304 SS U-Bolt with Mounting Plate, 1/4"-20, 2" ID McMaster Carr 8896T123 For joining fiberglass platforms using I-beams
Per unit: 10x
Main structure: 316 SS Hex Nut, 1/4"-20 McMaster Carr 94804A029 For locking struts in hubs
Per unit: 120x
Main structure: 316 SS Nylon-Insert Locknut, 1/4"-20 McMaster Carr 90715A125 For locking struts in hubs
Per unit: 240x
Main structure: 316 SS Pan Head Phillips Screw, 1/4"-20 Thread, 2.5" Long McMaster Carr 91735A384 For locking struts in hubs
Per unit: 120x
Downline: 316 SS Safety-Pin Shackle, 1/2" Thick McMaster Carr 3860T25 Connect Ark bottom eye to 1/2" Spectra rope.
Per unit: 1x
Buoyancy: 316 SS Safety-Pin Shackle, 1/2" Thick McMaster Carr 3860T25 Connects bottom of 1/2" rope to top Ark eye
Per unit: 2x
Buoyancy: 316 SS Safety-Pin Shackle, 7/16" Thick McMaster Carr 3860T24 Connects mooring buoy to 1/2" rope
Per unit: 2x
Install & Tools: Arbor with 7/16" Hex for 1-1/2" Diameter Hole Saw McMaster Carr 4066A63 Drill holes in 6" PVC (Hubs)
Per unit: 1x
Main structure: Clamping U-bolt, 304 SS, 1/4"-20 Thread Size, 9/16" ID McMaster Carr 3042T149 For clamping SS wire rope at Ark vertices
Per unit: 15x
Downline: Clevis-to-Clevis Swivel, 316 SS, 5-7/16" Long McMaster Carr 37405T28 Swivel shackle between 1/2" spectra rope and 1" nylon downline
Per unit: 1x
Main structure: Corrosion-Resistant Wire Rope, 316 SS, 1/8" Thick McMaster Carr 8908T44 String through assembled Ark and clamp at vertices
Per unit: 250ft
Main structure: Fiberglass Molded Grating, Square Grid, 1" Grid Height, 1-1/2" x 1-1/2" Square Grid, Grit Surface, 70% Open Area McNichols MS-S-100 Cut to half pentagon shape, mirror images. See Figure S23.
Per unit: 2x
Refers to drawing: Yes
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Screw-Pin Shackle, 1/2" Thick McMaster Carr 3663T42 Connects base of 1" nylon downline to anchor chain
Per unit: 1x
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Screw-Pin Shackle, 3/8" Thick McMaster Carr 3663T51 Connects anchor chain together
Per unit: 1x
Anchor system: Grade 30 Chain, Galvanized Steel, 1/4 Trade Size McMaster Carr 3592T45 Anchor chain
Install & Tools: HARKEN–57 mm Carbo Air Triple Block West Marine 200076 Top of block and tackle
Per unit: 1x
Install & Tools: HARKEN–57 mm Carbo Air Triple Block with Becket and Cam West Marine 1171644 Base of block and tackle
Per unit: 1x
Install & Tools: Hole Saw, 1-15/16" Cutting Depth, 1-1/2" Diameter McMaster Carr 4066A27 Drill holes in 6" PVC (Hubs)
Per unit: 1x
Install & Tools: Low Pressure Inflator Nozzle Amazon (Made by Trident) B00KAI940E Inflate mooring buoys underwater
Per unit: 1x
Install & Tools: LOW-STRETCH ROPE, 7/16" DIAMETER McMaster 3789T25 Rope for block and tackle
Per unit: 100ft
Main structure: Nylon Cable Ties, UV Resistant Heavy Duty, 19" long, 250 lb strength CableTiesAndMore CT19BK Use to secure platforms to Ark framework
Per unit: 30x
Install & Tools: Phillips Screwdriver, Size No. 3 McMaster Carr 5682A29 For locking struts in hubs
Per unit: 1x
Buoyancy: Polyform Buoy, A-5 Series All-Purpose Buoy, 27" West Marine (Made by PolyformUS) 11630142 Mooring buoy for buoyancy.
