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.

Towards reef restoration in Zihuatanejo, Guerrero, México: lessons learned

Introduction: Coral reef structures in Zihuatanejo, Guerrero are well-preserved. The coverage of living corals, near 60 % at several locations, makes them comparable to other coral reefs in the states of Oaxaca, Jalisco, and Nayarit and with high potential to promote their conservation. Objective: To present the outcome of 12 years of research in coral communities from Zihuatanejo, Guerrero, as a justifying argument for the current conservation efforts in the area. Methods: We developed a baseline on the conservation status of the reef structures, bioerosion processes and the source of major natural and anthropogenic impacts. We assessed the genetic diversity of the coral zooxanthellae symbionts, the outcome of a technique of coral transplantation to recover the coverage of living corals and the local ecological knowledge to involve local inhabitants to promote conservation. Results: At least five coral reefs remain exposed to a medium-low level of impact by bioerosion and anthropization. Coral transplantation experiments made in the area showed records of transplant survival nearing 90 %. Although the warming of the sea surface temperature that occurred during the El Niño of 2015-2016 caused coral bleaching and mortality in several coral populations in this area, there were no affectations attributed to this phenomenon in other locations. This response was not related to the level of exposure to anthropogenic impacts, and the presence of thermal resistant zooxanthellae was assessed using molecular tools, confirming the existence of zooxanthellae of the genus Durusdinium. The analysis of local ecological knowledge of the inhabitants of Zihuatanejo showed that they keep elaborate knowledge on the ecology of coral reefs. This is complemented with scientific knowledge that will encourage community participation in conservation strategies. Conclusions: A long-term multidisciplinary strategy is required for coral reef conservation that encompasses: 1) assessing the role of the overall holobiont in the thermal resistance of corals from this area and 2) establishing restoration strategies of coral reefs that include the local knowledge about marine ecology, for the establishment of coral reef protection and management schemes put in place by local inhabitants.

Introducción: Los arrecifes coralinos de Zihuatanejo Guerrero están bien conservados. La cobertura de corales vivos, cerca del 60 %, los hace comparables a otras comunidades coralinas presentes en Oaxaca, Jalisco y Nayarit y con un alto potencial para promover su conservación. Objetivo: Presentar los resultados de 12 años de investigación en las comunidades coralinas de Zihuatanejo, Guerrero, como un argumento que justifica los esfuerzos actuales de conservación en el área. Métodos: Desarrollamos una línea base del estado de conservación de la estructura arrecifal, los procesos de bioerosión y las fuentes principales de impactos naturales y antropogénicos. Evaluamos la diversidad genética de los simbiontes zooxantelados de los corales, el resultado de una técnica de trasplante de corales para recuperar la cobertura de corales vivos y el conocimiento ecológico local para desarrollar estrategias de conservación con participación local. Resultados: Cinco de esas comunidades coralinas permanecen expuestas a un nivel de impacto medio a bajo por bioerosión y antropización. Los experimentos de trasplante de corales en el área mostraron una supervivencia cercana al 90 %. Aunque el calentamiento de la temperatura superficial del mar ocurrido durante el evento El Niño 2015-16 causó blanqueamiento y mortalidad coralina en algunas poblaciones de corales del área, no hubo afectaciones atribuidas a este fenómeno en otras. Esta respuesta no se relacionó con el nivel de exposición a impactos antropogénicos y la presencia de poblaciones de zooxantelas fue examinada usando herramientas moleculares, confirmando la existencia de una población del género Durusdinium. El análisis del conocimiento ecológico local de los habitantes de Zihuatanejo mostró que estos resguardan conocimientos complejos sobre la ecología de las comunidades coralinas. Este conocimiento es complementario al conocimiento científico y servirá para promover estrategias de participación ciudadana en la conservación de las comunidades coralinas. Conclusiones: Se requiere una estrategia multidisciplinaria de largo plazo para la conservación de las comunidades coralinas que incluya: 1) examinar el papel del holobionte completo en la resistencia térmica de los corales de esta área y 2) establecer estrategias de restauración en arrecifes coralinos que incluyan el conocimiento ecológico local para el establecimiento de esquemas de protección y manejo de los arrecifes coralinos a cargo de los habitantes locales.

