Spatio-temporal variation in the growth of coral fragments of opportunity in the Eastern Tropical Pacific: implications for coral reef restoration

Introduction: Coral-reef communities are considered one of the most biodiverse, but also most threatened, marine ecosystems, and the accelerating loss of habitat over the past decades warrants active intervention. Objective: The present study demonstrates the successful implementation of a low-impact restoration technique in three Central Mexican Pacific degraded coral communities, using a protocol based on natural fragmentation (''fragments of opportunity") of the branching coral Pocillopora spp., considered the most abundant and primary carbonate-producing coral species of the Eastern Tropical Pacific. Methods: The restoration program was implemented in two offshore and one inshore coraline areas. The relationships between seawater temperature and coral survival, growth, and attachment rate were assessed over one year, with 183 fragments monitored each month. Results: The mean coral growth rate was 3.3 ± 0.1 mm mo-1, with annual growth rates in length and width of 39.9 ± 14.2 and 36.5 ± 19.5 mm yr-1, respectively. Self-attachment efficiency was 78 % and the survival rate was high (84 %). The growth rate differed significantly among reefs. Conclusions: Upon monitoring directly fragmented corals over a year, growth rates were deemed high enough to merit active restoration in the region. However, our data show that structural and abiotic differences and seasonal variability must be considered overall in successful long-term coral community restoration initiatives in the eastern Pacific region.

Introducción: Las comunidades de arrecifes de coral se consideran uno de los ecosistemas marinos con mayor biodiversidad, pero también los más amenazados, y la pérdida acelerada de hábitat en las últimas décadas justifica la implementación de una intervención activa. Objetivo: El presente estudio demuestra la implementación exitosa de una técnica de restauración de bajo impacto basada en la fragmentación natural (''fragmentos de oportunidad") del coral ramificado Pocillopora spp., la cual es la especie coralina más abundante y principal productora de carbonato del Pacífico Oriental Tropical. Métodos: El programa de restauración se implementó en dos sitios lejos de la costa y un sitio cercano a la costa, con comunidades coralinas degradadas. Las relaciones entre la temperatura del agua de mar y la supervivencia, el crecimiento y la tasa de adhesión de los corales se evaluaron durante un año con 183 fragmentos monitoreados cada mes. Resultados: La tasa media de crecimiento coralino fue de 3.3 ± 0.1 mm mo-1, con tasas de crecimiento anual en largo y ancho de 39.9 ± 14.2 y 36.5 ± 19.5 mm año-1, respectivamente. La eficiencia de la auto-adherencia fue del 78 % y la tasa de supervivencia fue alta (84 %). La tasa de crecimiento difirió significativamente entre los arrecifes. Conclusiones: Al monitorear directamente los corales fragmentados durante un año, las tasas de crecimiento se consideraron lo suficientemente altas como para merecer una restauración activa en la región. Sin embargo, nuestros datos muestran que las diferencias estructurales y abióticas y la variabilidad estacional deben considerarse en general en las iniciativas exitosas de restauración de comunidades de coral a largo plazo en la región del Pacífico oriental.

Testing the effectiveness of natural and artificial substrates for coral reef restoration at Isla Isabel National Park, Mexico

Introduction: The branching coral Pocillopora is the main reef-building species in the Eastern Tropical Pacific (ETP) region. However, their populations have been threatened due to the intense effect of thermal-stress events in the last three decades. As a mitigating response, active restoration strategies have been developed. However, it has not been possible to establish specific protocols along the ETP's reefs. Objective: To evaluate the efficiency of two different substrates (natural vs. artificial), through coral growth comparison (extension rate and tissue area) in three Pocillopora coral morphospecies within a year. Methods: Coral growth was estimated by two techniques: extension rate and tissue area of P. cf. verrucosa, P. cf. capitata, and P. cf. damicornis every three months during a year. Results: The extension rate and superficial area growth vary among the coral morphospecies P. cf. verrucosa (16.33 mm yr-1 and 168.49 mm2 yr-1), P. cf. capitata (16.25 mm yr-1 and 176.83 mm2 yr-1), and P. cf. damicornis (12.38 mm yr-1 and 87.62 mm2 yr-1). The data reveals that substrate type did not affect Pocillopora growth, yet there was an effect caused by seasonal changes. Conclusions: This study demonstrates that coral restoration can be implemented using both natural and artificial substrata, with no differences in coral growth. We recommend the implementation of coral reef restoration programs, highlighting the importance of initiate during the warm season due to optimal growth performance of P. cf. verrucosa and P. cf capitata species, which improves the effectiveness of management actions in Isla Isabel National Park.

