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要約

コーラルアークと呼ばれる係留された水中測地線構造は、沖合を含む以前は機能しなかった地域でサンゴ礁コミュニティを構築、監視、および混乱させるために使用できる、モジュール式でスケーラブルで垂直方向に調整可能な研究プラットフォームを提供します。

要約

サンゴ礁は、マルチレベルの栄養構造をサポートし、高光レベル、急速な水流、低栄養素レベルなどの好ましい水質条件で成長すると、繁栄し、最大の生態系サービスを提供します。水質の悪さやその他の人為的ストレス要因は、ここ数十年でサンゴの死亡率を引き起こし、多くのサンゴ礁で栄養的な格下げと生物学的複雑さの喪失につながっています。栄養ダウングレードの原因を逆転させる解決策は、サンゴ礁を回復する努力が最初にサンゴの死亡率を引き起こしたのと同じ減少した条件でしばしば試みられることが多いため、とらえどころのないままです。

Coral Arksは、積極的に浮力のある中水構造であり、長期的な研究プラットフォームとして使用するために健康なサンゴ礁のメソコスムを組み立てるために、移動して自然に採用されたサンゴに、水質条件の改善と不可解な生物多様性を提供するように設計されています。パッシブ沈降装置である自律サンゴ礁監視構造(ARMS)は、不可解なサンゴ礁の生物多様性をコーラルアークスに移すために使用され、それによって自然の募集を「後押し」し、サンゴの健康への生態学的サポートに貢献します。アークの2つの設計をモデル化して実験的にテストし、構造物の抗力特性を評価し、流体力に対する応答に基づいて中水中での長期安定性を評価しました。

次に、カリブ海の2つのサンゴ礁サイトにアークス構造の2つの設計を設置し、アークスの環境に関連するいくつかの水質指標を経時的に測定しました。展開時と6か月後、コーラルアークスは、より高い流量、光、溶存酸素、移動したサンゴのより高い生存率、同じ深さの近くの海底サイトと比較して堆積と微生物化の減少など、サンゴ礁機能の強化された指標を示しました。この方法は、深さやサイトなどの展開パラメータを変更することで地域の水質条件を調整できるサンゴ礁コミュニティを構築するための適応性のある長期的なプラットフォームを研究者に提供します。

概要

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

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

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

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

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

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

プロトコル

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

1. ARMSの組み立てと展開

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

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

2.コーラルアークスの組み立てと展開

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

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

3.コーラルアークの監視とメンテナンス

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

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

結果

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

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

figure-results-937(1)

figure-results-1074(2)

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

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

figure-results-1972(3)

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

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

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

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

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

figure-results-3734(4)

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

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

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

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

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

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

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

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

figure-results-8116
図5:プエルトリコのビエケスにある2つの「シェル」アークの測定された正味浮力値。 「シェル」アーク1(青)と「シェル」アーク2(緑)の水速(右軸、中色)、正味浮力(左軸、明るい色)、および係留索(左軸、暗い色)で計算された抗力/張力を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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

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

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

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

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

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ディスカッション

上記の代表的な結果は、コーラルアークが安定したその場の研究プラットフォーム上にサンゴ礁群集を組み立てるための生息地と改善された水質条件を提供することを示しています。同じ深さの箱舟と海底制御サイトは、一貫して異なる水質プロファイルを示しました。平均流速が高くなり、海岸からの距離が遠くなると、アークスサイトの中水環境における堆積と濁度が減少し(図6B)、アークスで測定された溶存有機炭素濃度の低下に寄与した可能性があります(図6F)。さらに、水の透明度のこれらの改善は、対照サイトと比較して箱舟の日中の光強度の上昇をもたらしました(図6A)。溶存酸素のディール変動が小さいことは、特に夜間に、底生生物と比較して箱舟のサンゴの酸素利用可能性が改善されていることを示しています(図6G)。これらの指標はすべて、過去の研究におけるサンゴの生存率42、成長43,44,45、ストレスからの回復46,47の改善に関連しており、底生対照サイトと比較して、アークスに移動したサンゴの生存結果の向上に関連している可能性があります(図8).これらの条件が生物付着によって実質的なバイオマスを蓄積した後でも持続するという事実は、自然な動員プロセスが中水環境の改善された水質特性を低下させないことを示しています。箱舟は底生生物防除サイトの3 km沖合に配備され、陸上由来の堆積物、栄養素、そしておそらく沿岸のサイトに挑戦する漁業圧力の投入が減少したことから恩恵を受けた可能性があります。きれいな水と人間への影響が少ない地域(沖合など)に箱舟を置くことは、メソコスムレベルの実験のためにサンゴ礁の生物多様性を伝播するために、大きな影響を受けた沿岸地帯よりも良い環境を提供する可能性があります。