Per unit: 2x
Main structure: PVC Pipe, Schedule 80, 1" diameter McMaster Carr 48855K13 Struts. Cut to 1.2 m (4 ft) lengths, drill to accommodate bolts
Per unit: 30x
Main structure: PVC Pipe, Schedule 80, 6" diameter McMaster Carr 48855K42 Hubs. Cut into 4" lengths, drill 5 holes symmetrically around midline using 1-1/2" hole saw. See Supplemental File 1-Figure S22.
Per unit: 12x
Refers to drawing: Yes
Main structure: PVC Thick Wall Pipe Fitting, End Cap, Schedule 80, 6 " diameter, Female PRMFiltration (Made by ERA) PVC80CAP600X End caps for top and bottom of Ark. Cut off bottom 2 inches.
Per unit: 2x
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 7/16" McMaster Carr 5163A15 For locking struts in hubs
Per unit: 1x
Install & Tools: Ratcheting PVC Cutter, 1-1/4" McMaster Carr 8336A11 Cut 1" PVC into struts
Per unit: 1x
Main structure: Ring, 18-8 SS, for 5/32 Chain Trade Size, 3/4" Inside Length McMaster Carr 3769T71 Substitute for 1/2" SS wire rope clamps.
Per unit: 12x
Install & Tools: Round Bend-and-Stay Multipurpose Stainless Steel Wire, 0.012" diameter, 645 feet McMaster 9882K35 Wire for mousing stainless shackles
Per unit: 1
Main structure: Structural FRP Fiberglass I-Beam, 1/4" Wall Thickness, 1-1/2" Wide x 3" High, 5 ft long McMaster Carr 9468T41 Cut to 5 1-ft long sections.
Per unit: 1x
Install & Tools: Underwater Lift Bag, 220 lbs Lift Capacity Subsalve Commercial C-200 Transport Ark to deployment site
Per unit: 1x
Install & Tools: Zinc-Galvanized Steel Wire, 0.014" diameter, 475 feet long McMaster 8872K19 Wire for mousing galvanized shackles
Per unit: 1x
Strain Gauge
316 Stainless Steel Eyebolt, for Lifting, M16 x 2 Thread Size, 27 mm Thread Length McMaster Carr 3130T14 For strain gauge eyebolts
Per unit: 2x
Bridge101A Data Logger, 30 mV MadgeTech Bridge101A-30 Collect voltage data from load cell.
Per unit: 1x
Chemical-Resistant PVC Rod, 2" Diameter McMaster Carr 8745K26 For datalogger housing endcap. See Supplemental File 1-Figure S32.
Per unit: 1x
Refers to drawing: Yes
Clamping U-Bolt, 304 SS, 5/16"-18 Thread Size, 1-3/8" ID McMaster Carr 3042T154 For attachment of datalogger housing to strain gauge.
Per unit: 1x 
Dow Corning Molykote 44 Medium Grease Lubricant Amazon (Made by Dow Corning) B001VY1EL8 For mating male and female underwater connectors.
Per unit: 1x
STA-8 Stainless Steel S Type Tension and Compression Load Cell LCM Systems STA-8-1T-SUB Load cell instrument for assessment of in-water weight.
Per unit: 1x 
Standard-Wall Clear Blue Rigid PVC Pipe for Water, Unthreaded, 1-1/2 Pipe Size, 2 ft McMaster Carr 49035K47 For datalogger housing. See Supplemental File 1-Figure S31.
Per unit: 1x
Refers to drawing: Yes
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Cap, White, 1-1/2 Pipe Size Socket Female McMaster Carr 4880K55 For datalogger housing.
Per unit: 2x
Structural FRP Fiberglass Sheet, 12" Wide x 12" Long, 3/16" Thick McMaster Carr 8537K24 For attachment of datalogger housing to strain gauge.
Per unit: 1x
SubConn Micro Circular Connector, Female, 4-port McCartney (Made by SubConn) MCBH4F Install into machined housing endcap.
Per unit: 1x
SubConn Micro Circular Connector, Male, 4-contact McCartney (Made by SubConn) MCIL4M Splice to load cell wiring and waterproof connection.
Per unit: 1x
Threadlocker, Loctite 262, 0.34 FL. oz Bottle McMaster Carr 91458A170 For strain gauge eyebolts
Per unit: 1x
Vibration-Damping Routing Clamp, Weld-Mount, Polypropylene with Zinc-Plated Steel Top Plate, 1-7/8" ID McMaster Carr 3015T39 For attachment of datalogger housing to strain gauge.
