Arche della barriera corallina: un mesocosmo in situ e un kit di strumenti per l'assemblaggio delle comunità della barriera corallina

In tutto il mondo, gli ecosistemi della barriera corallina stanno subendo transizioni da comunità bentoniche ad alta biodiversità e dominate dai coralli a comunità a bassa diversità dominate da macroalghe erbose e carnose ^1,2,3. Decenni di progressi nella caratterizzazione dei meccanismi di degrado della barriera corallina hanno rivelato come i legami tra comunità microbiche e macroorganismiche aumentino il ritmo e la gravità di queste transizioni. Ad esempio, la pesca eccessiva delle barriere coralline da parte delle popolazioni umane avvia una cascata trofica in cui gli zuccheri in eccesso di derivazione fotosintetica dalle alghe non pascolate deviano energia nelle comunità microbiche della barriera corallina, guidando così la patogenesi e causando il declino dei coralli ^4,5,6. Questo declassamento trofico è rafforzato dalla perdita di biodiversità sulle barriere coralline che deriva dal declino della qualità dell'acqua ^7,8. Gli esperimenti a livello di mesocosmo possono essere utilizzati per comprendere meglio e mitigare il declassamento trofico delle comunità della barriera corallina migliorando la biodiversità e migliorando la qualità dell'acqua, ma le sfide logistiche rendono questi studi difficili da implementare in situ.

Una conseguenza del declassamento trofico sulle barriere coralline è la diffusa perdita di biodiversità criptica, gran parte della quale rimane non caratterizzata ^7,9. I coralli si basano su una serie diversificata di organismi criptici della barriera corallina ("criptobiota") che supportano la loro salute svolgendo ruoli fondamentali nella difesa dei predatori 10, nella pulizia¹¹, nel pascolo delle alghe concorrenti 12,13 e nella regolazione della chimica dell'acqua di barriera ^14,15. Fino a poco tempo fa e a causa dei limiti metodologici delle indagini visive, il criptobiota della barriera corallina è stato sottorappresentato e poco compreso nel contesto dell'ecologia della barriera corallina, e sono, quindi, raramente considerati negli sforzi per ripristinare o ricostruire le barriere coralline. Negli ultimi dieci anni, l'uso di unità di insediamento standardizzate chiamate Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) combinate con approcci di sequenziamento ad alto rendimento ha permesso una migliore raccolta e caratterizzazione del criptobiota della barriera corallina^16,17. ARMS recluta passivamente rappresentanti di quasi tutte le biodiversità conosciute della barriera corallina e ha contribuito a rivelare numerosi ruoli funzionali degli organismi criptici nei processi su scala di barriera 9,18,19,20,21,22,23. Queste unità di insediamento, quindi, forniscono un meccanismo per traslocare il biota criptico della barriera corallina insieme ai coralli al fine di assemblare comunità di barriera più intatte con meccanismi biologicamente mediati, come il pascolo, la difesa e il miglioramento della qualità dell'acqua locale, che sono essenziali per mantenere la struttura trofica.

Le barriere coralline dominate dai coralli prosperano in ambienti ad alta luminosità, a basso contenuto di nutrienti e ben ossigenati. Le attività umane come l'urbanizzazione, l'agricoltura e la pesca eccessiva hanno ridotto la qualità dell'acqua su molte barriere coralline aumentando i sedimenti, i nutrienti, i metalli e altri composti nel deflusso ^24,25 e alterando il ciclo biogeochimico²⁶. A loro volta, queste attività degradano le comunità di barriera corallina attraverso il soffocamento, l'esaurimento energetico, la consegna di inquinanti associati alla sedimentazione^27,28, migliorando la crescita di macroalghe che competono con i coralli ²⁹, aumentando l'abbondanza di patogeni microbici^6,30,31 e creando zone ipossiche che uccidono invertebrati criptici^32,33 . Questi e altri "impatti locali" sono aggravati dai cambiamenti regionali e globali nelle condizioni oceaniche, tra cui l'aumento delle temperature e la diminuzione del pH, peggiorando ulteriormente le condizioni per i coralli e altri organismi della barriera corallina^34,35. All'interfaccia bentonico-acqua, in particolare, la dinamica respiratoria e fotosintetica delle comunità bentoniche causa fluttuazioni del pH e dell'ossigeno disciolto, che diventano più pronunciate su barriere coralline altamente degradate, creando così condizioni che gli invertebrati bentonici non possono tollerare^32,36,37,38 . Fornire condizioni di qualità dell'acqua adeguate è, quindi, essenziale per assemblare comunità di barriera funzionanti, ma questo rimane difficile perché un numero crescente di barriere coralline è intrappolato in vari stati di degrado.

Molte delle sfide affrontate dai coralli e dai taxa criptici fondamentali sul benthos possono essere superate attraverso il trasferimento a mezz'acqua, definito qui come l'impostazione della colonna d'acqua tra la superficie dell'oceano e il fondo marino. Nell'ambiente di mezz'acqua, la qualità dell'acqua è migliorata^39,40, la sedimentazione è ridotta e la distanza dal fondo marino smorza le fluttuazioni dei parametri associati al metabolismo bentonico. Queste caratteristiche sono ulteriormente migliorate spostandosi al largo, dove gli impatti antropogenici terrestri, come il deflusso di derivazione terrestre, diventano sempre più diluiti con la distanza dalla costa. Qui, introduciamo e forniamo protocolli per costruire, distribuire e monitorare le Arche della Barriera Corallina, un approccio che sfrutta il miglioramento delle condizioni di qualità dell'acqua a mezz'acqua e incorpora la biodiversità criptica su strutture ancorate e positivamente galleggianti per l'assemblaggio delle comunità della barriera corallina.

I sistemi di Arche della Barriera Corallina, o "Arche", sono costituiti da due componenti principali: (1) una piattaforma geodetica rigida sospesa elevata sopra il benthos e (2) ARMS ricoperti di organismi o "seminati" che traslocano il criptobiota della barriera corallina dalle vicine aree bentoniche, integrando così i processi naturali di reclutamento per fornire ai coralli traslocati una comunità di barriera corallina più diversificata e funzionale. È stata selezionata una struttura geodetica per massimizzare la resistenza e ridurre al minimo il materiale da costruzione (e, quindi, il peso), nonché per creare un ambiente di flusso turbolento interno analogo alla matrice della barriera corallina.