予備調査結果はまた、底生サンゴ礁の生息地の劣化に関連する中央のサンゴ礁プロセスである中水アークスが微生物化を経験したことを示唆しました4,48。高い栄養素投入と乱獲は、エネルギー的に不安定化された微生物群集が増殖し、代謝的に利用可能な酸素の呼吸ドローダウンと底生生物でのサンゴ病原体の発生率の増加をもたらすサンゴ礁全体の栄養フィードバックループの推進力として特定されています6,49,50,51 .微生物群集の成長に対する主要な溶解制御として機能する微生物化されたサンゴ礁上の遊離ウイルスの存在量の減少は、さらなる微生物の拡大を促進する栄養構造の崩壊を示しています52。アークスの水柱関連微生物は、海底サイトよりも豊富ではなく(図7B)、物理的に小さかった(図7D)。アークはまた、より高いウイルス対微生物比(図7A)、遊離ウイルスの存在量(図7C)、および特に夜間の溶存酸素の利用可能性(図6G)を示しました。まとめると、これらの知見は、中水環境が海底サイトに比べて微生物化の可能性が低いことを示しています。アークは、水柱の垂直調整によって環境条件を変えることができるメソコスムとして、サンゴ礁の劣化の微生物的および分子的メカニズムを緩和し、さらに探求する機会を提供します。

2つの異なる周波数の測地線球が、ここに示されているコーラルアークの設計のために選択されました(図1)。測地線周波数 (1V、2V、3V) は、測地線球内の繰り返しサブエレメントの数を示し、周波数が高いほど三角形のサブエレメントの数が多いことに対応します。構造の観点から見ると、測地線多面体は構造全体に機械的応力を分散し、その結果、そのサイズ53,54に対して高い生来の強度が得られます。これらの特性は高い耐久性と寿命を提供しますが、流体力学的抗力が高くなり、係留システムへの負荷が高くなる可能性があります。生息地の観点から見ると、アークシステムによって生成される抗力は、構造内の運動量の拡散の指標であり、したがって、内部の周囲の流れが減少する程度を表しています。モデル化され、実験的に検証された結果は、構造物内の乱流の生成により、周囲の流れ場と比較して「シェル」アーク内の流速が40%〜70%減少することを示しています(補足ファイル1のセクション6を参照)。内部流量の減少の最適なレベルは明確ではありませんが(測地線の頻度によって異なります)、構造内の流量が減少した領域は、ニッチな生息地の作成55,56、栄養素の再石灰化57,58、および幼虫の保持と定着の促進に重要です59,60.一般に、より大きく、より高い周波数の測地線構造、特に露出度の高い設置場所では、より高い保持力とより多くの冗長性を備えたアンカーシステムが構造設計に組み込まれている必要があります。

「シェル」アーク係留システムの張力の抗力成分のフィールドベースの測定の結果は、モデル化および実験的な曳航推定値から生成された結果(図4)とほぼ一致し、予想される設計範囲内に十分収まりました。これらの結果は、流体力学モデルの仮定が有効であり、モデルがバックグラウンド電流範囲に対する抗力を予測できることを示しています。ただし、モデル化データと実験データの偏差は小さかったものの、テスト期間中の流れの範囲は、サイトの周囲の非暴風雨流速度に典型的であり、モデリングスペクトル全体にわたって厳密な検証を行うことができませんでした。コーラルアークシステムの設計要件を予測する際には、モデリング作業を、計画された展開サイトでの嵐の頻度と曝露に関する情報と組み合わせて、予想される流体力に耐えることができる構造と係留システムを設計する必要があります。ここで紹介するモデリング作業は、係留およびアンカーシステムに抗力係数と最大予想される力を提供することにより、最小限の入力(展開サイトでの望ましいArkサイズ、周波数、および平均電流速度)で他のサイトのArkシステムを設計するために使用できます。

ArksおよびARMSシステムはモジュール式であり、ここで説明するものとは異なる規模で代替材料を使用して構築できます。最終的な寿命はまだ決まっていませんが、コーラルアークは約10年のライフサイクルを持つように設計されました。箱舟とARMSの材料組成は、構造物の寿命、システムの重量、したがって重量を相殺するために必要な浮力に影響を与え、初期のファウリングコミュニティの応答に影響を与える可能性があります(補足ファイル1-図S7)。たとえば、石灰岩はARMSの生物学的コロニー形成のためのより自然な基質を提供し、ほとんどの炭酸塩礁の島で容易かつ安価に調達されますが、PVCやグラスファイバーなどの他の材料よりも壊れやすく重いです。これらの要因は、望ましいプロジェクトの結果に最も適したARMS、Arks、および係留システムを設計するために、サイト固有の特性に対して考慮する必要があります。

Coral Arksの展開サイトも、意図したプロジェクト目標(つまり、研究、緩和、または復元)に基づいて選択する必要があります。サイトの選択で考慮すべき要素には、材料へのアクセス、サンゴ礁の状態または状態、コミュニティへの投資/関与、リソースの制限、制度的サポート、および許可要件が含まれます。コーラルアークは、(1)比較的劣悪な状態の生きているサンゴ礁を含み、サンゴの募集、サンゴの被覆、沿岸保護、または人的食料資源を強化するための修復活動の恩恵を受けるサイトで特定のニーズを満たす機会を提供する可能性があります。(2)サンゴを別の場所に移動する必要がある、たとえば、除去が予定されている破片アイテムから生きているサンゴを移動する法的要件がある場合に発生する可能性があります(これらのサイトでは、Coral Arksは、転座の結果を改善するための既存の修復および植樹の取り組みと協力して、またはサポートして使用できます)。(3)地域の努力の成功を改善するために、コーラルアークを使用した新しい保存および修復技術の研究を必要とする。または(4)十分に異なる局所条件(すなわち、人為的影響の大きさが異なる)を持っている、つまり標準化されたメソコスムはサンゴ礁のプロセスと介入について意味のある比較をもたらすことができる。生物学的成長、多様性、水質化学など、Coral Arks生態系の側面を監視するための具体的なアプローチは、プロジェクトの目標とサイト固有の変数に基づいてプロジェクトによって異なります。これまでに実施されたコーラルアークの科学的モニタリングの代表的な概要は、補足ファイル1のセクション5に記載されています。