Per unit: 1x

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pandolfi, J. M., et al. Global trajectories of the long-term decline of coral reef ecosystems. Science. 301 (5635), 955-958 (2003).
  2. Hughes, T. P., et al. Phase shifts, herbivory, and the resilience of coral reefs to climate change. Current Biology. 17 (4), 360-365 (2007).
  3. McManus, J. W., Polsenberg, J. F. Coral-algal phase shifts on coral reefs: Ecological and environmental aspects. Progress in Oceanography. 60 (2-4), 263-279 (2004).
  4. Haas, A. F., et al. Global microbialization of coral reefs. Nature Microbiology. 1, 16042 (2016).
  5. Dinsdale, E. A., et al. Microbial ecology of four coral atolls in the Northern Line Islands. PLoS One. 3 (2), 1584 (2008).
  6. Zaneveld, J. R., et al. Overfishing and nutrient pollution interact with temperature to disrupt coral reefs down to microbial scales. Nature Communications. 7, 11833 (2016).
  7. Estes, J. A., et al. Trophic downgrading of planet earth. Science. 333 (6040), 301-306 (2011).
  8. Houk, P., Musburger, C. Trophic interactions and ecological stability across coral reefs in the Marshall Islands. Marine Ecology Progress Series. 488, 23-34 (2013).
  9. Pearman, J. K., Anlauf, H., Irigoien, X., Carvalho, S. Please mind the gap - Visual census and cryptic biodiversity assessment at central Red Sea coral reefs. Marine Environmental Research. 118, 20-30 (2016).
  10. Stella, J. S., Pratchett, M. S., Hutchings, P. A., Jones, G. P. Coral-associated invertebrates: Diversity, ecological importance and vulnerability to disturbance. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review, edited by. Gibson, R. N., Atkinson, R. J. A., Gordon, J. D. M. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2011).
  11. Stewart, H. L., Holbrook, S. J., Schmitt, R. J., Brooks, A. J. Symbiotic crabs maintain coral health by clearing sediments. Coral Reefs. 25 (4), 609-615 (2006).
  12. Williams, S. M. The reduction of harmful algae on Caribbean coral reefs through the reintroduction of a keystone herbivore, the long-spined sea urchin Diadema antillarum. Restoration Ecology. 30 (1), 13475 (2022).
  13. Francis, F. T., Filbee-Dexter, K., Yan, H. F., Côté, I. M. Invertebrate herbivores: Overlooked allies in the recovery of degraded coral reefs. Global Ecology and Conservation. 17, 00593 (2019).
  14. De Goeij, J. M., et al. Surviving in a marine desert: The sponge loop retains resources within coral reefs. Science. 342 (6154), 108-110 (2013).
  15. Rix, L., et al. Differential recycling of coral and algal dissolved organic matter via the sponge loop. Functional Ecology. 31 (3), 778-789 (2017).
  16. Plaisance, L., Caley, M. J., Brainard, R. E., Knowlton, N. The diversity of coral reefs: What are we missing. PLoS One. 6 (10), 25026 (2011).
  17. Leray, M., Knowlton, N. DNA barcoding and metabarcoding of standardized samples reveal patterns of marine benthic diversity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (7), 2076-2081 (2015).
  18. Pearman, J. K., et al. Disentangling the complex microbial community of coral reefs using standardized Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS). Molecular Ecology. 28 (15), 3496-3507 (2019).
  19. Pearman, J. K., et al. Cross-shelf investigation of coral reef cryptic benthic organisms reveals diversity patterns of the hidden majority. Scientific Reports. 8, 8090 (2018).
  20. Carvalho, S., et al. Beyond the visual: Using metabarcoding to characterize the hidden reef cryptobiome. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 286 (1896), 20182697 (2019).
  21. Hartmann, A. C., et al. Meta-mass shift chemical profiling of metabolomes from coral reefs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11685-11690 (2017).
  22. Ransome, E., et al. The importance of standardization for biodiversity comparisons: A case study using autonomous reef monitoring structures (ARMS) and metabarcoding to measure cryptic diversity on Mo'orea coral reefs, French Polynesia. PLoS One. 12 (4), 0175066 (2017).