Introducción: Los corales ramificados del género Pocillopora son los constructores arrecifales más importantes del Pacífico Tropical Oriental (PTO). Sin embargo, sus poblaciones han disminuido por efectos de eventos de estrés térmico ocurridos las últimas décadas. Por ello, se han desarrollado estrategias de restauración activa como respuesta de mitigación, pero no ha sido posible establecer protocolos específicos para estas especies en el PTO. Objetivo: Evaluar la eficiencia de dos tipos de sustrato (natural vs. artificial) con base en la comparación del crecimiento de coral (tasa de extensión y área de tejido) en tres morfoespecies de Pocillopora a lo largo de un año. Métodos: Las estimaciones del crecimiento coralino se hicieron con dos técnicas (extensión lineal y área superficial) en P. cf. verrucosa, P. cf. capitata and P.cf. damicornis cada tres meses durante un año. Resultados: Las tasa de extensión y crecimiento del área superficial variaron entre las morfoespecies de P. cf. verrucosa (16.33 mm año-1 y 168.49 mm2 año-1), P. cf. capitata (16.25 mm año -1 y 176.83 mm2 año-1), y P.cf. damicornis (12.38 mm año-1 y 87.62 mm2 año-1). Los resultados mostraron que los tipos de sustratos no afectaron el crecimiento de los corales Pocillopora, aunque existió un efecto causado por el cambio de la estación climática, donde la estación cálida promueve un incremento su crecimiento. Conclusiones: Este estudio demuestra que la restauración de corales puede ser implementada con sustrato artificial o natural, sin diferencias en el crecimiento de corales entre ellos. Nosotros recomendamos continuar con la implementación de los programas de restauración de arrecifes de coral, resaltando, la importancia de iniciarlos en la estación cálida cuando existe un desempeño más óptimo en el crecimiento, particularmente de las especies P. cf. verrucosa y P. cf. capitata, lo cual ayudará a mejorar la efectividad de las acciones de manejo en el Parque Nacional Isla Isabel.

Palabras clave: Isla Isabel; coral hermatípico; Pacífico Central Mexicano Central; restauración arrecifal.

Settlement and post-settlement survival of Orbicella annularis and Orbicella faveolata (Scleractinia: Merulinidae) on substrates with coatings

Introduction: One of the main bottlenecks in restoration projects based on sexual reproduction is post-settlement survival, mainly due to competition for substrate with fleshy algae and predation. Therefore, substrates of different shapes and materials have been created and tested, seeking to optimize these processes with attractive surfaces for the larvae and structures where the recruits are protected from predation, and competition is reduced. Objective: To improve settlement and post-settlement survival of two important Caribbean reef-building corals, using different coatings on substrates. Methods: To determine whether substrate coatings properties are favourable to larval settlement in Orbicella annularis, and O. faveolata, collected in Puerto Morelos, Mexican Caribbean, we evaluated their settlement for three weeks on six coatings with a combination of properties. Each coating was designed to provide a combination of two out of three properties: 1) water repellence (hydrophobicity), 2) phosphorescence-based colour, and 3) mineral-enriched surface chemistry. In a separate experiment larvae settlement was tested using coatings with a single property. Finally, we determined the post-settlement survival of O. annularis and O. faveolata on the different coatings for seven weeks. Results: The combination of high hydrophobicity and light blue phosphorescent microparticles and high hydrophobicity and red-orange phosphorescent microparticles resulted in a higher settlement of O. annularis and O. faveolata when compared with other coatings (30.8 - 66.7 % higher). No significant differences were found in the number of larval settled when the water-repellence and the phosphorescence-based were evaluated independently. Post-settlement survival time on substrates was low, with a maximum of 34 days after settlement for O. annularis and 42 days for O. faveolata. Conclusions: In terms of the larval settlement, the combination of the coatings properties appears to play an essential role in the choice of microhabitat for both O. annularis and O. faveolata. But individually these properties did not generate an advantage in the larval settlement. Moreover, some chemical components associated with the coatings may be counterproductive to the survival of the polyps over time.