Due progetti di Arche sono stati installati con successo in due siti di campo dei Caraibi e sono attualmente utilizzati per la ricerca sulla creazione della comunità di barriera corallina e sulla successione ecologica (Figura 1). Le strutture di Coral Arks sono destinate ad essere piattaforme di ricerca a lungo termine e, come tali, un obiettivo primario di questo manoscritto è quello di descrivere i protocolli per localizzare, installare, monitorare e mantenere queste strutture per massimizzare la loro stabilità e longevità nell'ambiente di mezz'acqua. Una combinazione di modellazione e test in acqua è stata utilizzata per valutare le caratteristiche di resistenza delle strutture e regolare il progetto per resistere alle forze idrodinamiche previste. Dopo l'installazione, le comunità di barriera corallina sono state stabilite sulle Arche e sui vicini siti di controllo bentonico alla stessa profondità attraverso una combinazione di traslocazione attiva (coralli e unità ARMS seminate) e reclutamento naturale. Le condizioni di qualità dell'acqua, le dinamiche della comunità microbica e la sopravvivenza dei coralli sulle Arche sono state documentate in diversi punti temporali durante il primo periodo di successione e confrontate con i siti di controllo bentonici. Ad oggi, le condizioni associate all'ambiente delle Arche di Corallo a mezz'acqua sono state costantemente più favorevoli per i coralli e i loro consorzi criptici associati rispetto ai vicini siti di controllo bentonico alle stesse profondità. I metodi seguenti descrivono i passaggi necessari per replicare l'approccio Coral Arks, incluso come selezionare i siti e progettare e distribuire strutture Coral Arks. Gli approcci suggeriti per il monitoraggio delle Arche Coral sono inclusi nel file supplementare 1.

NOTA: Informazioni dettagliate riguardanti la fabbricazione, il dispiegamento e il monitoraggio delle strutture ARMS e Coral Arks, inclusi disegni tecnici, diagrammi e foto, sono fornite nel file supplementare 1. Le sezioni del protocollo che coinvolgono il lavoro subacqueo, compresa l'installazione di strutture Arks e ARMS, sono raccomandate per essere condotte da un team di tre subacquei (su SCUBA) e due personale di supporto di superficie.

1. Assemblaggio e dispiegamento di ARMS

NOTA: ARMS sono strutture di circa 1 ft 3 (30 cm³) realizzate con materiali di base in PVC o calcare che imitano la complessità tridimensionale dei substrati hardbottom della barriera corallina. La tabella 1 illustra due progetti per ARMS in base a diverse considerazioni sul progetto. Si raccomanda di schierare ARMS per 1-2 anni prima del trasferimento alle Arche per massimizzare la colonizzazione da parte del biota criptico.

1. BRACCI IN PVC
   NOTA: I componenti standard a cui si fa riferimento in questo protocollo (ed elencati nella Tabella dei materiali) sono descritti utilizzando unità imperiali. I materiali fabbricati sono descritti utilizzando unità metriche. Le istruzioni dettagliate di fabbricazione, compresi i disegni tecnici per la fabbricazione dei componenti, sono fornite nella Sezione 1 del File Supplementare 1.
   1. Assemblea
      1. Inserire quattro bulloni a testa esagonale lunghi 8 pollici 1/4 in-20 attraverso i fori centrali su una piastra di base in PVC spessa da 1/2; Quindi, capovolgerlo in modo che i bulloni siano rivolti verticalmente.
      2. Aggiungi un distanziatore in nylon a ciascun bullone, quindi aggiungi un 1/4 di spessore, PVC 9 in x 9 in piastra. Questo crea uno strato aperto tra la piastra di base e la prima piastra impilabile.
      3. Aggiungete un distanziatore trasversale lungo su due bulloni negli angoli opposti, quindi aggiungete due distanziatori trasversali corti sui bulloni rimanenti in modo da formare una "X". Aggiungi un'altra piastra impilabile in PVC per creare uno strato chiuso.
      4. Ripetere i passaggi 1.1.1.2 e 1.1.1.3, alternando strati aperti e chiusi, fino a quando non sono stati aggiunti da sette a nove strati di piastre ai bulloni (file supplementare 1-Figura S5).
      5. Aggiungi una rondella, un dado esagonale e un dado di bloccaggio con inserto in nylon sulla parte superiore di ciascun bullone e stringi saldamente.
   2. Per l'implementazione, trasportare gli ARMS in PVC assemblati al sito di dispiegamento target, coprendo gli ARMS con maglie da 100 μm durante il trasferimento per trattenere piccoli invertebrati mobili (file supplementare 1-Figura S6). Individua una zona di substrato hardbottom della barriera corallina in prossimità di comunità sane di barriera corallina.
      NOTA: I siti di distribuzione specifici devono essere selezionati tenendo conto delle normative locali e delle disposizioni sui permessi, come evitare gli habitat critici per le specie elencate nell'Endangered Species Act nelle acque degli Stati Uniti.
      1. Utilizzando 3 in lunghezze di 1/2 in tondo per cemento armato e un mazzuolo, fissare le ARMS al benthos a tutti e quattro gli angoli battendo il tondo per cemento armato, leggermente inclinato verso l'esterno, nel calcare di base in modo tale che il tondo per cemento armato generi tensione contro il bordo della piastra di base (Figura 2A, B).
      2. In alternativa, collegare le catene degli ARMS utilizzando fascette per cavi resistenti e ancorare le estremità delle catene con sacchi di cemento temprato (Figura 2C e File supplementare 1-Figura S6).
2. Calcare ARMS
   1. Per il montaggio, iniziare con 12 in x 12 in piastrelle di calcare o travertino non finite (Figura 2). Identificare la complessità desiderata dell'interno ARMS in pietra calcarea.
      NOTA: Si consiglia di utilizzare 2 cm³ cubi. Disegni e considerazioni alternativi sono forniti nella Sezione 2 del Fascicolo Supplementare 1.
      1. Utilizzando una sega per piastrelle bagnata, tagliare diverse piastrelle non finite in distanziatori^{quadrati da} 2 cm 2 (~ 250).
      2. Tagliare le piastrelle di travertino nella forma desiderata per i livelli ARMS. Simile ai bracci in PVC, utilizzare 12 in x 12 in quadrati e sovrapporli con distanziali per formare cubi da 1 ft³ (file supplementare 1-Figure S8).
      3. Utilizzando una resina epossidica marina non tossica in due parti, incollare i pezzi di travertino più piccoli su una piastra di stratificazione di travertino più grande lungo un motivo a griglia pre-disegnato.
      4. Preparare diversi strati che, una volta impilati insieme, raggiungano l'altezza ARMS desiderata. Lasciare che la resina epossidica polimerizzi in base alle raccomandazioni del produttore.
      5. Assemblare le piastre impilabili ARMS usando resina epossidica per incollare ogni strato a quello sopra di esso.
         NOTA: L'altezza del braccio varia in base al peso desiderato e alla complessità interna. Si consiglia una dimensione finale di circa 1 ft³ .
      6. Lasciare che la resina epossidica si estenda dalla luce solare diretta per 24 ore prima della distribuzione.
   2. Per la distribuzione, trasportare il Limestone ARMS assemblato al sito di distribuzione di destinazione. Individua una zona di substrato hardbottom della barriera corallina in prossimità di comunità sane di barriera corallina.
      NOTA: I siti di distribuzione specifici devono essere selezionati tenendo conto delle normative locali e delle disposizioni sui permessi, come evitare gli habitat critici delle specie elencate nell'Endangered Species Act nelle acque degli Stati Uniti.
      1. Trasportare l'ARMS al benthos utilizzando una cassa del latte e un sacco di sollevamento. Incuneare le ARMS calcaree nella matrice di barriera morta (roccia viva). Evitare gli habitat del fondo sabbioso e quelli fortemente colonizzati da alghe erbose o tappeti cianobatterici bentonici.
      2. Posiziona i bracci calcarei vicino a strapiombi rocciosi e affioramenti per proteggerli dall'azione delle onde e dalle mareggiate.