コーラルアークス構造の設計は、ほぼすべての種、サイズ、年齢のサンゴに対応でき、乱れたサンゴ礁の底生生物と比較して改善された条件を提供するはずです。特定のシステムで観察された成長率と石灰化率に応じて、生物学的成長を補い、沈没のリスクを減らすために、アークス構造に正の浮力を追加する必要がある場合があります。正の浮力のある水中構造物は、引張/圧縮ロードセルまたはひずみゲージを使用して計量し、コミュニティの水中重量が増加しているかどうかを判断できます(図5)。ロードセルを使用した定期的または長期的な測定は、他のより細かい解像度のサンゴの成長メトリックを補完して、コミュニティレベルの成長/石灰化のメトリックを生成することができ、システムがこの生物学的成長を補償するのに十分な正の浮力を持っているかどうかを判断するための定期的なメンテナンスタスクとして含まれています経時的。設置された箱舟を監視または保守できなくなった場合は、箱舟を底生生物にしっかりと取り付けるために、移動したり浮力を取り除いたりすることができます。

ここで説明する方法は、水質が改善された場所に設置できる中水サンゴ礁コミュニティを組み立てるための用途の広いツールキットを研究者に提供します。アークス構造の深さまたは位置を変更することにより、水質パラメータの変化は、サンゴ礁のコミュニティ構造と連続した軌道の変化に実験的にリンクすることができます。この設計機能により、研究者は中水中環境の豊富で十分に活用されていないスペースを利用して、サンゴ礁のメソコスムを組み立てて研究することができます。播種されたARMSを使用して、不可解な生物多様性を移動させ、移動放牧無脊椎動物の自然な加入を「後押し」することは、藻類の生物付着、ひいてはサンゴの底生競争を減らすための機能的なソリューションを提供します。このシステムのコンポーネントとして確立され標準化されたサンプリング構造を使用すると、Arksの不可解なコミュニティの長期的な監視と、グローバルな生物多様性センサスツールとしてARMSを使用して生成されたデータセットとの比較が可能になり、付加価値が提供されます。

Coral Arksは、サンゴと無脊椎動物のバイオマスを繁殖させるためのより全体論的で統合された自己調節プラットフォームとして機能し、近くの劣化したサンゴ礁に移植することができ、サンゴが成長するための安全な避難所を提供することができます改善された水質条件で繁殖します。プエルトリコで現在実証されているように、アークスは、破片や劣化した地域からのサンゴやサンゴ礁の生物多様性の移動を含む緩和プロジェクトの生存結果を改善することができます。箱舟は、魚の個体群の生息地を置き換え、新しい保全戦略をテストし、在来のサンゴ礁の生物多様性を保護する方法として、長期的なプロジェクトに関連しています。その過程で、Arksはサンゴ礁の集会と生態学的継承の その場 調査を実施するための用途の広いツールを提供し、サンゴ礁の接続性に関する新しい洞察を生み出す可能性があります。

