Methodenartikel

Coral Reef Arks: een in situ mesokosmos en toolkit voor het samenstellen van rifgemeenschappen

4.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/64778

⸱

6 januari 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

Afgemeerde midwater geodetische structuren genaamd Coral Arks bieden een modulair, schaalbaar en verticaal instelbaar onderzoeksplatform dat kan worden gebruikt om koraalrifgemeenschappen te bouwen, te bewaken en te verstoren in voorheen niet-werkende gebieden, inclusief offshore.

Samenvatting

Koraalriffen gedijen en bieden maximale ecosysteemdiensten wanneer ze een trofische structuur met meerdere niveaus ondersteunen en groeien in gunstige waterkwaliteitsomstandigheden met hoge lichtniveaus, snelle waterstroom en lage voedingsniveaus. Slechte waterkwaliteit en andere antropogene stressoren hebben de afgelopen decennia koraalsterfte veroorzaakt, wat heeft geleid tot trofische degradatie en het verlies van biologische complexiteit op veel riffen. Oplossingen om de oorzaken van trofische degradatie om te keren blijven ongrijpbaar, deels omdat pogingen om riffen te herstellen vaak worden geprobeerd in dezelfde verminderde omstandigheden die in de eerste plaats koraalsterfte veroorzaakten.

Koraalarken, positief drijvende, middenwaterstructuren, zijn ontworpen om verbeterde waterkwaliteitsomstandigheden en ondersteunende cryptische biodiversiteit te bieden voor getransloceerde en natuurlijk gerekruteerde koralen om gezonde rifmesokosmos samen te stellen voor gebruik als langetermijnonderzoeksplatforms. Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS), passieve nederzettingsapparaten, worden gebruikt om de cryptische rifbiodiversiteit naar de Coral Arks te verplaatsen, waardoor een "boost" wordt gegeven aan natuurlijke rekrutering en ecologische ondersteuning wordt bijgedragen aan de gezondheid van het koraal. We hebben twee ontwerpen van arken gemodelleerd en experimenteel getest om de weerstandskarakteristieken van de structuren te evalueren en hun stabiliteit op lange termijn in het middenwater te beoordelen op basis van hun reactie op hydrodynamische krachten.

Vervolgens installeerden we twee ontwerpen van Arks-structuren op twee Caribische riflocaties en maten we verschillende waterkwaliteitsmetingen die verband hielden met de Arks-omgeving in de loop van de tijd. Bij de inzet en 6 maanden daarna vertoonden de Coral Arks verbeterde metrieken van de riffunctie, waaronder een hogere stroming, licht en opgeloste zuurstof, een hogere overleving van getransloceerde koralen en verminderde sedimentatie en microbiële isatie ten opzichte van nabijgelegen zeebodemlocaties op dezelfde diepte. Deze methode biedt onderzoekers een aanpasbaar, langetermijnplatform voor het bouwen van rifgemeenschappen waar de lokale waterkwaliteitsomstandigheden kunnen worden aangepast door inzetparameters zoals de diepte en locatie te wijzigen.

Inleiding

Over de hele wereld ondergaan koraalrifecosystemen transities van hoge biodiversiteit, door koraal gedomineerde benthische gemeenschappen naar gemeenschappen met een lagere diversiteit die worden gedomineerd door turf- en vlezige macroalgen 1,2,3. Decennia van vooruitgang in het karakteriseren van de mechanismen van koraalrifdegradatie hebben onthuld hoe verbanden tussen microbiële en macro-organismale gemeenschappen het tempo en de ernst van deze overgangen verbeteren. De overbevissing van riffen door menselijke populaties initieert bijvoorbeeld een trofische cascade waarin overtollige fotosynthetisch afgeleide suikers uit niet-gesloopte algen energie in de microbiële gemeenschappen van het rif brengen, waardoor pathogenese wordt gestimuleerd en koraalafname wordt veroorzaakt 4,5,6. Deze trofische degradatie wordt versterkt door het verlies aan biodiversiteit op riffen als gevolg van de achteruitgang van de waterkwaliteit 7,8. Experimenten op mesokosmosniveau kunnen worden gebruikt om de trofische degradatie van koraalrifgemeenschappen beter te begrijpen en te verminderen door de biodiversiteit te verbeteren en de waterkwaliteit te verbeteren, maar logistieke uitdagingen maken deze studies moeilijk om ter plaatse te implementeren.

Een gevolg van trofische degradatie op riffen is het wijdverspreide verlies van cryptische biodiversiteit, waarvan een groot deel niet gekarakteriseerd blijft 7,9. Koralen vertrouwen op een diverse reeks cryptische riforganismen ("cryptobiota") die hun gezondheid ondersteunen door een integrale rol te spelen in roofdierverdediging10, schoonmaken 11, het begrazen van concurrerende algen 12,13 en de regulering van rifwaterchemie 14,15. Tot voor kort en vanwege de methodologische beperkingen van visuele onderzoeken, waren rifcryptobiota ondervertegenwoordigd en slecht begrepen in de context van rifecologie, en ze worden daarom zelden overwogen in pogingen om riffen te herstellen of opnieuw op te bouwen. In het afgelopen decennium heeft het gebruik van gestandaardiseerde nederzettingseenheden genaamd Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) in combinatie met high-throughput sequencing-benaderingen de betere verzameling en karakterisering van rifcryptobiota16,17 mogelijk gemaakt. ARMS rekruteert passief vertegenwoordigers van bijna alle bekende koraalrifbiodiversiteit en heeft geholpen bij het onthullen van tal van functionele rollen van cryptische organismen in rifschaalprocessen 9,18,19,20,21,22,23. Deze nederzettingseenheden bieden daarom een mechanisme om cryptische rifbiota naast koralen te transloceren om meer intacte rifgemeenschappen samen te stellen met biologisch gemedieerde mechanismen, zoals begrazing, verdediging en verbetering van de lokale waterkwaliteit, die essentieel zijn voor het behoud van de trofische structuur.

Koraal-gedomineerde riffen gedijen in omgevingen met veel licht, weinig voedingsstoffen en goed zuurstof. Menselijke activiteiten zoals verstedelijking, landbouw en overbevissing hebben de waterkwaliteit op veel koraalriffen verminderd door het sediment, voedingsstoffen, metalen en andere verbindingen in afvloeiing 24,25 te verhogen en door de biogeochemische cycluste veranderen 26. Op hun beurt degraderen deze activiteiten rifgemeenschappen door verstikking, energie-uitputting, de levering van verontreinigende stoffen geassocieerd met sedimentatie27,28, het verbeteren van de groei van macroalgen die concurreren met koralen 29, het verhogen van de overvloed aan microbiële pathogenen 6,30,31, en het creëren van hypoxische zones die cryptische ongewervelde dieren doden32,33 . Deze en andere "lokale effecten" worden verergerd door regionale en wereldwijde veranderingen in de oceaanomstandigheden, waaronder stijgende temperaturen en dalende pH, waardoor de omstandigheden voor koralen en andere riforganismen verder verslechteren34,35. Op de benthisch-waterinterface, in het bijzonder, veroorzaken de respiratoire en fotosynthetische dynamiek van benthische gemeenschappen dielfluctuaties in de pH en opgeloste zuurstof, die meer uitgesproken worden op sterk aangetaste riffen, waardoor omstandigheden worden gecreëerd die benthische ongewervelde dieren niet kunnen verdragen32,36,37,38 . Het bieden van geschikte waterkwaliteitsomstandigheden is daarom essentieel voor het samenstellen van functionerende rifgemeenschappen, maar dit blijft een uitdaging omdat een toenemend aantal riffen vastzit in verschillende staten van degradatie.

Veel van de uitdagingen waarmee koralen en fundamentele cryptische taxa op de benthos worden geconfronteerd, kunnen worden overwonnen door verplaatsing naar het middenwater, hier gedefinieerd als de waterkolominstelling tussen het oceaanoppervlak en de zeebodem. In het middenwatermilieu wordt de waterkwaliteit verbeterd met39,40, sedimentatie wordt verminderd en de afstand tot de zeebodem dempt fluctuaties in de parameters die verband houden met benthisch metabolisme. Deze kenmerken worden verder verbeterd door offshore te bewegen, waar antropogene effecten op het land, zoals terrestrische afvloeiing, steeds meer verwateren met de afstand tot de kust. Hier introduceren en bieden we protocollen voor het bouwen, inzetten en monitoren van Coral Reef Arks, een aanpak die gebruik maakt van verbeterde waterkwaliteitsomstandigheden in het middenwater en cryptische biodiversiteit bevat op verankerde, positief drijvende structuren voor de assemblage van koraalrifgemeenschappen.

Coral Reef Arks-systemen, of "Arks", bestaan uit twee primaire componenten: (1) een hangend stijf geodetisch platform dat boven de benthos is verheven en (2) met organismen bedekte of "gezaaide" ARMEN die rifcryptobiota uit nabijgelegen benthische gebieden transloceren, waardoor de natuurlijke rekruteringsprocessen worden aangevuld om de getransloceerde koralen te voorzien van een meer diverse en functionele rifgemeenschap. Een geodetische structuur werd geselecteerd om de sterkte te maximaliseren en het bouwmateriaal (en dus het gewicht) te minimaliseren, evenals om een interne, turbulente stromingsomgeving te creëren die analoog is aan de rifmatrix.

Twee ontwerpen van arken werden met succes geïnstalleerd op twee Caribische veldlocaties en worden momenteel gebruikt voor onderzoek naar de oprichting van rifgemeenschappen en ecologische successie (figuur 1). Coral Arks-structuren zijn bedoeld als onderzoeksplatforms voor de lange termijn, en als zodanig is een primaire focus van dit manuscript het beschrijven van protocollen om deze structuren te lokaliseren, installeren, bewaken en onderhouden om hun stabiliteit en levensduur in de midwateromgeving te maximaliseren. Een combinatie van modellering en testen in het water werd gebruikt om de weerstandskarakteristieken van de structuren te evalueren en het ontwerp aan te passen om de verwachte hydrodynamische krachten te weerstaan. Na installatie werden rifgemeenschappen gevestigd op de Arken en op nabijgelegen benthische controlelocaties op dezelfde diepte door een combinatie van actieve translocatie (koralen en gezaaide ARMS-eenheden) en natuurlijke rekrutering. Waterkwaliteitsomstandigheden, microbiële gemeenschapsdynamiek en koraaloverleving op de arken werden gedocumenteerd op verschillende tijdstippen gedurende de vroege successieperiode en vergeleken met de benthische controlelocaties. Tot op heden zijn de omstandigheden in verband met de midwater Coral Arks-omgeving consequent gunstiger geweest voor koralen en hun bijbehorende cryptische consortia ten opzichte van de naburige benthische controlelocaties op dezelfde diepten. De onderstaande methoden beschrijven de stappen die nodig zijn om de Coral Arks-aanpak te repliceren, inclusief het selecteren van sites en het ontwerpen en implementeren van Coral Arks-structuren. Voorgestelde benaderingen voor het monitoren van Coral Arks zijn opgenomen in Aanvullend Bestand 1.

Protocol

OPMERKING: Gedetailleerde informatie over de productie, inzet en monitoring van ARMS- en Coral Arks-structuren, inclusief technische tekeningen, diagrammen en foto's, wordt verstrekt in Aanvullend bestand 1. Delen van het protocol met betrekking tot onderwaterwerk, inclusief de installatie van Arks en ARMS-structuren, worden aanbevolen om te worden uitgevoerd door een team van drie duikers (op SCUBA) en twee oppervlakteondersteunend personeel.

1. Assemblage en inzet van wapens

OPMERKING: ARMEN zijn ongeveer 1 ft 3 (30 cm3) structuren gemaakt van PVC of kalksteen basismaterialen die de driedimensionale complexiteit van rifhardbottom-substraten nabootsen. In tabel 1 worden twee ontwerpen voor ARMS besproken, gezien de verschillende projectoverwegingen. ARMS worden aanbevolen om 1-2 jaar voorafgaand aan de overdracht naar Arks te worden ingezet om de kolonisatie door cryptische biota te maximaliseren.

  1. PVC ARMEN
    OPMERKING: De kant-en-klare componenten waarnaar in dit protocol wordt verwezen (en die in de materiaaltabel worden vermeld) worden beschreven met behulp van imperiale eenheden. De gefabriceerde materialen worden beschreven met behulp van metrische eenheden. Gedetailleerde fabricage-instructies, met inbegrip van technische tekeningen voor de vervaardiging van de onderdelen, zijn opgenomen in sectie 1 van aanvullend dossier 1.
    1. Vergadering
      1. Steek vier 1/4 in-20, 8 in lange, zeskantige bouten door de middelste gaten op een 1/2 in dikke PVC-bodemplaat; Keer het vervolgens om zodat de bouten verticaal naar boven zijn gericht.
      2. Voeg een nylon afstandhouder toe aan elke bout en voeg vervolgens een 1/4 in dik, PVC 9 in x 9 in plaat toe. Hierdoor ontstaat een open laag tussen de grondplaat en de eerste stapelplaat.
      3. Voeg een lange kruisafstandhouder toe aan twee bouten in tegenoverliggende hoeken en voeg vervolgens twee korte kruisafstandhouders toe aan de resterende bouten, zodat een "X" wordt gevormd. Voeg nog een PVC-stapelplaat toe om een gesloten laag te creëren.
      4. Herhaal stap 1.1.1.2 en stap 1.1.1.3, afwisselend open en gesloten lagen, totdat zeven tot negen plaatlagen aan de bouten zijn toegevoegd (aanvullend bestand 1-figuur S5).
      5. Voeg een ring, een zeskantmoer en een nylon borgmoer toe aan de bovenkant van elke bout en draai deze stevig vast.
    2. Voor inzet transporteert u de geassembleerde PVC ARMS naar de doelinzetlocatie, waarbij de ARMS tijdens de overdracht wordt bedekt met een maas van 100 μm om kleine mobiele ongewervelde dieren vast te houden (aanvullend bestand 1-figuur S6). Lokaliseer een stukje rifhardbottom-substraat in de nabijheid van gezonde koraalrifgemeenschappen.
      OPMERKING: De specifieke inzetlocaties moeten worden geselecteerd met inachtneming van de lokale regelgeving en vergunningsbepalingen, zoals het vermijden van de kritieke habitats voor bedreigde soorten die op de lijst van bedreigde diersoorten staan in Amerikaanse wateren.
      1. Gebruik 3 lengtes van 1/2 in wapening en een hamer en bevestig de ARMEN aan de benthos op alle vier de hoeken door de wapening, enigszins schuin naar buiten, in de basiskalksteen te slaan, zodat de wapening spanning genereert tegen de rand van de grondplaat (figuur 2A, B).
      2. U kunt ook de kettingen van de ARMS verbinden met behulp van zware kabelbinders en de uiteinden van de kettingen verankeren met zakken van gehard beton (figuur 2C en aanvullend bestand 1-figuur S6).
  2. Kalksteen ARMEN
    1. Begin voor montage met 12 in x 12 in onafgewerkte kalksteen of travertijn tegels (figuur 2). Identificeer de gewenste complexiteit van het kalkstenen ARMS-interieur.
      OPMERKING: Het wordt aanbevolen om 2 cm3 blokjes te gebruiken. Alternatieve ontwerpen en overwegingen worden gegeven in sectie 2 van aanvullend dossier 1.
      1. Zaag met een natte tegelzaag verschillende onafgewerkte tegels in 2 cm2 vierkante afstandhouders (~250).
      2. Snijd travertijn tegels in de gewenste vorm voor de ARMS-lagen. Net als bij de PVC ARMS, gebruik 12 in x 12 in vierkanten en laag ze met afstandhouders om 1 ft3 kubussen te vormen (Supplemental File 1-Figure S8).
      3. Gebruik een tweedelige, niet-giftige epoxy van mariene kwaliteit en lijm de kleinere travertijnstukken op een grotere travertijnlaagplaat langs een vooraf getekend rasterpatroon.
      4. Bereid verschillende lagen voor die, wanneer ze op elkaar worden gestapeld, de gewenste ARMS-hoogte bereiken. Laat de epoxy uitharden op basis van de aanbevelingen van de fabrikant.
      5. Monteer de ARMS-stapelplaten met epoxy om elke laag op de laag erboven te lijmen.
        OPMERKING: De ARMS-hoogte varieert op basis van het gewenste gewicht en de interne complexiteit. Een uiteindelijke grootte van ongeveer 1 ft3 wordt aanbevolen.
      6. Laat de epoxy 24 uur uitharden uit direct zonlicht voordat u deze aanbrengt.
    2. Voor inzet transporteert u de geassembleerde Limestone ARMS naar de doelinzetlocatie. Lokaliseer een stukje rifhardbottom-substraat in de nabijheid van gezonde koraalrifgemeenschappen.
      OPMERKING: De specifieke inzetlocaties moeten worden geselecteerd met inachtneming van de lokale regelgeving en vergunningsbepalingen, zoals het vermijden van de kritieke habitats van bedreigde soorten die op de lijst van bedreigde diersoorten staan in Amerikaanse wateren.
      1. Vervoer de ARMS naar de benthos met behulp van een melkkrat en hefzak. Wig de kalkstenen ARMEN in dode rifmatrix (levend gesteente). Vermijd zandbodemhabitats en habitats die zwaar gekoloniseerd zijn door grasalgen of benthische cyanobacteriële matten.
      2. Plaats de kalkstenen armen naast rotsachtige overhangen en ontsluitingen om ze te beschermen tegen golfslag en stormvloeden.

2. Coral Arks assemblage en inzet

OPMERKING: Tabel 2 bespreekt de ontwerpoverwegingen van Coral Arks gegeven verschillende projectparameters. De afmetingen van de subelementen (stutten, naven, platforms, afmeercomponenten en positief drijfvermogen) kunnen worden gewijzigd afhankelijk van de gewenste grootte en het gewicht van de uiteindelijke Coral Ark-structuren.

  1. Installatie van het verankeringssysteem
    OPMERKING: Selecteer het verankeringssysteem op basis van locatie- en projectspecifieke overwegingen zoals arkontwerp, stormfrequentie, bodemtype, blootstelling van de locatie, duur van het project en verwachte krachten als gevolg van weerstand, stroming en drijfvermogen. Zie PADI41 voor inzichten in de selectie van afmeersystemen.
    1. Gebruik zandschroeven in zandbodems en losse puinhabitats.
      1. Transporteer de zandschroeven naar de benthos. Zet de zandschroef rechtop, draai en begraaf de zandschroef totdat de eerste schijf bedekt is met zand of los puin.
      2. Plaats een 5 voet lange metalen draaibalk door het oog van het anker, zodat het grootste deel van de draaibalk uit één kant van het oog steekt.
      3. Loop of zwem in cirkels op de benthos, schroef de zandschroef in het substraat totdat alleen het oog uit de benthos blijft steken (Supplemental File 1-Figure S20).
      4. Installeer drie zandschroeven in een driehoekig patroon, verbonden door een kettinghoofdstel, voor meer houdkracht (Supplemental File 1-Figure S20).
    2. Gebruik Halas-ankers in hardbottom- en carbonaatbasisgesteentehabitats.
      1. Vervoer 9-12 in oogbouten en een dompelboor (elektrisch of pneumatisch) naar de ankerplaats.
      2. Gebruik de dompelboor en een metselwerkzaag met een diameter van 1 om een gat van 9 in diep en 1 in breed in het basisgesteente te boren. Verwijder periodiek overtollig substraat uit het gat met behulp van een kalkoenbast.
      3. Vul het gat met Portlandcement of epoxy van mariene kwaliteit. Duw de oogboutschacht in het gat en vul de resterende openingen met cement of epoxy.
      4. Laat het cement/epoxy 5 dagen uitharden.
      5. Voor meer houdkracht installeert u drie Halas-ankers in een driehoekig patroon, verbonden door een kettinghoofdstel.
    3. Gebruik blokvormige ligplaatsen op locaties met bestaande afmeerblokken of zware puinelementen.
      OPMERKING: De installatie van een nieuw afmeerblok vereist installatieapparatuur van commerciële kwaliteit, zoals een op een binnenvaartkraan gemonteerde kraan en wordt niet aanbevolen voor projecten met een kleinere scope.
      1. Bevestig het afmeersysteem aan bestaande zware puinelementen (gezonken schepen, motorblokken) of aan bestaande mooring block eyes via hardware en tackle.
      2. Zorg ervoor dat de metalen afmeercomponenten zijn gemaakt van vergelijkbare metalen en beschermd zijn tegen galvanische corrosie met behulp van opofferingsanoden.
  2. De 1V frequentiestructuur (Two Platform)
    OPMERKING: Gedetailleerde fabricage-instructies, inclusief technische tekeningen voor de vervaardiging van de componenten, worden verstrekt in Afdeling 4 van Aanvullend dossier 1. De kant-en-klare componenten waarnaar in dit protocol wordt verwezen (en die worden vermeld in de Materiaalopgave) worden beschreven met behulp van imperiale eenheden.
    1. Montage van het 1V geodetische frame
      1. Schroef een 1/4-20 roestvrijstalen zeskantmoer op een 1/4-20 2,5 in roestvrijstalen bout 3/4 van de weg naar de bovenkant van de bout. Steek de bout in een van de naar binnen gerichte gaten op de veerpoot.
      2. Bevestig een borgmoer aan de andere kant van de schroef en draai deze vast totdat deze stevig met het PVC past om te voorkomen dat de naaf over de lengte van de veerpoot glijdt.
      3. Herhaal dit voor de andere kant van de veerpoot en voor de overige 29 veerpoten.
      4. Duw het uiteinde van elke veerpoot door een van de gaten in de naven en bevestig een andere bout door het buitenste gat op de veerpoot, afgewerkt met een borgmoer om te voorkomen dat de veerpoot uit de naaf glijdt (Aanvullende vijl 1-figuur S24).
      5. Herhaal dit voor alle vijf de stutten in één naaf en blijf vervolgens naven en stutten toevoegen totdat de geodetische bol is geassembleerd (aanvullend bestand 1-figuur S24).
      6. Spoel de 1/8 in roestvrijstalen staalkabel los en begin deze door de stutten te rijgen. Maak 12 lussen, ongeveer zo groot als een zilveren dollar, van nylon kabelbinders - één voor elke hub. Terwijl de staalkabel door de stutten wordt geregen, passeert u het touw door de ritssluitingslus bij de naaf en gaat u verder naar de volgende veerpoot.
        OPMERKING: Sommige stutten worden herhaald.
      7. Ga door met rijgen totdat de staalkabel door alle stutten is geregen, in het midden van elke hoekpunt verbonden door de ritssluitingslus.
      8. Rijg de kabel terug naar het beginpunt. Trek met een tang aan de ritssluitingslussen om ze zo klein mogelijk te verkleinen, waarbij je de lengtes van het staalkabel dicht bij elkaar brengt. Monteer een 1/2 in roestvrijstalen kabelklem op alle staalkabellengtes en draai deze stevig vast.
      9. Herhaal dit voor alle hoekpunten van de structuur.
      10. Koppel de beginlengte van de staalkabel aan de eindlengte en klem deze samen met drie 1/2 in kabelklemmen.
        OPMERKING: De staalkabel (breeksterkte: 2.000 lb) moet nu het grootste deel van de belasting op de constructie ondersteunen en deze aanzienlijk versterken.
      11. Voeg het tuigagesysteem toe, dat bestaat uit twee lengtes van 3/8 in roestvrijstalen kabel die aan elk uiteinde hydraulisch op een oog is gezwaaid. Monteer de PVC-eindkappen tussen de swages zodat de kabel door de gehele Ark-lengte gaat, met ogen aan de boven- en onderkant voor de aanmeer-/boeilijnbevestigingen. Een spanschroevensysteem in het midden verbindt de twee lengtes roestvrij kabel.
      12. Haal de onderste uiteinden van de kabel door de boven- en onderkant van de Ark en plaats de eindkappen op de boven- en ondernaven met behulp van een hamer. Schroef de oogbouten in de spanschroef en draai vast totdat er voldoende spanning op de structuur staat om het systeem stijf te maken (Supplemental File 1-Figure S24).
      13. Voeg elk gegoten glasvezelrooster, gesneden in twee halve vijfhoeken, toe aan het arkinterieur met behulp van zware ritsbanden van 250 lb om de zijkanten van het platform aan de ark-stutten te verankeren (aanvullend bestand 1-figuur S24).
      14. Plaats onder de structuur een lengte glasvezel I-balk zodat deze beide helften van het glasvezelplatform verbindt. Bevestig aan de onderkant van het platform met behulp van twee 1/4 in-20 roestvrijstalen U-bouten.
      15. Herhaal dit voor de andere vier I-balken, waarbij ze gelijkmatig over de lengte van het platform worden verdeeld. Dit verbindt en ondersteunt de twee helften van het platform, waardoor een volledige vijfhoek ontstaat.
      16. Span de zware ritsbanden aan de randen van het platform aan en knip het overtollige af. Aan het einde van deze stap is het interne platform stevig geïntegreerd in de Ark-structuur (Supplemental File 1-Figure S24).
      17. Gebruik roestvrijstalen mousingdraad om de uiteinden van de spanschroef en alle beugels te beslaan. Aan het einde van deze stap heeft de Ark twee geïntegreerde platforms, boven- en onderbevestigingen voor hardwarebevestiging en een centrale kabel die het grootste deel van de spanningskracht draagt die op de structuren wordt geplaatst via verankering en positief drijfvermogen.
    2. Bevestiging van de afmeerlijn aan het geodetische frame
      OPMERKING: Afmeersystemen moeten zo zijn ontworpen dat de breeksterkte van alle afzonderlijke afmeercomponenten de maximale belasting overschrijdt die wordt verwacht als gevolg van omgevings- en extreme omgevingsomstandigheden. Zie de representatieve resultaten voor een beschrijving van het gebruik van hydrodynamische modellering bij het ontwerpen van afmeersystemen. Het wordt aanbevolen om de belasting te verdelen over meerdere bevestigingspunten op de Ark en op het verankeringssysteem van de zeebodem, omdat dit redundantie aan het systeem toevoegt in geval van het falen van afzonderlijke elementen.
      1. Ontwerp de afmeerlijnen en hardware om veilige verbindingen tussen de Ark-basis en het ankersysteem te garanderen (zie figuur 1 voor een voorbeeld).
        OPMERKING: Het wordt aanbevolen om het afmeersysteem zo te ontwerpen dat de middellijn van de Ark-structuur op een diepte van 30 m is geplaatst.
      2. Verbind de bovenkant van een dubbel gesplitste lijn met het basisoog van de Ark met een beugel. Sluit een zeer sterke, roestvrijstalen draaibare beugel aan op de basis van deze lijn (figuur 1 en aanvullend bestand 1-figuur S25).
      3. Verbind de bovenkant van een dubbele gesplitste lijn met de basis van de draaibare beugel. De onderkant van deze lijn maakt verbinding met het ankersysteem (Figuur 1 en Aanvullend bestand 1-Figuur S25).
    3. Transport van de Ark naar de inzetplaats
      1. Vervoer de Ark via een dieplader naar een strand naast de inzetlocatie (nearshore inzet met zandinvoer) of naar een bootlanceringsplaats (scheepsinzet).
      2. Bevestig een hefzak van 220 lb aan het bovenste roestvrijstalen oog van de Ark met behulp van een 1/2 in beugel.
      3. Bevestig een afmeerlijn, inclusief de hardware voor bevestiging aan het zeebodemanker, aan de basis van de Ark.
      4. Voor inzet vanaf een schip zonder A-frame of davit, laadt u de Ark op het schip zodat deze gemakkelijk van de boot en in het water kan worden gerold (vermijd boegen met hoge kanonnen of achterstevens met buitenboordmotoren).
      5. Voor inzet vanaf de kust rolt u de Ark in het water tot een voldoende diepte waarop de liftzak met lucht kan worden gevuld (figuur 3).
      6. Zwem, sleep of vervoer de Ark naar de ankerplaats aan de oppervlakte (figuur 3).
    4. Bevestiging van de Arken aan het afmeersysteem
      OPMERKING: In dit stadium drijft het Ark-systeem aan het oppervlak boven de ankerplaats met een liftzak. De volgende taken worden onder water uitgevoerd op SCUBA en vereisen een team van ten minste drie duikers.
      1. Langzaam de lucht uit de liftzak ventileren, voer een gecontroleerde afdaling uit naar het verankeringssysteem.
      2. Bevestig het afmeerbeslag aan de voet van de Ark aan het verankeringssysteem.
      3. Verhoog het positieve drijfvermogen van het Arks-systeem door de liftzak met lucht te vullen en inspecteer de bewakingscomponenten op structurele integriteit. Zorg ervoor dat de boeien goed zitten en dat de ankers stevig op hun plaats zitten. Gebruik mousing-draad om alle boeien te beslaan.
      4. Verbind het oog van een korte, dubbel gesplitste lijnlengte met het bovenste oog van het Arks-systeem met een beugel. Verbind een polyforme, opblaasbare afmeerboei met een beugel aan het andere uiteinde van deze lijn (Supplemental File 1-Figure S25).
      5. Vul de afmeerboei met lucht met behulp van een standaard lagedrukluchtmondadapter die is bevestigd aan een ponyfles perslucht totdat deze voor ongeveer 75% vol lucht zit.
      6. Laat de lucht langzaam uit de hefzak ontsnappen en verwijder deze uit het systeem.
      7. Voeg grotere of meer talrijke afmeerboeien toe voor Arks-systemen die kalkstenen ARMEN gebruiken of om te compenseren voor biologische massaaccumulatie.
    5. Bevestiging van het WAPEN aan de Arken
      1. Haal de ARMS van de zaailocatie en plaats deze in melkkratten bekleed met 100 μm gaas om het verlies van kleine mobiele ongewervelde dieren in de ARMS te voorkomen.
      2. Breng de ARMS over naar de Arks-sites in kuipen met schaduwrijk, koel zeewater.
      3. Plaats de ARMEN op het bovenste of onderste platform van de Arken en verdeel het gewicht gelijkmatig over het platform.
      4. Haal zware kabelbinders door zowel het gegoten glasvezelplatform als de basis van de PVC- of kalkstenen ARMEN en draai deze vast om de ARMEN aan het Ark-frame te bevestigen (Supplemental File 1-Figure S25).
  3. De 2V frequentiestructuur (Shell)
    OPMERKING: Gedetailleerde fabricage-instructies, inclusief technische tekeningen voor de vervaardiging van de componenten, worden verstrekt in Afdeling 3 van Aanvullend dossier 1.
    1. Montage van het 2V geodetische frame
      1. Monteer het Ark-montageframe volgens de meegeleverde gids van VikingDome (Supplemental File 1-Figure S11).
      2. Voeg een ring toe aan een 2,5 in lange, 10/32 roestvrijstalen bout. Steek de bout door een van de twee gaten aan het einde van een veerpoot, voeg een STAR-connector toe aan de binnenkant (gat specifiek voor S1- of S2-veerpoten) en bevestig met een borgmoer.
      3. Herhaal dit voor het tweede boutgat. Ga door zonder de borgmoeren aan te draaien totdat de structuur volledig is gemonteerd (Aanvullend bestand 1-figuur S12).
      4. Draai het Ark-montageframe vast. Aan het einde van stap 2.3.1.1 zijn de veerpoot-STAR-verbindingen los en kneedbaar. Begin met het aandraaien van de borgmoeren met behulp van een dopsleutel (10 mm of 3/8 in socket) en een Philips kopschroevendraaier.
      5. Ga door de hele structuur totdat alle borgmoeren zijn aangedraaid, met het nylon inzetstuk van de borgmoer volledig ingeschakeld op de draden van de bouten.
      6. Voeg padogen toe voor de bevestiging van het mooring hoofdstel. Voeg een padoog toe aan de roestvrijstalen S1-veerpoot aan de basis van de Ark en zet vast met vier roestvrijstalen bouten van 3 in de pankop.
      7. Voeg 1/4 in-20 borgmoeren toe en draai vast. Herhaal dit voor een totaal van vijf afmeerpunten (Aanvullend bestand 1-figuur S17).
      8. Monteer 10 ARMS-basisplaten op de N2 STAR-connectoren in het midden. Plaats een 3 in pan kopbout door het middelste gat op de ARMS-bodemplaat. Voeg een grijze PVC-standoff toe aan de boutas en plaats deze door het middelste gat van de N2 STAR-connector, met de bodemplaat in de structuur. Voeg een ring en een borgmoer toe en draai vast.
      9. Voeg twee beugels toe en gebruik vier 3 1/4 in zeskantkopbouten en borgmoeren om de ARMS-bodemplaat aan de stutten te bevestigen. Draai alle borgmoeren vast. Houd dezelfde oriëntatie aan voor alle ARMS-grondplaten (aanvullend bestand 1-figuur S15).
      10. Monteer 20 grondplaten van koraalplaten op de naar boven gerichte stutten. Plaats vier 3-in-zeskantbouten door de gaten op de grondplaat van de koraalplaat en bevestig deze aan de veerpoot met behulp van een beugel en een borgmoer. Herhaal dit voor de andere kant. Draai de borgmoeren vast om vast te zetten (Aanvullend dossier 1-figuur S15).
      11. Voeg een centrale hengel en sleepnetdobber toe aan de centrale ruggengraat van de Ark. Steek een 8 voet lange, niet-threaded glasvezelstaaf in de STAR-connectoren die zijn aangepast met een gelast pijpsegment aan de basis van de Ark. Voeg een 1 in wasmachine toe en een ongewijzigde trawl drijft op de onthreaded glasvezelhengel in de structuur. Voltooi het plaatsen van de staaf door de bovenste STAR-connector van de Ark.
      12. Monteer de bouten door de metalen buis op de aangepaste STAR-connectoren en de borgmoeren op de vergrendelingsstang in de Ark. Voeg een groene buisklem toe die goed onder de sleepnetwagen zit (bovenkant van de Ark) en draai vast.
      13. Monteer gemodificeerde trawl drijvers in de bovenste naar voren gerichte N2- en N1 STAR-connectoren die zijn aangepast met een gat van 1 in het midden. Voeg een glasvezelring toe aan het langere uiteinde van de blootgestelde glasvezelstaaf met schroefdraad.
      14. Bevestig door het aangepaste STAR-connectorgat, zodat de sleepnet in de constructie drijft. Voeg nog een glasvezel wasmachine en een glasvezel zeskantmoer toe. Draai vast met een moersleutel en door de drijvers te draaien (Supplemental File 1-Figure S16).
    2. Bevestiging van het afmeersysteem aan het geodetische frame
      1. Ontwerp de afmeerlijnen en hardware om veilige verbindingen tussen de Ark-basis en het ankersysteem te garanderen (zie bijvoorbeeld figuur 1 ).
        OPMERKING: Het wordt aanbevolen om het afmeersysteem zo te ontwerpen dat de middellijn van de Ark-structuur op een diepte van 10 m is geplaatst.
      2. Verbind elk padoog aan de basis van de Ark-structuur met het gesplitste oog aan het einde van een dubbelgesplitste lengte van een 3/4 in spectralijn met een zeer sterke, 7/16 in roestvrijstalen beugel (Supplemental File 1-Figuur S17).
      3. Verbind met behulp van een 1/2 in schroefpenbeugel het andere uiteinde van elke spectraallijn met een van de twee roestvrijstalen Masterlinks, zodat elke schakel twee of drie verbindingen heeft.
      4. Bevestig de 3/4 in draaibare beugel aan de onderkant van de Masterlink en het oog van een 1 in nylon lijn gesplitst met een roestvrijstalen vingerhoed.
      5. Bevestig een 3/4 in beugel aan het oog en vingerhoed aan het andere uiteinde van de nylon lijn. Deze beugel maakt verbinding met het ankersysteem (Supplemental File 1-Figure S17).
    3. Transport van de 2V Ark naar de inzetlocatie
      OPMERKING: De inzet van de Shell Ark vereist een schip met een platte achtersteven en binnenboordmotoren, zodat de Ark van het bootdek en in het water kan worden gerold, of een schip met een grote davit of A-frame.
      1. Vervoer de Ark via een dieplader naar het dok of de jachthaven.
      2. Laad de Ark op het schip met behulp van een vorkheftruck van de juiste grootte (aanvullend bestand 1-figuur S21).
      3. Bevestig de afmeerlijnen en hardware, inclusief de downlines en hardware voor bevestiging aan het ankersysteem van de zeebodem, aan de basis van de Ark.
      4. Vervoer de Ark naar de ankerplaats (Figuur 3). Bereid een lijn voor die ongeveer even lang is als de diepte van het verankeringssysteem met een beugel aan het ene uiteinde en een boei aan het andere uiteinde.
      5. Bevestig het uiteinde van de beugel van de lijn aan het verankeringssysteem, waarbij het boeiuiteinde aan het oppervlak drijft.
      6. Rol de Ark veilig van het achterdek in het water of zet de Ark in het water met een davit of A-frame. Bevestig het boeiuiteinde van de lijn aan de positief drijvende Ark zodat de structuur boven het verankeringssysteem zweeft.
    4. Bevestiging van de Ark aan het afmeersysteem
      OPMERKING: In dit stadium drijft de Ark-structuur aan het oppervlak boven de ankerplaats met de geïntegreerde drijfvermogenselementen (drijvers) die voor flotatie zorgen. De volgende taken worden onder water op SCUBA voltooid en vereisen een team van ten minste drie duikers en twee oppervlakteondersteunend personeel.
      1. Bevestig het bovenste blok van een blok en pak het katrolsysteem aan op een veilig bevestigingspunt aan de basis van de Ark, maak de katrol los terwijl u afdaalt naar de zeebodem en bevestig vervolgens het onderste blok aan het verankeringssysteem (Aanvullend bestand 1-figuur S19).
      2. Trek de lijn door het onderste blok om de katrol vast te zetten en trek de Ark naar diepte. De lijn moet bij elke trek in de schoenplaat worden vergrendeld (Aanvullend bestand 1-figuur S19).
        OPMERKING: Gebruik voor Arks-systemen met een hoog initieel positief drijfvermogen een 6:1 blok- en tacklesysteem voor maximale aankoop. Gewichten kunnen ook tijdelijk aan het Arks-systeem worden bevestigd om de drijfkracht te verminderen die nodig is om de structuur te laten zinken.
      3. Blijf de Ark op diepte trekken totdat de downline en de aanlegbevestiging kunnen worden aangesloten op het ankersysteem. Gebruik draad om alle boeien te beslaan.
      4. Inspecteer alle afmeercomponenten op integriteit. Zorg ervoor dat de boeien goed zitten en dat de ankers stevig op hun plaats zitten.
      5. Breng langzaam de spanning over van het blok en pak aan naar het afmeersysteem. Verwijder het blok en de tackle, gewichten en boeilijn.
    5. Bevestiging van het WAPEN aan de Arken
      1. Haal de ARMS van de zaailocatie en plaats deze in melkkratten bekleed met 100 μm gaas om het verlies van kleine mobiele ongewervelde dieren in de ARMS te voorkomen. Breng de ARMS over naar de Arks-sites in kuipen met schaduwrijk, koel zeewater.
      2. Manoeuvreer de ARMS door een van de grotere driehoekige openingen in de buurt van de middellijn van de Ark, zodat de ARMS zich in de structuur bevindt. Houd de ARMS stevig vast aan een van de witte bodemplaten die in het Ark-raamwerk zijn gemonteerd.
      3. Bevestig een 1/2 in-13, 1,75 in lange, roestvrijstalen zeskantkopbout door een open hoekgat van de ARMS-bodemplaat en de witte, onderliggende HDPE-basisplaat, bevestig een roestvrijstalen borgmoer aan de bout die door de andere kant steekt en draai vast totdat deze goed aansluit. Herhaal dit voor de andere drie zijden (figuur 2D).
      4. Duw de ARMEN heen en weer om een stevige bevestiging te garanderen.
    6. Bevestiging van de koralen aan de Arken
      1. Bevestig de koraalplaten met koralen geëpoxideerd aan de kalkstenen tegel aan de koraalplaat HDPE-basisplaten aan de buitenkant van de Ark met behulp van 2 in lange, 1/4 in-20, roestvrijstalen zeskantkopbouten, een ring en een borgmoer op alle vier de hoeken.
      2. Draai de borgmoeren vast met een dopsleutel om de koraalplaat op zijn plaats te houden.

3. Coral Arks monitoring en onderhoud

OPMERKING: Gedetailleerde fabricage-instructies, inclusief technische tekeningen voor de vervaardiging van de componenten, zijn opgenomen in sectie 7 van aanvullend bestand 1.

  1. Het meten van het gewicht van de arken in het water
    1. Bevestig de dompelbare loadcel aan een blok en pak het katrolsysteem aan voor gebruik bij het tijdelijk overbrengen van spanning op de afmeerlijn naar het rekstrooksysteem.
    2. Bevestig de basis van het blok en pak aan op een veilige locatie op het Ark-afmeersysteem, zoals een tussenliggende beugelpunt of aan het anker van de zeebodem. Bevestig de bovenkant van de loadcel op een veilige locatie op het Ark-montageframe (Supplemental File 1-Figure S33).
    3. Zonder de afmeercomponenten op de Ark te verwijderen of te wijzigen, trekt u de lijn door het blok en pakt u het katrolsysteem zodanig aan dat de spanning wordt overgebracht van het Ark-afmeersysteem naar het katrolsysteem, waarbij de lijn bij elke trek wordt vastgemaakt (Aanvullend bestand 1-figuur S33).
    4. Zorg ervoor dat de afmeerlijn volledig is verslapt zodat de rekstrook spanningsmetingen kan verzamelen (aanvullend bestand 1-figuur S33).
    5. Breng langzaam de spanning over van het blok- en tackle-katrolsysteem naar de Ark-afmeerlijn en controleer of de beugels en andere afmeercomponenten goed zitten en veilig zijn.
    6. Voor langdurige gegevensverzameling integreert u een loadcel in het afmeersysteem als een "in-line" component. Schakel de dataloggers regelmatig uit om de gegevens op te halen.
  2. Langdurig onderhoud van de Arken
    1. Voer routine-inspecties uit van het Arks-afmeersysteem en voer indien nodig onderhoudswerkzaamheden uit.
      OPMERKING: Zie Supplemental File-Figure S18 voor een voorbeeld van een onderhoudschecklist. Tweejaarlijks onderhoud wordt aanbevolen.
    2. Zorg ervoor dat de ankers maximale houdkracht blijven leveren (d.w.z. niet uit het substraat komen).
    3. Reinig de afmeerlijnen van vervuilende organismen die de integriteit van de lijnen kunnen binnendringen en in gevaar kunnen brengen.
    4. Vervang degraderende componenten, zoals de opofferingsanoden, boeien en afmeerlijnen, indien nodig (Supplemental File-Figure S18).
    5. Voeg indien nodig extra drijfvermogen toe door vaste drijfvermogen drijvers of lucht toe te voegen aan de bestaande afmeerboeien om de accumulatie van biologische massa te compenseren.

Resultaten

De bovenstaande methoden bieden montage- en installatie-instructies voor twee ontwerpen van Coral Arks-systemen. Prototypes voor elk ontwerp werden geassembleerd en in de praktijk getest in San Diego, VS, voorafgaand aan langdurige inzet om de weerstandskarakteristieken te evalueren en de structurele integriteit te optimaliseren op basis van gemodelleerde en empirische sterktewaarden. De modelleringsinspanningen die van groot belang zijn voor de selectie en verfijning van beide arkengeometrieën die hier worden gepresenteerd, inclusief de resultaten van windtunneltests, hydrodynamische simulaties en de validatie in het water van de gemodelleerde waarden met behulp van prototypestructuren, worden in detail beschreven in sectie 6 van aanvullend bestand 1. De resultaten van de modellering en in-water testen van het "Shell" Arks ontwerp worden hier getoond. Twee structuren van elk ontwerp werden vervolgens ingezet op Caribische veldlocaties in Puerto Rico en Curaçao (vier totale Arks-structuren geïnstalleerd) en koralen werden overgeplaatst naar de structuren. Waterkwaliteit, microbiële gemeenschap en koraaloverlevingsstatistieken in verband met het "Shell" Arks-ontwerp en twee zeebodemcontrolelocaties werden verzameld op verschillende tijdstippen verspreid over 6 maanden om de veranderingen in de omgevingsparameters en koraalgezondheid geassocieerd met de Arks-structuren te karakteriseren en te bepalen na natuurlijke rekrutering en de toevoeging van gezaaide ARMS.

Sleepkenmerken van Coral Arks
Het is belangrijk om de sleepkenmerken van Coral Arks te begrijpen om een structuur en ligplaats te ontwerpen die de doelomgeving zal overleven. Vanuit een structureel perspectief legt de hydrodynamische weerstand, in combinatie met het netdrijfvermogen, belastingen op binnen de constructie, met name op de ligplaats en het verankeringssysteem. We voerden modellering en experimentele metingen uit om de weerstandskarakteristieken van de Arks-structuren te schatten. De resultaten van deze tests voor het "Shell" -ontwerp van Arks-structuren worden hieronder beschreven. Modellering werd uitgevoerd door de weerstand van de afzonderlijke elementen van de structuur te schatten, deze op te tellen en vervolgens het resultaat te combineren tot een effectieve luchtweerstandscoëfficiënt zoals weergegeven in vergelijking (1) en vergelijking (2):

figure-results-1(1)

figure-results-2(2)

waarbij D-totaal de totale weerstand van de structuur is, geschat op basis van de som van de D i-elementdragers, CD de totale luchtweerstandscoëfficiënt van de structuur, de vloeistofdichtheid, U de stroomsnelheid van het object ten opzichte van de vloeistof en A het frontale gebied van de structuur. In deze berekeningen werden de elementen allemaal verondersteld cilinders te zijn, met hun oriëntatie op de stroming gedicteerd door de rechtopstaande geometrie van de Ark-structuur. De modellering werd uitgevoerd voor hetzelfde prototype "Shell" -systeem (een 2V geodetische bol) dat werd gebruikt voor sleeptests (hieronder beschreven) voorafgaand aan de bouw van de uiteindelijke veldsystemen. Het prototype had een totaal frontaal oppervlak van ongeveer 2,10 m2 en de modelleringsresultaten wezen op een effectieve luchtweerstandscoëfficiënt voor de gehele structuur van ongeveer 0,12. De door het model voorspelde weerstand van de structuur als functie van de snelheid is weergegeven in figuur 4.

Experimentele schattingen van de weerstandskracht van de structuur die zou worden ervaren onder verschillende stroomsnelheden werden verkregen door de Ark-structuur achter een schip te slepen met een loadcel die in lijn met de sleeplijn was gesplitst en een kantelsensor om de veranderingen in de oriëntatie van de Ark ten opzichte van de verticale as bij een reeks sleepsnelheden te registreren. Voorafgaand aan het slepen werd het gewicht in het water van de constructie bepaald en werd voldoende extra gewicht aan de constructie toegevoegd om een netto drijfvermogen van ongeveer 200 kg te simuleren (een initieel doel voor het systeem). Op basis van de spanning in de sleepkabel en de hellingshoek van de Ark werd de weerstand (D-sleep) bij elke snelheid bepaald met behulp van vergelijking (3):

figure-results-3(3)

waarbij T de gemeten spanning van de loadcel is en de kantelhoek ten opzichte van de verticale as. De resulterende relatie tussen slepen en snelheid wordt weergegeven in figuur 4. Een best passende weerstandscurve (van de vorm D-sleep α U2; zie figuur 4), gecombineerd met schattingen van het frontale gebied en de waterdichtheid, werd vervolgens gebruikt om de empirische luchtweerstandscoëfficiënt van 0,13 te bepalen.

Het Reynoldsgetal tijdens de sleeptests (en het bereik dat voor de modellering werd gebruikt) lag in het bereik van 105-10 6, over het algemeen in de turbulente stromingsregimes. Typische waarden van de luchtweerstandscoëfficiënt voor een bol in dit Reynolds-getalbereik liggen tussen 0,2 en 0,4. Ter vergelijking wordt in figuur 4 een grafiek van de weerstandscurve voor een bol met een luchtweerstandscoëfficiënt van 0,3 weergegeven. De gemodelleerde en experimentele schattingen van de luchtweerstandscoëfficiënt zijn dus in de orde van twee tot drie keer kleiner dan voor een bol, wat consistent is met het meer open karakter van de structuur.

Om deze gemodelleerde resultaten te valideren, hebben we ook veldmetingen uitgevoerd van de respons van twee "Shell" Arks-structuren op stroming. Om dit te bereiken, werd dezelfde loadcel tijdelijk geïnstalleerd in lijn met de hoofdafmeerlijn van de Ark, werd een kantelsensor op de Ark geïnstalleerd en werd een stroommeter op de site geïnstalleerd om tegelijkertijd de watersnelheid te bewaken. De drijfvermogen en weerstandscomponenten van de spanning werden vervolgens berekend uit de kantelhoek en de loadcelmetingen (figuur 5). De stroomsnelheden tijdens de meetperiode waren relatief stabiel op ongeveer 20 cm/s en de dataset was relatief kort; Daarom werden de gegevens gemiddeld over de periode en gebruikt om de veldweerstand en snelheidsrespons te vergelijken met de gemodelleerde en experimentele sleepschattingen. Deze resultaten laten zien dat onder verwachte omstandigheden op de inzetlocatie (stroomsnelheden tot 1,3 m/s tijdens een typische stormgebeurtenis) de weerstandskracht op het systeem naar verwachting minder dan 300 kg zal zijn.