2. Assemblaggio e distribuzione di Coral Arks

NOTA: la Tabella 2 illustra le considerazioni di progettazione di Coral Arks dati i diversi parametri del progetto. Le dimensioni dei sottoelementi (puntoni, mozzi, piattaforme, componenti di ormeggio e galleggiabilità positiva) possono essere modificate in base alle dimensioni e al peso desiderati delle strutture finali di Coral Ark.

1. Installazione del sistema di ancoraggio
   NOTA: selezionare il sistema di ancoraggio in base a considerazioni specifiche del sito e del progetto, come il design dell'arca, la frequenza delle tempeste, il tipo di fondale, l'esposizione del sito, la durata del progetto e le forze previste dovute a resistenza, correnti e galleggiabilità. Vedi PADI⁴¹ per approfondimenti sulla selezione del sistema di ormeggio.
   1. Utilizzare viti a sabbia in habitat sabbiosi e macerie sciolte.
      1. Trasportare le viti di sabbia al benthos. Posizionando la vite a sabbia in posizione verticale, ruotare e seppellire la vite a sabbia fino a quando il primo disco non è stato coperto di sabbia o macerie sciolte.
      2. Posizionare una barra girevole metallica lunga 5 piedi attraverso l'occhio dell'ancora in modo tale che la maggior parte della barra girevole sporga da un lato dell'occhio.
      3. Camminare o nuotare in cerchio sul benthos, avvitare la vite a sabbia nel substrato fino a quando solo l'occhio rimane sporgente dal benthos (File supplementare 1-Figure S20).
      4. Installare tre viti a sabbia in uno schema triangolare, collegate da una briglia a catena, per una maggiore potenza di tenuta (file supplementare 1-Figura S20).
   2. Utilizzare le ancore Halas in habitat rocciosi a fondo duro e a base carbonatica.
      1. Trasportare 9-12 golfari e un trapano sommergibile (elettrico o pneumatico) al sito di ancoraggio.
      2. Utilizzare il trapano sommergibile e una sega per fori in muratura di 1 diametro per praticare un foro profondo 9 pollici e largo 1 nella roccia di base. Pulire periodicamente il substrato in eccesso dal foro usando un baster di tacchino.
      3. Riempi il foro con cemento Portland o resina epossidica marina. Spingere l'albero del golfare nel foro e riempire gli spazi rimanenti con cemento o resina epossidica.
      4. Lasciare polimerizzare il cemento/resina epossidica per 5 giorni.
      5. Per una maggiore potenza di tenuta, installare tre ancore Halas in uno schema triangolare, collegate da una briglia a catena.
   3. Utilizzare l'ormeggio a blocchi in siti con blocchi di ormeggio esistenti o elementi di detriti pesanti.
      NOTA: l'installazione di un nuovo blocco di ormeggio richiede attrezzature di installazione di livello commerciale come una gru montata su chiatta e non è raccomandata per progetti con un ambito più piccolo.
      1. Collegare il sistema di ormeggio a elementi di detriti pesanti esistenti (navi affondate, blocchi motore) o agli occhi del blocco di ormeggio esistenti tramite hardware e attrezzatura.
      2. Assicurarsi che i componenti metallici dell'ormeggio siano realizzati con metalli simili e protetti dalla corrosione galvanica utilizzando anodi sacrificali.
2. La struttura delle frequenze 1V (due piattaforme)
   NOTA: Le istruzioni dettagliate di fabbricazione, compresi i disegni tecnici per la fabbricazione dei componenti, sono fornite in Sezione 4 di File supplementare 1. I componenti pronti all'uso di cui al presente protocollo (ed elencati nella Tabella dei materiali) sono descritti usando unità imperiali.
   1. Assemblaggio del telaio geodetico 1V
      1. Avvitare un dado esagonale in acciaio inossidabile 1/4-20 su un bullone in acciaio inossidabile da 1/4-20 da 2,5 pollici 3/4 della parte superiore del bullone. Inserire il bullone in uno dei fori rivolti verso l'interno sul montante.
      2. Fissare un controdado sull'altro lato della vite, stringendolo fino a quando non si accoppia saldamente con il PVC per evitare che il mozzo scivoli lungo la lunghezza del montante.
      3. Ripetere l'operazione per il lato opposto del puntone e per i restanti 29 puntoni.
      4. Spingere l'estremità di ciascun puntone attraverso uno dei fori nei mozzi e fissare un altro bullone attraverso il foro esterno sul montante, finendo con un dado di bloccaggio per evitare che il puntone scivoli fuori dal mozzo (file supplementare 1-Figura S24).
      5. Ripetere l'operazione per tutti e cinque i montanti in un mozzo, quindi continuare ad aggiungere mozzi e puntoni fino a quando la sfera geodetica non viene assemblata (file supplementare 1-Figura S24).
      6. Sbobinare la fune metallica da 1/8 in acciaio inossidabile e iniziare a infilarla attraverso i montanti. Crea 12 anelli, delle dimensioni di un dollaro d'argento, con fascette di nylon, uno per ogni hub. Mentre la fune metallica viene infilata attraverso i montanti, passare la corda attraverso l'anello di fascetta zip al mozzo, quindi continuare con il puntone successivo.
         NOTA: Alcuni puntoni verranno ripetuti.
      7. Continuare a filettare fino a quando la fune metallica non è stata infilata attraverso tutti i puntoni, collegati al centro di ciascun vertice dall'anello della cerniera.
      8. Riinfilare il cavo al punto iniziale. Usando le pinze, tirare i passanti della fascetta per ridurli alla dimensione più piccola possibile, avvicinando le lunghezze della fune metallica. Montare un morsetto per cavi in acciaio inossidabile da 1/2" su tutte le lunghezze della fune metallica e stringere saldamente.
      9. Ripetere l'operazione per tutti i vertici della struttura.
      10. Accoppiate la lunghezza iniziale della fune metallica con la lunghezza finale e bloccateli insieme usando tre morsetti per cavi da 1/2".
          NOTA: La fune metallica (resistenza alla rottura: 2.000 libbre) dovrebbe ora sostenere la maggior parte del carico posto sulla struttura, rafforzandola considerevolmente.
      11. Aggiungere il sistema di sartiame, che è composto da due lunghezze di 3/8 in cavo di acciaio inossidabile avvolte idraulicamente su un occhio a ciascuna estremità. Montare i tappi terminali in PVC tra le strisce in modo tale che il cavo passi attraverso l'intera lunghezza dell'Arca, con gli occhi in alto e in basso per gli attacchi della linea di ormeggio / boa. Un sistema di tenditori al centro collega le due lunghezze del cavo inossidabile.
      12. Passare le estremità inferiori del cavo attraverso la parte superiore e inferiore dell'Arca, montando i tappi terminali sui mozzi superiore e inferiore usando un mazzuolo. Avvitare i golfari nel tenditore e stringere fino a quando non c'è una tensione sufficiente sulla struttura per rendere il sistema rigido (file supplementare 1-Figura S24).
      13. Aggiungi ogni griglia in fibra di vetro stampata, tagliata in due semipentagoni, all'interno dell'Arca usando fascette da 250 libbre per ancorare i lati della piattaforma ai montanti dell'Arca (File supplementare 1-Figura S24).
      14. Sotto la struttura, posizionare una lunghezza di trave a I in fibra di vetro in modo che unisca entrambe le metà della piattaforma in fibra di vetro. Fissare la parte inferiore della piattaforma utilizzando due bulloni a U in acciaio inossidabile da 1/4 in-20.
      15. Ripeti per le altre quattro travi a I, distribuendole equamente lungo la lunghezza della piattaforma. Questo unisce e sostiene le due metà della piattaforma, creando un pentagono completo.
      16. Stringere le fascette resistenti ai bordi della piattaforma e tagliare l'eccesso. Alla fine di questa fase, la piattaforma interna è saldamente integrata nella struttura dell'Arca (file supplementare 1-Figura S24).