開示事項

著者には、競合する金銭的利益やその他の利益相反はありません。

謝辞

このプロジェクトにリソース、サポート、洞察を提供してくれたMark Vermeij、Kristen Marhaver、およびキュラソーのCARMABI Research Foundationに感謝します。NAVFAC大西洋ビエケス修復プログラムとジェイコブスエンジニアリングチームには、ビエケスのコーラルアークの設置、保守、監視における実質的なロジスティックおよび技術サポートに感謝します。また、マイク・アンゲラ、トニ・ルケ、シンシア・シルベイラ、ナターシャ・ヴァローナ、アンドレス・サンチェス・クイント、ラース・テル・ホルスト、ベン・ダービーの支援と建設的なインプットにも感謝しています。この研究は、FLR に対するゴードンアンドベティムーア財団の水生共生研究者賞および国防総省環境セキュリティ技術認定プログラム(RC20-5175)によって資金提供されました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
PVC ARMS
316 Stainless Steel Hex Head Bolt, Partially Threaded, 8" length, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr92186A569Bolts for PVC ARMS assembly
Per unit: 4x
316 Stainless Steel Hex Nut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr94805A029Nuts for PVC ARMS assembly
Per unit: 8x
316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr90715A125Locknuts for PVC ARMS assembly
Per unit: 4x
316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" ODMcMaster Carr90107A029Washers for PVC ARMS assembly
Per unit: 8x
Nylon Unthreaded Spacers - 1/2" Long, 1/2" OD, BlackMcMaster Carr90176A159Nylon spacers for PVC ARMS assembly
Per unit: 20x
PVC Sheet Type 1, 0.25" Thick, GrayMcMaster Carr8747K215PVC for ARMS stacking plates. See Supplemental File 1-Figure SI 4.
Per unit: 9x
Refers to drawing: Yes
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, GrayMcMaster Carr8747K217PVC for ARMS baseplates. See Supplemental File 1-Figure SI 1.
Per unit: 1x
Refers to drawing: Yes
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, GrayMcMaster Carr8747K217PVC for ARMS long cross spacers. See Supplemental File 1-Figure SI 2.
Per unit: 4x
Refers to drawing: Yes
PVC Sheet Type 1, 0.5" Thick, GrayMcMaster Carr8747K217PVC for ARMS short cross spacers. See Supplemental File 1-Figure SI 3.
Per unit: 8x
Refers to drawing: Yes
Ratcheting Combination Wrench, 7/16"McMaster Carr5163A15Wrenches to secure PVC ARMS hardware
Per unit: 2x
Rebar, 3-ft Lengths, 1/2" ThickMcMaster Carr7480N115Rebar stakes to secure PVC ARMS to benthos. Mallet required.
Per unit: 4x
Sequentially Numbered Metal TagsMcMaster Carr2208N349Numbered tags for ARMS ID
Per unit: 1x
Limestone ARMS
DeWalt Wet Tile SawHome DepotD24000SCut limestone tile into stackable pieces
Per unit: 1x
Lift Bag, 50 lb CapacityAmazonB07GCNGRDRLift bag for transport of Limestone ARMS to benthos
Per unit: 1x
Milk Crate, Heavy Duty, 13" x 19" x 11"AmazonB06XGBDJMDCrate for transport of Limestone ARMS to benthos
Per unit: 1x
Natural Limestone or Travertine Tile (Unfilled) - 12" x 12"Bedrosians Tile & StoneTRVSIENA1212TBase material for Limestone ARMS layers and stacking pieces. See Supplemental File 1-Figure SI 7 and Figure SI 8.
Per unit: 10x
Refers to drawing: Yes
PC-11 Epoxy Adhesive Paste, Two-Part Marine GradeAmazonB008DZ1864Two-part epoxy for Limestone ARMS assembly
Shell Ark
Downline: 1" Nylon, 6' length thimble-to-thimble with stainless sailmaker thimble at top, heavy duty galvanized thimble at bottomWest MarineCustomNylon mooring line for attaching Ark mooring bridle to anchor system.
Per unit: 1
Main structure: 105-B EpoxyWest Marine (made by West System)318352Epoxy to seal foam in struts. 
Main structure: 205-B HardenerWest Marine (made by West System)318378Epoxy to seal foam in struts. 
Mooring bridle: 3-1/8" X 2" small diamond base padeye with 7/8" bailWest Marine (Made by Harken)130560Padeyes for attaching mooring system to Ark base.
Per unit: 5
Main structure: 3/4" H-80 Divinycell Closed-Cell Foam, Plain Sheet 48" x 96"Fiberglass SupplyL18-1110Buoyant foam for struts. Cut foam into 1.5" wide strips, 15.5" long for S1 struts and 19" long for S2 struts, add to struts.
Per unit: 120
Downline: 3/4" Stainless MasterlinkLift-It (Made by Suncor)S0652-0020Masterlink, connects top of swivel to lower portion of 5-point mooring bridle.
Per unit: 1
Mooring bridle: 3/8" Stainless Long D Shackles with Captive Self-Locking PinWest Marine (Made by Wichard)116293High-strength shackles to connect pad eyes to mooring system.
Per unit: 5
Main structure: 316 SS, Pan Head Phillips Screw, 1/4-20, 3" LongMcMaster Carr91735A385Bolts to attach hull anodes to stainless struts
Per unit: 2
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/2"-13 Thread SizeMcMaster90715A165Locknuts for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (8 per unit)
Per unit: 80
ARMS Baseplates: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster90715A125Locknuts for ARMS mounting baseplates (struts and Stars)
Per unit: 600
Coral plate baseplates: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster90715A125Locknuts for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 600
Coral plate attach: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster90715A125Locknuts to attach coral plates to baseplates
Per unit: 80
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster90715A125Padeye locknuts for attaching pad eyes to struts.