Beide "Shell" -structuren in Vieques, Puerto Rico, overleefden een voltreffer van de categorie 1 orkaan Fiona in september 2022 zonder duidelijke schade aan de structuren, het afmeer- of verankeringssysteem, waardoor een in situ-test werd geboden die het ontwerp ondersteunt. Een nabijgelegen boei (CARICOOS) registreerde stroomsnelheden van 1,05 m/s op een diepte van 10 m op de inzetlocatie, wat overeenkomt met een weerstandskracht van ongeveer 160 kg op de afmeersystemen. De systemen zijn ontworpen om 1.600 kg kracht te weerstaan (rekening houdend met de ankercapaciteit en de breeksterkte van de componenten) en zullen daarom naar verwachting niet falen onder omgevings- of typische stormomstandigheden.

Monitoring van het nettodrijfvermogen voor Coral Arks
Dezelfde aanpak die werd beschreven voor het valideren van de weerstandskarakteristieken van de Ark-structuren werd ook gebruikt om een methode te ontwikkelen voor het monitoren van het netto drijfvermogen van de Arken. Zolang de fysieke structuur van de Ark constant blijft, biedt het netto drijfvermogen een ruwe proxy voor het monitoren van de algehele verkalking van de gemeenschap en dus de koraalgroei, evenals een onderhoudsmetriek om te bepalen of het systeem voldoende positief drijfvermogen heeft om te compenseren voor biologische groei in de loop van de tijd. De drijfvermogenscomponent (B) van de afmeerspanning werd berekend met behulp van de rekstrook- en kantelsensorgegevens in vergelijking (4):

figure-results-4(4)

waarbij T de gemeten spanning van de loadcel is en de kantelhoek. De resulterende tijdreeksen van het netto drijfvermogen zijn weergegeven in figuur 5. Onder de relatief stabiele huidige omstandigheden die aanwezig waren tijdens de veldmonitoringevenementen, vonden we dat de twee "Shell" Arks-structuren die in Vieques, Puerto Rico, werden ingezet, vergelijkbare netto-drijfvermogens hadden van 82,7 kg ± 1,0 kg (Ark 1) en 83,0 kg ± 0,9 kg (Ark 2) wanneer gemiddeld over de monitoringperiode (± één standaardafwijking) nadat alle koralen en gezaaide ARMS-eenheden 6 maanden na de eerste inzet van de structuur naar de structuren waren overgebracht. De resultaten tonen aan dat kortetermijnmonitoring tijdens relatief stabiele perioden van waterstroming kan worden gebruikt om het netto drijfvermogen in het veld te bepalen tot binnen ~ 1 kg, wat op de lange termijn nuttig zou moeten zijn voor het monitoren van veranderingen in biomassa.

Waterkwaliteit en microbiële gemeenschapsdynamiek
Metrieken geassocieerd met waterkwaliteit en waterkolom-geassocieerde microbiële gemeenschappen werden gemeten op twee midwater "Shell" Arks, die waren verankerd in 55 ft water met de top van de Arken op een diepte van 25 voet, voor de kust van Isla Vieques, Puerto Rico (Figuur 6C). De waterkwaliteitsstatistieken, microbiële en virale abundanties en gemiddelde microbengrootte van twee arken werden vergeleken met dezelfde statistieken van twee nabijgelegen zeebodem "controle" -locaties, die ook op een diepte van 25 voet lagen, maar veel dichter bij de kust (figuur 6D). De getoonde metingen werden verzameld onmiddellijk na de installatie van de Arken met een eerste partij getransloceerde koralen (november 2021) en 6 maanden later nadat een tweede partij koralen en gezaaide ARMEN naar de Arken waren overgebracht (mei 2022); ze werden vervolgens gemiddeld over beide sites (Arks en controlesites) ter vergelijking. Omdat de gezaaide ARMS 6 maanden na de inzet naar de Arken werden overgebracht, werd de accumulatie van biologische gemeenschappen op de structuren gedurende de eerste periode van 6 maanden geassocieerd met biofouling en natuurlijke rekrutering.

De arkenomgeving vertoonde hogere gemiddelde lichtintensiteiten overdag (figuur 6A), hogere gemiddelde stroomsnelheden (figuur 6C), lagere concentraties opgeloste organische koolstof (figuur 6F) en lagere dielfluctuaties in opgeloste zuurstofconcentraties (figuur 6G) dan de benthische controlelocaties. De Arks vertoonden ook microbiële gemeenschappen met hogere virus-microbe ratio's dan de controlelocaties (Figuur 7A), aangedreven door een hogere abundantie van vrije virussen (Figuur 7C) en een lagere abundantie van microben (Figuur 7B) in de midwater Arks-omgeving. De microbiële gemeenschappen op de Arken waren samengesteld uit gemiddeld fysiek kleinere cellen dan de microbiële gemeenschappen op de zeebodemlocaties (figuur 7D). Verschillen in temperatuur tussen de Arken en de controleplaatsen waren niet significant (figuur 6E). Alle bovenstaande trends zijn consistent met een betere waterkwaliteit en gezondere microbiële gemeenschappen op de Arks dan op de controlelocaties. Deze omstandigheden hielden aan gedurende de eerste 6 maanden van de inzet, waarin een ontluikende biologische gemeenschap zich op de Arken ontwikkelde door zowel de translocatie van koraalnubbins als natuurlijke rekrutering uit de waterkolom en ervoer successieveranderingen, evenals door de toevoeging van gezaaide ARMEN aan de structuren in maand 6.

Koraal overleving
Een cohort koralen bestaande uit acht soorten en verschillende morfologieën werden verdeeld over de Arken en benthische controlelocaties, zowel na de installatie van de Arken (maand 0) als na de toevoeging van de gezaaide ARMEN in maand 6. De oorspronkelijke ouderkolonies van elke koraalsoort waren gefragmenteerd in nubbins (2-8 cm in een bepaalde dimensie) en bevestigd aan kalkstenen koraalplaten (vier tot vijf nubbins per 20 cm2 plaat) die gelijk verdeeld waren over zowel de Arks als de controlelocaties, waardoor dezelfde soorten en genotypen vertegenwoordigd waren op zowel de midwater Arks-sites als de controlelocaties. De overleving van deze getransloceerde koralen werd elke 3 maanden beoordeeld op de Arken en controlelocaties. Negen maanden na de translocatie van het eerste cohort koralen leefden er nog steeds meer koralen op de Arken (80%, figuur 8) in vergelijking met de controlelocaties (42%, figuur 8).

figure-results-5
Figuur 1: Diagram met de structurele componenten van twee volledig geïnstalleerde Coral Ark-structuren. Links, "Shell" en "Two-Platform" (rechts) worden Coral Arks-structuren getoond, samen met twee methoden voor het bieden van positief drijfvermogen en twee methoden voor ankeren. Afkorting: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-6
Figuur 2: Ontwerp, inzet en overdracht van ARMS-eenheden. (A-D) PVC ARMS en (E-H) Limestone ARMS van zaaiplaatsen op de zeebodem naar Coral Arks. (A) Fotocredit aan Michael Berumen. (B) Fotocredit aan David Littschwager. Afkortingen: PVC = polyvinylchloride; ARMS = autonome rifbewakingsstructuren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-7
Figuur 3: Afbeeldingen die de implementatiefasen van Coral Arks weergeven, inclusief transport naar de site en volledige installatie. (A-C) Shell-type en (D-F) Two-Platform-type systemen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-8
Figuur 4: Sleepkarakteristieken van de "Shell" Ark-structuren op basis van modellering, experimentele sleeptests en veldvalidatie ten opzichte van de weerstand van een bol van dezelfde geschatte schaal. "ARK1" en "ARK2" zijn identieke "Shell" Ark-structuren geïnstalleerd op dezelfde locatie in Vieques, Puerto Rico. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-9
Figuur 5: Gemeten netto drijfvermogen waarden voor twee "Shell" Arken in Vieques, Puerto Rico. Weergegeven zijn de watersnelheid (rechteras, gemiddelde kleuren), netto drijfvermogen (linkeras, lichte kleuren) en berekende weerstand / spanning op de afmeerlijn (linkeras, donkere kleuren) voor "Shell" Ark 1 (blauw) en "Shell" Ark 2 (groen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-10
Figuur 6: Waterkwaliteitsmetingen in verband met de "Shell" Arken en zeebodemcontrolelocaties in Vieques, Puerto Rico, onmiddellijk na de installatie en 6 maanden daarna. (A) Lichtintensiteit overdag, (B) huidige snelheid, (C,D) foto's genomen 6 maanden na installatie, (E) temperatuur, (F) opgeloste organische koolstof, (G) veranderingen in opgeloste zuurstofniveaus in de Arken versus controlelocaties gedurende 6 maanden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-11
Figuur 7: Metrieken geassocieerd met de waterkolom-geassocieerde microbiële gemeenschappen op de "Shell" Arken en zeebodemcontrolelocaties in Vieques, Puerto Rico onmiddellijk na installatie en 6 maanden daarna . (A) Virus-tot-microbe ratio, (B) bacteriële cel abundantie, (C) vrije virus abundantie, en (D) gemiddelde bacteriële celgrootte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-12
Figuur 8: Aandeel van overlevende koralen op de "Shell" Arken en zeebodemcontrolelocaties in Vieques, Puerto Rico gedurende de eerste 9 maanden na translocatie. De afbeeldingen tonen de status van een enkele koraalplaat op de Arken (boven) en op de benthische controleplaatsen (onder) onmiddellijk na translocatie (links) en 6 maanden na translocatie (rechts). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Tabel 1: Overwegingen bij de constructie en het ontwerp van ARMS. Afkortingen: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures; PVC = polyvinylchloride. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Tabel 2: Coral Arks ontwerpoverwegingen. Afkortingen: PVC = polyvinylchloride; ARMS = autonome rifbewakingsstructuren; HDPE = polyethyleen met hoge dichtheid. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Aanvullend bestand. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Discussie