Introducción: Uno de los principales cuellos de botella en proyectos de restauración basada en reproducción sexual es la supervivencia de las larvas posterior al asentamiento, principalmente por la competencia por el sustrato con algas filamentosas y la depredación. Por ello, se han creado y analizado sustratos de diferentes formas y materiales, buscando optimizar estos procesos con superficies atrayentes para las larvas, y estructuras donde los reclutas se encuentran protegidos de la depredación y se disminuya la competencia. Objetivo: Mejorar el asentamiento y la supervivencia de dos importantes corales formadores de arrecifes del Caribe, utilizando diferentes recubrimientos en sustratos. Métodos: Para determinar si las propiedades de la superficie del sustrato son favorables para el asentamiento de larvas de Orbicella annularis y O. faveolata, recolectadas en Puerto Morelos, Caribe mexicano, evaluamos su asentamiento durante tres semanas en seis recubrimientos con una combinación de propiedades. Cada recubrimiento fue diseñado para proporcionar una combinación de dos de tres propiedades: 1) repelencia al agua (hidrofobicidad), 2) fosforescencia y 3) química superficial enriquecida con minerales. En un experimento separado se evaluó el asentamiento de larvas en sustratos con recubrimientos de una sola propiedad. Finalmente, se determinó la supervivencia posterior al asentamiento de O. annularis y O. faveolata sobre los diferentes recubrimientos durante siete semanas. Resultados: La combinación de alta hidrofobicidad y micropartículas fosforescentes azules y alta hidrofobicidad y micropartículas fosforescentes rojo-naranja dio como resultado un mayor asentamiento de O. annularis y O. faveolata en comparación con otros recubrimientos (30.8 - 66.7 % mayor). No se encontraron diferencias significativas en el número de larvas asentadas cuando se evaluaron de forma independiente la repelencia al agua y la fosforescencia. El tiempo de supervivencia posterior al asentamiento en los sustratos fue bajo, con un máximo de 34 días después del asentamiento para O. annularis y 42 días para O. faveolata. Conclusiones: En el asentamiento de larvas, la combinación de las propiedades del recubrimiento parece desempeñar un papel importante en la elección del microhábitat tanto para O. annularis como para O. faveolata. Pero de forma individual estas propiedades no generaron una ventaja en el asentamiento larvario. Además, algunos componentes químicos asociados con los recubrimientos pueden ser contraproducentes para la supervivencia de los pólipos a lo largo del tiempo.

Applying the SES Framework to coral reef restoration projects on the Pacific coast of Costa Rica

Introduction: Global and local stressors have led to rapid declines in coral reef health. The high rates of coral degradation have motivated restoration initiatives worldwide. Evaluation of these initiatives has provided valuable information regarding coral restoration techniques and limitations faced by projects. However, most of the literature is focused on evaluating metrics related to fragment survival rate and growth, leaving a gap in understanding how social aspects such as governance structure affect project outcomes. Objective: The present research applies the Social-Ecological Systems Framework to identify social and ecological factors contributing to the success of three coral reef restoration projects in Costa Rica. Methods: Data was gathered from 50 semi-structured interviews with project members, volunteers, tour operators, fishers, and related community and government organizations that were analyzed using the categories determined by the Social-Ecological Systems Framework. Results: Despite each case's specific ecological and governance characteristics, research results show that three main steps have contributed to project success. First, the importance of locals having a positive perception of coral reef and project benefits; second, the use of network structure to obtain adequate financial and human resources and third, the importance of compliance with a regulatory framework to create enabling environments for reef restoration. Conclusions: Results show no universal solutions for coral reef restoration projects. Project managers must understand the ecological and social context of the restoration site to boost the benefits that reef restoration projects can provide, such as an increase in local stewardship, income generation, and the creation of more resilient communities.

