Биорок - Biorock

Биорок, также известный как Seacrete или же Герметик, является товарным знаком, используемым Biorock, Inc. для обозначения вещества, образующегося в результате электроаккумуляции минералы растворен в морская вода. Вольф Гильбертц разработал процесс и запатентовал его в 1979 году.[1] Строительный процесс, в народе называемый нарастание, не следует путать с Biorock очистка сточных вод. Процесс строительства биорока растет цемент -подобная инженерия структуры и морские экосистемы, часто для марикультура из кораллы, устрицы, моллюски, лобстеры и рыбы в соленой воде. Он работает, проходя небольшой электрический ток через электроды в воде. Структура растет более или менее без ограничений, пока течет ток.

История

Арагонит в трубке

Искусственные рифы были построены с 1950-х годов с использованием материалов, включая затонувшие корабли, бетонные блоки и выброшенные шины. Однако в большинстве этих планов не было предусмотрено место обитания кораллов. Наиболее известный, шины были пристегнуты у берега Форт-Лодердейла и стал экологической катастрофой.[2] Некоторые искусственные рифы удалось создать, но большинство из них остаются относительно бесплодными по сравнению с естественными рифами.

Технология Biorock возникла в результате экспериментов 1970-х годов, когда Гильберц изучал, как растут ракушки и рифы, пропуская электрические токи через соленую воду. В 1974 году он обнаружил, что соленая вода электролизует, карбонат кальция (арагонит ) сочетается с магний, хлористый и гидроксил ионы медленно срастаются вокруг катод, в конечном итоге покрывая электрод с материалом, близким по составу к оксихлорид магния цементы и прочны, как бетон. Со временем катодная защита заменяет отрицательный ион хлорида (Cl-) растворенным. бикарбонат (HCO3-) для отверждения покрытия до гидромагнезит -арагонит смесь с газообразным кислородом, выделяющимся через пористую структуру. Более поздние эксперименты показали, что покрытия могут утолщаться со скоростью 5 см в год. Пока течет ток, структура продолжает расти и укрепляться. В случае повреждения он самовосстанавливается, что делает его особенно полезным в качестве замены бетона в труднодоступных местах. Высокий уровень растворенного кислорода делает его особенно привлекательным для морских организмов, особенно для плавниковых рыб.

Первоначально Гильберт называл свое изобретение, на которое он получил несколько патентов, кратко подводное образование минералов. Первоначальный план Гильберца состоял в том, чтобы использовать эту технологию для выращивания недорогих конструкций в океане для развивающихся стран. Он также предвидел нарастание больших аквадинамический OTEC преобразование тепловой энергии океана установки, как для выработки энергии, так и для производства водород, аммиак, и гидроксид магния.[3] Это привело к тому, что процесс строительства практически не зависел от наземных ресурсов.

После встречи его внимание переключилось на коралловые рифы. Томас Дж. Горо в 1980-е гг. Они сформировали партнерство. Горо продолжил работу над технологиями биороков и восстановлением коралловых рифов после смерти Гильберца в 2007 году. Поскольку в процессе производства биороков используются такие простые материалы, формы электродов могут быть сконструированы так, чтобы имитировать естественные рифы. Поскольку комбинированный гидратированный магний оксихлорид, брусит (гидроксид магния) - позже гидромагнезит (хлоркарбонат магния) и арагонит (карбонат кальция), образующийся так похожий на естественный риф субстрат, кораллы охотно попадают на биороковые рифы. Кораллы процветают в электрифицированной и насыщенной кислородом среде рифа. Один из ярких примеров был в Мальдивы во время потепления 1998 года, во время которого выжило менее 5% естественных рифовых кораллов. На биороковых рифах процветало 80% кораллов.[4]

