サンゴ礁の箱舟:サンゴ礁のコミュニティを組み立てるための その場 のメソコスムとツールキット

世界中で、サンゴ礁の生態系は、生物多様性が高く、サンゴが優勢な底生生物群集から、芝や肉質の大型藻類が優勢な多様性の低い群集への移行を遂げています^1,2,3。サンゴ礁の劣化のメカニズムの特徴付けにおける数十年の進歩は、微生物とマクロ生物のコミュニティの間のリンクがこれらの移行のペースと深刻さをどのように高めるかを明らかにしました。たとえば、人間の集団によるサンゴ礁の乱獲は、放牧されていない藻類からの過剰な光合成由来の糖がサンゴ礁の微生物群集にエネルギーをシャントする栄養カスケードを開始し、病因を促進し、サンゴの衰退を引き起こします^4,5,6。この栄養的な格下げは、水質の低下に起因するサンゴ礁の生物多様性の喪失によって強化されています^7,8。メソコズムレベルの実験は、生物多様性を高め、水質を改善することにより、サンゴ礁群集の栄養的な格下げをよりよく理解し、軽減するために使用できますが、ロジスティック上の課題により、これらの研究をその場で実施することは困難です。

サンゴ礁の栄養的な格下げの結果は、不可解な生物多様性の広範な喪失であり、その多くは特徴付けられていない^{ままです7,9}。サンゴは、捕食者の防御10、清掃11、競合する藻類の放牧^12,13、およびサンゴ礁の水化学の調節^14,15に不可欠な役割を果たすことにより、健康をサポートする多様な一連の不可解なサンゴ礁生物(「クリプトバイオータ」)に依存しています。最近まで、目視調査の方法論的限界のために、サンゴ礁のクリプトバイオータはサンゴ礁の生態学の文脈で過小評価され、十分に理解されていないため、サンゴ礁の修復または再建の取り組みで考慮されることはめったにありません。過去10年間で、自律サンゴ礁モニタリング構造(ARMS)と呼ばれる標準化された集落ユニットとハイスループットシーケンシングアプローチを組み合わせることで、サンゴ礁のクリプトバイオータのより良い収集と特性評価が可能になり^{ました16,17}。ARMSは、ほとんどすべての既知のサンゴ礁の生物多様性の代表者を受動的に募集し、サンゴ礁規模のプロセスにおける不可解な生物の多数の機能的役割を明らかにするのに役立ちました⁹、^18、19、^{20、21、22、23}。したがって、これらの集落ユニットは、栄養構造を維持するために不可欠な放牧、防御、局所水質の向上などの生物学的に媒介されたメカニズムを備えた、より無傷のサンゴ礁コミュニティを組み立てるために、サンゴと一緒に不可解なサンゴ礁生物相を移動させるメカニズムを提供します。

サンゴが優勢なサンゴ礁は、高照度、低栄養素、および十分に酸素化された環境で繁栄します。都市化、農業、乱獲などの人間の活動は、流出^24,25の堆積物、栄養素、金属、およびその他の化合物を増加させ、生物地球化学的循環を変えることにより、多くのサンゴ礁の水質を低下させました²⁶。次に、これらの活動は、窒息、エネルギー枯渇、堆積に関連する汚染物質の供給^27,28、サンゴと競合する大型藻類の成長の促進²⁹、微生物病原体の豊富さの増加^6,30,31、および不可解な無脊椎動物を殺す低酸素ゾーンの作成を通じて、サンゴ礁のコミュニティを劣化させます^32,33.これらおよびその他の「局所的な影響」は、気温の上昇やpHの低下など、海洋条件の地域的および世界的な変化によって悪化し、サンゴやその他のサンゴ礁生物の状態をさらに悪化させます^34,35。底生-水界面では、具体的には、底生生物群集の呼吸および光合成動態がpHと溶存酸素のダイエル変動を引き起こし、高度に劣化したサンゴ礁でより顕著になり、底生無脊椎動物が耐えられない条件を作り出します^32,36,37,38.したがって、適切な水質条件を提供することは、機能するサンゴ礁コミュニティを構築するために不可欠ですが、ますます多くのサンゴ礁がさまざまな劣化状態に閉じ込められているため、これは依然として困難です。

サンゴと底生生物の基本的な不可解な分類群が直面する課題の多くは、ここでは海面と海底の間の水柱の設定として定義される中水への移動によって克服される可能性があります。中水環境では、水質が改善され^39,40、沈降が減少し、海底からの距離が底生代謝に関連するパラメータの変動を減衰させます。これらの特性は、陸上由来の流出などの陸上の人為的影響が海岸からの距離とともにますます希薄になる沖合に移動することによってさらに改善されます。ここでは、中水中の水質条件の改善を活用し、サンゴ礁コミュニティの集合のために固定された積極的に浮力のある構造に不可解な生物多様性を組み込むアプローチであるCoral Reef Arksを構築、展開、および監視するためのプロトコルを紹介して提供します。

コーラルリーフアークスシステム、または「アーク」は、(1)底生生物の上に高く吊り下げられた剛性測地線プラットフォームと(2)サンゴ礁のクリプトバイオータを近くの底生地域から移動させる生物で覆われた、または「播種された」ARMSの2つの主要なコンポーネントで構成され、それによって自然の募集プロセスを補完して、移動したサンゴ礁に、より多様で機能的なサンゴ礁コミュニティを提供します。測地線構造は、強度を最大化し、建築材料(したがって重量)を最小限に抑え、リーフマトリックスに類似した内部の乱流環境を作成するために選択されました。