De hierboven gepresenteerde representatieve resultaten tonen aan dat Coral Arks een habitat en verbeterde waterkwaliteitsomstandigheden bieden voor het samenstellen van rifgemeenschappen op stabiele, in situ onderzoeksplatforms. Arken en zeebodemcontrolelocaties op dezelfde diepte vertoonden consistent verschillende waterkwaliteitsprofielen. Hogere gemiddelde stroomsnelheden en verdere afstand tot de kust verminderden sedimentatie en troebelheid in het middenwatermilieu op de Arks-locaties (figuur 6B), wat waarschijnlijk bijdroeg aan de lagere gemeten opgeloste organische koolstofconcentraties op de Arken (figuur 6F). Verder resulteerden deze verbeteringen in de helderheid van het water in verhoogde lichtintensiteiten overdag op de Arken ten opzichte van de controlelocaties (figuur 6A). Lagere dielfluctuaties in opgeloste zuurstof wijzen op een verbeterde zuurstofbeschikbaarheid voor koralen op de Arken in vergelijking met de benthos, vooral 's nachts (figuur 6G). Deze statistieken zijn allemaal in verband gebracht met verbeteringen in koraaloverleving 42, groei 43,44,45 en herstel van stress 46,47 in eerder werk en kunnen worden gekoppeld aan verbeterde overlevingsresultaten van koralen die naar arken zijn getransloceerd in vergelijking met benthische controlelocaties (figuur 8 ). Het feit dat deze omstandigheden blijven bestaan, zelfs na de accumulatie van aanzienlijke biomassa door biofouling, geeft aan dat natuurlijke rekruteringsprocessen de verbeterde waterkwaliteitskenmerken van het middenwatermilieu niet verminderen. Arken werden 3 km uit de kust van de benthische controlelocaties ingezet en profiteerden waarschijnlijk van verminderde input van terrestrisch afgeleid sediment, voedingsstoffen en mogelijk visserijdruk die nearshore-locaties uitdagen. Het plaatsen van arken in gebieden met schoon water en een lage menselijke impact (zoals offshore) kan een betere omgeving bieden dan zwaar getroffen kustgebieden om de biodiversiteit van het rif te verspreiden voor experimenten op mesokosmosniveau.

De voorlopige bevindingen suggereerden ook dat de midwater Arks minder microbiële isatie ervoeren, een centraal rifproces geassocieerd met de degradatie van benthische rifhabitats 4,48. Hoge nutriënteninput en overbevissing zijn geïdentificeerd als aanjagers van rifbrede trofische feedbacklussen waarin energetisch gedestabiliseerde microbiële gemeenschappen zich vermenigvuldigen, wat resulteert in de respiratoire onttrekking van metabolisch beschikbare zuurstof en de verhoogde incidentie van koraalpathogenen bij de benthos 6,49,50,51 . De verminderde overvloed aan vrije virussen op gemicrobiële riffen, die dienen als een primaire lytische controle op de groei van microbiële gemeenschappen, duidt op een afbraak van de trofische structuur die verdere microbiële expansie bevordert52. Waterkolom-geassocieerde microben op de Arken waren zowel minder overvloedig (Figuur 7B) als fysiek kleiner (Figuur 7D) dan op de zeebodemlocaties. De Arks vertoonden ook hogere virus-microbe ratio's (Figuur 7A), overvloed aan vrije virussen (Figuur 7C) en opgeloste zuurstof beschikbaarheid, met name 's nachts (Figuur 6G). Alles bij elkaar geven deze bevindingen aan dat het middenwatermilieu minder potentieel voor microbiële isatie vertoonde ten opzichte van de zeebodemlocaties. Arken, als mesokosmos waarop omgevingsomstandigheden eenvoudig kunnen worden veranderd door verticale aanpassing in de waterkolom, bieden een mogelijkheid om de microbiële en moleculaire mechanismen van rifdegradatie te verzachten en verder te onderzoeken.

Geodetische bollen van twee verschillende frequenties werden geselecteerd voor het ontwerp van de hier gepresenteerde Koraalarkken (Figuur 1). Geodetische frequentie (1V, 2V, 3V) geeft het aantal herhalende subelementen in een geodetische bol aan, waarbij hogere frequenties overeenkomen met een hoger aantal driehoekige subelementen. Vanuit een structureel perspectief verdelen geodetische veelvlakken mechanische spanning door de structuur, wat resulteert in een hoge aangeboren sterkte voor hun grootte53,54. Deze eigenschappen zorgen voor een hoge duurzaamheid en een lange levensduur, maar gaan ten koste van een hogere hydrodynamische weerstand, wat kan resulteren in hogere belastingen op het afmeersysteem. Vanuit een habitatperspectief vertegenwoordigt de weerstand die door een Ark-systeem wordt gegenereerd een indicator van de diffusie van momentum binnen de structuur en dus de mate waarin de interne omgevingsstroom wordt verminderd. De gemodelleerde en experimenteel gevalideerde resultaten wijzen op een vermindering van 40% -70% van de stroomsnelheid in de "Shell" Arks ten opzichte van het omringende stromingsveld als gevolg van het genereren van turbulente stroming in de structuren (zie sectie 6 van aanvullend bestand 1). Hoewel het optimale niveau van interne stroomreductie niet duidelijk is (en verschilt met geodetische frequentie), zijn gebieden met verminderde stroming binnen de structuur belangrijk voor het creëren van nichehabitats 55,56, het remineraliseren van voedingsstoffen 57,58 en het bevorderen van het behoud en de vestiging van larven 59,60 . Over het algemeen vereisen geodetische structuren met een grotere en hogere frequentie, met name op meer blootgestelde installatieplaatsen, verankeringssystemen met een hoger houdvermogen en meer redundantie die in het structurele ontwerp is opgenomen.

De resultaten van de veldmetingen van de weerstandscomponent van de spanning op het "Shell" Ark-afmeersysteem kwamen nauw overeen met de resultaten die werden gegenereerd door de gemodelleerde en experimentele sleepschattingen (figuur 4) en lagen ruim binnen de verwachte ontwerpbereiken. Deze resultaten geven aan dat de aannames van het hydrodynamische model geldig zijn en dat het model weerstandskrachten over de achtergrondstroombereiken kan voorspellen. Hoewel de afwijkingen in de gemodelleerde en experimentele gegevens klein waren, maakte het bereik van stromen tijdens de testperiode, die typerend waren voor omgevings-, niet-stormstroomsnelheden op de locatie, geen rigoureuze validatie over het volledige modelleringsspectrum mogelijk. Bij het voorspellen van de ontwerpvereisten van Coral Arks-systemen moeten modelleringsinspanningen worden gecombineerd met informatie over stormfrequentie en blootstelling op de geplande inzetlocaties om structuren en afmeersystemen te ontwerpen die de verwachte hydrodynamische krachten kunnen overleven. Het hier gepresenteerde modelleringswerk kan worden gebruikt om Ark-systemen op andere locaties te ontwerpen met minimale ingangen (gewenste Ark-grootte, frequentie en gemiddelde stroomsnelheden op de inzetlocatie) door weerstandscoëfficiënten en maximale verwachte krachten op het afmeer- en verankeringssysteem te bieden.

Arks en ARMS-systemen zijn modulair en kunnen op andere schalen en met alternatieve materialen worden gebouwd dan die hier worden beschreven. Hoewel hun uiteindelijke levensduur nog niet is bepaald, zijn Coral Arks ontworpen om een levenscyclus van ongeveer 10 jaar te hebben. De materiële samenstelling van de Arks en ARMS beïnvloedt de levensduur van de structuren, het gewicht van de systemen en dus het vereiste drijfvermogen om het gewicht te compenseren en kan de reactie van vroege vervuilingsgemeenschappen beïnvloeden (Supplemental File 1-Figuur S7). Kalksteen biedt bijvoorbeeld een natuurlijker substraat voor biologische kolonisatie op de ARMS en is gemakkelijk en goedkoop afkomstig op de meeste carbonaatrifeilanden, maar het is kwetsbaarder en zwaarder dan andere materialen zoals PVC en glasvezel. Deze factoren moeten worden afgewogen tegen locatiespecifieke kenmerken om ARMS, arken en afmeersystemen te ontwerpen die het beste aansluiten bij de gewenste projectresultaten.

De inzetlocaties voor Coral Arks moeten ook worden geselecteerd op basis van de beoogde projectdoelen (d.w.z. onderzoek, mitigatie of restauratie). Factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de selectie van locaties zijn onder meer de toegang tot materialen, de staat of toestand van het rif, de investering / betrokkenheid van de gemeenschap, beperking van de middelen, institutionele ondersteuning en vergunningsvereisten. Koraalarken kunnen mogelijkheden bieden om aan specifieke behoeften te voldoen op locaties die (1) levende koraalriffen bevatten die in relatief slechte staat verkeren en baat zouden hebben bij herstelactiviteiten om de koraalrekrutering, koraalbedekking, kustbescherming of menselijke voedselbronnen te verbeteren; (2) behoefte hebben aan de translocatie van koralen naar een andere locatie, wat bijvoorbeeld kan gebeuren wanneer er wettelijke vereisten zijn om levende koralen te verplaatsen van puinitems die gepland zijn voor verwijdering (op deze locaties kunnen koraalarken worden gebruikt in samenwerking met of ter ondersteuning van bestaande restauratie- en uitplantingsinspanningen om de translocatieresultaten te verbeteren); (3) onderzoek te eisen naar nieuwe instandhoudings- en restauratietechnologieën met behulp van Coral Arks om het succes van lokale inspanningen te verbeteren; of (4) voldoende verschillende lokale omstandigheden hebben (d.w.z. een verschillende omvang van de antropogene impact), wat betekent dat gestandaardiseerde mesokosmos zinvolle vergelijkingen over rifprocessen en -interventies kan opleveren. De specifieke benaderingen voor het monitoren van aspecten van het ecosysteem van Coral Arks, zoals biologische groei, diversiteit en waterchemie, zullen variëren tussen projecten op basis van de projectdoelen en locatiespecifieke variabelen. Een representatief overzicht voor de wetenschappelijke monitoring van Coral Arks die tot nu toe is uitgevoerd, wordt gegeven in sectie 5 van aanvullend dossier 1.