      17. Utilizzare il filo di mousing in acciaio inossidabile per posizionare le estremità del tenditore e tutte le catene. Alla fine di questa fase, l'Arca avrà due piattaforme integrate, attacchi superiori e inferiori per il fissaggio dell'hardware e un cavo centrale che sopporta la maggior parte della forza di tensione posta sulle strutture tramite ancoraggio e galleggiabilità positiva.
   2. Fissaggio della linea di ormeggio al telaio geodetico
      NOTA: I sistemi di ormeggio devono essere progettati in modo tale che la resistenza alla rottura di tutti i singoli componenti dell'ormeggio superi il carico massimo previsto a causa delle condizioni ambientali e ambientali estreme. Vedere i risultati rappresentativi per una descrizione dell'uso della modellazione idrodinamica nella progettazione del sistema di ormeggio. Si consiglia di distribuire il carico su più punti di attacco sull'Arca e sul sistema di ancoraggio del fondo marino, in quanto ciò aggiunge ridondanza al sistema in caso di guasto di singoli elementi.
      1. Progettare le linee di ormeggio e l'hardware per garantire connessioni sicure tra la base dell'Arca e il sistema di ancoraggio (vedere la Figura 1 per un esempio).
         NOTA: Si consiglia di progettare il sistema di ormeggio in modo tale che la linea mediana della struttura dell'Arca sia posizionata a una profondità di 30 m.
      2. Collega la parte superiore di una linea a doppia giunzione all'occhio di base dell'Arca con un grillo. Collegare un grillo girevole in acciaio inossidabile ad alta resistenza alla base di questa linea (Figura 1 e File supplementare 1-Figura S25).
      3. Collegare la parte superiore di una linea a doppia giunzione alla base del grillo girevole. La parte inferiore di questa riga si collegherà al sistema di ancoraggio (Figura 1 e File supplementare 1-Figura S25).
   3. Trasporto dell'Arca al sito di dispiegamento
      1. Trasporta l'Arca tramite un camion a pianale piatto su una spiaggia adiacente al sito di dispiegamento (dispiegamento nearshore con ingresso di sabbia) o a un sito di lancio di barche (dispiegamento di navi).
      2. Attaccare una borsa di sollevamento da 220 libbre all'occhio inossidabile superiore dell'Arca usando un grillo da 1/2 pollice.
      3. Attaccare una linea di ormeggio, compreso l'hardware per il fissaggio all'ancora del fondo marino, alla base dell'Arca.
      4. Per il dispiegamento da una nave priva di un telaio ad A o di un davit, caricare l'Arca sulla nave in modo che possa essere facilmente fatta rotolare fuori dalla barca e in acqua (evitando prue con cannoni alti o poppe con motori fuoribordo).
      5. Per il dispiegamento dalla riva, far rotolare l'Arca in acqua fino a raggiungere una profondità sufficiente alla quale il sacco di sollevamento può essere riempito d'aria (Figura 3).
      6. Nuotare, trainare o trasportare l'Arca al sito di ancoraggio in superficie (Figura 3).
   4. Attacco delle Arche al sistema di ormeggio
      NOTA: In questa fase, il sistema Ark galleggia sulla superficie sopra il sito di ancoraggio con un sacco di sollevamento. Le seguenti attività vengono eseguite sott'acqua su SCUBA e richiedono una squadra di almeno tre subacquei.
      1. Sfiatando lentamente l'aria dal sacco di sollevamento, eseguire una discesa controllata al sistema di ancoraggio.
      2. Collegare l'hardware di ormeggio alla base dell'Arca al sistema di ancoraggio.
      3. Aumentare la galleggiabilità positiva del sistema Arks riempiendo d'aria il sacco di sollevamento e ispezionare i componenti di monitoraggio per l'integrità strutturale. Assicurarsi che le catene siano posizionate correttamente e che gli ancoraggi siano saldamente in posizione. Usa il filo di spostamento per mouseare tutte le catene.
      4. Collegare l'occhio di una linea corta e a doppia giunzione all'occhio superiore del sistema Arks con un grillo. Collegare una boa di ormeggio gonfiabile poliforme all'altra estremità di questa linea con un grillo (file supplementare 1-Figura S25).
      5. Riempire la boa di ormeggio con aria utilizzando un adattatore per ugello dell'aria standard a bassa pressione collegato a una bottiglia di aria compressa fino a quando non è pieno d'aria per circa il 75%.
      6. Sfiatare lentamente l'aria dal sacco di sollevamento e rimuoverla dal sistema.
      7. Aggiungere boe di ormeggio più grandi o più numerose per i sistemi Arks che utilizzano ARMS calcarei o per compensare l'accumulo di massa biologica.
   5. Attaccamento delle ARMI alle Arche
      1. Recuperare l'ARMS dalla posizione di semina e metterlo in casse di latte rivestite con maglie da 100 μm per prevenire la perdita di piccoli invertebrati mobili che vivono all'interno dell'ARMS.
      2. Trasferisci le ARMS nei siti delle Arche in vasche di acqua di mare ombreggiata e fresca.
      3. Posiziona le ARMS sulla piattaforma superiore o inferiore delle Arche, distribuendo uniformemente il peso sulla piattaforma.
      4. Passare le fascette per cavi per impieghi gravosi attraverso la piattaforma in fibra di vetro stampata e la base dei ARMS in PVC o Limestone e stringere per fissare gli ARMS al telaio dell'Arca (file supplementare 1-Figura S25).
3. La struttura di frequenza 2V (Shell)
   NOTA: Le istruzioni dettagliate di fabbricazione, compresi i disegni tecnici per la fabbricazione dei componenti, sono fornite in Sezione 3 di File supplementare 1.
   1. Assemblaggio del telaio geodetico 2V
      1. Assemblare la struttura di montaggio dell'Arca secondo la guida fornita da VikingDome (file supplementare 1-Figura S11).
      2. Aggiungi una rondella a un bullone inossidabile da 2,5 pollici di lunghezza, 10/32. Inserire il bullone attraverso uno dei due fori all'estremità di un puntone, aggiungendo un connettore STAR alla faccia interna (foro specifico per montanti S1 o S2) e fissare con un controdado.
      3. Ripetete l'operazione per il secondo foro del bullone. Continuare senza serrare i dadi di bloccaggio fino a quando la struttura è completamente assemblata (file supplementare 1-Figura S12).
      4. Stringere la struttura di montaggio dell'Arca. Alla fine del punto 2.3.1.1, le connessioni puntone-STELLA saranno allentate e malleabili. Iniziare a serrare i dadi di bloccaggio utilizzando una chiave a bussola (10 mm o 3/8 di in) e un cacciavite a testa Philips.
      5. Continuare per tutta la struttura fino a quando tutti i dadi di bloccaggio sono stati serrati, con l'inserto in nylon del dado completamente innestato sulle filettature dei bulloni.
      6. Aggiungi gli occhi del pad per l'attacco della briglia di ormeggio. Aggiungi un occhio di cuscinetto al puntone inossidabile S1 alla base dell'Arca e fissalo con quattro bulloni in acciaio inossidabile a testa di vaschetta da 3 pollici.
      7. Aggiungere 1/4 di dado di bloccaggio su 20 e stringere. Ripetere l'operazione per un totale di cinque punti di connessione dell'ormeggio (file supplementare 1-Figura S17).
      8. Montare 10 piastre di base ARMS sui connettori N2 STAR rivolti al centro. Posizionare un bullone a testa di vaschetta da 3 pollici attraverso il foro centrale sulla piastra di base ARMS. Aggiungere un distanziatore in PVC grigio all'albero del bullone e posizionarlo attraverso il foro centrale del connettore N2 STAR, con la piastra di base all'interno della struttura. Aggiungere una rondella e un controdado e stringere.
      9. Aggiungere due staffe e utilizzare quattro bulloni a testa esagonale da 3 1/4 pollici e controdadi per fissare la piastra di base ARMS ai montanti. Stringere tutti i dadi. Mantenere lo stesso orientamento per tutte le piastre di base ARMS (file supplementare 1-Figura S15).
      10. Montare 20 piastre di base in corallo sui montanti rivolti verso l'alto. Posizionare quattro bulloni a testa esagonale da 3 pollici attraverso i fori sulla piastra di base della piastra di corallo e fissare al puntone usando una staffa e un dado. Ripeti per l'altro lato. Serrare i dadi di bloccaggio per fissare (file supplementare 1-Figura S15).
      11. Aggiungi un'asta centrale e un galleggiante a strascico alla spina dorsale centrale dell'Arca. Inserire un'asta in fibra di vetro non filettata lunga 8 piedi nei connettori STAR modificati con un segmento di tubo saldato alla base dell'Arca. Aggiungere una rondella da 1 pollice e un galleggiante a strascico non modificato sull'asta in fibra di vetro non filettata all'interno della struttura. Completate l'inserimento dell'asta attraverso il connettore STAR superiore dell'Arca.
      12. Montare i bulloni attraverso il tubo metallico sui connettori STAR modificati e i dadi di bloccaggio all'asta di blocco all'interno dell'Arca. Aggiungere un morsetto per tubo verde comodamente sotto il galleggiante a strascico (parte superiore dell'Arca) e stringere.
      13. Montare la rete a strascico modificata galleggia all'interno dei connettori N2 e N1 STAR rivolti verso l'alto modificati con un foro centrale da 1 pollice. Aggiungere una rondella in fibra di vetro all'estremità più lunga dell'asta filettata in fibra di vetro esposta.
      14. Fissare attraverso il foro del connettore STAR modificato in modo che il galleggiante della rete a strascico sia rivolto verso l'interno della struttura. Aggiungi un'altra rondella in fibra di vetro e un dado esagonale in fibra di vetro. Stringere con una chiave inglese e ruotando i galleggianti (file supplementare 1-Figura S16).
   2. Fissaggio del sistema di ormeggio al telaio geodetico
      1. Progettare le linee di ormeggio e l'hardware per garantire connessioni sicure tra la base dell'Arca e il sistema di ancoraggio (vedere la Figura 1 per esempio).
         NOTA: Si consiglia di progettare il sistema di ormeggio in modo tale che la linea mediana della struttura dell'Arca sia posizionata a una profondità di 10 m.
      2. Collegare ciascun occhio del pad alla base della struttura Ark all'occhio giuntato all'estremità di una lunghezza a doppia giunzione di una linea spettrale di 3/4 di pollice con un grillo in acciaio inossidabile ad alta resistenza, 7/16 (file supplementare 1-Figura S17).
      3. Utilizzando un grillo a perno a vite da 1/2", collegare l'altra estremità di ciascuna linea spettrale a uno dei due collegamenti principali in acciaio inossidabile, in modo che ogni collegamento abbia due o tre connessioni.
      4. Fissare il grillo girevole da 3/4 di pollice alla parte inferiore del Masterlink e l'occhio di una linea di nylon da 1 pollice giuntata con un ditale in acciaio inossidabile.
      5. Attaccare un grillo da 3/4 all'occhio e un ditale all'altra estremità della linea di nylon. Questo grillo si collegherà al sistema di ancoraggio (file supplementare 1-Figura S17).
   3. Trasporto della 2V Ark al sito di dispiegamento
      NOTA: Il dispiegamento della Shell Ark richiede una nave con una poppa piatta e motori entrobordo, in modo tale che l'Arca possa essere fatta rotolare fuori dal ponte della barca e in acqua, o una nave con una grande gruetta o A-frame.
      1. Trasporta l'Arca tramite un camion a pianale fino al molo o al porto turistico.
      2. Caricare l'Arca sulla nave utilizzando un carrello elevatore di dimensioni adeguate (file supplementare 1-Figura S21).
      3. Attaccare le linee di ormeggio e l'hardware, comprese le downline e l'hardware per il fissaggio al sistema di ancoraggio del fondo marino, alla base dell'Arca.
      4. Trasportare l'Arca al sito di ancoraggio (Figura 3). Preparare una linea approssimativamente della stessa lunghezza della profondità del sistema di ancoraggio con un grillo a un'estremità e una boa all'altra estremità.
      5. Attaccare l'estremità del grillo della linea al sistema di ancoraggio, con l'estremità della boa che galleggia in superficie.
      6. Fai rotolare l'Arca in sicurezza dal ponte di poppa in acqua o dispiega l'Arca in acqua con una gruetta o un telaio ad A. Attaccare l'estremità della boa della linea all'Arca galleggiante in modo tale che la struttura galleggi sopra il sistema di ancoraggio.
   4. Attacco dell'Arca al sistema di ormeggio
      NOTA: In questa fase, la struttura dell'Arca galleggia sulla superficie sopra il sito di ancoraggio con gli elementi di galleggiamento integrati (galleggianti) che forniscono il galleggiamento. I seguenti compiti sono completati sott'acqua su SCUBA e richiedono una squadra di almeno tre subacquei e due personale di supporto di superficie.
      1. Attaccare il blocco superiore di un blocco e il sistema di pulegge a un punto di attacco sicuro sulla base dell'Arca, srotolando la puleggia mentre si scende verso il fondo marino, quindi collegare il blocco inferiore al sistema di ancoraggio (File supplementare 1-Figura S19).
      2. Tirare la linea attraverso il blocco inferiore per innestare la puleggia, tirando l'Arca in profondità. La linea deve essere bloccata nella tacchetta ad ogni tiro (File supplementare 1-Figura S19).
         NOTA: Per i sistemi Arks con elevata galleggiabilità positiva iniziale, utilizzare un sistema di blocco e placcaggio 6: 1 per il massimo acquisto. I pesi possono anche essere temporaneamente attaccati al sistema Arks per ridurre la forza di galleggiamento necessaria per affondare la struttura.
      3. Continuare a tirare l'Arca in profondità fino a quando l'hardware di attacco della linea di discesa e dell'ormeggio può essere collegato al sistema di ancoraggio. Usa il filo per mouseare tutte le catene.
      4. Ispezionare tutti i componenti dell'ormeggio per verificarne l'integrità. Assicurarsi che le catene siano posizionate correttamente e che gli ancoraggi siano saldamente in posizione.
      5. Trasferire lentamente la tensione dal blocco e dall'attrezzatura al sistema di ormeggio. Rimuovere il blocco e l'placcaggio, i pesi e la linea della boa.
   5. Attaccamento delle ARMI alle Arche
      1. Recuperare l'ARMS dalla posizione di semina e metterlo in casse di latte rivestite con maglie da 100 μm per prevenire la perdita di piccoli invertebrati mobili che vivono all'interno dell'ARMS. Trasferisci le ARMS nei siti delle Arche in vasche di acqua di mare ombreggiata e fresca.
      2. Manovra le ARMS attraverso una delle aperture triangolari più grandi vicino alla linea mediana dell'Arca in modo che le ARMS si trovino all'interno della struttura. Tenere saldamente le ARMS su una delle piastre di base bianche montate all'interno della struttura dell'Arca.
      3. Fissare un bullone esagonale in acciaio inossidabile lungo 1/2 in-13, 1,75 pollici attraverso un foro angolare aperto della piastra di base ARMS e la piastra di base in HDPE sottostante bianca, attaccare un dado di bloccaggio in acciaio inossidabile al bullone che sporge attraverso l'altro lato e stringere fino a quando non si avvolge. Ripetere l'operazione per gli altri tre lati (Figura 2D).
      4. Spingere l'ARMS avanti e indietro per garantire un fissaggio fermo.
   6. Attaccamento dei coralli alle Arche
      1. Fissare le piastre di corallo contenenti coralli epossiati alla piastrella calcarea alle piastre di base in HDPE della piastra di corallo all'esterno dell'Arca utilizzando 2 bulloni esagonale in acciaio inossidabile lunghi 1/4 in-20, una rondella e un dado di bloccaggio in tutti e quattro gli angoli.
      2. Stringere i dadi di bloccaggio usando una chiave a bussola per fissare la piastra di corallo in posizione.

3. Monitoraggio e manutenzione delle Arche Coral

NOTA: Le istruzioni dettagliate per la fabbricazione, compresi i disegni tecnici per la fabbricazione dei componenti, sono fornite nella Sezione 7 del File Supplementare 1.

1. Misurare il peso in acqua delle Arche
   1. Collegare la cella di carico sommergibile a un sistema di pulegge a blocco e placcaggio per l'uso nel trasferimento temporaneo della tensione sulla linea di ormeggio al sistema estensimetrico.
   2. Attaccare la base del blocco e affrontare in una posizione sicura sul sistema di ormeggio Ark, come un punto di attacco intermedio o all'ancora del fondo marino. Fissare la parte superiore della cella di carico in una posizione sicura sulla struttura di montaggio Ark (file supplementare 1-Figura S33).
   3. Senza rimuovere o alterare i componenti di ormeggio sull'Arca, tirare la linea attraverso il sistema di pulegge di blocco e placcaggio in modo tale che la tensione venga trasferita dal sistema di ormeggio dell'Arca al sistema di pulegge, cleando la linea ad ogni trazione (File supplementare 1-Figura S33).
   4. Assicurarsi che la linea di ormeggio sia completamente allentata per consentire all'estensimetro di raccogliere le misurazioni della tensione (file supplementare 1-Figura S33).
   5. Trasferire lentamente la tensione dal sistema di carrucole del blocco e dell'attrezzatura alla linea di ormeggio dell'Arca, controllando che le catene e gli altri componenti di ormeggio siano correttamente posizionati e sicuri.
   6. Per la raccolta di dati a lungo termine, integrare una cella di carico nel sistema di ormeggio come componente "in linea". Spegnere periodicamente i datalogger per recuperare i dati.
2. Manutenzione a lungo termine delle Arche
   1. Eseguire ispezioni di routine del sistema di ormeggio Arks e condurre lavori di manutenzione secondo necessità.
      NOTA: vedere la figura S18 del file supplementare per un esempio di elenco di controllo per la manutenzione. Si raccomanda la manutenzione semestrale.
   2. Assicurarsi che gli ancoraggi continuino a fornire la massima potenza di tenuta (cioè non arretrano dal substrato).
   3. Pulire le linee di ormeggio dagli organismi incrostati che possono invadere e compromettere l'integrità delle linee.
   4. Sostituire i componenti degradati, come gli anodi sacrificali, i grilli e le linee di ormeggio, secondo necessità (file supplementare Figura S18).
   5. Aggiungere galleggiabilità supplementare secondo necessità aggiungendo galleggianti fissi o aria alle boe di ormeggio esistenti per compensare l'accumulo di massa biologica.

I metodi di cui sopra forniscono istruzioni di assemblaggio e installazione per due progetti di sistemi Coral Arks. I prototipi per ogni progetto sono stati assemblati e testati sul campo a San Diego, negli Stati Uniti, prima dell'implementazione a lungo termine per valutare le caratteristiche di resistenza e ottimizzare l'integrità strutturale sulla base di valori di resistenza modellati ed empirici. Gli sforzi di modellazione strumentali alla selezione e al perfezionamento di entrambe le geometrie Arks qui presentate, compresi i risultati dei test in galleria del vento, le simulazioni idrodinamiche e la convalida in acqua dei valori modellati utilizzando strutture prototipo, sono descritti in dettaglio nella Sezione 6 del file supplementare 1. I risultati della modellazione e dei test in acqua del progetto "Shell" Arks sono mostrati qui. Due strutture di ogni progetto sono state poi schierate nei siti di campo caraibici a Porto Rico e Curaçao (quattro strutture Arks totali installate), e i coralli sono stati trasferiti nelle strutture. La qualità dell'acqua, la comunità microbica e le metriche di sopravvivenza dei coralli associate al design delle Arche "Shell" e a due siti di controllo del fondo marino sono state raccolte in diversi momenti temporali nell'arco di 6 mesi per caratterizzare e determinare i cambiamenti nei parametri ambientali e nella salute dei coralli associati alle strutture delle Arche dopo il reclutamento naturale e l'aggiunta di ARMS seminati.