  23. Pennesi, C., Danovaro, R. Assessing marine environmental status through microphytobenthos assemblages colonizing the Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) and their potential in coastal marine restoration. Marine Pollution Bulletin. 125 (1-2), 56-65 (2017).
  24. Bartley, R., et al. Relating sediment impacts on coral reefs to watershed sources, processes and management: A review. Science of the Total Environment. 468-469, 1138-1153 (2014).
  25. Häder, D. P., et al. Anthropogenic pollution of aquatic ecosystems: Emerging problems with global implications. Science of the Total Environment. 713, 136586 (2020).
  26. Bianchi, D., Carozza, D. A., Galbraith, E. D., Guiet, J., DeVries, T. Estimating global biomass and biogeochemical cycling of marine fish with and without fishing. Science Advances. 7 (41), (2021).
  27. Rogers, C. S. Responses of coral reefs and reef organisms to sedimentation. Marine Ecology Progress Series. 62, 185-202 (1990).
  28. Fabricius, K. E. Effects of terrestrial runoff on the ecology of corals and coral reefs: Review and synthesis. Marine Pollution Bulletin. 50 (2), 125-146 (2005).
  29. Littler, M. M., Littler, D. S., Brooks, B. L. Harmful algae on tropical coral reefs: Bottom-up eutrophication and top-down herbivory. Harmful Algae. 5 (5), 565-585 (2006).
  30. Scofield, V., Jacques, S. M. S., Guimarães, J. R. D., Farjalla, V. F. Potential changes in bacterial metabolism associated with increased water temperature and nutrient inputs in tropical humic lagoons. Frontiers in Microbiology. 6, 310 (2015).
  31. Cárdenas, A., et al. Excess labile carbon promotes the expression of virulence factors in coral reef bacterioplankton. ISME Journal. 12, 59-76 (2018).
  32. Johnson, M. D., et al. Rapid ecosystem-scale consequences of acute deoxygenation on a Caribbean coral reef. Nature Communications. 12, 4522 (2021).
  33. Altieri, A. H., et al. Tropical dead zones and mass mortalities on coral reefs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (14), 3660-3665 (2017).
  34. Timmers, M. A., et al. Biodiversity of coral reef cryptobiota shuffles but does not decline under the combined stressors of ocean warming and acidification. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 118 (39), 2103275118 (2021).
  35. Enochs, I. C., et al. Shift from coral to macroalgae dominance on a volcanically acidified reef. Nature Climate Change. 5 (12), 1083-1088 (2015).
  36. Nelson, H. R., Altieri, A. H. Oxygen: The universal currency on coral reefs. Coral Reefs. 38, 177-198 (2019).
  37. Wallace, R. B., Baumann, H., Grear, J. S., Aller, R. C., Gobler, C. J. Coastal ocean acidification: The other eutrophication problem. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 148, 1-13 (2014).
  38. Haas, A. F., et al. Effects of coral reef benthic primary producers on dissolved organic carbon and microbial activity. PLoS One. 6 (11), 27973 (2011).
  39. Shafir, S., Van Rijn, J., Rinkevich, B. A mid-water coral nursery. Proceedings of the 10th International Coral Reef Symposium. , Okinawa, Japan. 1674-1679 (2006).
  40. Rinkevich, B. The active reef restoration toolbox is a vehicle for coral resilience and adaptation in a changing world. Journal of Marine Science and Engineering. 7 (7), 201 (2019).
  41. Mooring Buoy Planning Guide. International PADI, Inc. , Available from: http://www.coris.noaa.gov/activities/resourcesCD/resources/mooring_buoy_g.pdf (2005).
  42. Nakamura, T., Van Woesik, R. Water-flow rates and passive diffusion partially explain differential survival of corals during the 1998 bleaching event. Marine Ecology Progress Series. 212, 301-304 (2001).
  43. Dennison, W. C., Barnes, D. J. Effect of water motion on coral photosynthesis and calcification. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 115 (1), 67-77 (1988).
  44. Mass, T., Genin, A., Shavit, U., Grinstein, M., Tchernov, D. Flow enhances photosynthesis in marine benthic autotrophs by increasing the efflux of oxygen from the organism to the water. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (6), 2527-2531 (2010).