Het ontwerp van Coral Arks-structuren is geschikt voor koralen van bijna elke soort, grootte en leeftijd en zou betere omstandigheden moeten bieden ten opzichte van die op een verstoord rif benthos. Afhankelijk van de groei- en verkalkingssnelheden die op een bepaald systeem worden waargenomen, kan de toevoeging van positief drijfvermogen aan de Arks-structuren nodig zijn om de biologische groei te compenseren en het risico op zinken te verminderen. Positief drijvende middenwaterstructuren kunnen worden gewogen met behulp van een spannings-/compressiebelastingcel of rekstrook om te bepalen of het gewicht van de gemeenschap in het water toeneemt (figuur 5). Periodieke of langetermijnmetingen met behulp van de loadcel kunnen een aanvulling vormen op andere koraalgroeimetingen met een fijnere resolutie om een metriek van groei / verkalking op gemeenschapsniveau te genereren en zijn opgenomen als een reguliere onderhoudstaak om te bepalen of het systeem voldoende positief drijfvermogen heeft om deze biologische groei in de loop van de tijd te compenseren. In het geval dat een geïnstalleerde Ark niet langer kan worden bewaakt of onderhouden, kan deze worden verplaatst en / of kan het drijfvermogen worden verwijderd om de Ark stevig aan de benthos te kunnen bevestigen.

De hier beschreven methoden bieden onderzoekers een veelzijdige toolkit voor het samenstellen van midwaterrifgemeenschappen die kunnen worden geplaatst op locaties met een verbeterde waterkwaliteit. Door de diepte of locatie van de Arks-structuren te veranderen, kunnen veranderingen in waterkwaliteitsparameters experimenteel worden gekoppeld aan veranderingen in de structuur van de rifgemeenschap en successietrajecten. Deze ontwerpfunctie stelt onderzoekers in staat om de overvloedige en onderbenutte ruimte in de middenwateromgeving te benutten om koraalrifmesocosmen te verzamelen en te bestuderen. Het gebruik van gezaaide ARMS om cryptische biodiversiteit te transloceren en een "boost" te geven aan de natuurlijke rekrutering van mobiele grazende ongewervelde dieren biedt een functionele oplossing voor het verminderen van algenbiofouling en dus benthische concurrentie voor koralen. Het gebruik van gevestigde en gestandaardiseerde bemonsteringsstructuren als componenten van dit systeem biedt toegevoegde waarde door de langetermijnmonitoring van cryptische gemeenschappen op arken mogelijk te maken en te vergelijken met datasets die zijn gegenereerd met ARMS als een wereldwijd hulpmiddel voor het tellen van biodiversiteit.

Koraalarken kunnen dienen als een meer holistisch, geïntegreerd en zelfregulerend platform voor het verspreiden van koraal- en ongewervelde biomassa die vervolgens kan worden uitgeplant naar nabijgelegen aangetaste riffen en een veilige haven kan bieden voor koralen om te groeien en zich voort te planten in verbeterde waterkwaliteitsomstandigheden. Zoals momenteel wordt aangetoond in Puerto Rico, kunnen arken verbeterde overlevingsresultaten opleveren voor mitigatieprojecten waarbij koralen en rifbiodiversiteit worden verplaatst uit puin of aangetaste gebieden. Arken zijn relevant in langetermijnprojecten als een methode om habitats voor vispopulaties te vervangen, nieuwe instandhoudingsstrategieën te testen en de inheemse rifbiodiversiteit te behouden. In het proces bieden Arks veelzijdige hulpmiddelen voor het uitvoeren van in situ studies van rifassemblages en ecologische successie en kunnen nieuwe inzichten in rifconnectiviteit genereren.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen of andere belangenconflicten.

Dankbetuigingen

We danken Mark Vermeij, Kristen Marhaver en de CARMABI Research Foundation op Curaçao voor het verstrekken van middelen, ondersteuning en inzicht voor dit project. We danken het NAVFAC Atlantic Vieques Restoration Program en het Jacobs Engineering-team voor hun substantiële logistieke en technische ondersteuning bij het installeren, onderhouden en bewaken van de Coral Arks in Vieques. We zijn ook Mike Anghera, Toni Luque, Cynthia Silveira, Natascha Varona, Andres Sanchez-Quinto, Lars ter Horst en Ben Darby dankbaar voor hun hulp en constructieve inbreng in het veld. Dit onderzoek werd gefinancierd door een Gordon and Betty Moore Foundation Aquatic Symbiosis Investigator Award aan FLR en door het Department of Defense Environmental Security Technology Certification Program (RC20-5175).

Materialen

```html
Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
PVC ARMS
316 Stainless Steel Hex Head Bolt, Partially Threaded, 8" length, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr92186A569Bolts voor PVC ARMS-assemblage
Per eenheid: 4x
316 Stainless Steel Hex Nut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr94805A029Motten voor PVC ARMS-assemblage
Per eenheid: 8x
316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr90715A125Lockmotten voor PVC ARMS-assemblage
Per eenheid: 4x
316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" ODMcMaster Carr90107A029Wasmachines voor PVC ARMS-assemblage
Per eenheid: 8x
Nylon Unthreaded Spacers - 1/2" Long, 1/2" OD, BlackMcMaster Carr90176A159Nylon spacers voor PVC ARMS-assemblage
Per eenheid: 20x
PVC Sheet Type 1, 0.25" Thick, GrayMcMaster Carr8747K215PVC voor ARMS stapelplaten. Zie Bijlage 1-Figuur SI 4.
Per eenheid: 9x
Verwijst naar tekening: Ja
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, GrayMcMaster Carr8747K217PVC voor ARMS-basisplaten. Zie Bijlage 1-Figuur SI 1.
Per eenheid: 1x
Verwijst naar tekening: Ja
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, GrayMcMaster Carr8747K217PVC voor ARMS lange kruisruimte-afstandhouders. Zie Bijlage 1-Figuur SI 2.
Per eenheid: 4x
Verwijst naar tekening: Ja
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, GrayMcMaster Carr8747K217PVC voor ARMS korte kruisruimte-afstandhouders. Zie Bijlage 1-Figuur SI 3.
Per eenheid: 8x
Verwijst naar tekening: Ja
Ratcheting Combination Wrench, 7/16"McMaster Carr5163A15Sleutels om PVC ARMS-hardware vast te zetten
Per eenheid: 2x
Rebar, 3-ft Lengths, 1/2" ThickMcMaster Carr7480N115Staafbouten om PVC ARMS te bevestigen aan benthos. Hamer vereist.
Per eenheid: 4x
Sequentially Numbered Metal TagsMcMaster Carr2208N349Gegevenslabels voor ARMS ID
Per eenheid: 1x
Limestone ARMS
DeWalt Wet Tile SawHome DepotD24000SSnij kalksteen in stapelbare stukken
Per eenheid: 1x
Lift Bag, 50 lb CapacityAmazonB07GCNGRDRHefferzak voor transport van Limestone ARMS naar benthos
Per eenheid: 1x
Milk Crate, Heavy Duty, 13" x 19" x 11"AmazonB06XGBDJMDKist voor transport van Limestone ARMS naar benthos
Per eenheid: 1x
Natural Limestone or Travertine Tile (Unfilled) - 12" x 12"Bedrosians Tile & StoneTRVSIENA1212TBasismateriaal voor Limestone ARMS-lagen en stapelstukken. Zie Bijlage 1-Figuur SI 7 en Figuur SI 8.
Per eenheid: 10x
Verwijst naar tekening: Ja
PC-11 Epoxy Adhesive Paste, Two-Part Marine GradeAmazonB008DZ1864Tweedelig epoxy voor Limestone ARMS-assemblage
Shell Ark
Downline: 1" Nylon, 6' length thimble-to-thimble with stainless sailmaker thimble at top, heavy duty galvanized thimble at bottomWest MarineCustomNylon lijn voor het bevestigen van de Ark-ankerlijn aan het ankersysteem.
Per eenheid: 1
Main structure: 105-B EpoxyWest Marine (made by West System)318352Epoxy om schuim in schuimstellingen te verzegelen. 
Main structure: 205-B HardenerWest Marine (made by West System)318378Epoxy om schuim in schuimstellingen te verzegelen. 
Mooring bridle: 3-1/8" X 2" small diamond base padeye with 7/8" bailWest Marine (Made by Harken)130560Padeyes voor het bevestigen van het ankersysteem aan de Ark-basis.
Per eenheid: 5
Main structure: 3/4" H-80 Divinycell Closed-Cell Foam, Plain Sheet 48" x 96"Fiberglass SupplyL18-1110Driftschuim voor schuimstellingen. Snijd het schuim in 1,5" brede stroken, 15,5" lang voor S1-schuimstellingen en 19" lang voor S2-schuimstellingen, voeg toe aan schuimstellingen.
Per eenheid: 120
Downline: 3/4" Stainless MasterlinkLift-It (Made by Suncor)S0652-0020Masterlink, verbindt de bovenkant van de draaischarnier met de onderste porties van de 5-punts ankerlijn.
Per eenheid: 1
Mooring bridle: 3/8" Stainless Long D Shackles with Captive Self-Locking PinWest Marine (Made by Wichard)116293Hoogwaardige schakels om pad eyes met ankersysteem te verbinden.
Per eenheid: 5
Main structure: 316 SS, Pan Head Phillips Screw, 1/4-20, 3" LongMcMaster Carr91735A385Schroeven om behuizingsanoden aan roestvrijstalen schuimstellingen te bevestigen
Per eenheid: 2

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Rif mesocosmosSamenstelling van rifgemeenschappenKoraaltranslocatieAutonome rifmonitoringWaterkwaliteitsmetriekenAssemblage van geodetische framesBenthische mariene gemeenschappenMicrobi le gemeenschapsanalyseEcologische monitoring
Coral Reef Arks: een in situ mesokosmos en toolkit voor het samenstellen van rifgemeenschappen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.