Per unit: 20
Main structure: 316 Stainless Steel Nylon-Insert Locknut, Super-Corrosion-Resistant, 10-32 Thread SizeMcMaster90715A115Locknuts for star-strut connections
Per unit: 475
Main structure: 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Screw, 10-32 Thread, 2-1/2" LongMcMaster91735A368Bolts for star-strut connections
Per unit: 475
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Phillips Flat Head Screws, 1/4"-20 Thread Size, 2-3/4" LongMcMaster91500A341Padeye bolts for attaching pad eyes to struts.
Per unit: 15
ARMS Baseplates: 316 Stainless Steel Phillips Flat Head Screws, 1/4"-20 Thread Size, 3" LongMcMaster91500A554Bolts for attaching ARMS mounting baseplates to Stars
Per unit: 475
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Phillips Flat Head Screws, 1/4"-20 Thread Size, 3" LongMcMaster91500A554Padeye bolts for attaching pad eyes through struts & Stars.
Per unit: 5
Mooring bridle: 316 Stainless Steel Screw-Pin Shackle - for Lifting, 1/2" ThickMcMaster3583T15Shackles to connect lower bridle thimbles to small links on Masterlink.
Per unit: 5
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Split Lock Washer for 1/2" Screw Size, 0.512" ID, 0.869" ODMcMaster92147A033Lock washers for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Washer for 1/2" Screw Size, 0.531" ID, 1.25" ODMcMaster90107A033Backing washers for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
ARMS Baseplates: 316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" ODMcMaster90107A029Washers for attaching ARMS mounting baseplates to struts
Per unit: 40
Coral plate baseplates: 316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" ODMcMaster90107A029Washers for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 40
Coral plate attach: 316 Stainless Steel Washer for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" ODMcMaster90107A029Washers to attach coral plates to baseplates
Per unit: 160
Main structure: 316 Stainless Steel Washer for Number 10 Screw Size, 0.203" ID, 0.438" ODMcMaster90107A011Washers for star-strut connections
Per unit: 475
Buoyancy: 316 Stainless Steel Washer, 1" Screw Size, 2" ODMcMaster90107A038Large washers for central rod (2 per float)
Per unit: 22
ARMS attachments: 316 Stainless Steel Washer, Oversized, 1/2" Screw, 1.5" OD, 0.052"- 0.072" ThicknessMcMaster91525A145Oversized washers for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
Coral plates: 3M Marine Adhesive Sealant - Fast Cure 5200 McMaster67015A44Adhesive to glue limestone tiles to PVC coral baseplates. Drill out corners with masonry bit. 
Buoyancy: 3M Marine Adhesive Sealant - Fast Cure 5200 McMaster67015A44Adhesive for securing fiberglass threaded rods into trawl floats
Per unit: 2
Mooring bridle: 5/8" Dyneema with Stainless Sailmakers Thimbles at Top and BottomWest MarineCustom5-leg mooring bridle for attaching Ark to downline.
Per unit: 5
Downline: Clevis-to-Clevis Swivel - Not for Lifting, 316 Stainless Steel, 6-7/32" LongMcMaster37405T29Swivel, bottom connects to top of downline, top connects to large link in Masterlink.
Per unit: 1
Buoyancy: Fiberglass Hex Nut, 1"-8 Thread SizeMcMaster91395A038Fiberglass hex nuts for securing fiberglass threaded rods into trawl floats
Per unit: 30
Buoyancy: Fiberglass Threaded Rod, 1"-8 Thread Size, 8 Feet LongMcMaster91315A238Fiberglass threaded rod to attach float to Ark. See Supplemental File 1-Figure SI 16.
Per unit: 10
Refers to drawing: Yes
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 1/2" ThickMcMaster3663T42Middle shackle from chain to pear link.
Per unit: 3
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/4" ThickMcMaster3663T44Upper large shackle to connect pear link to lower downline thimble.
Per unit: 1
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/4" ThickMcMaster3663T44Anchor shackle.
Per unit: 3
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/8" ThickMcMaster3663T51Shackle to connect chain to upper middle shackle.
Per unit: 3
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Shackle with Screw Pin - for Lifting, 3/8" ThickMcMaster3663T51Lower small shackle to connect chain and anchor shackle.
Per unit: 3
Install & Tools: HARKEN–57mm Carbo Air® Triple BlockWest Marine200076Top of block and tackle
Per unit: 1
Install & Tools: HARKEN–57mm Carbo Air® Triple Block with Becket and CamWest Marine1171644Base of block and tackle
Per unit: 1
ARMS Baseplates: Heat-Shrink Tubing, 0.50" ID Before ShrinkingMcMaster7856K47Heatshrink for non-slip. Cut into 1.5" lengths, slide over a SS u-bolt bracket and use heat gun to tighten onto bracket.
Per unit: 20
Coral plate baseplates: Heat-Shrink Tubing, 0.50" ID Before ShrinkingMcMaster7856K47Heatshrink for non-slip. Cut into 1.5" lengths, slide over a SS u-bolt bracket and use heat gun to tighten onto bracket.
Per unit: 40