  45. Finelli, C. M., Helmuth, B. S., Pentcheff, N. D., Wethey, D. S. Intracolony variability in photosynthesis by corals is affected by water flow: Role of oxygen flux. Marine Ecology Progress Series. 349, 103-110 (2007).
  46. Nakamura, T., Yamasaki, H., Van Woesik, R. Water flow facilitates recovery from bleaching in the coral Stylophora pistillata. Marine Ecology Progress Series. 256, 287-291 (2003).
  47. Nakamura, T., Yamasaki, H. Requirement of water-flow for sustainable growth of Pocilloporid corals during high temperature periods. Marine Pollution Bulletin. 50 (10), 1115-1120 (2005).
  48. McDole, T., et al. Assessing coral reefs on a Pacific-wide scale using the microbialization score. PLoS One. 7 (9), 43233 (2012).
  49. Haas, A. F., Jantzen, C., Naumann, M. S., Iglesias-Prieto, R., Wild, C. Organic matter release by the dominant primary producers in a Caribbean reef lagoon: Implication for in situ O2 availability. Marine Ecology Progress Series. 409, 27-39 (2010).
  50. Haas, A. F., et al. Influence of coral and algal exudates on microbially mediated reef metabolism. PeerJ. 1, 108 (2013).
  51. Silveira, C. B., et al. Microbial processes driving coral reef organic carbon flow. FEMS Microbiology Reviews. 41 (4), 575-595 (2017).
  52. Knowles, B., et al. Lytic to temperate switching of viral communities. Nature. 531 (7595), 466-470 (2016).
  53. Szmit, R. Geometry design and structural analysis of steel single-layer geodesic domes. 2017 Baltic Geodetic Congress (BGC Geomatics). , 205-209 (2017).
  54. Laila, T., Arruda, A., Barbosa, J., Moura, E. The constructive advantages of Buckminster Fuller's geodesic domes and their relationship to the built environment ergonomics. Advances in Ergonomics in Design. Proceedings of the AHFE 2017 International Conference on Ergonomics in Design, July 17-21, 2017. , The Westin Bonaventure Hotel, Los Angeles, California. (2018).
  55. Graham, N. A. J., Nash, K. L. The importance of structural complexity in coral reef ecosystems. Coral Reefs. 32, 315-326 (2013).
  56. Alldredge, A. L., King, J. M. Distribution, abundance, and substrate preferences of demersal reef zooplankton at Lizard Island Lagoon, Great Barrier Reef. Marine Biology. 41, 317-333 (1977).
  57. Scheffers, S. R., Nieuwland, G., Bak, R. P. M., Van Duyl, F. C. Removal of bacteria and nutrient dynamics within the coral reef framework of Curaçao (Netherlands Antilles). Coral Reefs. 23 (3), 413-422 (2004).
  58. Van Duyl, F. C., Scheffers, S. R., Thomas, F. I. M., Driscoll, M. The effect of water exchange on bacterioplankton depletion and inorganic nutrient dynamics in coral reef cavities. Coral Reefs. 25, 23-36 (2006).
  59. Reidenbach, M. A., Stocking, J. B., Szczyrba, L., Wendelken, C. Hydrodynamic interactions with coral topography and its impact on larval settlement. Coral Reefs. 40 (2), 505-519 (2021).
  60. Reidenbach, M. A., Koseff, J. R., Koehl, M. A. R. Hydrodynamic forces on larvae affect their settlement on coral reefs in turbulent, wavedriven flow. Limnology and Oceanography. 54 (1), 318-330 (2009).

Tags

Miljövetenskap nr 191
Coral Reef Arks: En <em>in situ</em> mesokosm och verktygslåda för montering av revsamhällen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Baer, J. L., Carilli, J., Chadwick,… More

Baer, J. L., Carilli, J., Chadwick, B., Hatay, M., van der Geer, A., Scholten, Y., Barnes, W., Aquino, J., Ballard, A., Little, M., Brzenski, J., Liu, X., Rosen, G., Wang, P. F., Castillo, J., Haas, A. F., Hartmann, A. C., Rohwer, F. Coral Reef Arks: An In Situ Mesocosm and Toolkit for Assembling Reef Communities. J. Vis. Exp. (191), e64778, doi:10.3791/64778 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter