Восстановление коралловых рифов

Стратегии восстановления коралловых рифов используют естественные и антропогенные процессы для восстановления поврежденных коралловых рифов . ^[1] Рифы страдают от ряда естественных и антропогенных причин, и прилагаются усилия для исправления повреждений и восстановления рифов. Это включает в себя фрагментацию зрелых кораллов, размещение живых фрагментов на линиях или каркасах, заботу о фрагментах по мере их восстановления и роста и трансплантацию фрагментов в их окончательные положения на рифе, когда они станут достаточно большими.

Коралловые рифы являются важными буферами между сушей и водой и помогают уменьшить ущерб от штормов и прибрежную эрозию. ^[2] Они обеспечивают занятость, возможности для отдыха и являются основным источником пищи для прибрежных сообществ. ^{[2] По оценкам,} экосистемные услуги, предоставляемые коралловыми рифами , приносят 375 миллиардов долларов в год. ^[3]

Наиболее распространенными кораллами в тропических рифах являются каменистые кораллы Scleractinia , которые строят твердые скелеты из карбоната кальция, которые обеспечивают защиту и структуру рифа. ^{[4] [5]} Коралловые полипы имеют мутуалистические отношения с одноклеточными водорослями, называемыми зооксантеллами . Эти водоросли живут в тканях коралловых полипов и обеспечивают коралл энергией посредством фотосинтеза . В свою очередь, коралл предоставляет убежище и питательные вещества зооксантеллам. ^[4]

Половина кораллов мира исчезла с 1970 года, и все рифы находятся под угрозой исчезновения к 2050 году. ^[6] Чтобы обеспечить существование коралловых рифов в будущем, изучаются новые методы восстановления их экосистем. Фрагментация является наиболее распространенной стратегией восстановления рифов; часто используется для создания искусственных рифов, таких как коралловые деревья, линейные питомники и фиксированные структуры. ^[7]

Некоторые виды антропогенной деятельности, такие как добыча кораллов, донное траление , рытье каналов и ловля рыбы взрывным способом, вызывают физическое разрушение коралловых рифов, повреждая твердую скелетную структуру кораллов, состоящую из карбоната кальция.

Еще одна серьезная угроза коралловым рифам исходит от химической деградации. Загрязнение морской среды солнцезащитными кремами, красками и внутренней добычей полезных ископаемых может привести к попаданию химикатов, токсичных для кораллов, что приведет к их распаду. Болезнь кораллов часто распространена в районах, где кораллы подвергаются стрессу, и в последние десятилетия ее серьезность возросла. ^[8] Часто в результате загрязнения в экосистемах коралловых рифов может происходить эвтрофикация , ограничивающая поступление питательных веществ из кораллов. С изменениями, происходящими на прибрежных землях, такими как вырубка лесов, добыча полезных ископаемых, мощение сельскохозяйственных земель и эрозия, в толщу воды попадает гораздо больше осадков. Это известно как седиментационная нагрузка, которая может напрямую душить кораллы или блокировать ультрафиолетовый свет, эффективно блокируя фотосинтез кораллов.

Кроме того, увеличение выбросов CO ₂ в результате человеческой деятельности, например, сжигания ископаемого топлива, может повлиять на кислотность океанских вод. Закисление океана происходит, когда избыток CO ₂ реагирует с океанской водой и снижает pH. В кислых условиях кораллы не могут производить свои скелеты из карбоната кальция, а некоторые зооксантеллы не способны выживать. ^[9]

Возможно, самая большая угроза коралловым рифам исходит от повышения глобальной температуры. Большинство кораллов могут выдерживать только диапазон температур воды 4–5 °C. В этих неблагоприятных условиях кораллы могут вытеснять свои зооксантеллы и обесцвечиваться. По мере того, как океанские воды нагреваются сверх допустимого диапазона температур, кораллы умирают. ^[10] Одно исследование Большого Барьерного рифа показало, что уровень смертности рифов составляет 50% после экстремальной волны тепла с повышением температуры на 3–4 °C. ^[11] Из-за событий обесцвечивания, подобных этому, поврежденные кораллы продолжают умирать после события из-за повышенной восприимчивости к болезням, рифу требуются десятилетия для восстановления после событий обесцвечивания, а медленно растущие кораллы подвергаются огромному стрессу. ^[11] Повышение глобальной температуры является следствием выброса большого количества парниковых газов в атмосферу. Исследование показало, что около 655 миллионов человек живут вблизи коралловых рифов, что составляет 91% населения мира, которое является частью развитых стран, таких как Соединенные Штаты Америки, Ближний Восток и Китай. Это же исследование также показало, что из 655 миллионов человек, 75% населения, живущего в непосредственной близости от коралловых рифов, являются выходцами из слаборазвитых стран, и хотя эти слаборазвитые страны зависят от экосистемы коралловых рифов, они вносят лишь небольшой вклад в выбросы парниковых газов. Статистика выбросов показала, что развитые страны вносят примерно в 11 раз больший вклад в выбросы парниковых газов, чем бедные развивающиеся страны. ^[12]

Процесс выращивания коралловых полипов для содействия регенерации рифов во всем мире известен как коралловое садоводство. Выращивание небольших фрагментов кораллов путем бесполого размножения до тех пор, пока они не станут полностью зрелыми, является фундаментальной техникой кораллового садоводства, причем двумя основными используемыми методами являются морские или наземные питомники.

Коралловые рифы восстанавливаются с помощью океанических и наземных питомников. Океанические питомники включают выращивание фрагментов кораллов под водой, прикрепление их к стальным конструкциям и наблюдение за их ростом в течение 6–12 месяцев, пока они не достигнут зрелости. После созревания новые колонии полипов можно перенести на поврежденные рифы. Наземные питомники, с другой стороны, выращивают фрагменты кораллов в лабораториях или на фермах, что позволяет проводить более быстрые процессы, такие как микрофрагментация. Поскольку большинство кораллов растут всего около дюйма в год, для восстановления рифов важны более быстрые методы выращивания. Кроме того, выращивание кораллов на суше защищает их от изменения температуры, хищников и других проблем, которые могут помешать процессу восстановления. ^[14] Кроме того, с помощью NOAA было восстановлено более 40 000 коралловых рифов по всему Карибскому региону. ^[15]

Фрагментация — это метод, используемый для разделения дикой колонии кораллов на более мелкие фрагменты, и эти более мелкие части выращиваются в дополнительные колонии кораллов. Эти фрагментированные колонии генетически идентичны колонии-хозяину. ^[16] До 75% колонии-хозяина можно удалить без отрицательного влияния на скорость ее роста. ^[17] Это позволяет исследователям продвигаться вперед с проектами по восстановлению с минимальным влиянием, если вообще какое-либо, на скорость роста или выживаемость исходной колонии. Методы фрагментации используются практически в каждой стратегии восстановления кораллов, используемой сегодня. Ниже описаны несколько различных методов выращивания фрагментированных кораллов. ^[17]

Фрагментация позволяет увеличить производительность примерно в 8 раз по сравнению с исходным донорским кораллом. Объем фрагментации, произведенной с донорским кораллом, определяется на основе объема пространства, доступного для прикрепления. ^[17] Хотя фрагментация имеет большой потенциал, ее следует избегать, когда высок риск заболеваний и штормов, поскольку она увеличивает потенциальные риски от этих стрессоров. Эта стратегия может быть неоптимальной для определенных видов, которые менее приспособлены к фрагментации или имеют более медленные темпы роста. ^[17]

В питомниках с вертикальной линией фрагменты кораллов привязываются к линии, подвешенной в воде. Один конец линии прикреплен к бую, а другой закреплен на морском дне. Кораллы в этом типе питомника напрямую связаны с вертикальной линией в толще воды. ^[18]

В подвесных линейных питомниках два вертикальных линейных питомника размещаются отдельно друг от друга так, чтобы они были параллельны вертикально в толще воды. Затем они соединяются вместе веревкой, завязанной перпендикулярно между ними. Затем коралл прикрепляется к этой веревке, но он частично свисает с линий, поэтому контакт с самой веревкой меньше. Меньший контакт между кораллом и подвесными линиями приводит к снижению частичной смертности кораллов. ^[18] Хотя эти структуры имеют некоторую частичную смертность, исследования показывают высокую выживаемость всего питомника (как в вертикальных, так и в подвесных структурах). Выращивание кораллов на линейных структурах увеличивает расстояние между коралловыми колониями и потенциальными хищниками, бентосом и меньше места для конкуренции. Кораллы, выращенные в линейных питомниках, необходимо переместить на фиксированные субстраты после начального периода роста, в то время как те, которые размножаются на фиксированных структурах, могут расти бесконечно. ^[18]

Стационарные питомники представляют собой каркасы, прикрепленные к морскому дну. Эти питомники часто изготавливаются из таких материалов, как ПВХ, пластиковая сетка и шлакоблоки. ^[19]

Вероятно, нет никакой разницы в темпах роста между кораллами, выращенными горизонтально в фиксированных питомниках, и теми, которые выращены вертикально в линейных питомниках. ^[1] Хотя уровень выживаемости в этих питомниках ниже, чем в линейных питомниках. Исследование 2008 года показало, что в питомниках с фиксированной структурой уровень выживаемости составил 43%, в то время как в линейных питомниках уровень выживаемости составил 100%. ^[18] Первоначальная смертность в питомниках с фиксированной структурой также, вероятно, зависит от времени года, когда пересаживаются кораллы. Важно ограничить стрессовые факторы, которым подвергаются недавно пересаженные кораллы. ^[1]

«Коралловое дерево» — это первый тип питомника такого рода, где коралл полностью подвешен в толще воды. ^[20] Низкая стоимость и доступность материалов для создания этих коралловых деревьев делают их идеальным методом размножения. ^[20] Эти питомники менее подвержены повреждениям от воздействия волн, меньше взаимодействия между донными хищниками и болезнями, а также снижен риск запутывания других морских существ (по сравнению с линейными питомниками). Поскольку эти питомники закреплены только в одном месте, воздействие на морское дно минимально, они портативны и легко переносятся одним человеком, и их можно легко отрегулировать, если глубина является проблемой. ^[20]

Наземные коралловые питомники позволяют кораллам вырасти до разумных размеров перед высадкой. Резервуары, заполненные циркулирующей морской водой, создают искусственное место для роста саженцев кораллов. ^[21] Подобно питомникам растений , коралловый питомник обеспечивает защиту от штормов, хищников и других стрессоров по мере их роста. Это также место для селективного разведения устойчивых генотипов . Методы выращивания кораллов на суше могут включать половое и бесполое размножение кораллов. При совместном использовании образцы кораллов могут быть выращены с более высокой устойчивостью к стрессорам и быстрыми темпами роста. ^[22]

Кораллы способны размножаться бесполым путем, когда один полип подвергается почкованию , чтобы произвести другой клонированный полип. Метод, называемый микрофрагментацией, был разработан доктором Дэвидом Воганом в 2006 году, который использует способность коралла клонировать себя для производства кораллов. ^[23] Микрофрагментация - это процесс создания небольших (>1 см) кусочков живого коралла из родительской колонии кораллов. ^[21] Затем эти кусочки прикрепляются к керамической или цементной основе, называемой пробкой, и помещаются в наземные питомники. ^[21]

Массивные рифообразующие кораллы являются основными видами, используемыми в этом методе, потому что он ускоряет их темпы роста. Вместо того, чтобы ждать десятилетия, пока коралл вырастет до солидного размера, требуются месяцы, чтобы увидеть жизнеспособный образец. ^[24] Это связано с быстрой реакцией заживления кораллов. Во время микрофрагментации, раненые края образуются там, где колония разделена. Они быстро заживают, расширяясь радиально наружу, колонизируя свои пробки и в конечном итоге высаживая места в океане. Слияние нескольких фрагментов одного и того же генотипа может привести к большей площади кораллового покрытия. ^[24]

Кораллы размножаются половым путем посредством нереста в открытом грунте. Личинки кораллов формируются в толще воды путем оплодотворения подвешенных пучков гамет . ^[21] В наземном питомнике контроль над тем, какие особи размножаются, может позволить селективное разведение более устойчивых кораллов.

Доступность коралловых гамет в дикой природе сильно зависит от факторов окружающей среды. Исследования показали, что большинство нерестов происходит в одно и то же время вечером и зависит от лунных циклов. ^[21] Недавние исследования пытались вызвать нерест кораллов в среде питомника, имитируя эти экологические факторы.

Восстановление кораллов происходит уже более 40 лет. ^[21] При определении наилучшей стратегии восстановления для данного места важно сравнить и сопоставить все методы. ^[18] Эффективность стратегии может зависеть от среды обитания, в которой находится питомник, условий окружающей среды, того, как условия меняются ежегодно, и структуры выбранного питомника. ^[18]

Коралловое садоводство для восстановления рифа, в любом масштабе, может не быть способно спасти истощенный вид. Вместо этого следует использовать стратегии восстановления, чтобы помочь естественному восстановлению в воссоздании большего генетического пула вида кораллов. Это позволяет кораллам размножаться половым путем и восстанавливаться естественным образом со временем. Коралловое садоводство и размножение кораллов важны, потому что фрагменту коралла гораздо легче выжить, чем кораллу на ранней стадии жизни обосноваться в среде рифа. ^[19]

Создание репозиториев для кораллов может помочь в реинтродукции видов после вымирания кораллов. Эти репозитории не только служат методом восстановления, но и могут значительно улучшить генетический пул изолированных популяций кораллов. ^[25] Благодаря улучшению этих генетических пулов мы можем ожидать более высоких будущих показателей выживаемости кораллов. ^{[19] В одном исследовании было обнаружено, что питомник} Acropora cervicornis использовался в качестве репозитория после того, как произошло экстремальное событие с холодной водой, которое уничтожило примерно 43% его популяции в этом районе. Реинтродукция кораллов из этих репозиториев восстановила здоровые ткани кораллов в популяции кораллов, способствуя естественному воспроизводству. ^[25]

Эти методы должны использоваться одновременно с такими методами, как управление водоразделами, устойчивые методы рыболовства и создание морских охраняемых территорий . Коралловое садоводство также предлагает косвенные выгоды, такие как быстрое создание новой среды обитания рыб и беспозвоночных на истощенных рифах. Эти методы восстановления рифов также создают возможности для гражданской науки , вовлекая сообщество в восстановление и сохранение кораллов. ^[19]

• коралловый риф
• Морская охраняемая территория
• Биорок