Buoyancy: Heatshrink for covering threaded rods before mounting in floats, 14" sectionsMcMaster7856K66Heatshrink for non-slip. Cut into 14" lengths. Slide onto fiberglass rods with 1" exposed on one end and 2-1/4" exposed on the other. Use heat gun to shrink until snug.
Per unit: 11 
Anchor system: High-Strength Grade 40/43 Chain-Not for Lifting, Galvanized Steel, 5/16 Trade SizeMcMaster3588T23Chain to connect anchors and downline.
Per unit: 3
Install & Tools: LOW-STRETCH ROPE, 7/16" DIAMETERMcMaster3789T25Rope for block and tackle
Per unit: 250
ARMS Baseplates: Marine-Grade Moisture-Resistant HDPE, 48" x 48", 1/2" ThickMcMaster9785T82Sheeting for ARMS mounting baseplates. See Supplemental File 1-Figure SI 13.
Per unit: 10
Refers to drawing: Yes
Coral plate baseplates: Marine-Grade Moisture-Resistant HDPE, 48" x 48", 1/2" ThickMcMaster9785T82Sheeting for coral plate baseplates. See Supplemental File 1-Figure SI 14. 
Per unit: 20
Refers to drawing: Yes
Mooring bridle: Martyr Collar Anode Zinc 3/4" x 2 1/8" x 2 1/8"West Marine5538715Sacrificial anodes for Masterlinks on mooring lines
Per unit: 2
Main structure: Martyr Hull Anode Zinc 6 1/4" x 2 3/4" x 5/8"West Marine484998Sacrificial anodes for stainless struts at Ark base
Per unit: 3
ARMS Baseplates: Mounting Plate for 1/4"-20 Thread Size, 2" ID 304 Stainless Steel U-BoltMcMaster8896T156Bracket plate w/heatshrink, for attaching ARMS mounting baseplates to struts
Per unit: 6
Coral plate baseplates: Mounting Plate for 1/4"-20 Thread Size, 2" ID 304 Stainless Steel U-BoltMcMaster8896T156Bracket plate w/heatshrink, for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 40
Main structure: N1 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, modified Viking DomeICO2-AISIN1 Stars modified for central rod. Machine/weld connections to insert top and bottom of unthreaded fiberglass structural rod. See Supplemental File 1-Figure SI 10.
Per unit: 2
Main structure: N1 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, unmodifiedViking DomeICO2-AISIUnmodified N1 Stars for Ark assembly. See Supplemental File 1-Figure SI 10
Per unit: 10
Refers to drawing: Yes
Main structure: N2 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, modifiedViking DomeICO2-AISIN2 Stars modified for floats. Drill larger center hole to accommodate 1" threaded fiberglass rod.
Per unit: 10
Main structure: N2 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, modifiedViking DomeICO2-AISIN2 Stars modified for pad eyes. Drill larger bolt hole (bit - 1/4") on outer hole of one arm for Padeye connector.
Per unit: 5 
Main structure: N2 Stars, 316 SS, 5mm Thick Connectors for DIY VikingDome F2 Sphere, unmodifiedViking DomeICO2-AISIUnmodified N2 Stars for Ark assembly
Per unit: 15
Anchor system: Pear-Shaped Link - Not for Lifting, Galvanized Steel, 3/4" ThickMcMaster3567T34Link to connect 3x 1/2" shackles to upper large shackle.
Per unit: 1
Install & Tools: Phillips Screwdriver, Size No. 2McMaster Carr5682A28Tighten down locknuts on star-strut bolts
Per unit: 1
Coral plates: PVC Sheet Type 1, Gray, 48" x 48", 1/4" ThickMcMaster8747K194PVC baseplates for coral plates. See Supplemental File 1-Figure SI 4.
Per unit: 20
Refers to drawing: Yes
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 3/4"McMaster Carr5163A21Attach ARMS to ARMS mounting baseplates
Per unit: 2
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 3/8"McMaster Carr5163A14Tighten down locknuts on star-strut bolts
Per unit: 2
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 7/16"McMaster Carr5163A15Attach coral plates to coral plate baseplates
Per unit: 2
Install & Tools: Round Bend-and-Stay Multipurpose Stainless Steel Wire, 0.012" diameter, 645 feetMcMaster9882K35Wire for mousing stainless shackles
Per unit: 1
Main structure: S1 Struts - Structural FRP Fiberglass Square Tube, 2" Wide x 2" High Outside, 1/4" Wall ThicknessMcMaster8548K34Fiberglass S1 Struts. Cut to 20.905" long (531 mm), drill bolt holes (bit - 7/32"), fill w/ divinycell foam & epoxy. See Supplemental File 1-Figure SI 9
Per unit: 55
Refers to drawing: Yes
Main structure: S1 Struts (SS) - Corrosion-Resistant 316/316L Stainless Steel Rectangular Tube, 0.12" Wall Thickness, 2" x 2" OutsideMcMaster2937K17Stainless S1 Struts. Cut to 20.905" long (531 mm), drill bolt holes (bit - 1/4"). See Supplemental File 1-Figure SI 9.
Per unit: 5
Refers to drawing: Yes
Main structure: S2 Struts - Structural FRP Fiberglass Square Tube, 2" Wide x 2" High Outside, 1/4" Wall ThicknessMcMaster8548K34Fiberglass S2 Struts. Cut to 24.331" long (618 mm), drill bolt holes (bit - 7/32"), fill w/ divinycell foam & epoxy. See Supplemental File 1-Figure SI 9.
Per unit: 60
Refers to drawing: Yes
Anchor system: Skrew SK2500 Spade Anchor USASK2500Two-plate sand screw anchors
Per unit: 3
Coral plates: Stainless Steel Washers for 1/4" Screw Size, 0.281" ID, 0.625" ODMcMaster90107A029Numbered tags for coral plates. Stamp SS washers with numbered stamps and glue to coral plate for later ID.