2つの設計の箱舟は、カリブ海の2つのフィールドサイトに首尾よく設置され、現在、サンゴ礁コミュニティの確立と生態学的継承の研究に使用されています(図1)。Coral Arksの構造は長期的な研究プラットフォームとなることを目的としているため、この原稿の主な焦点は、これらの構造を設置、設置、監視、および維持して、中水中環境での安定性と寿命を最大化するためのプロトコルを説明することです。モデリングと水中試験の組み合わせを使用して、構造の抗力特性を評価し、予想される流体力に耐えるように設計を調整しました。設置後、サンゴ礁のコミュニティは、活発な転座(サンゴと播種されたARMSユニット)と自然な募集の組み合わせを通じて、同じ深さの箱舟と近くの底生生物防除サイトに設立されました。箱舟の水質条件、微生物群集のダイナミクス、およびサンゴの生存は、初期の連続期間のいくつかの時点で文書化され、底生の対照サイトと比較されました。今日まで、中水中のコーラルアーク環境に関連する条件は、同じ深さの隣接する底生制御サイトと比較して、サンゴとそれに関連する不可解なコンソーシアムにとって一貫してより有利でした。以下の方法では、サイトの選択方法や Coral Arks 構造の設計と展開方法など、Coral Arks アプローチを複製するために必要な手順について説明します。コーラルアークを監視するための推奨されるアプローチは、 補足ファイル1に含まれています。

注:技術図面、図、写真など、ARMSおよびCoral Arks構造の製造、展開、および監視に関する詳細情報は、 補足ファイル1に記載されています。アークスおよびARMS構造物の設置を含む水中作業を含むプロトコルのセクションは、3人のダイバー(スキューバ)と2人の表面サポート要員のチームによって実施されることが推奨されています。

1. ARMSの組み立てと展開

注:ARMSは、サンゴ礁のハードボトム基板の3次元の複雑さを模倣するPVCまたは石灰岩の基材から作られた約1フィート3(30 cm³)の構造です。表 1 では、プロジェクトの考慮事項が異なる場合の ARM の 2 つの設計について説明します。ARMSは、不可解な生物相によるコロニー形成を最大化するために、アークスに移管する前に1〜2年間配備することをお勧めします。

1. ポリ塩化ビニールの腕
   注意: このプロトコルで参照されている(および材料の表にリストされている)既製のコンポーネントは、インペリアル単位を使用して説明されています。製造された材料は、メートル単位を使用して記述されます。コンポーネントの製造に関する技術図面を含む詳細な製造手順は、補足ファイル1のセクション1に記載されています。
   1. 集会
      1. 厚さ1/2インチのPVCベースプレートの中央の穴に4本の1/4インチ20インチ、8インチの六角頭ボルトを挿入します。次に、ボルトが垂直を向くように反転させます。
      2. 各ボルトにナイロンスペーサーを追加し、厚さ1/4インチのPVC 9インチx9インチのプレートを追加します。これにより、地板と最初のスタッキングプレートの間にオープンレイヤーが作成されます。
      3. 反対側の角にある2本のボルトに長いクロススペーサーを追加し、残りのボルトに2本の短いクロススペーサーを追加して、「X」を形成します。別のPVCスタッキングプレートを追加して、閉じた層を作成します。
      4. ボルトに7〜9枚のプレート層が追加されるまで、ステップ1.1.1.2とステップ1.1.1.3を繰り返し、開いた層と閉じた層を交互に繰り返します(補足ファイル1-図S5)。
      5. 各ボルトの上部にワッシャー、六角ナット、ナイロンインサートロックナットを追加し、しっかりと締めます。
   2. 展開のために、組み立てられたPVC ARMSをターゲット展開サイトに輸送し、転送中にARMSを100μmメッシュで覆い、小型の移動性無脊椎動物を保持します(補足ファイル1-図S6)。健康なサンゴ礁コミュニティのすぐ近くにあるサンゴ礁のハードボトム基質のパッチを見つけます。
      注:特定の展開場所は、米国海域の絶滅危惧種法にリストされた種の重要な生息地を回避するなど、地域の規制と許可規定を考慮して選択する必要があります。
      1. 鉄筋と木槌で1/2の長さの3を使用して、鉄筋がベースプレートの端に対して張力を発生させるように、わずかに外側に角度を付けて鉄筋をベース石灰岩に叩き込み、ARMSを四隅すべてで底生生物に固定します(図2A、B)。
      2. または、頑丈なケーブルタイを使用してARMSのチェーンを接続し、チェーンの端を硬化したコンクリートバッグで固定します(図2C および 補足ファイル1-図S6)。
2. ライムストーンアームズ
   1. 組み立ての場合は、未完成の石灰岩またはトラバーチンタイルの12インチx12から始めます(図2)。石灰岩のARMS内部の望ましい複雑さを特定します。
      注:2 cm³の立方体を使用することをお勧めします。代替設計と考慮事項は、補足ファイル 1 のセクション 2 に記載されています。
      1. ウェットタイルソーを使用して、いくつかの未完成のタイルを2 cm² の正方形のスペーサー(~250)にカットします。
      2. トラバーチンタイルをARMSレイヤーに必要な形状にカットします。PVC ARMSと同様に、12インチx12の正方形を使用し、スペーサーで重ねて1フィート³ の立方体を形成します(補足ファイル1-図S8)。
      3. 2部構成の無毒のマリングレードエポキシを使用して、事前に描画されたグリッドパターンに沿って、小さなトラバーチン片を大きなトラバーチン層状プレートに接着します。
      4. 積み重ねたときに目的のARMS高さを達成するいくつかのレイヤーを準備します。メーカーの推奨に基づいてエポキシを硬化させます。
      5. エポキシを使用してARMSスタッキングプレートを組み立て、各層をその上の層に接着します。
         注意: ARMSの高さは、希望する重量と内部の複雑さによって異なります。最終的なサイズは約1フィート³ が推奨されます。
      6. エポキシを直射日光の当たる場所で24時間硬化させてから展開してください。
   2. 展開のために、組み立てられた石灰石ARMSをターゲット展開サイトに輸送します。健康なサンゴ礁コミュニティのすぐ近くにあるサンゴ礁のハードボトム基質のパッチを見つけます。
      注:特定の展開場所は、米国海域の絶滅危惧種法にリストされた種の重要な生息地を回避するなど、地域の規制と許可規定を考慮して選択する必要があります。
      1. ミルククレートとリフトバッグを使用してARMSを底生生物に輸送します。石灰岩のARMSをデッドリーフマトリックス(ライブロック)にくさびで留めます。砂底の生息地や、芝藻類や底生シアノバクテリアマットが大量に定着している生息地は避けてください。
      2. 石灰岩のARMSを岩だらけの張り出しや露頭の隣に配置して、波の作用や高潮から保護します。

2.コーラルアークスの組み立てと展開

注: 表 2 では、さまざまなプロジェクト パラメーターを使用した場合の Coral Arks の設計上の考慮事項について説明します。サブ要素(支柱、ハブ、プラットフォーム、係留コンポーネント、および正の浮力)の寸法は、最終的なコーラルアーク構造の希望のサイズと重量に応じて変更できます。

1. アンカーシステムの設置
   注:アンカーシステムは、アークの設計、嵐の頻度、底のタイプ、サイトの露出、プロジェクトの期間、抗力、流れ、浮力による予想される力など、サイトおよびプロジェクト固有の考慮事項に基づいて選択してください。係留システムの選択に関する洞察については、PADI⁴¹ を参照してください。
   1. 砂底や緩い瓦礫の生息地では砂ねじを使用してください。
      1. 砂ねじを底生生物に運びます。サンドスクリューを直立させ、最初のディスクが砂または緩い瓦礫で覆われるまでサンドスクリューをひねって埋めます。
      2. アンカーの目に長さ5フィートの金属製のターニングバーを置き、ターニングバーの大部分が目の片側から突き出るようにします。
      3. 底生生物の上を円を描くように歩いたり泳いだりしながら、底生生物から目だけが突き出るまで砂ねじを基板にねじ込みます(補足ファイル1-図S20)。
      4. 保持力を高めるために、チェーンブライドルで接続された三角形の3つの砂ネジを取り付けます(補足ファイル1-図S20)。
   2. ハードボトムおよび炭酸塩ベースロックの生息地でハラスアンカーを使用してください。
      1. アイボルトと水中ドリル(電気または空気圧)で9-12をアンカーサイトに輸送します。
      2. 水中ドリルと直径1の石積みホールソーを使用して、ベースロックに深さ9インチ、幅1インチの穴を開けます。七面鳥のバスターを使用して、穴から余分な素材を定期的に取り除きます。
      3. ポルトランドセメントまたはマリングレードのエポキシで穴を埋めます。アイボルトシャフトを穴に押し込み、残りの隙間をセメントまたはエポキシで埋めます。
      4. セメント/エポキシを5日間硬化させます。
      5. 保持力を高めるために、チェーンブライドルで接続された三角形のパターンで3つのハラスアンカーを取り付けます。
   3. 既存の係留ブロックや重い破片要素がある場所では、ブロックタイプの係留を使用してください。
      注:新しい係留ブロックの設置には、はしけに取り付けられたクレーンなどの商用グレードの設置機器が必要であり、範囲の狭いプロジェクトにはお勧めしません。
      1. 係留システムを既存の重い破片要素(沈没船、エンジンブロック)または既存の係留ブロックアイにハードウェアとタックル を介して 取り付けます。
      2. 金属係留コンポーネントが同様の金属で作られ、犠牲陽極を使用してガルバニック腐食から保護されていることを確認してください。
2. 1V周波数構造(2プラットフォーム)
   注意: コンポーネントの製造に関する技術図面を含む詳細な製造手順は、 セクション 4 の 補足ファイル1.このプロトコルで参照されている既製のコンポーネント(および 材料表)はインペリアル単位を使用して記述されます。
   1. 1V測地線フレームの組み立て
      1. 1 / 4-20ステンレス鋼の六角ナットを、ボルトの上部まで3/4の1 / 40 2.5インチステンレス鋼ボルトにねじ込みます。ストラットの内側に面した穴の1つにボルトを挿入します。
      2. ロックナットをネジの反対側に固定し、PVCとしっかりと嵌合するまで締めて、ハブが支柱の長さを滑り落ちないようにします。
      3. 支柱の反対側と残りの29本の支柱についても繰り返します。
      4. 各支柱の端をハブの穴の1つに押し込み、別のボルトを支柱の外側の穴に通し、支柱がハブから滑り落ちないようにロックナットで仕上げます (補足ファイル1-図S24)。
      5. 1つのハブの5つの支柱すべてに対して繰り返し、測地線球が組み立てられるまでハブと支柱を追加し続けます(補足ファイル1-図S24)。
      6. 1/8インチのステンレス鋼ワイヤーロープをほどき、支柱に通し始めます。ナイロン製のケーブルタイから、銀のドルほどの大きさの12個のループをハブごとに1つずつ作成します。ワイヤーロープが支柱に通されているので、ハブの結束バンドループにロープを通してから、次の支柱に進みます。
         注:いくつかの支柱が繰り返されます。
      7. ワイヤーロープがすべての支柱に通され、各頂点の中央で結束バンドループで接続されるまで、ねじ切りを続けます。
      8. ケーブルを始点に戻します。ペンチを使用して、結束バンドループを引っ張って可能な限り最小のサイズに縮小し、ワイヤーロープの長さを近づけます。1/2インチのステンレス鋼ケーブルクランプをすべてのワイヤーロープの長さに取り付け、しっかりと締めます。
      9. 構造のすべての頂点に対して繰り返します。
      10. ワイヤーロープの開始長さと終了長さを嵌合させ、3つの1/2インチケーブルクランプを使用してこれらをクランプします。
          注意: ワイヤーロープ(破壊強度:2,000ポンド)は、構造物にかかる荷重の大部分を支え、構造を大幅に強化するはずです。
      11. リギングシステムを追加します, 両端で油圧で目にスワージュされた3/8インチのステンレス鋼ケーブルの2つの長さで構成されています.ケーブルが箱舟の長さ全体を通過するように、PVCエンドキャップをスエージの間に取り付け、係留/ブイラインアタッチメントの上部と下部に目を向けます。中央のターンバックルシステムは、2つの長さのステンレスケーブルを接続します。
      12. ケーブルの下端を箱舟の上部と下部に通し、木槌を使用してエンドキャップを上部と下部のハブに取り付けます。アイボルトをターンバックルにねじ込み、システムを硬くするのに十分な張力が構造になるまで締めます(補足ファイル1-図S24)。
      13. 頑丈な250ポンドの結束バンドを使用して、250つの半五角形にカットされた各成形グラスファイバー格子を箱舟の内部に追加し、プラットフォームの側面を箱舟の支柱に固定します(補足ファイル1-図S24)。
      14. 構造の下に、グラスファイバープラットフォームの両半分を結合するように、グラスファイバーIビームの長さを1つ配置します。2本の1/4インチ20ステンレス鋼Uボルトを使用して、プラットフォームの下側に固定します。
      15. 他の4つのIビームについても繰り返し、プラットフォームの長さに均等に分配します。これは、プラットフォームの2つの半分を結合してサポートし、完全な五角形を作成します。
      16. プラットフォームの端にある頑丈な結束バンドを締め、余分な部分を切り取ります。このステップの最後に、内部プラットフォームはArk構造にしっかりと統合されます(補足ファイル1-図S24)。
      17. ステンレス鋼のマウスワイヤーを使用して、ターンバックルの端とすべてのシャックルをマウスで移動します。このステップの最後に、アークには2つの統合プラットフォーム、ハードウェア接続用の上部と下部のアタッチメント、およびアンカーと正の浮力 を介して 構造物にかかる張力の大部分に耐える中央ケーブルがあります。
   2. 測地線フレームへの係留索の取り付け
      注意: 係留システムは、すべての個々の係留コンポーネントの破壊強度が、周囲および極端な環境条件のために予想される最大負荷を超えるように設計する必要があります。係留システム設計における流体力学モデリングの使用の説明については、代表的な結果を参照してください。個々の要素が故障した場合にシステムに冗長性を追加するため、箱舟と海底アンカーシステムの複数の取り付けポイントに負荷を分散することをお勧めします。
      1. 係留索とハードウェアを設計して、アークベースとアンカーシステム間の安全な接続を確保します(例については 図1 を参照してください)。
         注:係留システムは、アーク構造の正中線が30mの深さに配置されるように設計することをお勧めします。
      2. ダブルスプライスラインの上部を手錠で箱舟のベースアイに接続します。高強度のステンレス鋼のスイベルシャックルをこのラインのベースに接続します(図1および補足ファイル1-図S25)。
      3. ダブルスプライスラインの上部をスイベルシャックルのベースに接続します。この行の下部はアンカーシステムに接続します(図1および補足ファイル1-図S25)。
   3. 配備場所への箱舟の輸送
      1. 箱舟をフラットベッドトラック で 、配備場所に隣接するビーチ(砂の入り口のあるニアショア展開)またはボート発射場(船舶配備)に輸送します。
      2. 220ポンドのリフトバッグを1/2インチのシャックルを使用して、箱舟の上部のステンレスアイに取り付けます。
      3. 海底アンカーに取り付けるためのハードウェアを含む係留索を箱舟の基部に取り付けます。
      4. Aフレームまたはダビットのない船から展開する場合は、箱舟を船に積み込み、ボートから簡単に水中に転がすことができます(高い砲手を備えた船首や船外エンジンを備えた船尾は避けてください)。
      5. 岸から展開する場合は、リフトバッグを空気で満たすのに十分な深さになるまで、箱舟を水中に転がします(図3)。
      6. 箱舟を泳ぐ、曳航する、または表面の固定場所に輸送します(図3)。
   4. 係留システムへの箱舟の取り付け
      注:この段階では、アークシステムはリフトバッグでアンカーサイトの上の表面に浮かんでいます。以下のタスクはスキューバダイビングで水中で行われ、少なくとも3人のダイバーのチームが必要です。
      1. リフトバッグからゆっくりと空気を排出し、アンカーシステムへの制御された降下を実行します。
      2. 箱舟の基部にある係留金具をアンカーシステムに取り付けます。
      3. リフトバッグに空気を充填してアークスシステムの正の浮力を高め、監視コンポーネントの構造的完全性を検査します。シャックルが正しく装着され、アンカーがしっかりと固定されていることを確認します。マウスワイヤーを使用して、すべてのシャックルをマウスで移動します。
      4. 短いダブルスプライスされた長さのラインの目を、シャックルでArksシステムの上部の目に接続します。ポリフォームのインフレータブル係留ブイをこのラインのもう一方の端にシャックルで接続します(補足ファイル1-図S25)。
      5. 圧縮空気のポニーボトルに取り付けられた標準の低圧エアノズルアダプターを使用して、係留ブイを約75%の空気で満たされるまで空気で満たします。
      6. リフトバッグからゆっくりと空気を抜き、システムから取り外します。
      7. 石灰岩のARMSを利用するArksシステム用に、または生物学的質量の蓄積を補正するために、より大きなまたはより多くの係留ブイを追加します。
   5. 箱舟へのARMSの取り付け
      1. 播種場所からARMSを回収し、ARMS内に生息する小型の移動性無脊椎動物の喪失を防ぐために、100μmメッシュで裏打ちされた牛乳箱に入れます。
      2. ARMSを日陰の冷たい海水の浴槽でアークスのサイトに移します。
      3. ARMSを箱舟の上部または下部のプラットフォームに配置し、プラットフォーム全体に重量を均等に分散します。
      4. 頑丈なケーブルタイを成形グラスファイバープラットフォームとPVCまたはライムストーンARMSのベースの両方に通し、締めてARMSをアークフレームに固定します(補足ファイル1-図S25)。
3. 2V周波数構造(シェル)
   注意: コンポーネントの製造に関する技術図面を含む詳細な製造手順は、 セクション 3 の 補足ファイル1.
   1. 2V測地線フレームの組み立て
      1. VikingDomeから提供されたガイドに従って、Ark取り付けフレームワークを組み立てます(補足ファイル1-図S11)。
      2. 長さ2.5インチの10/32ステンレスボルトにワッシャーを追加します。ストラットの端にある2つの穴の1つにボルトを挿入し、内側の面(S1またはS2ストラットに固有の穴)にSTARコネクタを追加し、ロックナットで固定します。
      3. 2番目のボルト穴についても繰り返します。構造が完全に組み立てられるまで、ロックナットを締めずに続けます(補足ファイル1-図S12)。
      4. Ark取り付けフレームワークを締めます。ステップ2.3.1.1の終わりに、ストラット-STAR接続は緩んで可鍛性になります。ソケットレンチ(ソケット10 mmまたは3/8インチ)とプラスドライバを使用して、ロックナットの締め付けを開始します。
      5. すべてのロックナットが締められるまで、ロックナットのナイロンインサートがボルトのねじ山に完全にかみ合うまで、構造全体を繰り返します。
      6. 係留手綱を取り付けるためのパッドアイを追加します。箱舟の基部にあるステンレスS1支柱にパッドアイを追加し、4本の3インチなべ頭ステンレス鋼ボルトで固定します。
      7. 1/4インチの20ロックナットを追加して締めます。合計5つの係留接続ポイントについて繰り返します(補足ファイル1-図S17)。
      8. 10個のARMSベースプレートを中央向きのN2 STARコネクタに取り付けます。ARMSベースプレートの中央の穴に3インチのなべ頭ボルトを配置します。ボルトシャフトに灰色のPVC突起を追加し、ベースプレートを構造内にして、N2 STARコネクタの中央の穴に通します。ワッシャーとロックナットを追加して締めます。
      9. 2つのブラケットを追加し、4つの3 1/4インチ六角頭ボルトとロックナットを使用して、ARMSベースプレートをストラットに固定します。すべてのロックナットを締めます。すべてのARMSベースプレートで同じ方向を維持します(補足ファイル1-図S15)。
      10. 20枚のサンゴプレートベースプレートを上向きの支柱に取り付けます。サンゴプレートのベースプレートの穴に4本の3in六角頭ボルトを通し、ブラケットとロックナットを使用して支柱に固定します。反対側についても繰り返します。ロックナットを締めて固定します(補足ファイル1-図S15)。
      11. 箱舟の中央の背骨に中央のロッドとトロールフロートを追加します。 箱舟の基部にある溶接パイプセグメントで変更されたSTARコネクタに、長さ8フィートのねじのないグラスファイバーロッドを挿入します。 構造内のねじ山のないグラスファイバーロッドに1インチのワッシャーと変更されていないトロールフロートを追加します。箱舟の上部のSTARコネクタにロッドを挿入し終えます。
      12. 変更されたSTARコネクタの金属チューブとロックナットをアーク内のロックロッドにボルトをはめ込みます。 トロールフロート(箱舟の上部)の下にぴったりと緑色のチューブクランプを追加し、締めます。
      13. 変更されたトロールフロートを、中央の穴に1で変更されたN2およびN1 STARコネクタの内側に取り付けます。露出したネジ付きグラスファイバーロッドの長い方の端にグラスファイバーワッシャーを追加します。
      14. トロールフロートが構造の内側に面するように、変更されたSTARコネクタ穴を通して固定します。別のグラスファイバーワッシャーとグラスファイバー六角ナットを追加します。レンチを使用し、フロートをひねって締めます(補足ファイル1-図S16)。
   2. 測地線フレームへの係留システムの取り付け
      1. 係留索とハードウェアを設計して、アークベースとアンカーシステム間の安全な接続を確保します(たとえば 、図1 を参照)。
         注意: 係留システムは、アーク構造の正中線が10mの深さに配置されるように設計することをお勧めします。
      2. アーク構造の基部にある各パッドアイを、高強度の7/16インチのステンレス鋼シャックルを備えた3/4インチのスペクトル線のダブルスプライス長の端にあるスプライスされたアイに接続します(補足ファイル1-図S17)。
      3. 1/2インチのスクリューピンシャックルを使用して、各スペクトルラインのもう一方の端を2つのステンレス鋼マスターリンクの1つに接続し、各リンクに2つまたは3つの接続があるようにします。
      4. 3/4インチのスイベルシャックルをマスターリンクの下部に取り付け、1インチのナイロンラインの目をステンレス鋼の指ぬきでつなぎ合わせます。
      5. 3/4インチのシャックルを目に取り付け、ナイロンラインのもう一方の端に指ぬきを付けます。このシャックルはアンカーシステムに接続します(補足ファイル1-図S17)。
   3. 展開サイトへの2Vアークの輸送
      注:シェルアークの展開には、アークをボートデッキから水中に転がすことができるように、フラットな船尾と船内エンジンを備えた船、または大きなダビットまたはAフレームを備えた船が必要です。
      1. 箱舟をフラットベッドトラック で ドックまたはマリーナに輸送します。
      2. 適切なサイズのフォークリフトを使用して箱舟を船に積み込みます(補足ファイル1-図S21)。
      3. 海底アンカーシステムに取り付けるためのダウンラインとハードウェアを含む係留ラインとハードウェアを箱舟のベースに取り付けます。
      4. 箱舟をアンカーサイトに輸送します(図3)。アンカーシステムの深さとほぼ同じ長さのラインを準備し、一方の端にシャックル、もう一方の端にブイを配置します。
      5. ラインのシャックル端をアンカーシステムに取り付け、ブイの端を水面に浮かせます。
      6. 箱舟を船尾甲板から安全に水中に転がすか、ダビットまたはAフレームを使用して箱舟を水中に展開します。ラインのブイ端を正の浮力のあるアークに取り付けて、構造がアンカーシステムの上に浮くようにします。
   4. 係留システムへの箱舟の取り付け
      注:この段階では、アーク構造はアンカーサイトの上の表面に浮かんでおり、統合された浮力要素(フロート)が浮遊力を提供します。以下のタスクはスキューバダイビングの水中で完了し、少なくとも3人のダイバーと2人の水上サポート要員のチームが必要です。
      1. ブロックとタックルプーリーシステムのトップブロックをアークの基部の安全な取り付けポイントに取り付け、海底に向かって降下しながらプーリーをほどき、下部ブロックをアンカーシステムに取り付けます(補足ファイル1-図S19)。
      2. 下部のブロックにラインを通してプーリーをかみ合わせ、箱舟を深く引っ張ります。ラインは、引っ張るたびにクリートにロックする必要があります(補足ファイル1-図S19)。
         注:初期正浮力が高いArksシステムの場合、最大の購入には6:1のブロックアンドタックルシステムを使用してください。重りをアークスシステムに一時的に取り付けて、構造物を沈めるために必要な浮力を減らすこともできます。
      3. ダウンラインと係留アタッチメントハードウェアをアンカーシステムに接続できるようになるまで、箱舟を深く引っ張り続けます。ワイヤーを使用してすべてのシャックルをマウスで移動します。
      4. すべての係留コンポーネントの完全性を検査します。シャックルが適切に装着され、アンカーがしっかりと固定されていることを確認します。
      5. ブロックからゆっくりと張力を移し、係留システムに取り組みます。ブロックとタックル、ウェイト、ブイラインを取り外します。
   5. 箱舟へのARMSの取り付け
      1. 播種場所からARMSを回収し、ARMS内に生息する小型の移動性無脊椎動物の喪失を防ぐために、100μmメッシュで裏打ちされた牛乳箱に入れます。ARMSを日陰の冷たい海水の浴槽でアークスのサイトに移します。
      2. ARMSが構造の内側にあるように、箱舟の正中線近くの大きな三角形の開口部の1つを通してARMSを操作します。ARMSを、Arkフレームワークの内側に取り付けられた白いベースプレートの1つにしっかりと保持します。
      3. 1/2インチ13インチ、長さ1.75インチのステンレス鋼の六角ボルトをARMSベースプレートと白い下にあるHDPEベースプレートの開いたコーナー穴に固定し、反対側から突き出ているボルトにステンレス鋼ロックナットを取り付け、ぴったりと締めます。他の3つの側面についても繰り返します(図2D)。
      4. ARMSを前後に押して、しっかりと取り付けられていることを確認します。
   6. 箱舟へのサンゴの取り付け
      1. 石灰岩タイルにエポキシ化されたサンゴを含むサンゴプレートを、2インチの長さ、1/4インチの20インチのステンレス鋼の六角ボルト、ワッシャー、および四隅すべてにロックナットを使用して、箱舟の外側にあるサンゴプレートHDPEベースプレートに固定します。
      2. ソケットレンチを使用してロックナットを締め、サンゴプレートを所定の位置に固定します。

3.コーラルアークの監視とメンテナンス

メモ: コンポーネントの製造に関する技術図面を含む詳細な製造手順は、補足ファイル1のセクション7に記載されています。

1. 箱舟の水中重量の測定
   1. 水中ロードセルをブロックに取り付け、係留索の張力をひずみゲージシステムに一時的に伝達するために使用されるタックルプーリーシステム。
   2. ブロックのベースを取り付け、中間シャックルポイントや海底アンカーなど、アーク係留システムの安全な場所にタックルします。ロードセルの上部をArk取り付けフレームワークの安全な場所に取り付けます(補足ファイル1-図S33)。
   3. 箱舟の係留部品を取り外したり変更したりすることなく、ブロックとタックルプーリーシステムにラインを引っ張り、張力が箱舟係留システムからプーリーシステムに伝達されるようにし、引っ張るたびにラインをクリートします(補足ファイル1-図S33)。
   4. ひずみゲージが張力測定値を収集できるように、係留索が完全に緩んでいることを確認してください(補足ファイル1-図S33)。
   5. ブロックとタックルプーリーシステムからアーク係留ラインに張力をゆっくりと伝達し、シャックルやその他の係留コンポーネントが適切に固定され、固定されていることを確認します。
   6. 長期的なデータ収集のために、ロードセルを「インライン」コンポーネントとして係留システムに統合します。データロガーを定期的に切り替えて、データを取得します。
2. 箱舟の長期メンテナンス
   1. アークス係留システムの定期点検を実施し、必要に応じてメンテナンス作業を実施します。
      メモ: メンテナンスチェックリストの例については、 補足ファイル-図S18 を参照してください。半年ごとのメンテナンスをお勧めします。
   2. アンカーが最大の保持力を提供し続けていることを確認します(つまり、基板から後退していません)。
   3. ラインの完全性に侵入して危うくなる可能性のある汚れた生物の係留ラインを清掃します。
   4. 必要に応じて、犠牲アノード、シャックル、係留索などの劣化コンポーネントを交換します(補足ファイル-図S18)。
   5. 生物学的質量の蓄積を補正するために、既存の係留ブイに固定浮力フロートまたは空気を追加して、必要に応じて補助浮力を追加します。