Active restoration efforts in the Central Mexican Pacific as a strategy for coral reef recovery

Introduction: The 1997-98 El Niño event caused massive coral bleaching and mortality in the Central Mexican Pacific (CMP). Punta de Mita alone used to harbor more than 30 % of the coral coverage in this region, with a mono-specific Pocillopora coverage. The 1997-1998 ENSO event caused massive coral mortality reducing live coral coverage to < 5 %. Despite being considered a coral region unlikely to recover, recent restoration efforts have been implemented to rehabilitate the coral community. Objective: To assess coral recovery by analyzing the coral growth and survival rates of branching Pocillopora species at Punta de Mita. Methods: Healthy coral fragments of opportunity were re-attached to the natural substrata using zip ties and measured considering their growth in terms of maximum length and width (cm) to determine their annual extension rates. Results: After 50 weeks, corals duplicated their size, with a mean growth of ~ 4 cm year-1. After 100 weeks (2 years), corals triplicated their size, increasing on average 8-9 cm in each diameter. Conclusions: Successful coral reef restoration activities in the Central Mexican Pacific are the result of Pocillopora's physiological processes, such as fast growth rates, and recent life-history traits, like the ability to cope with thermal anomalies, which enable them to thrive in a dynamic region severely affected by natural and anthropogenic perturbations. Indeed, a region considered unlikely to recover has regained its live coral cover from < 5 % in 1998 up to 15 % in 20 years. This demonstrates the importance of assisting natural coral recovery with restoration efforts, especially in coral locations that, despite environmental perturbations, have proven to be resilient and may become coral refugia areas under the current climate change scenario.

Introducción: El evento El Niño de 1997-98 causó un blanqueamiento y mortalidad masiva de corales en el Pacífico Central Mexicano (CMP). Solo Punta de Mita albergaba más del 30 % de la cobertura coralina de esta región, con una cobertura monoespecífica de Pocillopora. El evento ENSO de 1997-1998 causó una mortalidad masiva de corales que redujo la cobertura de corales vivos a < 5 %. A pesar de ser considerada una región de coral con pocas probabilidades de recuperarse, se han implementado esfuerzos de restauración recientes para rehabilitar la comunidad coralina. Objetivo: Evaluar la recuperación de coral analizando el crecimiento coralino y las tasas de supervivencia de especies ramificadas de Pocillopora en Punta de Mita. Métodos: Fragmentos de oportunidad de coral sanos se volvieron a unir a los sustratos naturales usando bridas y se midieron considerando su crecimiento en términos de longitud y ancho máximos (cm) para determinar sus tasas de extensión anual. Resultados : Después de 50 semanas, los corales duplicaron su tamaño, con un crecimiento promedio de ~ 4 cm año-1. Después de 100 semanas (2 años), los corales triplicaron su tamaño, aumentando en promedio 8-9 cm en cada diámetro. Conclusiones: Las actividades exitosas de restauración de arrecifes de coral en el Pacífico Central Mexicano son el resultado de los procesos fisiológicos de Pocillopora, tales como tasas de crecimiento rápido, y rasgos de historia de vida reciente, como la capacidad de hacer frente a anomalías térmicas, que les permiten prosperar en una región dinámica severamente afectada por perturbaciones naturales y antropogénicas. De hecho, esta región que se consideraba poco probable que se recuperara, ha recuperado su cobertura de coral vivo de < 5 % en 1998 hasta 15 % en 20 años. Esto demuestra la importancia de ayudar a la recuperación natural de los corales con los esfuerzos de restauración, especialmente en las ubicaciones de corales que, a pesar de las perturbaciones ambientales, han demostrado ser resistentes y pueden convertirse en áreas de refugio de corales ante el escenario actual de cambio climático.

Ex situ culture of coral species Porites lobata (Scleractinia: Poritidae) and Pocillopora damicornis (Scleractinia: Pocilloporidae), Costa Rica: first assessment and implications