Caratteristiche di trascinamento delle Arche di Corallo
È importante comprendere le caratteristiche di resistenza delle Arche di Corallo al fine di progettare una struttura e un ormeggio che sopravvivano all'ambiente target. Dal punto di vista strutturale, la resistenza idrodinamica, in combinazione con la galleggiabilità della rete, impone carichi all'interno della struttura, in particolare sull'ormeggio e sul suo sistema di ancoraggio. Abbiamo condotto modelli e misurazioni sperimentali per stimare le caratteristiche di resistenza delle strutture delle Arche. I risultati di questi test per la progettazione "Shell" delle strutture Arks sono dettagliati di seguito. La modellazione è stata effettuata stimando la resistenza dei singoli elementi della struttura, sommandoli e quindi combinando il risultato in un coefficiente di resistenza efficace come mostrato nell'equazione (1) e nell'equazione (2):

(1)

(2)

dove D totale è la resistenza totale della struttura stimata dalla somma delle trascinature dell'elemento D i, CD è il coefficiente di resistenza della struttura complessiva, è la densità del fluido, U è la velocità di flusso dell'oggetto rispetto al fluido e A è l'area frontale della struttura. In questi calcoli, gli elementi sono stati tutti assunti come cilindri, con il loro orientamento al flusso dettato dalla geometria verticale della struttura dell'Arca. La modellazione è stata eseguita per lo stesso prototipo di sistema "Shell" (una sfera geodetica da 2V) che è stato utilizzato per i test di traino (descritti di seguito) prima della costruzione dei sistemi di campo finali. Il prototipo aveva un'area frontale totale di circa 2,10 m2 e i risultati della modellazione indicavano un coefficiente di resistenza efficace per l'intera struttura di circa 0,12. La resistenza prevista dal modello della struttura in funzione della velocità è mostrata nella Figura 4.

Le stime sperimentali della forza di trascinamento della struttura che sarebbe stata sperimentata sotto diverse velocità di flusso sono state ottenute trainando la struttura dell'Arca dietro una nave con una cella di carico giuntata in linea con la linea di traino e un sensore di inclinazione per registrare i cambiamenti nell'orientamento dell'Arca rispetto all'asse verticale a una gamma di velocità di traino. Prima del traino, è stato determinato il peso in acqua della struttura ed è stato aggiunto un peso aggiuntivo sufficiente alla struttura per simulare una galleggiabilità netta di circa 200 kg (un obiettivo iniziale per il sistema). Sulla base della tensione nel cavo di traino e dell'angolo di inclinazione dell'Arca, la resistenza (traino D) a ciascuna velocità è stata determinata utilizzando l'equazione (3):

(3)

dove T è la tensione misurata dalla cella di carico e è l'angolo di inclinazione rispetto all'asse verticale. La relazione tra resistenza e velocità risultante è illustrata nella Figura 4. Una curva di resistenza di adattamento migliore (della forma Dtow α U2; vedi figura 4), combinata con le stime dell'area frontale e della densità dell'acqua, è stata quindi utilizzata per determinare il coefficiente di resistenza empirica di 0,13.

Il numero di Reynolds durante il test di traino (e l'intervallo utilizzato per la modellazione) era compreso tra 105 e 106, generalmente nei regimi di flusso turbolento. I valori tipici del coefficiente di resistenza aerodinamica per una sfera in questo intervallo di numeri di Reynolds sono compresi tra 0,2 e 0,4. A scopo di confronto, un grafico della curva di trascinamento per una sfera con un coefficiente di resistenza aerodinamica di 0,3 è mostrato nella Figura 4. Pertanto, le stime modellate e sperimentali del coefficiente di resistenza sono nell'ordine di due o tre volte più piccole rispetto a una sfera, il che è coerente con il carattere più aperto della struttura.

Per convalidare questi risultati modellati, abbiamo anche condotto misurazioni sul campo della risposta di due strutture "Shell" Arks al flusso. Per raggiungere questo obiettivo, la stessa cella di carico è stata installata temporaneamente in linea con la linea di ormeggio principale dell'Ark, un sensore di inclinazione è stato installato sull'Arca e un misuratore di corrente è stato installato sul sito per monitorare contemporaneamente la velocità dell'acqua. Le componenti di galleggiamento e resistenza della tensione sono state quindi calcolate dall'angolo di inclinazione e dalle misurazioni della cella di carico (Figura 5). Le velocità attuali durante il periodo di misurazione erano relativamente stabili a circa 20 cm/s e il set di dati era relativamente breve; Pertanto, i dati sono stati mediati nel periodo e utilizzati per confrontare la resistenza del campo e la risposta della velocità con le stime di traino modellate e sperimentali. Questi risultati mostrano che in condizioni previste nel sito di dispiegamento (velocità di flusso fino a 1,3 m/s durante un tipico evento temporalesco), la forza di trascinamento sul sistema dovrebbe essere inferiore a 300 kg.

Entrambe le strutture "Shell" a Vieques, Porto Rico, sono sopravvissute a un colpo diretto dell'uragano Fiona di categoria 1 nel settembre 2022 senza danni apparenti alle strutture, all'ormeggio o al sistema di ancoraggio, fornendo un test in situ che supporta il progetto. Una boa vicina (CARICOOS) ha registrato velocità attuali di 1,05 m/s a una profondità di 10 m nel sito di dispiegamento, corrispondente a una forza di trascinamento di circa 160 kg sui sistemi di ormeggio. I sistemi sono stati progettati per resistere a 1.600 kg di forza (considerando la capacità di ancoraggio e la resistenza alla rottura dei componenti) e, pertanto, non si prevede che si guastino in condizioni ambientali o tipiche di tempesta.

Monitoraggio della galleggiabilità netta per le Arche di Corallo
Lo stesso approccio descritto per convalidare le caratteristiche di resistenza delle strutture dell'Arca è stato utilizzato anche per sviluppare un metodo per monitorare la galleggiabilità netta delle Arche. Finché la struttura fisica dell'Arca rimane costante, la galleggiabilità netta fornisce un proxy approssimativo per monitorare la calcificazione complessiva della comunità e, quindi, la crescita dei coralli, nonché una metrica di mantenimento per determinare se il sistema ha sufficiente galleggiabilità positiva per compensare la crescita biologica nel tempo. La componente di galleggiamento (B) della tensione di ormeggio è stata calcolata utilizzando i dati dell'estensimetro e del sensore di inclinazione nell'equazione (4):

(4)

dove T è la tensione misurata dalla cella di carico e è l'angolo di inclinazione. La serie temporale risultante della galleggiabilità netta è mostrata nella Figura 5. Nelle condizioni attuali relativamente stabili presenti durante gli eventi di monitoraggio sul campo, abbiamo scoperto che le due strutture "Shell" Arks schierate a Vieques, Porto Rico, hanno galleggiamenti netti simili di 82,7 kg ± 1,0 kg (Arca 1) e 83,0 kg ± 0,9 kg (Arca 2) quando mediati durante il periodo di monitoraggio (± una deviazione standard) dopo che tutti i coralli e le unità ARMS seminate sono stati traslocati nelle strutture 6 mesi dopo il dispiegamento iniziale della struttura. I risultati mostrano che il monitoraggio a breve termine durante periodi relativamente stabili di flusso d'acqua può essere utilizzato per determinare la galleggiabilità netta nel campo entro ~ 1 kg, che dovrebbe rivelarsi utile a lungo termine per monitorare i cambiamenti nella biomassa.