Вместе с другими Гильберц и Горо совершили две экспедиции в Сая де Малха банка в 1997 и 2002 годах. Используя технологию Biorock, они попытались вырастить искусственный остров вокруг стальных конструкций, прикрепленных к морскому дну.[5] Как «Seacrete» этот процесс был опубликован в книге 1992 г. футурология, Тысячелетний проект. Автор Маршалл Сэвидж повторил ранее высказанное Гильберцем предположение о том, что проводящий металл магний быть извлеченным из океанской воды, и что в процессе используется электричество от преобразования тепловой энергии океана. В 2012 году и Горо, и Роберт К. Тренч, работая вместе с Горо, опубликовали работы о том, как Biorock может создавать строительные материалы, а также восстанавливать поврежденные экосистемы.[6]

Процесс

Применяя низкое напряжение Электрический ток (безопасный для пловцов и морской флоры и фауны), идущий к погруженной в воду проводящей структуре, вызывает осаждение растворенных в морской воде минералов, в основном кальция, магния и бикарбоната, и их прилипание к этой структуре. В результате получается смесь брусит гидромагнезит и известняк с механической прочностью, аналогичной бетону. Полученный из морской воды, этот материал похож на состав естественных коралловых рифов и песчаных пляжей.

Строительство рифа

Недавно построенный риф Биорок, созданный Gili Eco Trust в Индонезия.

Для постройки биорокового рифа используют сварной, электропроводящий каркас, часто сделанный из строительных материалов. арматура или же проволочная сетка, погружен в воду и прикреплен к морскому дну. Применяется постоянный ток низкого напряжения. Это инициирует электролитическую реакцию, в результате которой осаждаются минеральные кристаллы, естественным образом встречающиеся в морской воде, в основном карбонат кальция и гидроксид магния, по структуре.

В течение нескольких дней структура приобретает беловатый вид, так как покрывается осажденными минералами, которые добавляют жесткости и прочности. Электрические поля, а также тень и защита, обеспечиваемая каркасом из металла / известняка, привлекают морских обитателей, в том числе рыб, крабов, моллюсков, осьминогов, омаров и морских ежей.

Как только структура размещена и минералы начинают покрывать поверхность, начинается следующий этап строительства рифа. Дайверы пересадите фрагменты кораллов с других рифов, прикрепив их к каркасу ковчега. Сразу же эти кусочки коралла начинают прикрепляться к сросшемуся минеральному субстрату, и из-за выделившегося кислорода и электрохимически облегченной аккреции растворенных ионов, таких как бикарбонат, начинают расти - обычно в три-пять раз быстрее, чем обычно. Вскоре риф приобретает вид и полезность естественного рифа. экосистема а не искусственный.

Технические характеристики

Образцы биорока варьируются в прочность на сжатие с 3720 до 5350 фунт-сила / дюйм² (26–37МПа ) - для сравнения конкретный обычно используется на тротуарах, имеет прочность около 3500 фунтов / дюйм² (24 МПа).

Основные компоненты биорока включают: гидроксид магния и карбонат кальция. Эта композиция в основном является результатом ионный Состав морская вода.[3] Один киловатт-час электричества увеличивается от 0,4 до 1,5 кг (От 0,9 до 3,3фунт ) биорока в зависимости от таких параметров, как глубина, электрический ток, соленость и вода температура.[7][8]

В одном исследовании Porites развитие сравнивали между колониями с электрическим полем и без него в течение 6 месяцев. Электрическое поле было устранено через 6 месяцев. Продольный рост был относительно высоким при наличии поля, но впоследствии снизился. Различия в росте были достоверными только в течение первых 4 месяцев. Различия в росте в обхвате были значительными в первые месяцы. Обработанные кораллы выживали быстрее.[9]

Преимущества

Biorock ускоряет рост коралловые рифы в 5 раз и восстановление физического урона в 20 раз.[нужна цитата ][10][11] Скорость роста можно варьировать, изменяя количество тока, протекающего в конструкции. Biorock может способствовать росту и отрастанию кораллов даже в присутствии экологический стресс Такие как повышение температуры океана, болезни, питательные вещества, отложения и другие виды загрязнения. При смешивании с строительные агрегаты, он может создавать компоненты на морское дно или на суше. Biorock представляет собой единственный известный метод, который может поддерживать и выращивать естественные виды кораллов, используя только основные проводящие элементы, обычно из обычного металла, такого как стали.