Introduction: Coral reefs worldwide decline has prompted coral restoration as a viable strategy to rewild vulnerable, foundational coral species. Stony corals are now propagated by thousands in both in-water and ex situ (land-based) coral nurseries, the latter being unexplored in Costa Rica, despite their potential benefits as a reef management tool. Objective: To analyze the viability of ex situ culturing of the Pacific reef-building corals Porites lobata and Pocillopora damicornis at Parque Marino del Pacífico (PMP), Puntarenas, Costa Rica, aquaculture facilities. Methods: From May to October 2018 a total of 180 coral fragments were kept in an aquaculture recirculated system. Survival, growth, and fragment yield in relation to culture medium (physicochemical parameters) were recorded. Results: Survival and growth rate varied between species and culture tanks. On average, surviving P. lobata fragments (68.89 %) placed in Tank 1 (T1) grew 216 %, while fragments placed in Tank 2 (T2) had a survival rate of 71.11 % and an increase of 277 % in live tissue area. P. damicornis fragments survival, basal and crown area percentage increase were: 71.11 %, 980 % and 366 % in T1, and 100 %, 976 % and 287 % in T2. Although fragments survival and growth were net positive, the yield in terms of culture was low, due to culture conditions in the tanks not meeting coral culture optimal requirements. Conclusions: Survival and growth of both species varied depending on the tank in which they were placed. Survival was similar to that found in other ex situ studies and growth was similar to those reported in the wild, however culture performance in terms of yield was low. Aquaculture systems at PMP constitute a good base for the cultivation of corals, however for the culture effort to achieve maximum yield, current systems must be optimized according to the requirements of the target coral species.

Introducción: El declive mundial de los arrecifes de coral, ha impulsado a la restauración coralina como una estrategia viable para recuperar especies de coral fundacionales, en estado vulnerable. Los corales pétreos se propagan por miles, tanto en viveros subacuáticos como ex situ (en tierra). Siendo el segundo método poco explorado en Costa Rica, a pesar de sus potenciales beneficios como medida como herramienta de manejo arrecifal. Objetivo: Analizar la viabilidad del cultivo ex situ de las especies de coral constructoras de arrecifes Porites lobata y Pocillopora damicornis en el módulo de acuicultura del Parque Marino del Pacífico (PMP), Puntarenas, Costa Rica. Métodos: Desde el 17 de mayo hasta el 17 de octubre de 2018, se mantuvieron un total de 180 fragmentos de coral en un sistema de recirculación de acuicultura. Se registraron la supervivencia, el crecimiento y el rendimiento de los fragmentos en relación con el medio de cultivo (parámetros fisicoquímicos). Resultados: La tasa de supervivencia y crecimiento varió entre especies y tanques de cultivo. En promedio, los fragmentos de P. lobata supervivientes (68.89 %) colocados en el tanque 1 (T1) crecieron un 216 %. En contraste con los fragmentos colocados en el tanque 2 (T2) que mostraron una tasa de supervivencia del 71.11 % y un aumento del 277 % en el área de tejido vivo. En el caso de P. damicornis, los porcentajes de supervivencia, de aumento del área basal y del área de la corona fueron: 71.11 %, 980 %, y 366 %, y 100 %, 976 %, y 287 % para los fragmentos colocados en T1 y T2, respectivamente. Aunque la supervivencia y el crecimiento de los fragmentos fueron positivos, el rendimiento en términos de cultivo fue bajo, debido a que las condiciones en los tanques no cumplían con las condiciones ideales para el cultivo de corales. Conclusiones: La supervivencia y el crecimiento de ambas especies variaron en función del tanque en el que se colocaron. La supervivencia fue similar a la observada en otros estudios ex situ y el crecimiento fue similar al reportado en la naturaleza, pero el rendimiento del cultivo fue bajo. Los sistemas de acuicultura del PMP constituyen una buena base para el cultivo de corales, sin embargo, para que el esfuerzo de cultivo alcance un máximo de rendimiento, los sistemas actuales deben optimizarse en función de los requisitos de las especies de coral objetivo.

Effects of terrestrial runoff on the coral communities in Santiago Bay, Colima, Mexican Pacific Coast