Per unit: 100 
Main structure: Structural FRP Fiberglass Rod, 10 Feet Long, 1" DiameterMcMaster8543K26Central fiberglass rod, cut to Ark diameter
Per unit: 1
ARMS attachments: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/2"-13 Thread Size, 1-3/4" LongMcMaster93190A718Bolts for attaching ARMS to ARMS mounting baseplates (4 per unit)
Per unit: 40
Coral plate attach: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/4"-20 Thread Size, 2" Long, Fully ThreadedMcMaster93190A550Bolts to attach coral plates to baseplates
Per unit: 80
ARMS Baseplates: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/4"-20 Thread Size, 3-1/2" LongMcMaster92186A556Bolts for attaching ARMS mounting baseplates to struts
Per unit: 40
Coral plate baseplates: Super-Corrosion-Resistant 316 Stainless Steel Hex Head Screw, 1/4"-20 Thread Size, 3" Long, Partially ThreadedMcMaster92186A554Bolts for attaching coral plate baseplates to struts
Per unit: 160
Buoyancy: TFLOAT 14" CENTERHOLE OR 437FM, modifiedSeattle MarineYUN12B-8 14" trawl floats for mounting to Stars. Slide fiberglass rod with heat shrink through trawl float. Add stainless washer and fiberglass hex nut on both sides. Seal washers with 3M 5200. Tighten nuts down.  See Supplemental File 1-Figure SI 16.
Per unit: 11
Refers to drawing: Yes
Buoyancy: TFLOAT 14" CENTERHOLE OR 437FM, unmodifiedSeattle MarineYUN12B-8 14" trawl float
Per unit: 2
ARMS Baseplates: Thick-Wall Dark Gray PVC Pipe for Water, Unthreaded, 1/4 Pipe Size, 5 Feet LongMcMaster48855K41Star standoffs for attaching ARMS mounting baseplates to Stars. Cut to 1.75" long sections.
Per unit: 40
Coral plates: Unfilled, Natural Travertine Flooring Tile, 16" x 16"Home Depot304540080Limestone tiles for coral plates. Cut to 9" x 9" tiles using wet tile saw.
Per unit: 20
Buoyancy: Vibration-Damping Routing Clamp, Weld mount, Polypropylene with Stainless Steel Plates, 1" IDMcMaster3015T47Attachment for central rod and float
Per unit: 1
Buoyancy: Water- and Steam-Resistant Fiberglass Washer for 1" Screw Size, 1.015" ID, 1.755" ODMcMaster93493A110Fiberglass washers for securing fiberglass threaded rods into trawl floats
Per unit: 20
Install & Tools: Zinc-Galvanized Steel Wire, 0.014" diameter, 475 feet longMcMaster8872K19Wire for mousing galvanized shackles
Per unit: 1
Two Platform Ark
Downline: 1" Nylon, 15' length thimble-to-thimble with SS Sailmaker Thimble spliced at top, galvanized thimble spliced at bottomWest MarineCustomRuns from bottom of swivel shackle (SS) to top of anchor system (galvanized)
Per unit: 1x
Downline: 1/2" Spectra Rope with SS316 Sailmakers Thimbles Spliced at Top and BottomWest MarineCustomRuns from bottom of Ark to top of swivel shackle.
Per unit: 2x
Buoyancy: 1/2" Spectra Rope with SS316 Sailmakers Thimbles Spliced at Top and BottomWest MarineCustomConnects mooring buoy to top eye on Ark
Per unit: 2x
Main structure: 3/8 x 36 Inch SS Thimble Eye Swages and 5/8 Jaw-Jaw Turnbuckle Cable AssemblyPacific Rigging & LoftCustomCustom rigging system with turnbuckle, 3/8" SS wire rope swaged into PVC end caps
Per unit: 1x
Main structure: 304 SS U-Bolt with Mounting Plate, 1/4"-20, 2" IDMcMaster Carr8896T123For joining fiberglass platforms using I-beams
Per unit: 10x
Main structure: 316 SS Hex Nut, 1/4"-20McMaster Carr94804A029For locking struts in hubs
Per unit: 120x
Main structure: 316 SS Nylon-Insert Locknut, 1/4"-20McMaster Carr90715A125For locking struts in hubs
Per unit: 240x
Main structure: 316 SS Pan Head Phillips Screw, 1/4"-20 Thread, 2.5" LongMcMaster Carr91735A384For locking struts in hubs
Per unit: 120x
Downline: 316 SS Safety-Pin Shackle, 1/2" ThickMcMaster Carr3860T25Connect Ark bottom eye to 1/2" Spectra rope.
Per unit: 1x
Buoyancy: 316 SS Safety-Pin Shackle, 1/2" ThickMcMaster Carr3860T25Connects bottom of 1/2" rope to top Ark eye
Per unit: 2x
Buoyancy: 316 SS Safety-Pin Shackle, 7/16" ThickMcMaster Carr3860T24Connects mooring buoy to 1/2" rope
Per unit: 2x
Install & Tools: Arbor with 7/16" Hex for 1-1/2" Diameter Hole SawMcMaster Carr4066A63Drill holes in 6" PVC (Hubs)
Per unit: 1x
Main structure: Clamping U-bolt, 304 SS, 1/4"-20 Thread Size, 9/16" IDMcMaster Carr3042T149For clamping SS wire rope at Ark vertices
Per unit: 15x
Downline: Clevis-to-Clevis Swivel, 316 SS, 5-7/16" LongMcMaster Carr37405T28Swivel shackle between 1/2" spectra rope and 1" nylon downline
Per unit: 1x
Main structure: Corrosion-Resistant Wire Rope, 316 SS, 1/8" ThickMcMaster Carr8908T44String through assembled Ark and clamp at vertices
Per unit: 250ft
Main structure: Fiberglass Molded Grating, Square Grid, 1" Grid Height, 1-1/2" x 1-1/2" Square Grid, Grit Surface, 70% Open AreaMcNicholsMS-S-100Cut to half pentagon shape, mirror images. See Figure S23.
Per unit: 2x
Refers to drawing: Yes
