Arki rafy koralowej: mezokosmos in situ i zestaw narzędzi do tworzenia społeczności rafowych

Na całym świecie ekosystemy raf koralowych przechodzą transformację od społeczności bentosowych o wysokiej różnorodności biologicznej do społeczności o niższej różnorodności, zdominowanych przez makroglony darniowe i mięsiste^1,2,3. Dziesięciolecia postępów w charakteryzowaniu mechanizmów degradacji raf koralowych ujawniły, w jaki sposób powiązania między społecznościami mikroorganizmów i makroorganizmów zwiększają tempo i dotkliwość tych przemian. Na przykład przełowienie raf koralowych przez populacje ludzkie inicjuje kaskadę troficzną, w której nadmiar fotosyntetycznie uzyskanych cukrów z nierozdrobnionych glonów kieruje energię do społeczności mikroorganizmów rafy, napędzając w ten sposób patogenezę i powodując spadek liczebności koralowców^4,5^,6. To troficzne obniżenie klasy jest wzmocnione przez utratę różnorodności biologicznej na rafach, która wynika z pogorszenia jakości wody^7,8. Eksperymenty na poziomie mezokosmosu można wykorzystać do lepszego zrozumienia i złagodzenia degradacji troficznej społeczności raf koralowych poprzez zwiększenie różnorodności biologicznej i poprawę jakości wody, ale wyzwania logistyczne utrudniają przeprowadzenie tych badań in situ.

Konsekwencją degradacji troficznej raf jest powszechna utrata tajemniczej różnorodności biologicznej, z której większość pozostaje nieopisana^7,9. Koralowce polegają na zróżnicowanym zestawie tajemniczych organizmów rafowych ("kryptobiota"), które wspierają ich zdrowie, odgrywając integralną rolę w obronie przed drapieżnikami¹⁰, cleaning¹¹, wypas konkurujących z glonami^12,13, oraz regulacja składu chemicznego wody rafowej^14,15. Do niedawna, ze względu na ograniczenia metodologiczne badań wizualnych, kryptobiota raf była niedostatecznie reprezentowana i słabo rozumiana w kontekście ekologii raf, a zatem rzadko jest brana pod uwagę w wysiłkach na rzecz odbudowy lub odbudowy raf. W ciągu ostatniej dekady zastosowanie ustandaryzowanych jednostek osadniczych zwanych Autonomicznymi Strukturami Monitorowania Raf (ARMS) w połączeniu z wysokoprzepustowymi podejściami do sekwencjonowania umożliwiło lepsze gromadzenie i charakteryzowanie kryptoflory rafowej ^16,17. ARMS pasywnie rekrutuje przedstawicieli prawie wszystkich znanych bioróżnorodności raf koralowych i pomogło ujawnić liczne funkcjonalne role organizmów kryptycznych w procesach zachodzących na skali rafy^{9,18,19,20,21,22,23}. Te jednostki osadnicze zapewniają zatem mechanizm translokacji tajemniczej fauny i flory rafowej wraz z koralowcami w celu zgromadzenia bardziej nienaruszonych społeczności rafowych z biologicznie zapośredniczonymi mechanizmami, takimi jak wypas, obrona i poprawa lokalnej jakości wody, które są niezbędne do utrzymania struktury troficznej.

Rafy zdominowane przez koralowce rozwijają się w środowiskach o wysokim natężeniu światła, niskiej zawartości składników odżywczych i dobrze natlenionym. Działalność człowieka, taka jak urbanizacja, rolnictwo i przełowienie, obniżyła jakość wody na wielu rafach koralowych poprzez zwiększenie ilości osadów, składników odżywczych, metali i innych związków w odpływie^24,25 oraz poprzez zmianę cyklu biogeochemicznego²⁶. Z kolei działania te degradują zbiorowiska rafowe poprzez przytłaczanie, wyczerpywanie energii, dostarczanie zanieczyszczeń związanych z sedymentacją^27,28, zwiększając wzrost makroglonów, które konkurują z koralowcami²⁹, zwiększając obfitość patogenów mikrobiologicznych^6,30,31i tworzenie stref hipoksyjnych, które zabijają kryptyczne bezkręgowce^32,33. Te i inne "lokalne wpływy" są potęgowane przez regionalne i globalne zmiany warunków oceanicznych, w tym rosnące temperatury i spadające pH, co jeszcze bardziej pogarsza warunki dla koralowców i innych organizmów rafowych^34,35. Na granicy faz bentos-woda, w szczególności, dynamika oddechowa i fotosyntetyczna zbiorowisk bentosowych powoduje wahania pH i rozpuszczonego tlenu, które stają się bardziej wyraźne na wysoce zdegradowanych rafach, tworząc w ten sposób warunki, których bezkręgowce bentosowe nie tolerują^32,36,37,38. Zapewnienie odpowiednich warunków jakości wody jest zatem niezbędne do budowy funkcjonujących zbiorowisk rafowych, ale pozostaje to wyzwaniem, ponieważ coraz większa liczba raf jest uwięziona w różnych stanach degradacji.

Wiele wyzwań stojących przed koralowcami i fundamentalnymi taksonami kryptycznymi na bentosie można przezwyciężyć poprzez przeniesienie się do środka wody, zdefiniowanej tutaj jako słup wody ustawiony między powierzchnią oceanu a dnem morskim. W środowisku śródwodnym jakość wody ulega poprawie^39,40, sedymentacja jest zmniejszona, a odległość od dna morskiego tłumi wahania parametrów związanych z metabolizmem bentosowym. Cechy te ulegają dalszej poprawie poprzez przenoszenie się na wybrzeże, gdzie oddziaływania antropogeniczne na lądzie, takie jak spływ pochodzący z lądu, stają się coraz bardziej osłabione wraz z odległością od wybrzeża. W tym miejscu przedstawiamy i udostępniamy protokoły budowania, wdrażania i monitorowania Ark Rafy Koralowej, podejście, które wykorzystuje poprawę warunków jakości wody w środkowej wodzie i włącza tajemniczą różnorodność biologiczną na zakotwiczonych, pozytywnie wypornych konstrukcjach do tworzenia społeczności raf koralowych.

Systemy Ark Rafy Koralowej, lub "Arki", składają się z dwóch głównych elementów: (1) zawieszonej sztywnej platformy geodezyjnej wyniesionej ponad bentos i (2) pokrytych organizmami lub "zasianych" RAMION, które przenoszą kryptobiotę rafy z pobliskich obszarów bentosowych, uzupełniając w ten sposób naturalne procesy rekrutacji, aby zapewnić translokowanym koralowcom bardziej zróżnicowaną i funkcjonalną społeczność rafową. Konstrukcja geodezyjna została dobrana tak, aby zmaksymalizować wytrzymałość i zminimalizować materiał budowlany (a co za tym idzie wagę), a także stworzyć wewnętrzne, turbulentne środowisko przepływu analogiczne do matrycy rafy.

Dwa projekty Ark zostały pomyślnie zainstalowane na dwóch karaibskich stanowiskach terenowych i są obecnie wykorzystywane do badań nad powstawaniem społeczności rafowych i sukcesją ekologiczną (Rysunek 1). Struktury Coral Arks mają być długoterminowymi platformami badawczymi i jako takie, głównym celem tego manuskryptu jest opisanie protokołów lokalizacji, instalacji, monitorowania i konserwacji tych struktur w celu maksymalizacji ich stabilności i długowieczności w środowisku śródwodnym. Połączenie modelowania i testów w wodzie wykorzystano do oceny charakterystyki oporu konstrukcji i dostosowania projektu do wytrzymania przewidywanych sił hydrodynamicznych. Po instalacji, zbiorowiska rafowe zostały założone na Arkach i w pobliskich miejscach kontroli bentosu na tej samej głębokości dzięki połączeniu aktywnej translokacji (koralowce i zasiane jednostki ARMS) i naturalnej rekrutacji. Warunki jakości wody, dynamika zbiorowisk mikrobiologicznych i przeżywalność koralowców na arkach zostały udokumentowane w kilku punktach czasowych we wczesnym okresie sukcesji i porównane z miejscami kontroli bentosowej. Do tej pory warunki związane ze środowiskiem Ark Koralowych w środkowej wodzie były konsekwentnie bardziej korzystne dla koralowców i związanych z nimi tajemniczych konsorcjów w porównaniu z sąsiednimi miejscami kontroli bentosu na tych samych głębokościach. Poniższe metody opisują kroki wymagane do odtworzenia podejścia Coral Arks, w tym sposób wyboru lokalizacji oraz projektowania i wdrażania struktur Coral Arks. Sugerowane podejścia do monitorowania Coral Arks są zawarte w Pliku Uzupełniającym 1.

UWAGA: Szczegółowe informacje dotyczące produkcji, wdrażania i monitorowania konstrukcji ARMS i Coral Arks, w tym rysunki techniczne, schematy i zdjęcia, znajdują się w Pliku Uzupełniającym 1. Zaleca się, aby sekcje protokołu dotyczące prac podwodnych, w tym instalacji Ark i konstrukcji ARMS, były wykonywane przez zespół trzech nurków (na SCUBA) i dwóch pracowników wsparcia powierzchniowego.

1. Montaż i rozmieszczenie ARMS

UWAGA: RAMIONA to około 1 stopy³ (30 cm³) struktury wykonane z PVC lub wapiennych materiałów bazowych, które naśladują trójwymiarową złożoność podłoży rafowych o twardym dnie. W tabeli 1 omówiono dwa projekty ARMS z uwzględnieniem różnych uwarunkowań projektowych. Zaleca się, aby ARMS były stosowane przez 1-2 lata przed przeniesieniem do Arki, aby zmaksymalizować kolonizację przez tajemniczą faunę i florę.

1. RAMIONA PVC
   UWAGA: Gotowe komponenty, o których mowa w tym protokole (i wymienione w Tabeli materiałów) są opisane za pomocą jednostek imperialnych. Wytworzone materiały są opisane za pomocą jednostek metrycznych. Szczegółowe instrukcje produkcyjne, w tym rysunki techniczne dotyczące produkcji komponentów, znajdują się w sekcji 1 pliku uzupełniającego 1.
   1. montaż
      1. Włóż cztery z sześciokątnym o długości 1/4 cala 20 i 8 cali przez środkowe otwory w płycie podstawy z PVC o grubości 1/2 cala; następnie odwróć ją tak, aby były skierowane pionowo do góry.
      2. Dodaj nylonową podkładkę dystansową do każdej, a następnie dodaj płytę o grubości 1/4 cala, PVC 9 cali x 9 cali. W ten sposób powstaje otwarta warstwa między płytą podstawy a pierwszą płytą do układania w stos.
      3. Dodaj długą przekładkę krzyżową na dwóch w przeciwległych rogach, a następnie dodaj dwie krótkie przekładki krzyżowe na pozostałych, tak aby powstał znak "X". Dodaj kolejną płytę do układania w stos z PVC, aby utworzyć zamkniętą warstwę.
      4. Powtórz kroki 1.1.1.2 i 1.1.1.3, naprzemiennie między warstwami otwartymi i zamkniętymi, aż do dodania siedmiu do dziewięciu warstw płyty do (plik uzupełniający 1-Rysunek S5).
      5. Dodaj podkładkę, nakrętkę sześciokątną i nylonową przeciwnakrętkę wkładki na górze każdej i mocno dokręć.
   2. W celu rozmieszczenia należy przetransportować zmontowane ramiona z PVC do docelowego miejsca rozmieszczenia, pokrywając ARMS siatką 100 μm podczas przenoszenia, aby zatrzymać małe ruchome bezkręgowce (plik uzupełniający 1 - rysunek S6). Zlokalizuj skrawek podłoża rafy koralowej w pobliżu zdrowych społeczności rafy koralowej.
      UWAGA: Konkretne miejsca rozmieszczenia powinny być wybierane z uwzględnieniem lokalnych przepisów i warunków pozwoleń, takich jak unikanie krytycznych siedlisk dla gatunków wymienionych w ustawie o gatunkach zagrożonych wyginięciem w wodach USA.
      1. Używając 3 długości pręta zbrojeniowego 1/2 cala i młotka, przymocuj RAMIONA do bentosu we wszystkich czterech rogach, wbijając pręt zbrojeniowy, lekko pochylony na zewnątrz, w wapień bazowy tak, aby pręt zbrojeniowy generował naprężenie względem krawędzi płyty podstawy (Rysunek 2A, B).
      2. Alternatywnie, połącz łańcuchy ARMS za pomocą wytrzymałych opasek kablowych i zakotwicz końce łańcuchów w utwardzonych workach (Rysunek 2C i plik uzupełniający 1-Rysunek S6).
2. Kamień wapienny ARMS
   1. Do montażu zacznij od 12 cali x 12 cali niedokończonych płytek wapiennych lub trawertynowych (Rysunek 2). Zidentyfikuj pożądaną złożoność wnętrza wapiennego ARMS.
      UWAGA: Zaleca się stosowanie kostki 2 cm³. Alternatywne projekty i rozważania znajdują się w sekcji 2 pliku uzupełniającego 1.
      1. Za pomocą piły do płytek na mokro pokrój kilka niedokończonych płytek na kwadratowe przekładki o długości 2 cm (~250).
      2. Przytnij płytki trawertynowe do pożądanego kształtu dla warstw ARMS. Podobnie jak w przypadku RAMION PVC, użyj kwadratów o wymiarach 12 cali x 12 cali i ułóż je za pomocą przekładek, aby utworzyć kostki o długości 1 stopy^{i 3} (plik uzupełniający 1-rysunek S8).
      3. Używając dwuskładnikowej, nietoksycznej żywicy epoksydowej klasy morskiej, przyklej mniejsze kawałki trawertynu do większej płyty warstwowej trawertynu wzdłuż wstępnie narysowanego wzoru siatki.
      4. Przygotuj kilka warstw, które po ułożeniu razem osiągają pożądaną wysokość ARMS. Poczekaj, aż żywica epoksydowa utwardzi się zgodnie z zaleceniami producenta.
      5. Zamontuj płyty do układania ARMS za pomocą żywicy epoksydowej, aby przykleić każdą warstwę do warstwy znajdującej się nad nią.
         UWAGA: Wysokość ramion będzie się różnić w zależności od pożądanej wagi i złożoności wewnętrznej. Zalecany jest ostateczny rozmiar około 1 stopy³.
      6. Pozostaw żywicę epoksydową do utwardzenia się z bezpośredniego światła słonecznego przez 24 godziny przed rozmieszczeniem.
   2. W celu rozmieszczenia przetransportuj zmontowane ramiona wapienne do docelowego miejsca rozmieszczenia. Zlokalizuj skrawek podłoża rafy koralowej w pobliżu zdrowych społeczności rafy koralowej.
      UWAGA: Konkretne miejsca rozmieszczenia powinny być wybierane z uwzględnieniem lokalnych przepisów i warunków pozwoleń, takich jak unikanie krytycznych siedlisk gatunków wymienionych w ustawie o gatunkach zagrożonych wyginięciem w wodach USA.
      1. Przetransportuj ARMS do bentosu za pomocą skrzynki na mleko i worka do podnoszenia. Wciśnij Limestone ARMS w martwą matrycę rafy (żywa skała). Unikaj siedlisk o piaszczystym dnie i tych silnie skolonizowanych przez glony darniowe lub bentosowe maty sinicowe.
      2. Umieść wapienne RAMIONA obok skalistych nawisów i wychodni, aby chronić je przed działaniem fal i falami sztormowymi.

2. Montaż i rozmieszczenie Coral Arks

UWAGA: Tabela 2 omawia rozważania projektowe Coral Arks przy różnych parametrach projektu. Wymiary elementów podrzędnych (rozpórki, piasty, platformy, elementy cumownicze i dodatnia pływalność) mogą być modyfikowane w zależności od pożądanego rozmiaru i wagi końcowych konstrukcji Coral Ark.

1. Montaż systemu kotwienia
   UWAGA: Wybierz system kotwienia w oparciu o względy specyficzne dla miejsca i projektu, takie jak konstrukcja Arki, częstotliwość sztormów, rodzaj dna, ekspozycja terenu, czas trwania projektu oraz przewidywane siły spowodowane oporem, prądami i wyporem. Zobacz PADI⁴¹, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat wyboru systemu cumowania.
   1. Używaj piaskowych na piaszczystym dnie i luźnych siedliskach gruzowych.
      1. Przetransportować piaskowe do bentosu. Ustawiając piasku pionowo, przekręć i zakop do piasku, aż pierwszy krążek zostanie pokryty piaskiem lub luźnym gruzem.
      2. Umieść metalowy pręt obrotowy o długości 5 stóp przez oczko kotwicy tak, aby większość pręta obrotowego wystawała z jednej strony oka.
      3. Chodząc lub pływając w kółko po bentosie, wkręć z piaskiem w podłoże, aż z bentosu pozostanie tylko oko (plik uzupełniający 1-rysunek S20).
      4. Zamontuj trzy piaskowe w trójkątny układ, połączone uzdą łańcuchową, aby zwiększyć siłę trzymania (plik uzupełniający 1-rysunek S20).
   2. Używaj kotew Halas w siedliskach twardego dna i węglanowej skały podstawowej.
      1. Transportować 9-12 w oczkowych i wiertarce zatapialnej (elektrycznej lub pneumatycznej) do miejsca zakotwiczenia.
      2. Użyj wiertła zatapialnego i otwornicy o średnicy 1 cala, aby wywiercić otwór o głębokości 9 cali i szerokości 1 cala w skale podstawowej. Okresowo usuwaj nadmiar podłoża z otworu za pomocą bastera do indyka.
      3. Wypełnij otwór cementem portlandzkim lub żywicą epoksydową klasy morskiej. Wciśnij wałek oczkowej do otworu, a pozostałe szczeliny wypełnij cementem lub żywicą epoksydową.
      4. Pozwól cementowi/żywicy epoksydowej utwardzić się przez 5 dni.
      5. Aby zwiększyć siłę trzymania, zainstaluj trzy kotwice Halas w trójkątny wzór, połączone uzdą łańcuchową.
   3. Używaj cumowania blokowego w miejscach, w których istnieją bloki cumownicze lub ciężkie elementy gruzowe.
      UWAGA: Instalacja nowego bloku cumowniczego wymaga sprzętu instalacyjnego klasy komercyjnej, takiego jak dźwig montowany na barce, i nie jest zalecana w przypadku projektów o mniejszym zakresie.
      1. Przymocuj system cumowniczy do istniejących ciężkich elementów gruzowych (zatopione statki, bloki silnika) lub do istniejących oczek bloku cumowniczego za pomocą sprzętu i sprzętu.
      2. Upewnij się, że metalowe elementy cumownicze są wykonane z podobnych metali i zabezpieczone przed korozją galwaniczną za pomocą anod protektorowych.
2. Struktura częstotliwości 1 V (dwie platformy)
   UWAGA: Szczegółowe instrukcje produkcyjne, w tym rysunki techniczne dotyczące produkcji komponentów, znajdują się w sekcji 4 pliku uzupełniającego 1. Gotowe komponenty, o których mowa w niniejszym protokole (i wymienione w Tabeli Materiałów), są opisane za pomocą jednostek imperialnych.
   1. Montaż ramy geodezyjnej 1V
      1. Przykręć nakrętkę sześciokątną 1/4-20 ze stali nierdzewnej na 1/4-20 2.5 cala ze stali nierdzewnej w 3/4 wysokości do górnej części. Włóż do jednego z wewnętrznych otworów w rozpórce.
      2. Przymocuj przeciwnakrętkę po drugiej stronie, dokręcając ją, aż bezpiecznie zrówna się z PVC, aby zapobiec zsuwaniu się piasty na całej długości rozpórki.
      3. Powtórz dla przeciwnej strony rozpórki i dla pozostałych 29 rozpórek.
      4. Przepchnij koniec każdej rozpórki przez jeden z otworów w piastach i przykręć kolejną przez zewnętrzny otwór w rozpórce, kończąc przeciwnakrętką, aby zapobiec wysunięciu się rozpórki z piasty (plik uzupełniający 1-rysunek S24).
      5. Powtórz tę czynność dla wszystkich pięciu rozpórek w jednej piaście, a następnie kontynuuj dodawanie piast i rozpórek, aż kula geodezyjna zostanie zmontowana (plik uzupełniający 1-Rysunek S24).
      6. Rozwiń linę stalową ze stali nierdzewnej 1/8 cala i zacznij przewlekać ją przez rozpórki. Stwórz 12 pętli, mniej więcej wielkości srebrnego dolara, z nylonowych opasek kablowych - po jednej na każdą piastę. Gdy lina stalowa jest przewleczona przez rozpórki, przełóż linę przez pętlę opaski zaciskowej na piaście, a następnie przejdź do następnej rozpórki.
         UWAGA: Niektóre rozpórki zostaną powtórzone.
      7. Kontynuuj nawlekanie, aż lina stalowa zostanie przewleczona przez wszystkie rozpórki, połączone w środku każdego wierzchołka za pomocą pętli na opaskę zaciskową.
      8. Przeciągnij z powrotem do punktu początkowego. Za pomocą szczypiec pociągnij pętle opaski zaciskowej, aby skurczyć je do najmniejszego możliwego rozmiaru, zbliżając do siebie odcinki liny stalowej. Zamontuj ze stali nierdzewnej 1/2 cala clamp na wszystkich długościach liny stalowej i mocno dokręć.
      9. Powtórz te czynności dla wszystkich wierzchołków konstrukcji.
      10. Połącz początkową długość liny stalowej z długością końcową i zaciśnij je razem za pomocą trzech 1/2 cala clamps.
          UWAGA: Lina stalowa (wytrzymałość na zerwanie: 2,000 funtów) powinna teraz wytrzymać większość obciążenia nałożonego na konstrukcję, znacznie ją wzmacniając
      .
      11. Dodaj system olinowania, który składa się z dwóch odcinków ze stali nierdzewnej 3/8 cala hydraulicznie naciągniętego na oko na każdym końcu. Zamontuj zaślepki z PVC między wnękami tak, aby przechodził przez całą długość arki, z oczkami na górze i na dole dla mocowań cumowniczych/boi. System rzymskich pośrodku łączy dwie długości ze stali nierdzewnej.
      12. Przełóż dolne końce przez górną i dolną część Arki, dopasowując zaślepki do górnej i dolnej piasty za pomocą młotka. Wkręć oczkowe w rzymską i dokręć, aż do uzyskania wystarczającego naprężenia konstrukcji, aby system był sztywny (plik uzupełniający 1 - rysunek S24).
      13. Dodaj każdą formowaną kratę z włókna szklanego, pociętą na dwa półpięciokąty, do wnętrza Arki za pomocą wytrzymałych opasek zaciskowych o wadze 250 funtów, aby zakotwiczyć boki platformy do rozpórek Arki (Plik uzupełniający 1-Rysunek S24).
      14. Pod konstrukcją umieść jedną długość dwuteownika z włókna szklanego tak, aby łączyła obie połówki platformy z włókna szklanego. Przymocuj do spodu platformy za pomocą dwóch w kształcie litery U 1/4 cala 20 ze stali nierdzewnej.
      15. Powtórz tę czynność dla pozostałych czterech belek dwuteowych, równomiernie rozkładając je wzdłuż platformy. Łączy to i podtrzymuje dwie połówki platformy, tworząc pełny pięciokąt.
      16. Zaciśnij wytrzymałe opaski zaciskowe na krawędziach platformy i odetnij nadmiar. Na końcu tego kroku wewnętrzna platforma jest mocno zintegrowana ze strukturą Arki (plik uzupełniający 1-rysunek S24).
      17. Użyj drutu myjącego ze stali nierdzewnej, aby umyć końce rzymskiej i wszystkie szekle. Na końcu tego etapu Arka będzie miała dwie zintegrowane platformy, górne i dolne mocowania do mocowania sprzętu oraz centralny, który przenosi większość siły naciągu wywieranej na konstrukcje poprzez zakotwiczenie i dodatnią pływalność.
   2. Mocowanie liny cumowniczej do ramy geodezyjnej
      UWAGA: Systemy cumownicze powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby wytrzymałość na zerwanie wszystkich poszczególnych elementów cumowniczych przekraczała maksymalne obciążenie oczekiwane ze względu na warunki otoczenia i ekstremalne warunki środowiskowe. Zapoznaj się z reprezentatywnymi wynikami, aby zapoznać się z opisem zastosowania modelowania hydrodynamicznego w projektowaniu systemów cumowniczych. Zaleca się rozłożenie obciążenia na wiele punktów mocowania na Arce i na systemie kotwienia dna morskiego, ponieważ zwiększa to redundancję systemu w przypadku awarii poszczególnych elementów.
      1. Zaprojektuj liny cumownicze i osprzęt tak, aby zapewnić bezpieczne połączenia między podstawą Arki a systemem kotwicznym (zobacz Rysunek 1 dla przykładu).
         UWAGA: Zaleca się zaprojektowanie systemu cumowania w taki sposób, aby linia środkowa konstrukcji Arki znajdowała się na głębokości 30 m.
      2. Połącz górną część podwójnie splecionej linki z oczkiem podstawy Arki za pomocą szekli. Podłącz obrotową szeklę o wysokiej wytrzymałości ze stali nierdzewnej do podstawy tej linii (Rysunek 1 i plik uzupełniający 1-Rysunek S25).
      3. Podłącz górną część podwójnie splecionej linki do podstawy szekli obrotowej. Dolna część tej linii połączy się z systemem kotwicznym (Rysunek 1 i plik uzupełniający 1-Rysunek S25).
   3. Transport Arki na miejsce rozmieszczenia
      1. Przetransportuj Arkę ciężarówką z platformą na plażę przylegającą do miejsca rozmieszczenia (rozmieszczenie w pobliżu brzegu z wejściem piasku) lub na miejsce wodowania łodzi (rozmieszczenie statku).
      2. Przymocuj worek podnoszący o wadze 220 funtów do górnego nierdzewnego oka arki za pomocą szekli 1/2 cala.
      3. Przymocuj linę cumowniczą, w tym osprzęt do mocowania do kotwicy na dnie morskim, do podstawy Arki.
      4. W przypadku wystrzelenia ze statku bez ramy A lub żurawika, należy załadować Arkę na statek w taki sposób, aby można ją było łatwo stoczyć z łodzi do wody (unikając dziobu z wysokimi burtami lub rufy z silnikami zaburtowymi).
      5. Aby wystrzelić z brzegu, wtocz Arkę do wody, aż osiągnie wystarczającą głębokość, na której worek podnoszący może zostać napełniony powietrzem (Rysunek 3).
      6. Przepłyń, holuj lub przetransportuj Arkę do miejsca zakotwiczenia na powierzchni (Rysunek 3).
   4. Mocowanie Ark do systemu cumowniczego
      UWAGA: Na tym etapie system Ark unosi się na powierzchni nad miejscem kotwienia za pomocą worka podnoszącego. Poniższe zadania są wykonywane pod wodą na SCUBA i wymagają zespołu co najmniej trzech nurków.
      1. Powoli odpowietrzając worek podnoszący, wykonaj kontrolowane zejście do systemu kotwiczenia.
      2. Przymocuj osprzęt cumowniczy u podstawy Arki do systemu kotwiczenia.
      3. Zwiększ dodatnią wyporność systemu Arks poprzez napełnienie worka podnośnika powietrzem i sprawdź elementy monitorujące pod kątem integralności strukturalnej. Upewnij się, że szekle są prawidłowo osadzone i że kotwy są mocno osadzone. Użyj drutu myszy, aby umyć wszystkie kajdany.
      4. Połącz oczko krótkiej, podwójnie splecionej linki z górnym oczkiem systemu Arks za pomocą szekli. Podłącz poliformową, nadmuchiwaną boję cumowniczą do drugiego końca tej liny za pomocą szekli (plik uzupełniający 1-rysunek S25).
      5. Napełnij boję cumowniczą powietrzem za pomocą standardowego adaptera dyszy powietrznej niskiego ciśnienia przymocowanego do butelki ze sprężonym powietrzem, aż będzie wypełniona powietrzem w około 75%.
      6. Powoli odpowietrz worek podnoszący i wyjmij go z systemu.
      7. Dodać większe lub liczniejsze boje cumownicze dla systemów Arks wykorzystujących wapienne ARMS lub w celu kompensacji akumulacji masy biologicznej.
   5. Dołączenie ARMS do Ark
      1. Pobrać ARMS z miejsca siewu i umieścić w skrzynkach na mleko wyłożonych siatką 100 μm, aby zapobiec utracie małych ruchomych bezkręgowców żyjących w ARMS.
      2. Przenieś ARMS do miejsc Arki w wannach z zacienioną, chłodną wodą morską.
      3. Umieść RAMIONA na górnej lub dolnej platformie Arki, równomiernie rozkładając ciężar na platformie.
      4. Przełóż wytrzymałe opaski kablowe zarówno przez formowaną platformę z włókna szklanego, jak i podstawę ARMS z PVC lub wapienia i dokręć, aby przymocować ARMS do ramy Ark (plik uzupełniający 1-rysunek S25).
3. Struktura częstotliwości 2 V (powłoka)
   UWAGA: Szczegółowe instrukcje produkcyjne, w tym rysunki techniczne dotyczące produkcji komponentów, znajdują się w sekcji 3 pliku uzupełniającego 1.
   1. Montaż ramy geodezyjnej 2V
      1. Zamontuj ramę montażową Arki zgodnie z dostarczonym przewodnikiem od VikingDome (plik uzupełniający 1-Rysunek S11).
      2. Dodaj podkładkę do ze stali nierdzewnej 10/32 o długości 2,5 cala. Włóż przez jeden z dwóch otworów na końcu rozpórki, dodając łącznik STAR do wewnętrznej powierzchni (otwór specyficzny dla rozpórek S1 lub S2) i przymocuj przeciwnakrętką.
      3. Powtórz te czynności dla drugiego otworu na. Kontynuuj bez dokręcania przeciwnakrętek, aż konstrukcja zostanie w pełni zmontowana (plik uzupełniający 1-rysunek S12).
      4. Dokręć ramę montażową Arki. Na końcu kroku 2.3.1.1 połączenia rozpórka-gwiazda będą luźne i plastyczne. Rozpocznij dokręcanie przeciwnakrętek za pomocą klucza nasadowego (nasadka 10 mm lub 3/8 cala) i śrubokręta krzyżakowego.
      5. Kontynuuj przez całą konstrukcję, aż wszystkie przeciwnakrętki zostaną dokręcone, z nylonową wkładką przeciwnakrętki całkowicie zaciśniętą na gwintach.
      6. Dodaj oczka podkładki do mocowania uzdy cumowniczej. Dodaj ucho podkładki do rozpórki ze stali nierdzewnej S1 u podstawy Arki i zabezpiecz czterema ze stali nierdzewnej z stożkowym 3 cale.
      7. Dodaj przeciwnakrętki 1/4 w 20 i dokręć. Powtórz te czynności dla łącznie pięciu punktów połączeń cumowniczych (plik uzupełniający 1-Rysunek S17).
      8. Zamontuj 10 płytek bazowych ARMS do środkowych złączy N2 STAR. Umieść z stożkowym stożkowym 3 cale przez środkowy otwór w płycie podstawy ARMS. Dodaj szary wspornik z PVC do wału i umieść go przez środkowy otwór łącznika N2 STAR, z płytą podstawy wewnątrz konstrukcji. Dodaj podkładkę i przeciwnakrętkę i dokręć.
      9. Dodaj dwa wsporniki i użyj czterech z sześciokątnym 3 1/4 cala i przeciwnakrętek, aby przymocować płytę bazową ARMS do rozpórek. Dokręć wszystkie przeciwnakrętki. Zachowaj tę samą orientację dla wszystkich płyt bazowych ARMS (plik uzupełniający 1-Rysunek S15).
      10. Zamontuj 20 płyt bazowych z płyty koralowej do rozpórek skierowanych do góry. Umieść cztery z sześciokątnym o średnicy 3 cali przez otwory w płycie podstawy z płyty koralowej i przymocuj do rozpórki za pomocą wspornika i przeciwnakrętki. Powtórz dla drugiej strony. Dokręć przeciwnakrętki, aby zabezpieczyć (plik uzupełniający 1-Rysunek S15).
      11. Dodaj centralny pręt i pływak włoka do środkowego grzbietu Arki. Włóż długi na 8 stóp, niegwintowany pręt z włókna szklanego do złączy STAR zmodyfikowanych spawanym segmentem rury u podstawy Arki. Dodaj podkładkę o średnicy 1 cala i niezmodyfikowany pływak włoka na niegwintowany pręt z włókna szklanego wewnątrz konstrukcji. Zakończ wkładanie pręta przez górne złącze STAR Arki.
      12. Dopasuj przez metalową rurkę na zmodyfikowanych złączach STAR i przeciwnakrętki do pręta blokującego wewnątrz Arki. Dodaj zieloną rurkę clamp ściśle poniżej pływaka włoka (górna część Arki) i dokręć.
      13. Zamontuj zmodyfikowane pływaki włoka wewnątrz górnych złączy N2 i N1 STAR zmodyfikowanych za pomocą 1 cala otworu środkowego. Dodaj podkładkę z włókna szklanego do dłuższego końca odsłoniętego gwintowanego pręta z włókna szklanego.
      14. Zabezpiecz przez zmodyfikowany otwór łącznika STAR tak, aby pływak włoka był skierowany do wnętrza konstrukcji. Dodaj kolejną podkładkę z włókna szklanego i nakrętkę sześciokątną z włókna szklanego. Dokręć za pomocą klucza i przekręcając pływaki (Plik uzupełniający 1-Rysunek S16).
   2. Mocowanie systemu cumowniczego do ramy geodezyjnej
      1. Zaprojektuj liny cumownicze i osprzęt tak, aby zapewnić bezpieczne połączenia między podstawą Arki a systemem kotwicznym (patrz na przykład Rysunek 1).
         UWAGA: Zaleca się zaprojektowanie systemu cumowniczego w taki sposób, aby linia środkowa konstrukcji Arki znajdowała się na głębokości 10 m.
      2. Połącz każde oczko podkładki u podstawy konstrukcji Arki z połączonym oczkiem na końcu podwójnie splecionej długości linii widma 3/4 cala z szeklą ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości 7/16 cala (plik uzupełniający 1-rysunek S17).
      3. Za pomocą szekli z kołkiem śrubowym 1/2 cala podłącz drugi koniec każdej linii widma do jednego z dwóch Masterlinków ze stali nierdzewnej, tak aby każde ogniwo miało dwa lub trzy połączenia.
      4. Przymocuj obrotową szeklę 3/4 cala do spodu Masterlinka i oczka 1-calowej nylonowej linki połączonej naparstkiem ze stali nierdzewnej.
      5. Przymocuj szeklę 3/4 cala do oka i naparstka na drugim końcu nylonowej linki. Szekla ta połączy się z systemem kotwicznym (plik uzupełniający 1-Rysunek S17).
   3. Transport Arki 2V na miejsce rozmieszczenia
      UWAGA: Rozmieszczenie Shell Ark wymaga statku z płaską rufą i silnikami stacjonarnymi, tak aby Arka mogła zostać stoczyona z pokładu łodzi do wody, lub statku z dużym żurawikiem lub ramą A.
      1. Przetransportuj Arkę ciężarówką z platformą do doku lub przystani.
      2. Załaduj Arkę na statek za pomocą wózka widłowego o odpowiedniej wielkości (Plik uzupełniający 1-Rysunek S21).
      3. Przymocuj liny cumownicze i osprzęt, w tym liny dolne i osprzęt do mocowania do systemu kotwicznego dna morskiego, do podstawy Arki.
      4. Przetransportuj Arkę do miejsca kotwiczenia (Rysunek 3). Przygotować linę o długości w przybliżeniu równej głębokości systemu kotwicznego z szeklą na jednym końcu i boją na drugim końcu.
      5. Przymocuj koniec liny szelaka do systemu kotwiczenia, tak aby koniec boi unosił się na powierzchni.
      6. Bezpiecznie stoczyć arkę z pokładu rufowego do wody lub rozłożyć arkę do wody za pomocą żurawika lub ramy A. Przymocuj koniec liny boi do arki o dodatnim wyporu tak, aby konstrukcja unosiła się nad systemem kotwienia.
   4. Mocowanie Arki do systemu cumowania
      UWAGA: Na tym etapie konstrukcja Arki unosi się na powierzchni nad miejscem kotwiczenia ze zintegrowanymi elementami wypornościowymi (pływakami) zapewniającymi pływanie. Następujące zadania są wykonywane pod wodą na SCUBA i wymagają zespołu składającego się z co najmniej trzech nurków i dwóch pracowników obsługi powierzchniowej.
      1. Przymocuj górny blok systemu bloczków i zaczepów do bezpiecznego punktu mocowania u podstawy Arki, rozwijając bloczek podczas schodzenia w kierunku dna morskiego, a następnie przymocuj dolny blok do systemu kotwiącego (Plik uzupełniający 1-Rysunek S19).
      2. Przeciągnij linkę przez dolny blok, aby włączyć koło pasowe, wciągając Arkę na głębokość. Lina powinna być blokowana w knagi przy każdym pociągnięciu (Plik uzupełniający 1-Rysunek S19).
         UWAGA: W przypadku systemów Arks o wysokiej początkowej dodatniej pływalności, użyj systemu bloków i chwytów 6:1, aby uzyskać maksymalny zakup. Obciążniki mogą być również tymczasowo przymocowane do systemu Arki, aby zmniejszyć siłę wyporu niezbędną do zatopienia konstrukcji.
      3. Kontynuuj ciągnięcie arki na głębokość, aż lina dolna i osprzęt cumowniczy będą mogły zostać podłączone do systemu kotwicznego. Użyj drutu, aby umyć wszystkie kajdany.
      4. Sprawdź wszystkie elementy cumownicze pod kątem integralności. Upewnij się, że szekle są prawidłowo osadzone, a kotwy są mocno osadzone.
      5. Powoli przenoś napięcie z bloku i sprzętu na system cumowniczy. Usuń blok i sprzęt, ciężarki i linę boi.
   5. Dołączenie ARMS do Ark
      1. Pobrać ARMS z miejsca siewu i umieścić w skrzynkach na mleko wyłożonych siatką 100 μm, aby zapobiec utracie małych ruchomych bezkręgowców żyjących w ARMS. Przenieś ARMS do miejsc Arki w wannach z zacienioną, chłodną wodą morską.
      2. Manewruj RAMIONAMI przez jeden z większych trójkątnych otworów w pobliżu linii środkowej arki tak, aby RAMIONA znalazły się wewnątrz konstrukcji. Przytrzymaj mocno ARMS na jednej z białych płyt bazowych zamontowanych wewnątrz ramy Arki.
      3. Zamocuj z sześciokątnym ze stali nierdzewnej o długości 1/2 cala 1/2 cala i 1.75 cala przez otwarty otwór narożny płyty podstawy ARMS i białej, leżącej pod spodem płyty podstawy HDPE, przymocuj przeciwnakrętkę ze stali nierdzewnej do wystającej z drugiej strony i dokręć, aż będzie dobrze dopasowana. Powtórz dla pozostałych trzech stron (Rysunek 2D).
      4. Popychaj RAMIONA do przodu i do tyłu, aby zapewnić mocne mocowanie.
   6. Przywiązanie koralowców do Ark
      1. Przymocuj płyty koralowe zawierające koralowce epoksydowe do płytek wapiennych do płytek bazowych HDPE z płyty koralowej na zewnątrz Arki za pomocą z sześciokątnym ze stali nierdzewnej o długości 2 cali i 1/4 cala 20, podkładki i przeciwnakrętki we wszystkich czterech rogach.
      2. Dokręć przeciwnakrętki za pomocą klucza nasadowego, aby zamocować płytkę koralową na miejscu.

3. Monitorowanie i konserwacja Coral Arks

UWAGA: Szczegółowe instrukcje dotyczące produkcji, w tym rysunki techniczne dotyczące produkcji komponentów, znajdują się w sekcji 7 pliku uzupełniającego 1.

1. Pomiar masy Ark w wodzie
   1. Przymocuj zanurzalne ogniwo obciążnikowe do systemu bloczków blokowych i zaczepowych, aby użyć ich do tymczasowego przenoszenia naprężenia liny cumowniczej na system tensometryczny.
   2. Przymocuj podstawę bloku i sprzęt w bezpiecznym miejscu w systemie cumowniczym Arki, takim jak pośredni punkt szekli lub do kotwicy na dnie morskim. Przymocuj górną część ogniwa obciążnikowego w bezpiecznym miejscu na ramie montażowej Ark (plik uzupełniający 1-rysunek S33).
   3. Nie usuwając ani nie zmieniając elementów cumowniczych na Arce, przeciągnij linę przez blok i system kół pasowych tak, aby napięcie było przenoszone z systemu cumowniczego Arki na system kół pasowych, zaciskając linę przy każdym pociągnięciu (Plik uzupełniający 1 - Rysunek S33).
   4. Upewnij się, że lina cumownicza jest całkowicie poluzowana, aby tensometr mógł zebrać pomiary naprężenia (plik uzupełniający 1-rysunek S33).
   5. Powoli przenoś napięcie z systemu bloczków blokowych i zaczepowych na linę cumowniczą Ark, sprawdzając, czy szekle i inne elementy cumownicze są prawidłowo osadzone i bezpieczne.
   6. W celu długoterminowego gromadzenia danych należy zintegrować ogniwo obciążnikowe z systemem cumowniczym jako komponent "w linii". Okresowo wyłączaj rejestratory danych, aby pobrać dane.
2. Długotrwała konserwacja Ark
   1. Wykonuj rutynowe przeglądy systemu cumowania Arks i w razie potrzeby przeprowadzaj prace konserwacyjne.
      UWAGA: Zobacz Plik uzupełniający - rysunek S18, aby zapoznać się z przykładową listą kontrolną konserwacji. Zalecana jest konserwacja dwa razy w roku.
   2. Upewnij się, że kotwy nadal zapewniają maksymalną siłę trzymania (tj. nie wycofują się z podłoża).
   3. Oczyść liny cumownicze z organizmów zanieczyszczających, które mogą zaatakować i zagrozić integralności lin.
   4. W razie potrzeby wymień elementy degradujące, takie jak anody protektorowe, szekle i liny cumownicze (Plik uzupełniający - rysunek S18).
   5. W razie potrzeby należy dodać dodatkową pływalność poprzez dodanie stałych pływaków wyporności lub powietrza do istniejących boi cumowniczych, aby skompensować akumulację masy biologicznej.

Powyższe metody dostarczają instrukcji montażu i instalacji dla dwóch projektów systemów Coral Arks. Prototypy każdego projektu zostały zmontowane i przetestowane w terenie w San Diego w USA przed długoterminowym wdrożeniem w celu oceny charakterystyki oporu i optymalizacji integralności strukturalnej w oparciu o modelowane i empiryczne wartości wytrzymałości. Wysiłki związane z modelowaniem, które odegrały kluczową rolę w wyborze i udoskonaleniu obu przedstawionych tutaj geometrii Arki, w tym wyniki testów w tunelu aerodynamicznym, symulacje hydrodynamiczne i walidację modelowanych wartości w wodzie przy użyciu prototypowych konstrukcji, są szczegółowo opisane w sekcji 6 pliku uzupełniającego 1. Wyniki modelowania i testów w wodzie konstrukcji Arks "Shell" są pokazane tutaj. Dwie struktury każdego projektu zostały następnie rozmieszczone na karaibskich stanowiskach terenowych w Puerto Rico i Curaçao (zainstalowano łącznie cztery konstrukcje Arki), a koralowce zostały przeniesione do tych struktur. Jakość wody, społeczność mikrobiologiczna i wskaźniki przeżywalności koralowców związane z projektem Ark "Shell" i dwoma miejscami kontroli dna morskiego zostały zebrane w kilku punktach czasowych na przestrzeni 6 miesięcy, aby scharakteryzować i określić zmiany w parametrach środowiskowych i zdrowiu koralowców związanych ze strukturami Arks po naturalnej rekrutacji i dodaniu zasianych ARMS.

Charakterystyka przeciągania Coral Arks
Ważne jest, aby zrozumieć charakterystykę oporu Coral Arks, aby zaprojektować konstrukcję i cumowanie, które przetrwają środowisko docelowe. Z konstrukcyjnego punktu widzenia opór hydrodynamiczny w połączeniu z wyporem netto wywiera obciążenia wewnątrz konstrukcji, w szczególności na cumę i jej system kotwiczenia. Przeprowadziliśmy modelowanie i pomiary eksperymentalne w celu oszacowania charakterystyki oporu konstrukcji Arki. Wyniki tych testów dla konstrukcji Arks w stanie "powłokowym" są szczegółowo opisane poniżej. Modelowanie przeprowadzono poprzez oszacowanie oporu poszczególnych elementów konstrukcji, zsumowanie ich, a następnie połączenie wyniku w efektywny współczynnik oporu, jak pokazano w równaniu (1) i równaniu (2):

(1)

(2)

gdzie Dtotal to całkowity opór konstrukcji oszacowany na podstawie sumy oporów elementu Di, CD to ogólny współczynnik oporu konstrukcji, to gęstość płynu, U to prędkość przepływu obiektu względem płynu, a A to powierzchnia czołowa konstrukcji. W obliczeniach tych założono, że wszystkie elementy są cylindrami, a ich orientacja względem przepływu jest podyktowana pionową geometrią konstrukcji Arki. Modelowanie zostało wykonane dla tego samego prototypowego systemu "Shell" (sfera geodezyjna 2V), który był używany do prób holowania (opisanych poniżej) przed budową ostatecznych systemów polowych. Prototyp miał całkowitą powierzchnię czołową około 2,10m2, a wyniki modelowania wskazywały na efektywny współczynnik oporu powietrza dla całej konstrukcji wynoszący około 0,12. Przewidywany przez model opór konstrukcji w funkcji prędkości jest pokazany na rysunku Rysunek 4.

Eksperymentalne szacunki siły oporu konstrukcji, która byłaby doświadczana przy różnych prędkościach przepływu, zostały uzyskane poprzez holowanie konstrukcji Arki za statkiem z ogniwem obciążnikowym połączonym w jednej linii z liną holowniczą i czujnikiem przechyłu do rejestrowania zmian w orientacji Arki względem osi pionowej w zakresie prędkości holowania. Przed holowaniem określono masę konstrukcji w wodzie i dodano do konstrukcji wystarczającą ilość dodatkowego masy, aby symulować wyporność netto około 200 kg (początkowy cel dla systemu). Na podstawie naprężenia linki holowniczej i kąta nachylenia Arki, opór (hol D) przy każdej prędkości określono za pomocą równania (3):

(3)

gdzie T to zmierzone napięcie z ogniwa obciążnikowego, a kąt nachylenia względem osi pionowej. Wynikowa zależność oporu w stosunku do prędkości jest pokazana na Rysunek 4. Krzywa oporu powietrza o najlepszym dopasowaniu (w postaci Dholowania α U2; patrz Rysunek 4), w połączeniu z oszacowaniami powierzchni czołowej i gęstości wody, została następnie wykorzystana do wyznaczenia empirycznego współczynnika oporu wynoszącego 0,13.

Liczba Reynoldsa podczas testów holowania (i zakres używany do modelowania) mieściła się w zakresie 10 5-10 6, ogólnie w reżimach przepływu turbulentnego. Typowe wartości współczynnika oporu dla kuli w tym zakresie liczb Reynoldsa mieszczą się w przedziale od 0,2 do 0,4. Dla celów porównawczych, wykres krzywej oporu dla kuli o współczynniku oporu 0,3 jest pokazany w Rysunek 4. W związku z tym modelowane i eksperymentalne oszacowania współczynnika oporu są rzędu dwóch do trzech razy mniejsze niż dla kuli, co jest zgodne z bardziej otwartym charakterem konstrukcji.

Aby zweryfikować te modelowane wyniki, przeprowadziliśmy również pomiary terenowe reakcji dwóch struktur Arks "Shell" na przepływ. Aby to osiągnąć, ten sam czujnik wagowy został tymczasowo zainstalowany w linii z główną liną cumowniczą Arki, na Arce zainstalowano czujnik przechyłu, a na miejscu zainstalowano miernik prądu, aby jednocześnie monitorować prędkość wody. Składowe wyporu i oporu rozciągania zostały następnie obliczone na podstawie kąta nachylenia i pomiarów ogniwa obciążnikowego (Rysunek 5). Obecne prędkości w okresie pomiaru były stosunkowo stabilne i wynosiły około 20 cm/s, a zestaw danych był stosunkowo krótki; W związku z tym dane zostały uśrednione w tym okresie i wykorzystane do porównania reakcji oporu pola i prędkości z modelowanymi i eksperymentalnymi szacunkami holowania. Wyniki te pokazują, że w oczekiwanych warunkach w miejscu wdrożenia (prędkość przepływu do 1,3 m/s podczas typowego sztormu) oczekuje się, że siła oporu systemu będzie mniejsza niż 300 kg.

Obie konstrukcje "Shell" w Vieques w Puerto Rico przetrwały bezpośrednie uderzenie huraganu Fiona kategorii 1 we wrześniu 2022 roku bez widocznych uszkodzeń konstrukcji, cumowania lub systemu kotwiczenia, zapewniając test in situ, który potwierdza projekt. Pobliska boja (CARICOOS) zarejestrowała prędkość prądu 1,05 m/s na głębokości 10 m w miejscu rozmieszczenia, co odpowiada sile oporu około 160 kg na systemach cumowniczych. Systemy zostały zaprojektowane tak, aby wytrzymać siłę 1 600 kg (biorąc pod uwagę nośność kotwy i wytrzymałość na zerwanie komponentu), a zatem nie oczekuje się, że ulegną awarii w warunkach otoczenia lub typowych warunkach sztormowych.

Monitorowanie wyporności sieci dla Coral Arks
To samo podejście, które opisano w celu walidacji charakterystyki oporu konstrukcji Arki, zostało również wykorzystane do opracowania metody monitorowania wyporności netto Arki. Tak długo, jak fizyczna struktura Arki pozostaje stała, wyporność netto stanowi przybliżony wskaźnik zastępczy do monitorowania ogólnego zwapnienia społeczności, a tym samym wzrostu koralowców, a także metrykę utrzymania w celu określenia, czy system ma wystarczającą dodatnią pływalność, aby skompensować wzrost biologiczny w czasie. Składową wyporu (B) naprężenia cumowniczego obliczono na podstawie danych tensometrycznych i czujnika przechyłu w równaniu (4):

(4)

gdzie T to zmierzone napięcie z ogniwa obciążnikowego, a kąt nachylenia. Wynikowy szereg czasowy wyporu netto jest pokazany na rysunku Rysunek 5. W stosunkowo stabilnych warunkach panujących podczas monitorowania terenowego, stwierdziliśmy, że dwie konstrukcje "Shell" Arks rozmieszczone w Vieques w Portoryko mają podobną wyporność netto wynoszącą 82,7 kg ± 1,0 kg (Ark 1) i 83,0 kg ± 0,9 kg (Ark 2), gdy są uśrednione w okresie monitorowania (± jedno odchylenie standardowe) po tym, jak wszystkie koralowce i zasiane jednostki ARMS zostały przemieszczone do struktur 6 miesięcy po początkowym Wdrożenie struktury. Wyniki pokazują, że krótkoterminowy monitoring w stosunkowo stabilnych okresach przepływu wody może być wykorzystany do określenia wyporu netto na polu z dokładnością do ~1 kg, co powinno okazać się przydatne w dłuższej perspektywie do monitorowania zmian biomasy.

Jakość wody i dynamika społeczności mikrobiologicznej
Wskaźniki związane z jakością wody i zbiorowiskami mikrobiologicznymi związanymi z kolumną wody zostały zmierzone na dwóch arkach "Shell" położonych na powierzchni 55 stóp, których szczyt znajdował się na głębokości 25 stóp, u wybrzeży Isla Vieques w Puerto Rico (Rysunek 6C). Wskaźniki jakości wody, liczebność mikroorganizmów i wirusów oraz średnia wielkość mikroorganizmów z dwóch Ark zostały porównane z tymi samymi wskaźnikami z dwóch pobliskich miejsc "kontroli" dna morskiego, które również znajdowały się na głębokości 25 stóp, ale znacznie bliżej brzegu (Rysunek 6D). Pokazane pomiary zostały zebrane natychmiast po zainstalowaniu Ark z początkową partią translokowanych koralowców (listopad 2021 r.) i 6 miesięcy później po przeniesieniu drugiej partii koralowców i zasianych ARMS do Ark (maj 2022 r.); następnie zostały one uśrednione w obu lokalizacjach (Arki i stanowiska kontrolne) dla porównania. Ponieważ zasiane ARMS zostały przeniesione do Ark po 6 miesiącach od rozmieszczenia, akumulacja zbiorowisk biologicznych na strukturach w ciągu pierwszych 6 miesięcy była związana z biofoulingiem i naturalną rekrutacją.

Środowisko Arks wykazywało wyższe średnie natężenie światła w ciągu dnia (Rysunek 6A), wyższe średnie prędkości przepływu (Rysunek 6C), niższe stężenia rozpuszczonego węgla organicznego (Rysunek 6F), oraz niższe wahania stężenia rozpuszczonego tlenu (Rysunek 6G) niż miejsca kontroli bentosowej. Arki wykazywały również społeczności mikroorganizmów o wyższym stosunku wirusów do mikrobów niż miejsca kontrolne (Rysunek 7A), napędzane przez większą obfitość wolnych wirusów (Rysunek 7C) i niższą obfitość drobnoustrojów (Rysunek 7B) w środowisku Arks w środkowej wodzie. Zbiorowiska mikroorganizmów na arkach składały się średnio z fizycznie mniejszych komórek niż zbiorowiska mikroorganizmów na dnie morskim (Ryc. 7D). Różnice w temperaturze między Arkami a miejscami kontrolnymi nie były znaczące (Ryc. 6E). Wszystkie powyższe tendencje są spójne z lepszą jakością wody i zdrowszymi zbiorowiskami mikroorganizmów na Arkach niż w punktach kontrolnych. Warunki te utrzymywały się przez pierwsze 6 miesięcy rozmieszczenia, podczas których rodząca się społeczność biologiczna rozwinęła się na Arkach zarówno poprzez translokację guzków koralowców, jak i naturalną rekrutację ze słupa wody i doświadczyła zmian sukcesyjnych, a także poprzez dodanie zasianych ARMS do struktur w 6 miesiącu.

Przetrwanie koralowców
Kohorta koralowców składająca się z ośmiu gatunków i o różnej morfologii została rozmieszczona w arkach i miejscach kontroli bentosowej zarówno po instalacji Ark (miesiąc 0), jak i po dodaniu zasianych ARMS w 6 miesiącu. Pierwotne kolonie rodzicielskie każdego gatunku koralowców zostały rozdrobnione na bryłki (2-8 cm w danym wymiarze) i przymocowane do wapiennych płyt koralowych (cztery do pięciu guzków na 20 cm2 płyty), które były równomiernie rozmieszczone zarówno w Arkach, jak i w miejscach kontrolnych, zapewniając, że te same gatunki i genotypy były reprezentowane zarówno na stanowiskach Arks w wodach śródwodnych, jak i w miejscach kontroli. Przeżywalność tych translokowanych koralowców oceniano co 3 miesiące w arkach i miejscach kontrolnych. Dziewięć miesięcy po translokacji pierwszej kohorty koralowców, więcej koralowców wciąż żyło na Arkach (80%, Ryc. 8) w porównaniu z miejscami kontrolnymi (42%, Ryc. 8).

Rysunek 1: Diagram przedstawiający elementy konstrukcyjne dwóch w pełni zainstalowanych konstrukcji Coral Ark. Po lewej, "Shell" i "Two-Platform" (po prawej) pokazane są struktury Coral Arks, wraz z dwiema metodami zapewniającymi dodatnią pływalność i dwiema metodami kotwiczenia. Skrót: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Projektowanie, wdrażanie i przenoszenie jednostek ARMS. (A-D) PVC ARMS i (E-H) Gravitystone ARMS z miejsc sadzenia dna morskiego do Coral Arks. (A) Autor zdjęcia: Michael Berumen. (B) Autor zdjęcia: David Littschwager. Skróty: PVC = polichlorek winylu; ARMS = Autonomiczne Struktury Monitorowania Raf. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Obrazy przedstawiające etapy wdrażania Coral Arks, w tym transport na miejsce i pełną instalację. (A-C) systemy typu Shell i (D-F) typu Two-Platform. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Charakterystyka oporu konstrukcji Arki "Shell" na podstawie modelowania, eksperymentalnych testów holowania i walidacji terenowej w stosunku do oporu kuli o tej samej przybliżonej skali. "ARK1" i "ARK2" to identyczne konstrukcje "Shell" Ark zainstalowane w tym samym miejscu w Vieques, Puerto Rico. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zmierzone wartości wyporności netto dla dwóch ark "Shell" w Vieques, Puerto Rico. Pokazana jest prędkość wody (prawa oś, średnie kolory), wyporność netto (lewa oś, jasne kolory) oraz obliczony opór/naprężenie na linie cumowniczej (lewa oś, ciemne kolory) dla "Shell" Ark 1 (niebieski) i "Shell" Ark 2 (zielony). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Wskaźniki jakości wody związane z arkami "Shell" i miejscami kontroli dna morskiego w Vieques, Puerto Rico, bezpośrednio po instalacji i 6 miesięcy później. (A) natężenie światła w ciągu dnia, (B) aktualna prędkość, (C,D) zdjęcia wykonane 6 miesięcy po instalacji, (E) temperatura, (F) rozpuszczony węgiel organiczny, ( G) zmiany poziomu tlenu rozpuszczonego w arkach w porównaniu z miejscami kontrolnymi w ciągu 6 miesięcy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Wskaźniki związane ze społecznościami mikroorganizmów związanych z kolumną wody na arkach "Shell" i miejscach kontroli dna morskiego w Vieques, Puerto Rico bezpośrednio po instalacji i 6 miesięcy później. (A) stosunek wirusa do mikroba, (B) obfitość komórek bakteryjnych, (C) obfitość wolnego wirusa i (D) średnia wielkość komórek bakteryjnych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Odsetek koralowców, które przeżyły na arkach "Shell" i miejscach kontroli dna morskiego w Vieques, Puerto Rico w ciągu pierwszych 9 miesięcy po translokacji. Zdjęcia przedstawiają stan pojedynczej płyty koralowej na arkach (na górze) i w miejscach kontroli bentosu (na dole) bezpośrednio po translokacji (po lewej) i 6 miesięcy po translokacji (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 1: Rozważania dotyczące budowy i projektowania ARMS. Skróty: ARMS = Autonomous Reef Monitoring Structures; PVC = polichlorek winylu. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Tabela 2: Rozważania dotyczące projektowania Coral Arks. Skróty: PVC = polichlorek winylu; ARMS = Autonomiczne Struktury Monitorowania Rafy; HDPE = polietylen o dużej gęstości. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Plik uzupełniający.

Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych ani innych konfliktów interesów.