Электролиз биороковых рифов способствует росту кораллов, их размножению и способности противостоять стрессу окружающей среды.[нужна цитата ] Виды кораллов, которые обычно встречаются на здоровых рифах, получают большое преимущество перед сорными организмами, которые часто зарастают их на подвергшихся стрессу рифах.

Рифы биорока быстро растут и с возрастом укрепляются. Таким образом, они имеют большой потенциал для многих применений, таких как создание волноломов. Если волны или сталкивающиеся корабли вызывают повреждение, возобновление нарастания заставляет их в некоторой степени самовосстанавливаться.

Biorock экономичен, для него требуются только металлические стержни или аналогичные изделия и электричество. Пока электричество было от ископаемое топливо генерирует CO2, проекты биороков часто используют возобновляемые источники солнечная энергия, ветровая энергия, приливная сила, или же мощность волны. Полученный материал во многих местах дешевле бетонных блоков, в зависимости от затрат на электроэнергию и транспортировку цемента.[12]

Конструкции Biorock могут быть построены любого размера и формы в зависимости только от физического состояния морского дна, волн, текущей энергии и строительных материалов. Они хорошо подходят для удаленных, третий мир участки, где экзотические строительные материалы, строительная техника и квалифицированный труд недоступны.

Возможность отрастить эродированные пляжи

Конструкции Biorock чрезвычайно эффективны для предотвращения эрозия пляжа и восстановление уже разрушенных пляжей. Береговые линии очень чувствительны к спаду и потере пляжей из-за изменения климата, вызывающего повышение уровня моря и все более частые и сильные штормы. Обычные методы борьбы с этим используют большие конструкции, такие как волноломы которые предназначены для отражения волн, что предотвращает эрозию. Однако этот метод проблематичен и действительно способствует эрозии пляжа. Когда каждая волна падает, сила, которую она оказывает на конструкцию, удваивается из-за изменения направления вектора волны на противоположное. Эта отраженная волна затем уносит песок у основания конструкции обратно в море. Это повторяется до тех пор, пока конструкция не выкапывается и не падает или не ломается.[13] Природные рифы предотвращают эрозию, рассеивая около 97% энергии волн, и растут пляжи, откладывая скелеты мертвых кораллов и водорослей.[14][15] Структуры Biorock Anti-Wave (BAW) имитируют эти естественные рифы, извлекая их выгоду и решая некоторые из проблем, с которыми они сталкиваются при рассеивании штормов. Структуры BAW могут быть построены в форме перевернутой волны для обеспечения оптимального рассеивания волны. Кроме того, способность Biorock к самовосстановлению гарантирует, что конструкции выдержат даже самые разрушительные штормы.[14]

Конструкции BAW в Теркс и Кайкос пережил два сильнейших урагана в истории островов, которые произошли с разницей в три дня и повредили или разрушили 80% зданий на острове. Наблюдалось скопление песка у оснований рифовых структур Биорока.[14]

В Мальдивы в 1997 году конструкции BAW помогли спасти несколько зданий, в том числе гостиницу, которые рисковали смыть из-за сильной эрозии пляжа. Была построена 50-метровая структура BAW, которая стабилизировала и в конечном итоге обратила вспять эрозию за несколько лет, даже позволив пляжу пережить цунами в 2004 году

Недостатки

Хотя структуры Biorock дают прекрасные результаты, для их поддержания требуется постоянная мощность. На Мальдивах несколько рифов Биорока успешно пережили обесцвечивание в 1998 году, в результате которого погибли почти все дикие кораллы, но затем они были отключены от электричества. Они прожили до 2016 года, когда их всех убило очередное отбеливание.[14]

Электрическое поле, которое производит Biorock, пока известно, безопасно для дикой природы, однако это не значит, что оно не влияет на дикую природу. Исследование, проведенное на Багамах в 2015 году, показало, что электрическое поле отпугивает акул, особенно акул. бычья акула и Карибская рифовая акула, от купания и кормления в этом районе. Считается, что электрическое поле влияет на акул из-за их электрорецепция способностей, однако виды с аналогичными способностями, такие как штанга и Бермудский голавль электрическое поле не оказывало на него влияния.[16]