上記の方法は、Coral Arksシステムの2つの設計の組み立てと設置の手順を提供します。各設計のプロトタイプは、長期展開の前に米国のサンディエゴで組み立てられ、フィールドテストされ、抗力特性を評価し、モデル化された経験的強度値に基づいて構造的完全性を最適化しました。風洞試験、流体力学シミュレーション、プロトタイプ構造を使用したモデル値の水中検証の結果など、ここに示されている両方のアークス形状の選択と改良に役立つモデリング作業については、補足ファイル1のセクション6で詳しく説明します。「シェル」アーク設計のモデリングと水中テストの結果を以下に示します。その後、プエルトリコとキュラソーのカリブ海のフィールドサイトに各設計の2つの構造物が配備され(合計4つのアークス構造物が設置されました)、サンゴが構造物に移されました。「シェル」アークスの設計と2つの海底制御サイトに関連する水質、微生物群集、およびサンゴの生存指標を6か月にわたるいくつかの時点で収集し、自然募集と播種ARMSの追加後のアークス構造に関連する環境パラメータとサンゴの健康の変化を特徴付け、決定しました。

コーラルアークの抗力特性
ターゲット環境に耐える構造と係留を設計するには、コーラルアークの抗力特性を理解することが重要です。構造の観点から、流体力学的抗力は、正味浮力と組み合わせて、構造内、特に係留とそのアンカーシステムに荷重をかけます。アークス構造物の抗力特性を推定するために、モデリングと実験測定を実施しました。Arks構造の「シェル」設計に関するこれらのテストの結果は、以下に詳述されています。モデリングは、構造の個々の要素の抗力を推定し、これらを合計し、その結果を式(1)と式(2)に示すように実効抗力係数に組み合わせることによって実行されました。

(1)

(2)

ここで、DtotalはDi要素抗力の合計から推定された構造の総抗力、CDは構造全体の抗力係数、は流体密度、Uは流体に対する物体の流速、Aは構造物の正面面積です。これらの計算では、要素はすべて円柱であると仮定され、流れに対する方向はアーク構造の直立した形状によって決定されました。モデリングは、最終的なフィールドシステムの構築前に牽引テスト(後述)に使用されたのと同じプロトタイプ「シェル」システム(2V測地線球)に対して実行されました。試作機の総正面面積は約2.10m2で、モデリングの結果、構造全体の実効抗力係数は約0.12であった。速度の関数としてモデルで予測された構造の抗力を図4に示します。

異なる流速下で経験する構造の抗力の実験的推定値は、曳航ラインと傾斜センサーとインラインでスプライスされたロードセルと傾斜センサーを使用して容器の後ろの箱舟構造を曳航することによって得られました曳航速度の範囲での垂直軸に対する箱舟の向きの変化。曳航の前に、構造物の水中重量が決定され、約200kg(システムの初期目標)の正味浮力をシミュレートするのに十分な追加重量が構造物に追加されました。牽引ケーブルの張力とアークの傾斜角度に基づいて、各速度での抗力(D牽引)は式(3)を使用して決定されました。

(3)

ここで、 T はロードセルから測定された張力であり、垂直軸に対する傾斜角です。結果として得られる抗力と速度の関係を 図 4 に示します。次に、正面面積と水密度の推定値と組み合わせて、最適な抗力曲線( Dトウα U2の形式、 図4を参照)を使用して、経験的抗力係数0.13を決定しました。

牽引試験中のレイノルズ数(およびモデリングに使用された範囲)は、一般的に乱流レジームで、10 5-10 6の範囲でした。このレイノルズ数範囲の球の抗力係数の一般的な値は、0.2 から 0.4 の間です。比較のために、抗力係数が0.3の球の抗力曲線のプロットを図4に示します。したがって、抗力係数のモデル化および実験的推定値は、球の場合よりも2〜3倍小さく、構造のよりオープンな特性と一致しています。

これらのモデル化された結果を検証するために、2つの「シェル」アーク構造物の流れに対する応答のフィールド測定も実施しました。これを実現するために、アークのメイン係留ラインに沿って同じロードセルを一時的に設置し、アークに傾斜センサーを設置し、同時に水速を監視するために現場に電流計を設置しました。次に、張力の浮力成分と抗力成分を傾斜角とロードセルの測定値から計算しました(図5)。測定期間中の電流速度は約20cm/sと比較的安定しており、データセットは比較的短かった。したがって、データは期間にわたって平均化され、フィールド抗力と速度応答をモデル化された実験的な牽引推定値と比較するために使用されました。これらの結果は、展開サイトで予想される条件(典型的な暴風雨イベント中に最大1.3 m / sの流速)の下で、システムの抗力が300 kg未満であると予想されることを示しています。

プエルトリコのビエケスにある両方の「シェル」構造は、2022年9月のカテゴリー1ハリケーンフィオナからの直撃に耐え、構造、係留、またはアンカーシステムに明らかな損傷はなく、設計をサポートする その場 テストを提供しました。近くのブイ(CARICOOS)は、展開場所の深さ10 mで1.05 m / sの流速を記録し、係留システムの約160 kgの抗力に相当します。このシステムは、1,600 kgの力(アンカー容量とコンポーネントの破壊強度を考慮)に耐えるように設計されているため、周囲または通常の嵐条件下では故障することは予想されません。

コーラルアークのネット浮力モニタリング
箱舟構造の抗力特性を検証するために説明したのと同じアプローチを使用して、箱舟の正味浮力を監視する方法を開発しました。箱舟の物理的構造が一定である限り、正味浮力は、全体的な群集石灰化、したがってサンゴの成長を監視するための大まかなプロキシと、システムが生物学的成長を補うのに十分な正の浮力を持っているかどうかを判断するための維持メトリックを提供します経時的。係留張力の浮力成分(B)は、式(4)のひずみゲージと傾斜センサのデータを用いて算出した。

(4)

ここで、 T はロードセルから測定された張力であり、傾斜角です。得られた正味浮力の時系列を 図5に示す。フィールドモニタリングイベント中に存在する比較的安定した現在の条件下で、プエルトリコのビエケスに配備された2つの「シェル」アーク構造物は、最初の構造物展開から6か月後にすべてのサンゴとシードされたARMSユニットが構造物に移動された後、モニタリング期間(1標準偏差±)で平均した場合、82.7 kg±1.0 kg(アーク1)と83.0 kg±0.9 kg(アーク2)の同様の正味浮力を持っていることがわかりました。その結果、比較的安定した水流下での短期モニタリングにより、圃場の正味浮力を~1kg以内に決定できることが示され、バイオマスの変化を長期的にモニタリングする上で有用であることが期待されます。

水質と微生物群集の動態
水質と水柱に関連する微生物群集に関連する指標は、プエルトリコのイスラビエケスの沖合にある25フィートの深さで箱舟の上部で55フィートの水に固定された2つの中水「シェル」アークで測定されました(図6C)。2つの箱舟からの水質指標、微生物とウイルスの存在量、および平均微生物サイズは、同じく深さ25フィートであるが岸にはるかに近い2つの近くの海底「制御」サイトからの同じ指標と比較されました(図6D)。示されている測定値は、移動したサンゴの最初のバッチで箱舟を設置した直後(2021年11月)、およびサンゴとシードされたARMSの2番目のバッチが箱舟に移された6か月後(2022年5月)に収集されました。次に、比較のために両方のサイト(Arksとコントロールサイト)で平均化しました。播種されたARMSは配備後6か月でアークスに移されたため、最初の6か月間の構造物上の生物群集の蓄積は、生物付着と自然募集に関連していました。

アークス環境は、底生対照サイトよりも高い昼間の平均光強度(図6A)、より高い平均流速(図6C)、より低い溶存有機炭素濃度(図6F)、および溶存酸素濃度のダイル変動(図6G)を示しました。アークスはまた、中水中のアークス環境における遊離ウイルスの存在量が多い(図7C)と微生物の存在量が少ないこと(図7B)によって、対照部位(図7A)よりもウイルスと微生物の比率が高い微生物群集を示しました。アークスの微生物群集は、平均して、海底サイトの微生物群集よりも物理的に小さい細胞で構成されていました(図7D)。アークと対照サイトの間の温度差は有意ではありませんでした(図6E)。上記の傾向はすべて、対照サイトよりもアークスのより良い水質とより健康的な微生物群集と一致しています。これらの条件は、展開の最初の6か月間持続し、その間、サンゴのナビンの移動と水柱からの自然な動員の両方を通じて、初期の生物群集がアークスで発達し、連続的な変化を経験し、6か月目に構造物にシードされたARMSが追加されました。

サンゴの生存
8種とさまざまな形態からなるサンゴのコホートは、箱舟の設置後(0か月目)と6か月目に播種されたARMSの追加後の両方で、箱舟と底生生物防除サイトに配布されました。サンゴの各種の元の親コロニーは、ナビン(所定の寸法で2〜8 cm)に断片化され、石灰岩のサンゴプレート(20 cm2プレートあたり4〜5つのナビン)に付着し、アークスサイトとコントロールサイトの両方に均等に分布し、同じ種と遺伝子型が中水中アークサイトとコントロールサイトの両方で表されるようにしました。これらの移動サンゴの生存は、箱舟と対照地で3か月ごとに評価されました。サンゴの最初のコホートの転座から9か月後、対照サイト(42%、図8)と比較して、より多くのサンゴが箱舟でまだ生きていました(80%、図8)。

図1:完全に設置された2つのコーラルアーク構造物の構造コンポーネントを示す図。左、「シェル」と「2プラットフォーム」(右)のコーラルアークス構造が、正の浮力を提供するための2つの方法とアンカーリングの2つの方法とともに示されています。略称:ARMS =自律的なサンゴ礁監視構造。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:ARMSユニットの設計、展開、および転送。 (A-D)PVCアームズおよび(E-H)石灰岩ARMSを海底播種場所からコーラルアークスまで。(A)マイケル・ベルメンの写真クレジット。(B)デビッド・リットシュワーガーへの写真クレジット。略語:PVC =ポリ塩化ビニル;ARMS =自律的なサンゴ礁監視構造。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:サイトへの輸送と完全なインストールを含む、Coral Arksの展開段階を表す画像。 (A-C)シェルタイプと(D-F)2プラットフォームタイプのシステム。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:同じ近似スケールの球の抗力に対するモデリング、実験的な曳航試験、およびフィールド検証に基づく「シェル」アーク構造の抗力特性。 「ARK1」と「ARK2」は、プエルトリコのビエケスの同じ場所に設置された同一の「シェル」アーク構造です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:プエルトリコのビエケスにある2つの「シェル」アークの測定された正味浮力値。 「シェル」アーク1(青)と「シェル」アーク2(緑)の水速(右軸、中色)、正味浮力(左軸、明るい色)、および係留索(左軸、暗い色)で計算された抗力/張力を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:プエルトリコのビエケスにある「シェル」アークと海底管理サイトに関連する水質メトリック、設置直後と6か月後。 (A)昼間の光強度、(B)現在の速度、(C、D)設置後6か月で撮影された写真、(E)温度、(F)溶存有機炭素、(G)アークスとコントロールサイトの溶存酸素レベルの変化6か月。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:設置直後と設置後6か月のプエルトリコのビエケスの「シェル」アークと海底制御サイトの水柱関連微生物群集に関連するメトリック 。 (A)ウイルスと微生物の比率、(B)細菌細胞の存在量、(C)遊離ウイルスの存在量、および(D)平均細菌細胞サイズ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図8:転座後の最初の9か月間のプエルトリコのビエケスの「シェル」アークと海底制御サイトで生き残ったサンゴの割合。 画像は、転座直後(左)と転座後6か月(右)の箱舟(上)と底生対照部位(下)の単一のサンゴプレートの状態を表しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

表1:ARMSの構造と設計に関する考慮事項。 略語:ARMS =自律的なサンゴ礁監視構造;PVC =ポリ塩化ビニル。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

表2:コーラルアークの設計上の考慮事項。 略語:PVC =ポリ塩化ビニル;ARMS =自律的なサンゴ礁監視構造。HDPE =高密度ポリエチレン。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

著者には、競合する金銭的利益やその他の利益相反はありません。