Abstract:Coral reef ecosystems are under stress of different origins, from factors including sedimentation, fragmentation, overfishing, and tourism, depending on their geographical location, depth, and proximity to recreation areas. In this study of Juluapan Lagoon, we examined the relationship between various water-quality attributes and the status indicators of the coral community at La Boquita reef. During 2011 (12 months of sampling), six monitoring stations in the Juluapan lagoon were established in order to observe the gradient of the distribution of the physicochemical parameters: three stations on the upper part, or BI, (S4 to S6) and three more in the lower part, or BII, (S1 to S3). A control station (CS) was located in the coral reef close to the lagoon channel, and where dissolved inorganic nutrients and cellular carbon content were determined. Additionally, we considered the monitoring of three of the eight largest coral structures/headlands of this community: the first was the station closest to the channel communicating with Juluapan lagoon (C1), the second was in the intermediate region with respect to that lagoon (C2), and the third was farthest from the channel (C3). Three line intercept transects (LIT) 30 m in length and perpendicular to the coast provenance were established in each station, and the parameters indicative of the status of corals were evaluated in an area of 60 m2 on each transect (180 m2 by the station). Turbidity, evidence of fishing, signs of settling, algal coverage, abundance of fish, rate of sediment, and coral health records (as for CoralWach chart) were determined in situ and from digital photographs and videos. Considering various community status indicators used in the reef area, we could recognize a state of general deterioration, which was reflected in the loss of 17% of coral coverage. The main anthropogenic disturbances in adjacent areas to La Boquita reef included wastewater discharges into the lagoon, tourist developments in the coastal zone, deforestation and erosion resulting from inappropriate development, and the runoff of nutrients from agricultural lands nearby the lagoon. All these significantly contributed to the nutrient-enriched waters of the lagoon, especially in summer, with negative effects on the coral community. Continued exposure to these factors, coupled with the lack of control over other anthropogenic components, has promoted the maintenance of a chronic stress state in the studied coral community. Our findings highlight the need for the development of appropriate coastal management and conservation policies for the coral reefs of the Mexican Pacific Coast. Rev. Biol. Trop. 64 (3): 1185-1200. Epub 2016 September 01.

ResumenDependiendo de la ubicación geográfica, la profundidad, y la proximidad a zonas de recreo, algunos arrecifes de coral están bajo estrés por factores que incluyen la sedimentación, la fragmentación, la sobrepesca y el turismo. En la presente investigación, se estudian los diferentes atributos de calidad de agua de la Laguna Juluapan e indicadores del estatus de la comunidad coralina La Boquita. Durante 2011 (12 meses de muestreo), seis estaciones de monitoreo fueron establecidas dentro de la laguna de Juluapan, a fin de observar el gradiente de distribución de los parámetros fisicoquímicos: tres estaciones en la parte interna ó B1, (S4 a S6), y tres en la parte más externa, ó B2 (S1 a S3); una estación control (CS) fue ubicada en la zona coralina cercana a la comunicación con la Laguna de Juluapan, fueron determinados nutrientes inorgánicos disueltos y contenido de carbono celular. Adicionalmente se realizó el monitoreo de tres de los ocho cabezales coralinos que conforman esta comunidad. El primero de ellos fue localizado en la cercanía de la intercomunicación con la Laguna Juluapan (C1), el segundo en la región intermedia respecto a la proximidad de dicho cuerpo lagunar (C2), y el tercero totalmente alejado respeto a la intercomunicación (C3). En cada estación fueron colocadas, tres líneas de transectos de intersección (LIT) de 30 m de longitud de forma perpendicular al perfil de la costa, a partir de ello, fueron evaluados diversos parámetros de la condición coralina, cubriendo un área de 60 m2 en cada transecto (180 m2 por estación). En cada área de transecto fue evaluada la turbidez, evidencias de daños por pesca, daños por sedimentación, cobertura de algas, abundancia de peces, tasa de sedimentación, además de obtenerse registros de la salud coralina usando como indicador la tarjeta CoralWatch in situ, a partir de tomas fotográficas y videos. Considerando los diferentes indicadores del estatus de la comunidad coralina estudiada, nosotros pudimos reconocer un estado general de deterioro, reflejado en la pérdida del 17% de la cobertura de coral. Las principales alteraciones antropogénicas en las zonas adyacentes al arrecife La Boquita corresponde a descargas de aguas residuales en la laguna, desarrollos turísticos en la zona costera, la deforestación y efecto erosivo asociado al desarrollo urbano inadecuado, así como el escurrimiento de nutrientes de tierras agrícolas alrededor de la laguna. Estos factores contribuyen de manera significativa al enriquecimiento de nutrientes a la laguna, sobre todo en verano, con efectos negativos sobre la comunidad de coral. La exposición continua a estos factores, junto con la falta de control sobre otros componentes antropogénicos, promueve la existencia de un estado de estrés crónico en la comunidad coralina estudiada. Nuestros resultados destacan la necesidad de implementar políticas apropiadas de conservación para los arrecifes coralinos de la costa del Pacífico mexicano.