Introducción: Los factores de estrés globales y locales han llevado a una rápida disminución de la salud de los arrecifes de coral. Las altas tasas de degradación de los corales han motivado iniciativas de restauración en todo el mundo. La evaluación de estas iniciativas ha proporcionado información valiosa sobre las técnicas de restauración de coral y las limitaciones que enfrentan los proyectos. Sin embargo, la mayor parte de la literatura se centra en la evaluación de métricas relacionadas con la tasa de supervivencia y el crecimiento de fragmentos, lo que deja un vacío en la comprensión de cómo los aspectos sociales y estructura de gobernanza, afectan los resultados del proyecto. Objetivo: La presente investigación aplica el Marco Conceptual de Sistemas Socio-Ecológicos para identificar los factores sociales y ecológicos que contribuyen al éxito de tres proyectos de restauración de arrecifes de coral en Costa Rica. Métodos: Los datos se recopilaron a partir de 50 entrevistas semiestructuradas con miembros del proyecto, voluntarios, operadores turísticos, pescadores y organizaciones comunitarias y gubernamentales relacionadas que se analizaron utilizando las categorías determinadas por el Marco Conceptual de Sistemas Socio- Ecológicos. Results: A pesar de las características ecológicas y de gobernanza específicas de cada caso, los resultados de la investigación muestran que tres pasos principales han contribuido al éxito del proyecto. Primero, la importancia de que los locales tengan una percepción positiva de los arrecifes de coral y los beneficios del proyecto; segundo, el uso de la estructura de la red para obtener recursos financieros y humanos adecuados y tercero, la importancia del cumplimiento de un marco regulatorio para crear entornos propicios para la restauración de arrecifes. Conclusiones: A pesar de las características ecológicas y de gobernanza específicas de cada caso, los resultados de la investigación muestran que tres puntos principales han contribuido al éxito del proyecto. Primero, la importancia de que los locales tengan una percepción positiva de los arrecifes de coral y los beneficios del proyecto; segundo, el uso de la estructura de la red para obtener recursos financieros y humanos y tercero, la importancia del cumplimiento de un marco regulatorio para crear entornos propicios para la restauración de arrecifes.

Transplantation of storm-generated coral fragments to enhance Caribbean coral reefs: A successful method but not a solution / Trasplante de fragmentos de coral generados por tormentas para mejorar los arrecifes de coral del Caribe: un método exitoso pero no una solución

In response to dramatic losses of reef-building corals and ongoing lack of recovery, a small-scale coral transplant project was initiated in the Caribbean (U.S. Virgin Islands) in 1999 and was followed for 12 years. The primary objectives were to (1) identify a source of coral colonies for transplantation that would not result in damage to reefs, (2) test the feasibility of transplanting storm-generated coral fragments, and (3) develop a simple, inexpensive method for transplanting fragments that could be conducted by the local community. The ultimate goal was to enhance abundance of threatened reef-building species on local reefs. Storm-produced coral fragments of two threatened reef-building species [Acropora palmata and A. cervicornis (Acroporidae)] and another fast-growing species [Porites porites (Poritidae)] were collected from environments hostile to coral fragment survival and transplanted to degraded reefs. Inert nylon cable ties were used to attach transplanted coral fragments to dead coral substrate. Survival of 75 reference colonies and 60 transplants was assessed over 12 years. Only 9% of colonies were alive after 12 years: no A. cervicornis; 3% of A. palmata transplants and 18% of reference colonies; and 13% of P. porites transplants and 7% of reference colonies. Mortality rates for all species were high and were similar for transplant and reference colonies. Physical dislodgement resulted in the loss of 56% of colonies, whereas 35% died in place. Only A. palmata showed a difference between transplant and reference colony survival and that was in the first year only. Location was a factor in survival only for A. palmata reference colonies and after year 10. Even though the tested methods and concepts were proven effective in the field over the 12-year study, they do not present a solution. No coral conservation strategy will be effective until underlying intrinsic and/or extrinsic factors driving high mortality rates are understood and mitigated or eliminated. Rev. Biol. Trop. 60 (Suppl. 1): 59-70. Epub 2012 March 01.

En respuesta a la dramática pérdida de corales constructores de arrecifes y la continua falta de recuperación, un proyecto de pequeña escala de transplante de corales, al cual se le dio seguimiento por 12 años, se inició en el Caribe (Islas Vírgenes de EUA) en 1999. Los principales objetivos fueron (1) identificar fuentes de colonias de coral para el trasplante, que no produjeran daños a los arrecifes, (2) evaluar la viabilidad del trasplante de fragmentos de coral generados por tormentas, y (3) desarrollar un método simple y barato para transplantar fragmentos que pudiera ser realizado por la comunidad local. La meta última era aumentar la abundancia de especies constructoras de arrecife amenazadas en los arrecifes locales. Fragmentos de coral producidos por tormenta de dos especies constructoras de arrecife amenazadas [Acropora palmata y A. cervicornis (Acroporidae)] y otras especies de crecimiento rápido [Porites porites (Poritidae)] fueron recolectadas en ambientes no adecuados para la supervivencia de fragmentos de coral y se trasplantaron a los arrecifes degradados. Fajitas de nylon inerte fueron utilizadas para unir los fragmentos de corales transplantados al sustrato de coral muerto. La sobrevivencia de 75 colonias de referencia y de 60 transplantadas fueron monitoreadas por más de 12 años. Sólo el 9% de las colonias estaban vivas tras 12 años, sin presencia de A. cervicornis, el 3% de los transplantes de A. palmata y el 18% de las colonias de referencia de Acropora. El 13% de los transplantes de P. porites y el 7% de las colonias de referencia sobrevivieron. El desprendimiento físico resultó en la pérdida del 56% de las colonias, mientras que el 35% murió en el lugar. Solamente A. palmata mostró una diferencia en sobrevivencia entre los trasplantes y las colonias de referencia, eso fue solo en el primer año. La ubicación fue un factor en la sobrevivencia sólo para las colonias de referencia de A. palmata y después de 10 años. A pesar de que los métodos y los conceptos fueron probados efectivamente en el campo por más de 12 años de estudio, no mostraron ser la solución. Ninguna estrategia de conservación va a ser efectiva hasta que se delimiten y sean entendidos, mitigados o eliminados los factores intrínsecos y/o extrínsecos que conducen a las altas tasas de mortalidad.