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Screw-Pin Shackle, 1/2" ThickMcMaster Carr3663T42Connects base of 1" nylon downline to anchor chain
Per unit: 1x
Anchor system: Galvanized Alloy Steel Screw-Pin Shackle, 3/8" ThickMcMaster Carr3663T51Connects anchor chain together
Per unit: 1x
Anchor system: Grade 30 Chain, Galvanized Steel, 1/4 Trade SizeMcMaster Carr3592T45Anchor chain
Install & Tools: HARKEN–57 mm Carbo Air Triple BlockWest Marine200076Top of block and tackle
Per unit: 1x
Install & Tools: HARKEN–57 mm Carbo Air Triple Block with Becket and CamWest Marine1171644Base of block and tackle
Per unit: 1x
Install & Tools: Hole Saw, 1-15/16" Cutting Depth, 1-1/2" DiameterMcMaster Carr4066A27Drill holes in 6" PVC (Hubs)
Per unit: 1x
Install & Tools: Low Pressure Inflator NozzleAmazon (Made by Trident)B00KAI940EInflate mooring buoys underwater
Per unit: 1x
Install & Tools: LOW-STRETCH ROPE, 7/16" DIAMETERMcMaster3789T25Rope for block and tackle
Per unit: 100ft
Main structure: Nylon Cable Ties, UV Resistant Heavy Duty, 19" long, 250 lb strengthCableTiesAndMoreCT19BKUse to secure platforms to Ark framework
Per unit: 30x
Install & Tools: Phillips Screwdriver, Size No. 3McMaster Carr5682A29For locking struts in hubs
Per unit: 1x
Buoyancy: Polyform Buoy, A-5 Series All-Purpose Buoy, 27"West Marine (Made by PolyformUS)11630142Mooring buoy for buoyancy.
Per unit: 2x
Main structure: PVC Pipe, Schedule 80, 1" diameterMcMaster Carr48855K13Struts. Cut to 1.2 m (4 ft) lengths, drill to accommodate bolts
Per unit: 30x
Main structure: PVC Pipe, Schedule 80, 6" diameterMcMaster Carr48855K42Hubs. Cut into 4" lengths, drill 5 holes symmetrically around midline using 1-1/2" hole saw. See Supplemental File 1-Figure S22.
Per unit: 12x
Refers to drawing: Yes
Main structure: PVC Thick Wall Pipe Fitting, End Cap, Schedule 80, 6 " diameter, FemalePRMFiltration (Made by ERA)PVC80CAP600XEnd caps for top and bottom of Ark. Cut off bottom 2 inches.
Per unit: 2x
Install & Tools: Ratcheting Combination Wrench, 7/16"McMaster Carr5163A15For locking struts in hubs
Per unit: 1x
Install & Tools: Ratcheting PVC Cutter, 1-1/4"McMaster Carr8336A11Cut 1" PVC into struts
Per unit: 1x
Main structure: Ring, 18-8 SS, for 5/32 Chain Trade Size, 3/4" Inside LengthMcMaster Carr3769T71Substitute for 1/2" SS wire rope clamps.
Per unit: 12x
Install & Tools: Round Bend-and-Stay Multipurpose Stainless Steel Wire, 0.012" diameter, 645 feetMcMaster9882K35Wire for mousing stainless shackles
Per unit: 1
Main structure: Structural FRP Fiberglass I-Beam, 1/4" Wall Thickness, 1-1/2" Wide x 3" High, 5 ft longMcMaster Carr9468T41Cut to 5 1-ft long sections.
Per unit: 1x
Install & Tools: Underwater Lift Bag, 220 lbs Lift CapacitySubsalve CommercialC-200Transport Ark to deployment site
Per unit: 1x
Install & Tools: Zinc-Galvanized Steel Wire, 0.014" diameter, 475 feet longMcMaster8872K19Wire for mousing galvanized shackles
Per unit: 1x
Strain Gauge
316 Stainless Steel Eyebolt, for Lifting, M16 x 2 Thread Size, 27 mm Thread LengthMcMaster Carr3130T14For strain gauge eyebolts
Per unit: 2x
Bridge101A Data Logger, 30 mVMadgeTechBridge101A-30Collect voltage data from load cell.
Per unit: 1x
Chemical-Resistant PVC Rod, 2" DiameterMcMaster Carr8745K26For datalogger housing endcap. See Supplemental File 1-Figure S32.
Per unit: 1x
Refers to drawing: Yes
Clamping U-Bolt, 304 SS, 5/16"-18 Thread Size, 1-3/8" IDMcMaster Carr3042T154For attachment of datalogger housing to strain gauge.
Per unit: 1x 
Dow Corning Molykote 44 Medium Grease LubricantAmazon (Made by Dow Corning)B001VY1EL8For mating male and female underwater connectors.
Per unit: 1x
STA-8 Stainless Steel S Type Tension and Compression Load CellLCM SystemsSTA-8-1T-SUBLoad cell instrument for assessment of in-water weight.
Per unit: 1x 
Standard-Wall Clear Blue Rigid PVC Pipe for Water, Unthreaded, 1-1/2 Pipe Size, 2 ftMcMaster Carr49035K47For datalogger housing. See Supplemental File 1-Figure S31.
Per unit: 1x
Refers to drawing: Yes
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Cap, White, 1-1/2 Pipe Size Socket FemaleMcMaster Carr4880K55For datalogger housing.
Per unit: 2x
Structural FRP Fiberglass Sheet, 12" Wide x 12" Long, 3/16" ThickMcMaster Carr8537K24For attachment of datalogger housing to strain gauge.
Per unit: 1x
SubConn Micro Circular Connector, Female, 4-portMcCartney (Made by SubConn)MCBH4FInstall into machined housing endcap.
Per unit: 1x
SubConn Micro Circular Connector, Male, 4-contactMcCartney (Made by SubConn)MCIL4MSplice to load cell wiring and waterproof connection.
Per unit: 1x
Threadlocker, Loctite 262, 0.34 FL. oz BottleMcMaster Carr91458A170For strain gauge eyebolts
Per unit: 1x
Vibration-Damping Routing Clamp, Weld-Mount, Polypropylene with Zinc-Plated Steel Top Plate, 1-7/8" IDMcMaster Carr3015T39For attachment of datalogger housing to strain gauge.
Per unit: 1x

参考文献

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