Response to short term ultraviolet stress in the reef-building coral Pocillopora capitata (Anthozoa: Scleractinia)

Coral reefs are impacted by a range of environmental variables that affect their growth and survival, the main factors being the high irradiance and temperature fluctuations. Specimens of Pocillopora capitata Verrill 1864 were exposed to photosynthetically active radiation (PAR) and ultraviolet radiation (UVR) for 32h under laboratory conditions. We examined lipid peroxidation (MDA), antioxidant enzyme activities (SOD, CAT, GPx and GST), chlorophyll a (Chl a), carotenoid pigments (CPs), mycosporine-like amino acids (MAAs), and expulsion of zooxanthellae. Our results revealed that corals exposed to UVR had relatively low levels of carotenoids and antioxidant enzyme activities compared to those exposed to PAR, as well as lower CPs/Chl a ratios. Although MAAs and CPs are rapidly produced as non-enzymatic antioxidants in response to UVR in corals, these were not sufficient, even in the dark phase of the experiment, to mitigate the damage caused by formation of reactive oxygen species (ROS), which caused breakdown of the symbiotic relationship between the zooxanthellae and the host animal to an extent 33 times greater than in the PAR treatment. In this study, it could be possible to distinguish that, parallel to the short-term adjustments, such as the amount of pigment in the algae or the sensitivity of the photosynthetic response reported in other species of coral, P. capitata exhibits at the enzymatic level a series of responses oriented to resist the effects derived from the propagation of ROS and, thus, to adapt to and maintain its reproductive capacity in shallow oceanic environments that commonly exhibit high UVR levels. Nevertheless, as a result of the inappropriate location of the artificial intercommunication structure of the Juluapan Lagoon with respect to the arrecifal area of study and therefore of the tides influence, other variables, such as the changes in short-term in turbidity, sediment inputs, nutrients, temperature and osmolarity, can act in combination and cause irreversible damage. The implementation of a management plan for the coralline reefs of the Mexican Pacific coast is required. Rev. Biol. Trop. 58 (1): 103-118. Epub 2010 March 01.

Los arrecifes de coral se ven afectados por una serie de variables ambientales que afectan su crecimiento y supervivencia, siendo los principales factores la alta irradiación y las fluctuaciones de temperatura. Los especímenes de Pocillopora capitata Verrill 1864 fueron expuestos a radiación activa fotosintéticamente (PAR) y radiación ultravioleta (RUV) por 32h en condiciones de laboratorio. Nosotros determinamos las concentraciones de peroxidación lipídica (MDA), actividades de enzimas antioxidantes (SOD, CAT, GPx y GST), clorofila a (Chl a), pigmentos carotenoides (CPS), aminoácidos tipo micosporina (MAAS), y la expulsión de las zooxantelas. Nuestros resultados muestran que los corales expuestos a los rayos UV presentaban niveles relativamente bajos de carotenoides y actividad de las enzimas antioxidantes en comparación con los expuestos al PAR, así como tasas de CPs/Chl a bajas. Aunque MAAs y CPs se producen rápidamente como antioxidantes no enzimáticos en respuesta a la radiación ultravioleta en los corales, éstos no fueron suficientes, incluso en la fase oscura del experimento, para mitigar los daños causados por la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que provocó una ruptura en la relación simbiótica entre las zooxantelas y el coral con una relación 33 veces mayor que en el tratamiento de PAR. A nivel enzimático, P capitata presentó una serie de ajustes orientados a resistir los efectos derivados de la propagación de ROS y con ello favorecer su adaptación y capacidad reproductiva en ambientes oceánicos caracterizados por altos niveles de UVR.

Levantamiento tectónico de la costa del Pacífico central de Costa Rica / Tectonic elevation of the Central Pacific coast of Costa Rica

Three fossil coral samples (Pocillopora elegans and Pocillopora damicornis) were collected from a beachrock in Puerto Escondido, central Pacific coast of Costa Rica. The age of the samples ranged from 1272+/-60 to 2010+/-60 years BP. They represent some of the few Holocene fossil corals known from the Pacific coast of the Americas. The uplift rate for the central Pacific coast of Costa Rica was calculated in 0.4 to 2.1 mm year(-1).