Name: Arki rafy koralowej: mezokosmos in situ i zestaw narzędzi do tworzenia społeczności rafowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-06T13:55:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
Description: Poznaj metodę budowy Arki Rafy Koralowej jako platformy badawczej do monitorowania społeczności rafowych in situ. Ta skalowalna technika umożliwia badanie dynamiki ekosystemów morskich i ich odpowiedzi na zmiany środowiskowe.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy Markowi Vermeijowi, Kristen Marhaver i Fundacji Badawczej CARMABI na Curaçao za udostępnienie zasobów, wsparcia i wglądu w ten projekt. Dziękujemy NAVFAC Atlantic Vieques Restoration Program oraz zespołowi Jacobs Engineering za ich znaczące wsparcie logistyczne i techniczne w instalacji, konserwacji i monitorowaniu Coral Arks w Vieques. Jesteśmy również wdzięczni Mike'owi Angherze, Toni Luque, Cynthii Silveirze, Nataschy Varonie, Andresowi Sanchezowi-Quinto, Larsowi ter Horstowi i Benowi Darby'emu za ich pomoc i konstruktywny wkład w tę dziedzinę. Badania te zostały sfinansowane przez Gordon and Betty Moore Foundation Aquatic Symbiosis Investigator Award dla FLR <https://doi.org/10.37807/GBMF9207> oraz przez Program Certyfikacji Technologii Bezpieczeństwa Środowiskowego Departamentu Obrony (RC20-5175).

Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych ani innych konfliktów interesów.

Reprezentatywne wyniki przedstawione powyżej pokazują, że Arki Koralowe zapewniają siedlisko i lepsze warunki jakości wody do gromadzenia zbiorowisk rafowych na stabilnych platformach badawczych in situ. Arki i stanowiska kontroli dna morskiego na tej samej głębokości wykazywały konsekwentnie różne profile jakości wody. Wyższe średnie prędkości prądu i dalsza odległość od wybrzeża zmniejszyły sedymentację i zmętnienie w środowisku śródwodnym w miejscach Arks (Rysunek 6B), prawdopodobnie przyczyniając się do niższych zmierzonych stężeń rozpuszczonego węgla organicznego na Arkach (Rysunek 6F). Co więcej, ta poprawa przejrzystości wody skutkowała zwiększonym natężeniem światła w ciągu dnia na Arkach w stosunku do miejsc kontrolnych (Rysunek 6A). Mniejsze wahania tlenu rozpuszczonego wskazują na lepszą dostępność tlenu dla koralowców na Arkach w porównaniu z bentosem, szczególnie w nocy (Ryc. 6G). Wszystkie te wskaźniki zostały powiązane z poprawą przeżywalności koralowców42, wzrostem 43,44,45 i regeneracją po stresie 46,47 w poprzednich pracach i mogą być powiązane z lepszymi wynikami przeżycia koralowców przeniesionych do Arks w porównaniu z miejscami kontroli bentosu (Rysunek 8). Fakt, że warunki te utrzymują się nawet po akumulacji znacznej biomasy w wyniku biofoulingu, wskazuje, że naturalne procesy rekrutacji nie zmniejszają poprawy jakości wody w środowisku śródwodnym. Arki zostały rozmieszczone 3 km od brzegu od miejsc kontroli bentosu i prawdopodobnie skorzystały na zmniejszonym dopływie osadów pochodzących z Ziemi, składników odżywczych i prawdopodobnie presji połowowej, która stanowi wyzwanie dla stanowisk przybrzeżnych. Lokalizowanie Ark na obszarach o czystej wodzie i niewielkim wpływie człowieka (takich jak wybrzeże) może zapewnić lepsze warunki niż silnie dotknięte strefy przybrzeżne do rozmnażania różnorodności biologicznej raf do eksperymentów na poziomie mezokosmosu.
Wstępne wyniki sugerują również, że arki śródwodne doświadczyły mniejszej mikrobializacji, procesu centralnej rafy związanej z degradacją siedlisk raf bentosowych 4,48. Wysoki dopływ składników odżywczych i przełowienie zostały zidentyfikowane jako czynniki napędzające troficzne pętle sprzężenia zwrotnego na całej rafie, w których namnażają się energetycznie zdestabilizowane społeczności mikroorganizmów, co skutkuje spadkiem oddychania metabolicznie dostępnego tlenu i zwiększoną częstością występowania patogenów koralowców w bentosie 6,49,50,51 . Zmniejszona liczebność wolnych wirusów na mikrobiologicznych rafach, które służą jako główna kontrola lityczna wzrostu społeczności drobnoustrojów, wskazuje na załamanie struktury troficznej, które sprzyja dalszej ekspansji mikrobiologicznej52. Mikroorganizmy związane z kolumną wody na arkach były zarówno mniej liczne (Ryc. 7B), jak i fizycznie mniejsze (Ryc. 7D) niż na dnie morskim. Arki wykazywały również wyższy stosunek wirusów do mikroorganizmów (Figura 7A), obfitość wolnych wirusów (Figura 7C) i dostępność rozpuszczonego tlenu, szczególnie w nocy (Figura 6G). Podsumowując, odkrycia te wskazują, że środowisko śródwodne wykazywało mniejszy potencjał mikrobializacji w porównaniu z miejscami na dnie morskim. Arki, jako mezokosmosy, na których warunki środowiskowe mogą być zmieniane po prostu przez pionową regulację słupa wody, oferują możliwość złagodzenia i dalszego zbadania mikrobiologicznych i molekularnych mechanizmów degradacji raf.
Sfery geodezyjne o dwóch różnych częstotliwościach zostały wybrane do projektu prezentowanych tu Ark Koralowych (Rysunek 1). Częstotliwość geodezyjna (1V, 2V, 3V) wskazuje liczbę powtarzających się podelementów w sferze geodezyjnej, przy czym wyższe częstotliwości odpowiadają większej liczbie trójkątnych podelementów. Z konstrukcyjnego punktu widzenia wielościany geodezyjne rozkładają naprężenia mechaniczne w całej konstrukcji, co skutkuje wysoką wytrzymałością wrodzoną jak na ich rozmiar53,54. Te cechy zapewniają wysoką trwałość i długowieczność, ale kosztem większego oporu hydrodynamicznego, co może skutkować większymi obciążeniami systemu cumowniczego. Z punktu widzenia siedliska, opór generowany przez system Ark stanowi wskaźnik dyfuzji pędu w konstrukcji, a tym samym stopnia, w jakim wewnętrzny przepływ otoczenia jest zmniejszony. Modelowane i potwierdzone eksperymentalnie wyniki wskazują na zmniejszenie prędkości przepływu o 40%-70% wewnątrz Ark "Powłoki" w stosunku do otaczającego pola przepływu z powodu generowania turbulentnego przepływu wewnątrz struktur (patrz sekcja 6 pliku uzupełniającego 1). Podczas gdy optymalny poziom redukcji przepływu wewnętrznego nie jest jasny (i różni się w zależności od częstotliwości geodezyjnej), obszary zmniejszonego przepływu w strukturze są ważne dla tworzenia siedlisk niszowych55,56, remineralizacji składników odżywczych57,58 oraz promowania retencji i osiedlania się larw59,60. Ogólnie rzecz biorąc, większe konstrukcje geodezyjne o wyższej częstotliwości, szczególnie w bardziej odsłoniętych miejscach instalacji, wymagają systemów kotwiących o większej sile trzymania i większej redundancji uwzględnionej w projekcie konstrukcyjnym.
Wyniki pomiarów terenowych składowej oporu naprężenia w systemie cumowniczym Ark "Shell" były ściśle zgodne z wynikami uzyskanymi na podstawie modelowanych i eksperymentalnych szacunków holowania (rysunek 4) i mieściły się w oczekiwanych zakresach projektowych. Wyniki te wskazują, że założenia modelu hydrodynamicznego są słuszne i że model może przewidywać siły oporu w zakresach prądów tła. Jednakże, podczas gdy odchylenia w modelowanych i eksperymentalnych danych były niewielkie, zakres przepływów w okresie testowym, który był typowy dla prędkości przepływu w otoczeniu, niesztormowym w tym miejscu, nie umożliwił rygorystycznej walidacji w pełnym spektrum modelowania. Przewidując wymagania projektowe systemów Coral Arks, wysiłki związane z modelowaniem powinny być połączone z informacjami na temat częstotliwości sztormów i narażenia w planowanych miejscach rozmieszczenia, aby zaprojektować konstrukcje i systemy cumownicze, które mogą przetrwać przewidywane siły hydrodynamiczne. Przedstawione tutaj prace modelarskie mogą być wykorzystane do projektowania systemów Ark w innych lokalizacjach przy minimalnych nakładach (pożądany rozmiar Arki, częstotliwość i średnie prędkości prądu w miejscu rozmieszczenia) poprzez zapewnienie współczynników oporu i maksymalnych oczekiwanych sił działających na system cumowania i kotwienia.
Systemy Arks i ARMS są modułowe i mogą być budowane w różnych skalach i z innych materiałów niż te opisane tutaj. Chociaż ich ostateczna długość życia nie została jeszcze określona, Coral Arks zostały zaprojektowane tak, aby miały około 10-letni cykl życia. Skład materiałowy Arks i ARMS wpływa na długowieczność konstrukcji, ciężar systemów, a tym samym na wymaganą wyporność do zrównoważenia ciężaru i może wpływać na reakcję wczesnych społeczności zarastających (plik uzupełniający 1 - rysunek S7). Na przykład wapień stanowi bardziej naturalne podłoże do kolonizacji biologicznej na ARMS i jest łatwo i niedrogo pozyskiwany na większości wysp raf węglanowych, ale jest bardziej kruchy i cięższy niż inne materiały, takie jak PVC i włókno szklane. Czynniki te powinny być brane pod uwagę w odniesieniu do cech charakterystycznych dla danego miejsca, aby zaprojektować ARMS, arki i systemy cumownicze, które najlepiej odpowiadają pożądanym wynikom projektu.
Miejsca rozmieszczenia Coral Arks powinny być również wybrane w oparciu o zamierzone cele projektu (tj. badania, łagodzenie skutków lub odbudowę). Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze lokalizacji, obejmują dostęp do materiałów, stan lub stan rafy, inwestycje/zaangażowanie społeczności, ograniczenie zasobów, wsparcie instytucjonalne i wymagania dotyczące pozwoleń. Arki koralowe mogą stwarzać możliwości zaspokojenia szczególnych potrzeb w miejscach, w których (1) znajdują się żywe rafy koralowe, które są w stosunkowo złym stanie i skorzystałyby na działaniach rekultywacyjnych w celu zwiększenia rekrutacji koralowców, pokrywy koralowej, ochrony wybrzeża lub zasobów żywnościowych dla ludzi; (2) mają potrzebę przeniesienia koralowców w inne miejsce, co może nastąpić, na przykład, gdy istnieją wymogi prawne dotyczące przenoszenia żywych koralowców z przedmiotów gruzowych przeznaczonych do usunięcia (w tych miejscach Arki Koralowe mogą być wykorzystywane we współpracy lub w celu wsparcia istniejących wysiłków na rzecz odbudowy i sadzenia w celu poprawy wyników translokacji); (3) wymagać badań nad nowatorskimi technologiami konserwacji i odbudowy z wykorzystaniem Ark Koralowych w celu poprawy powodzenia lokalnych wysiłków; lub (4) mają wystarczająco odrębne warunki lokalne (tj. różną wielkość wpływu antropogenicznego), co oznacza, że standaryzowane mezokosmosy mogą dostarczyć znaczących porównań dotyczących procesów i interwencji rafowych. Konkretne podejścia do monitorowania aspektów ekosystemu Coral Arks, takich jak wzrost biologiczny, różnorodność i skład chemiczny wody, będą się różnić w zależności od projektów w oparciu o cele projektu i zmienne specyficzne dla danego miejsca. Reprezentatywny zarys dla prowadzonego do tej pory naukowego monitoringu Coral Arks znajduje się w sekcji 5 pliku uzupełniającego 1.
Konstrukcja Coral Arks może pomieścić koralowce prawie każdego gatunku, wielkości i wieku i powinna zapewnić lepsze warunki w porównaniu z tymi, które znajdują się na zaburzonym bentosie rafowym. W zależności od tempa wzrostu i zwapnienia obserwowanego w danym systemie, może być wymagane dodanie dodatniej wyporności do struktur Arki, aby skompensować wzrost biologiczny i zmniejszyć ryzyko zatonięcia. Konstrukcje o dodatniej wyporności wód przywodnych można zważyć za pomocą ogniwa obciążnikowego lub tensometru rozciągającego/ściskającego lub tensometru, aby określić, czy masa społeczności w wodzie wzrasta (rysunek 5). Okresowe lub długoterminowe pomiary przy użyciu ogniwa obciążnikowego mogą uzupełniać inne wskaźniki wzrostu koralowców o dokładniejszej rozdzielczości w celu wygenerowania wskaźnika wzrostu/zwapnienia na poziomie społeczności i zostały włączone jako regularne zadanie konserwacyjne w celu określenia, czy system ma wystarczającą dodatnią pływalność, aby skompensować ten biologiczny wzrost w czasie. W przypadku, gdy zainstalowana Arka nie może być już monitorowana lub konserwowana, może zostać przeniesiona i/lub wyporność może zostać usunięta, aby umożliwić mocne przymocowanie Arki do bentosu.
Opisane tutaj metody zapewniają naukowcom wszechstronny zestaw narzędzi do tworzenia zbiorowisk raf śródwodnych, które można umieszczać w miejscach o lepszej jakości wody. Zmieniając głębokość lub położenie struktur Arki, zmiany parametrów jakości wody można eksperymentalnie powiązać ze zmianami w strukturze zbiorowisk rafowych i trajektoriach sukcesji. Ta cecha konstrukcyjna pozwala naukowcom wykorzystać obfitą i niewykorzystaną przestrzeń w środowisku śródwodnym do tworzenia i badania mezokosmosów raf koralowych. Wykorzystanie wysiewanych ARMS do translokacji kryptycznej różnorodności biologicznej i "pobudzenia" naturalnej rekrutacji mobilnych bezkręgowców do wypasu stanowi funkcjonalne rozwiązanie w zakresie redukcji biofoulingu glonów, a tym samym konkurencji bentosowej dla koralowców. Wykorzystanie ustalonych i ustandaryzowanych struktur próbkowania jako elementów tego systemu zapewnia wartość dodaną, umożliwiając długoterminowe monitorowanie społeczności kryptycznych na arkach i porównanie ze zbiorami danych wygenerowanymi przy użyciu ARMS jako globalnego narzędzia spisu różnorodności biologicznej.
Arki koralowe mogą służyć jako bardziej holistyczna, zintegrowana i samoregulująca się platforma do rozmnażania biomasy koralowców i bezkręgowców, które można następnie przesadzić do pobliskich zdegradowanych raf i mogą zapewnić bezpieczną przystań dla koralowców do wzrostu i rozmnażania się w lepszych warunkach jakości wody. Jak obecnie wykazano w Portoryko, arki mogą zapewnić lepsze wyniki w zakresie przetrwania w projektach łagodzących obejmujących przenoszenie koralowców i różnorodności biologicznej raf z przedmiotów śmieciowych lub obszarów zdegradowanych. Arki mają znaczenie w długoterminowych projektach jako metoda zastępowania siedlisk dla populacji ryb, testowania nowych strategii ochrony i zachowania rodzimej różnorodności biologicznej raf. W ten sposób Arks zapewnia wszechstronne narzędzia do prowadzenia badań in situ zespołów raf i sukcesji ekologicznej, a także może dostarczyć nowych informacji na temat połączeń 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 mięsiste1,2,3. 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 koralowców4,5,6. To troficzne obniżenie klasy jest wzmocnione przez utratę różnorodności biologicznej na rafach, która wynika z pogorszenia jakości wody7,8. 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 nieopisana7,9. Koralowce polegają na zróżnicowanym zestawie tajemniczych organizmów rafowych ("kryptobiota"), które wspierają ich zdrowie, odgrywając integralną rolę w obronie przed drapieżnikami10, cleaning11, wypas konkurujących z glonami12,13, oraz regulacja składu chemicznego wody rafowej14,15. 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 rafy9,18,19,20,21,22,23. 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 odpływie24,25 oraz poprzez zmianę cyklu biogeochemicznego26. Z kolei działania te degradują zbiorowiska rafowe poprzez przytłaczanie, wyczerpywanie energii, dostarczanie zanieczyszczeń związanych z sedymentacją27,28, zwiększając wzrost makroglonów, które konkurują z koralowcami29, zwiększając obfitość patogenów mikrobiologicznych6,30,31i tworzenie stref hipoksyjnych, które zabijają kryptyczne bezkręgowce32,33. 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 rafowych34,35. 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 tolerują32,36,37,38. 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 poprawie39,40, 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 (<silna klasa="xfig">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.

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

Coral Reef Arks: An In Situ Mesocosm and Toolkit for Assembling Reef Communities

Rafy koralowe rozwijają się i zapewniają maksymalne usługi ekosystemowe, gdy wspierają wielopoziomową strukturę troficzną i rosną w korzystnych warunkach jakości wody, takich jak wysoki poziom światła, szybki przepływ wody i niski poziom składników odżywczych. Zła jakość wody i inne antropogeniczne czynniki stresogenne spowodowały śmiertelność koralowców w ostatnich dziesięcioleciach, prowadząc do degradacji troficznej i utraty złożoności biologicznej wielu raf. Rozwiązania mające na celu odwrócenie przyczyn degradacji troficznej pozostają nieuchwytne, częściowo dlatego, że wysiłki na rzecz odbudowy raf są często podejmowane w tych samych zmniejszonych warunkach, które spowodowały śmiertelność koralowców w pierwszej kolejności. 
Arki koralowe, pozytywnie pływające, śródwodne struktury, są zaprojektowane tak, aby zapewnić lepsze warunki jakości wody i wspierać tajemniczą różnorodność biologiczną dla translokowanych i naturalnie rekrutowanych koralowców do tworzenia zdrowych mezokosmosów rafowych do wykorzystania jako długoterminowe platformy badawcze. Autonomiczne Struktury Monitorowania Raf (ARMS), pasywne urządzenia osadnicze, są wykorzystywane do przenoszenia tajemniczej różnorodności biologicznej rafy koralowej do Ark Koralowych, zapewniając w ten sposób "impuls" do naturalnej rekrutacji i przyczyniając się do ekologicznego wsparcia zdrowia koralowców. Modelowaliśmy i przetestowaliśmy eksperymentalnie dwie konstrukcje Arki, aby ocenić charakterystykę oporu konstrukcji i ocenić ich długoterminową stabilność w toni wodnej w oparciu o ich reakcję na siły hydrodynamiczne. 
Następnie zainstalowaliśmy dwa projekty struktur Arks na dwóch rafach na Karaibach i zmierzyliśmy kilka wskaźników jakości wody związanych ze środowiskiem Arks w czasie. W momencie rozmieszczenia i 6 miesięcy po jego wdrożeniu, Arki Koralowe wykazywały ulepszone wskaźniki funkcji rafy, w tym wyższy przepływ, światło i rozpuszczony tlen, wyższą przeżywalność translokowanych koralowców oraz zmniejszoną sedymentację i mikrobializację w stosunku do pobliskich miejsc na dnie morskim na tej samej głębokości. Metoda ta zapewnia naukowcom adaptowalną, długoterminową platformę do budowania zbiorowisk rafowych, w których lokalne warunki jakości wody można dostosować poprzez zmianę parametrów rozmieszczenia, takich jak głębokość i lokalizacja.

Zacumowane struktury geodezyjne zwane Arkami Koralowymi stanowią modułową, skalowalną i pionowo regulowaną platformę badawczą, która może być używana do budowania, monitorowania i zakłócania społeczności raf koralowych na wcześniej niedziałających obszarach, w tym na morzu.

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

Coral reefs thrive and provide maximal ecosystem services when they support a multi-level trophic structure and grow in favorable water quality conditions ...

Arki koralowe mogą odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące tego, jak społeczności morskie gromadzą się, zmieniają w czasie i reagują na zmieniające się warunki środowiskowe, w tym na to, jak biologia zmienia środowisko abiotyczne. Arki koralowe stanowią replikowalną, skalowalną i regulowaną w pionie platformę badawczą do budowania i eksperymentowania ze społecznościami raf koralowych w ich naturalnym środowisku i w skali ekosystemu. Ta metoda łączenia ARMS i ark w celu budowy mezokosmosów ekosystemowych może być zastosowana do bentosowych społeczności morskich żyjących na całej planecie, zwłaszcza tych znajdujących się na obszarach przybrzeżnych.Po przetransportowaniu piaskowych do bentosu, umieść do piasku pionowo i zakop do piasku, przekręcając ją, aż pierwsza tarcza zostanie pokryta piaskiem lub luźnym gruzem. Umieść metalowy pręt obrotowy o długości pięciu stóp przez ucho kotwicy, tak aby większość pręta obrotowego wystawała z jednej strony oka. Podczas chodzenia lub pływania w kółko po bentosie wkręcaj z piaskiem w podłoże, aż z bentosu pozostanie tylko oko.Zamontuj trzy piaskowe w trójkątny wzór połączone uzdą łańcuchową, aby zwiększyć siłę trzymania. Aby zmontować ramę geodezyjną, przykręć nakrętkę sześciokątną ze stali nierdzewnej na 2.5-calową ze stali nierdzewnej w 3/4 wysokości do górnej części. Włóż do jednego z wewnętrznych otworów w rozpórce i zabezpiecz ją przeciwnakrętką, aby zapobiec zsuwaniu się piasty na całej długości rozpórki.Teraz przepchnij koniec każdej rozpórki przez jeden z otworów piasty. Wkręć kolejną przez zewnętrzny otwór rozpórki i zakończ przeciwnakrętką, aby zapobiec wysunięciu się rozpórki z piasty. Powtórz te czynności dla wszystkich pięciu rozpórek w jednej piaście.Następnie dodaj piasty i rozpórki, aż kula geodezyjna zostanie zmontowana. Po rozwinięciu liny stalowej ze stali nierdzewnej 1/8 cala zacznij przewlekać ją przez rozpórki. Stwórz 12 pętli z nylonowych opasek kablowych wielkości srebrnego dolara, 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. Kontynuuj przeciąganie liny stalowej przez wszystkie rozpórki połączone w środku każdego wierzchołka za pomocą pętli do opaski zaciskowej. Po przewleczeniu z powrotem do punktu początkowego, pociągnij pętle opaski zaciskowej za pomocą szczypiec, aby zbliżyć do siebie odcinki liny stalowej.Zamontuj ze stali nierdzewnej 1/2 cala clamp na wszystkich długościach liny stalowej i mocno dokręć. Powtórz te czynności dla wszystkich wierzchołków konstrukcji. Teraz połącz i zaciśnij oba końce metalowego drutu za pomocą trzech 1/2-calowych zacisków kablowych.Dodaj system olinowania składający się z dwóch odcinków ze stali nierdzewnej o wymiarach trzy na osiem cali, który jest hydraulicznie naciągnięty na oczko na każdym końcu. Przełóż dolne końce przez górną i dolną część arki, dopasowując zaślepki do górnej i dolnej piasty za pomocą młotka. System rzymskich pośrodku łączy dwie długości ze stali nierdzewnej.Wkręć oczkowe w rzymską i dokręć je, aż do uzyskania wystarczającego naprężenia konstrukcji, aby system był sztywny. Dodaj każdą formowaną kratę z włókna szklanego pociętą na dwie półpięciokąty do wnętrza arki za pomocą wytrzymałych opasek zaciskowych o wytrzymałości 250 funtów, aby zakotwiczyć boki platformy do rozpórek arki. Umieść jedną długość belki dwuteowej z włókna szklanego, aby połączyć obie połówki platformy z włókna szklanego pod konstrukcją i przymocuj do spodu platformy za pomocą dwóch w kształcie litery U ze stali nierdzewnej i zabezpiecz nylonowymi przeciwnakrętkami.Powtórz tę czynność dla pozostałych czterech belek dwuteowych, równomiernie rozkładając je wzdłuż platformy. Łączy to i podtrzymuje dwie połówki platformy, tworząc pełny pięciokąt. Zaciśnij wytrzymałe opaski zaciskowe na krawędziach platformy i odetnij nadmiar.Na końcu tego etapu wewnętrzna platforma jest mocno zintegrowana z konstrukcją arki. 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 konstrukcję poprzez kotwienie i dodatnią pływalność.Po całkowitym zmontowaniu ramy geodezyjnej zainstaluj ją w miejscu rozmieszczenia. Aby zmierzyć ciężar ark w wodzie, przymocuj zanurzalne ogniwo obciążnikowe do systemu bloczków blokowych i zaczepowych, aby tymczasowo przenieść napięcie liny cumowniczej na system tensometryczny. Przymocuj podstawę bloku i sprzęt do bezpiecznego miejsca w systemie cumowania arki, takiego jak pośredni punkt szekli lub do kotwicy na dnie morskim.Przymocuj górną część ogniwa obciążnikowego w bezpiecznym miejscu na ramie montażowej arki. Nie usuwając ani nie zmieniając elementów cumowniczych na arce, przeciągnij linę przez blok i system sprzętu i bloczka tak, aby napięcie było przenoszone z systemu cumowania arki na system kół pasowych, zaciskając linę przy każdym pociągnięciu. Upewnij się, że lina cumownicza jest całkowicie poluzowana, aby tensometr mógł zebrać pomiary naprężenia.Po co najmniej kilku minutach zbierania danych powoli przenieś napięcie z systemu bloczka blokowego i zaczepu z powrotem na linę cumowniczą arki. Upewnij się, że szekle i inne elementy cumownicze są prawidłowo osadzone i bezpieczne. Reakcja dwóch konstrukcji skorupowych wykazuje siłę oporu poniżej 10 kilogramów i wyporność netto 82,7 i 83,0 kilogramów.Obecne prędkości w okresie pomiaru były stosunkowo stabilne i wynosiły około 20 centymetrów na sekundę. Otoczenie arki charakteryzowało się wyższym średnim natężeniem światła w ciągu dnia, wyższymi średnimi prędkościami przepływu, niższymi stężeniami rozpuszczonego węgla organicznego i mniejszymi wahaniami stężenia rozpuszczonego tlenu niż w miejscach kontroli bentosu znajdujących się na tej samej głębokości. Różnice temperatur między arkami a miejscami kontrolnymi były nieznaczne.Arki wykazywały również społeczności mikroorganizmów o wyższym stosunku wirusów do mikrobów niż miejsca kontrolne, napędzane przez mniejszą obfitość mikrobów i większą obfitość wolnych wirusów w środowisku arki śródwodnej. Zbiorowiska mikroorganizmów na arkach składały się średnio z fizycznie mniejszych komórek niż zbiorowiska mikroorganizmów na dnie morskim. Przeżywalność eksperymentalnie przemieszczonych koralowców oceniano co trzy miesiące w arkach i miejscach kontrolnych.Dziewięć miesięcy po translokacji pierwszej kohorty koralowców, więcej koralowców wciąż żyło w arkach w porównaniu z miejscami kontrolnymi. Systemy Coral ark są przeznaczone do długoterminowych projektów monitorowania ekologicznego, dlatego systemy kotwienia i projekty konstrukcyjne powinny być wybierane z uwzględnieniem zarówno normalnych, jak i ekstremalnych warunków panujących w miejscach rozmieszczenia. Czynniki abiotyczne związane ze zbiorowiskami ark koralowych można dostosować poprzez zmianę głębokości systemów, co umożliwia zbadanie, w jaki sposób wirusowe i mikrobiologiczne zbiorowiska raf koralowych reagują na zmieniające się warunki środowiskowe.

coral-reef-arks-an-situ-mesocosm-toolkit-for-assembling-reef

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Zintegrowany zestaw technik obrazowania został zastosowany do określenia morfologii polipów i struktury tkanek u karaibskich koralowców Montastraeaannularis i M. faveolata. Fluorescencja, szeregowa powierzchnia blokowa i dwufotonowa konfokalna laserowa mikroskopia skaningowa pozwoliły zidentyfikować strukturę płatów, ściany polipów oraz oszacować gęstości i rozkłady chromatoforów i zooksantelli.

Multimodalne metody mikroskopii optycznej ujawniają morfologię i strukturę tkanek polipowych w karaibskich koralowcach budujących rafy

Celem tego protokołu jest przeprowadzenie hybrydyzacji in situ na próbkach dorosłych koralowców, które zostały zatopione w parafinie i pocięte na szkiełka podstawowe. Jest to metoda jakościowa stosowana do wizualizacji ekspresji przestrzennej sondy antysensownej RNA w tkankach zanurzonych w parafinie.

In Situ Techniki hybrydyzacji próbek dorosłych koralowców zanurzonych w parafinie

Ten protokół opisuje budowę i działanie systemu mikro-respirometrii, który może być wykorzystany do zbadania fizjologicznych cech holobiontu koralowca.

Fizjologiczna charakterystyka holobionta koralowca przy użyciu nowego narzędzia do mikrorespirometrii

Zmiany klimatyczne wpływają na ekosystemy raf koralowych na całym świecie. Koralowce pochodzące z systemów akwakultury ex situ mogą pomóc w odbudowie i badaniach naukowych. W tym artykule przedstawiono techniki karmienia i hodowli koralowców, które można wykorzystać do promowania długoterminowego utrzymania wysiadujących koralowców skleraktyńskich ex situ.

Skuteczne techniki karmienia i hodowli ex situ wysiadującego koralowca skleraktynowego, Pocillopora acuta

Ten protokół opisuje rozwój modułowego, kontrolowanego systemu mikrourządzeń, który może być stosowany do długoterminowej hodowli i monitorowania koralowców morskich.

Zintegrowany system mikrourządzeń do hodowli i monitorowania koralowców

Ten protokół opisuje półautomatyczną ścieżkę mającą na celu poprawę wydajności i zdolności przetwarzania oraz kriokonserwacji plemników zagrożonych gatunków koralowców, mającą na celu zabezpieczenie różnorodności genetycznej i wsparcie wysiłków na rzecz odbudowy rafy.

Półautomatyczny przepływ pracy do krioprezerwacji nasienia koralowców w celu wsparcia biobankowania i akwakultury

Prezentowany tutaj jest protokół do zbierania i przetwarzania danych z podwodnej fotogrametrii, w tym znacznie uproszczony i w pełni zautomatyzowany potok przetwarzania obrazów, którego wynikiem są dane wyjściowe z odniesieniami geograficznymi i dostosowane do szeregów czasowych, gotowe do ekologicznej ekstrakcji, analizy i zastosowania danych.

Reefshape: system do efektywnego gromadzenia i automatycznego przetwarzania danych z podwodnej fotogrametrii szeregów czasowych do monitorowania siedlisk bentosowych

Ten protokół obejmuje czteroetapową metodologię badań obrazowania dużych obszarów, używaną do wyodrębniania wskaźników złożoności strukturalnej, składu społeczności i demografii populacji dla społeczności raf koralowych. Jakość zebranych zobrazowań i zintegrowany dostęp do zobrazowań źródłowych są traktowane priorytetowo na każdym etapie protokołu.

Pomiar struktury, składu i zmian środowiska podwodnego za pomocą obrazowania wielkopowierzchniowego

Wywołane przez rybołówstwo zmiany w eksploatowanych połowach skorupiaków, takie jak amerykańskie połowy homarów, mogą potencjalnie wpłynąć na ich dynamikę reprodukcyjną, prowadząc do zmniejszenia sukcesu godowego. Celem tego badania było opracowanie nieinwazyjnej metody ustalania sukcesu godowego samic homarów, które mogą być fizjologicznie lub funkcjonalnie dojrzałe.

Nieinwazyjna metoda określania in situ udanego krycia u samic homarów amerykańskich (Homarus americanus)

Udostępniamy technikę zachowania nienaruszonego łyka drzewnego i przygotowania go do obserwacji.  Tworzymy aparat zwany kanapką łyka, który pozwala na wprowadzenie i obserwację stawonogów, drobnoustrojów i innych organizmów zasiedlających tkanki łyka.

Technika badania zbiorowisk stawonogów i mikroorganizmów w tkankach drzew

Poznaj metodę budowy Arki Rafy Koralowej jako platformy badawczej do monitorowania społeczności rafowych in situ. Ta skalowalna technika umożliwia badanie dynamiki ekosystemów morskich i ich odpowiedzi na zmiany środowiskowe.

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

Przeglądaj więcej filmów