Effect of severe hurricanes on Biorock Coral Reef Restoration Projects in Grand Turk, Turks and Caicos Islands

Artificial reefs are often discouraged in shallow waters over concerns of storm damage to structures and surrounding habitat. Biorock coral reef restoration projects were initiated in waters around 5m deep in Grand Turk, at Oasis (October 2006) and at Governor’s Beach (November 2007). Hemi-cylindrical steel modules, 6m long were used, four modules at Oasis and six at Governor’s Beach. Each project has over 1200 corals transplanted from sites with high sedimentation damage, and are regularly monitored for coral growth, mortality and fish populations. Corals show immediate growth over wires used to attach corals. Growth has been measured from photographs using a software program and is faster at Governor’s Beach. After hurricanes Hanna and Ike (September 2008) the Governor’s Beach structure was fully standing since the waves passed straight through with little damage, the Oasis structures which were tie-wired rather than welded had one module collapse (since been replaced with a new, welded structure). Hurricane Ike was the strongest hurricane on record to hit Grand Turk. Most cables were replaced following the hurricanes due to damage from debris and high wave action. The projects lost about a third of the corals due to hurricanes. Most of those lost had only been wired a few days before and had not yet attached themselves firmly. These projects have regenerated corals and fish populations in areas of barren sand or bedrock and are now attractive to snorkelers. High coral survival and low structural damage after hurricanes indicate that Biorock reef restoration can be effective in storm-impacted areas. Rev. Biol. Trop. 58 (Suppl. 3): 141-149. Epub 2010 October 01.

Con frecuencia no se favorece la creación de arrecifes artificiales en aguas someras debido a que se estima que las tormentas pueden producir daños en las estructuras y en el hábitat circundante. En las aguas de Grand Turk, a unos 5m de profundidad, se iniciaron proyectos de restauración de arrecifes coralinos en Oasis (octubre 2006) y en Governor’s Beach (noviembre 2007). Se utilizaron módulos de acero semicilíndricos, 4 en Oasis y 6 en Governor’s Beach. A cada proyecto se han trasplantado más de 1200 corales desde sitios con un elevado daño por sedimentación y se monitorean regularmente para evaluar crecimiento y mortalidad de los corales, así como la población de peces. Los corales muestran un crecimiento inmediato sobre los alambres utilizados para asegurar los corales. Este crecimiento se ha medido usando fotografías y un programa de computación y es más rápido en Governor’s Beach. Después de los huracanes Hanna e Ike (setiembre 2008), las estructuras en Governor’s Beach se mantuvieron erectas debido a que las olas pasaron a través de las mismas sin afectarlas, una de las estructuras en Oasis colapsó debido a que todas se amarraron con alambre en vez de soldarse (desde entonces se sustituyó con una nueva, soldada esta vez). El huracán Ike ha sido el más fuerte de los históricamente registrados que ha impactado Grand Turk. La mayor pare de los cables fueron reemplazados debido a daños causados por la acción de detritus y de las grandes olas. Los proyectos perdieron alrededor de un tercio de los corales debido a los huracanes. La mayoría de los corales perdidos habían sido amarrados a las estructuras unos días antes de los huracanes y consecuentemente no se habían adosado firmemente a las mismas. Estos proyectos han regenerado poblaciones de corales y peces en áreas inhóspitas de arena o roca y constituyen ahora una atracción para el buceo superficial. La alta tasa de supervivencia de corales y el bajo daño a las estructuras después de los huracanes indican que la tecnología Biorock para restauración de arrecifes coralinos es efectiva en áreas impactadas por tormentas.