Qualità dell'acqua e dinamiche della comunità microbica
Le metriche associate alla qualità dell'acqua e alle comunità microbiche associate alla colonna d'acqua sono state misurate su due Arche "Shell" a mezz'acqua, che erano ancorate in 55 piedi di acqua con la parte superiore delle Arche a una profondità di 25 piedi, al largo di Isla Vieques, Porto Rico (Figura 6C). Le metriche di qualità dell'acqua, le abbondanze microbiche e virali e la dimensione media dei microbi di due Arche sono state confrontate con le stesse metriche di due siti di "controllo" del fondo marino vicini, che erano anche a una profondità di 25 piedi ma molto più vicini alla riva (Figura 6D). Le misurazioni mostrate sono state raccolte immediatamente dopo l'installazione delle Arche con un lotto iniziale di coralli traslocati (novembre 2021) e 6 mesi dopo che un secondo lotto di coralli e ARMS seminati sono stati traslocati alle Arche (maggio 2022); sono stati quindi mediati tra entrambi i siti (Arche e siti di controllo) per il confronto. Poiché le ARMS seminate sono state trasferite alle Arche a 6 mesi dopo il dispiegamento, l'accumulo di comunità biologiche sulle strutture durante il primo periodo di 6 mesi è stato associato al biofouling e al reclutamento naturale.

L'ambiente Arks ha mostrato intensità di luce diurna medie più elevate (Figura 6A), velocità di flusso medie più elevate (Figura 6C), concentrazioni di carbonio organico disciolto più basse (Figura 6F) e fluttuazioni diurne inferiori nelle concentrazioni di ossigeno disciolto (Figura 6G) rispetto ai siti di controllo bentonici. Le Arche hanno anche mostrato comunità microbiche con rapporti virus-microbi più elevati rispetto ai siti di controllo (Figura 7A), guidati da una maggiore abbondanza di virus liberi (Figura 7C) e una minore abbondanza di microbi (Figura 7B) nell'ambiente delle Arche a mezz'acqua. Le comunità microbiche sulle Arche erano composte, in media, da cellule fisicamente più piccole rispetto alle comunità microbiche nei siti del fondo marino (Figura 7D). Le differenze di temperatura tra le Arche e i siti di controllo non erano significative (Figura 6E). Tutte le tendenze di cui sopra sono coerenti con una migliore qualità dell'acqua e comunità microbiche più sane sulle Arche rispetto ai siti di controllo. Queste condizioni persistettero durante i primi 6 mesi del dispiegamento, durante i quali una nascente comunità biologica si sviluppò sulle Arche attraverso la traslocazione dei nubbini di corallo e il reclutamento naturale dalla colonna d'acqua e sperimentando cambiamenti di successione, nonché attraverso l'aggiunta di ARMS seminati sulle strutture al mese 6.

Sopravvivenza dei coralli
Una coorte di coralli comprendente otto specie e varie morfologie è stata distribuita alle Arche e ai siti di controllo bentonico sia dopo l'installazione delle Arche (mese 0) sia in seguito all'aggiunta delle ARMS seminate al mese 6. Le colonie parentali originali di ciascuna specie di corallo sono state frammentate in nubbini (2-8 cm in una data dimensione) e attaccate a placche di corallo calcareo (da quattro a cinque nubbini per piastra di 20 cm2) che sono stati distribuiti equamente sia nelle Arche che nei siti di controllo, assicurando che le stesse specie e genotipi fossero rappresentati sia nei siti delle Arche a mezz'acqua che nei siti di controllo. La sopravvivenza di questi coralli traslocati è stata valutata ogni 3 mesi presso le Arche e i siti di controllo. Nove mesi dopo la traslocazione della prima coorte di coralli, più coralli erano ancora vivi sulle Arche (80%, Figura 8) rispetto ai siti di controllo (42%, Figura 8).

Figura 1: Diagramma che mostra i componenti strutturali di due strutture Coral Ark completamente installate. A sinistra, vengono mostrate le strutture delle Arche di Corallo "Shell" e "Two-Platform" (a destra), insieme a due metodi per fornire galleggiabilità positiva e due metodi per l'ancoraggio. Abbreviazione: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Progettazione, dispiegamento e trasferimento delle unità ARMS. (A-D) ARMS in PVC e (E-H) ARMS calcarei dai siti di semina del fondo marino alle Arche di Corallo. (A) Credito fotografico a Michael Berumen. (B) Credito fotografico a David Littschwager. Abbreviazioni: PVC = cloruro di polivinile; ARMS = Strutture autonome di monitoraggio della barriera corallina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Immagini che rappresentano le fasi di dispiegamento di Coral Arks, incluso il trasporto al sito e l'installazione completa. (A-C) Tipo a guscio e (D-F) Sistemi a due piattaforme. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Caratteristiche di resistenza delle strutture dell'Arca "Shell" basate sulla modellazione, test sperimentali di traino e convalida sul campo relativi alla resistenza di una sfera della stessa scala approssimativa. "ARK1" e "ARK2" sono strutture identiche "Shell" Ark installate nello stesso sito a Vieques, Porto Rico. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5: Valori di galleggiamento netto misurati per due Arche "Shell" a Vieques, Porto Rico. Sono mostrati la velocità dell'acqua (asse destro, colori medi), la galleggiabilità netta (asse sinistro, colori chiari) e la resistenza / tensione calcolata sulla linea di ormeggio (asse sinistro, colori scuri) per "Shell" Ark 1 (blu) e "Shell" Ark 2 (verde). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6: Metriche sulla qualità dell'acqua associate alle Arche "Shell" e ai siti di controllo del fondo marino a Vieques, Porto Rico, immediatamente dopo l'installazione e 6 mesi dopo. (A) Intensità luminosa diurna, (B) velocità corrente, (C,D) foto scattate 6 mesi dopo l'installazione, (E) temperatura, (F) carbonio organico disciolto, (G) variazioni dei livelli di ossigeno disciolto nelle Arche rispetto ai siti di controllo nell'arco di 6 mesi. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 7: Metriche associate alle comunità microbiche associate alla colonna d'acqua sulle arche "Shell" e sui siti di controllo del fondo marino a Vieques, Porto Rico immediatamente dopo l'installazione e 6 mesi dopo . (A) Rapporto virus-microbo, (B) abbondanza di cellule batteriche, (C) abbondanza di virus liberi e (D) dimensione media delle cellule batteriche. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 8: Percentuale di coralli sopravvissuti sulle Arche "Shell" e sui siti di controllo del fondo marino a Vieques, Porto Rico durante i primi 9 mesi successivi alla traslocazione. Le immagini rappresentano lo stato di una singola placca corallina sulle Arche (in alto) e sui siti di controllo bentonico (in basso) immediatamente dopo la traslocazione (a sinistra) e 6 mesi dopo la traslocazione (a destra). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tabella 1: Considerazioni sulla costruzione e la progettazione delle armi. Abbreviazioni: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures; PVC = cloruro di polivinile. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Considerazioni sulla progettazione di Coral Arks. Abbreviazioni: PVC = cloruro di polivinile; ARMS = Strutture autonome di monitoraggio della barriera corallina; HDPE = polietilene ad alta densità. Clicca qui per scaricare questa tabella.

File supplementare. Clicca qui per scaricare questo file. 

Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti o altri conflitti di interesse.