Распределение

По состоянию на 2011 год проекты биороковых коралловых рифов были реализованы более чем в 20 странах, в Карибский бассейн, Индийский океан, Тихий океан и Юго-Восточная Азия. Один проект расположен на одном из самых отдаленных и неизведанных рифовых районов мира, Saya de Malha Bank в Индийском океане.[17] Другие проекты биорока находятся в Французская Полинезия, Индонезия, Мальдивы, Мексика, Панама, Папуа - Новая Гвинея, Сейшельские острова, то Филиппины и Таиланд. В Индонезии больше всего проектов по биорокам, с участками около полдюжины островов, включая два крупнейших в мире проекта восстановления рифов: Пемутеран с Каранг Лестари и Острова Гили с Gili Eco Trust.[18] Не коралловые проекты биорока были проведены в таких местах, как Бухта Баратария, Галвестон, морские травы в Средиземноморье, устричные рифы и солончаки в Нью-Йорк, в Порт Аранзас, И в Санта-Крус.

Мальдивы

На Ваббинфару На Мальдивах на морском дне была закреплена 12-метровая 2-тонная стальная клетка под названием Lotus. По состоянию на 2012 год кораллы были настолько многочисленными, что клетку было трудно различить. 1998 год Эль-Ниньо уничтожил 98% рифов вокруг Ваббинфару. Абдул Азиз, возглавлявший проект Vabbinfaru, сказал, что рост кораллов на структуре в пять раз выше, чем в других местах. Во время потепления 1998 года был установлен прототип устройства меньшего размера, и более 80% его кораллов выжили, по сравнению с всего 2% в других местах.[19] Однако в проект больше не подается электричество, что делает его уязвимым для следующего цикла обесцвечивания.

Рекомендации

  1. ^ Патент США 4246075, выпущен 1981-01-20 
  2. ^ Сколофф, Брайан (17 февраля 2007 г.). «Шинный риф у Флориды - катастрофа». usatoday30.usatoday.com. Получено 2018-08-12.
  3. ^ а б Hilbertz, W.H .; и другие. (Июль 1979 г.). «Электроосаждение минералов в морской воде: эксперименты и приложения». Журнал океанической инженерии. 4 (3): 94–113. Bibcode:1979IJOE .... 4 ... 94H. Дои:10.1109 / JOE.1979.1145428.
  4. ^ Горо, Т. Дж., Решение для кораллов в опасности, обзор GCRA, Веб-сайт GCRA, апрель 2002 г.
  5. ^ "PDF экспедиции Сая де Малха 2002, ред. 1" (PDF).
  6. ^ Горо, Томас Дж .; Тренч, Роберт Кент (2012-12-04). Инновационные методы восстановления морской экосистемы. CRC Press. CRC Press. ISBN  9781466557734. Получено 2017-10-06.
  7. ^ Ортега, Альваро (1989). «Базовая технология: накопление минералов для укрытия. Морская вода как источник строительства» (PDF). Архитектура MIMAR в разработке. 32: 60–63.
  8. ^ Бальбоса, Энрике Амат (1994). "Revista Arquitectura y Urbanismo". 15. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь) нет. 243
  9. ^ Sabater, Marlowe G .; Яп, Хелен Т. (ноябрь 2004 г.). «Долгосрочные эффекты индуцированного накопления минералов на рост, выживаемость и свойства кораллита Porites cylindrica Dana». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии. 311 (2): 355–374. Дои:10.1016 / j.jembe.2004.05.013. ISSN  0022-0981.
  10. ^ «Биорок, технология обогащения минералов, герметик». Глобальный альянс по коралловым рифам. Получено 27 января 2020.
  11. ^ Феррарио, Ф. (2014). «Эффективность коралловых рифов для снижения риска прибрежных опасностей и адаптации» (PDF). Nature Communications. 5: 3794. Дои:10.1038 / ncomms4794. ЧВК  4354160. PMID  24825660 - через Nature.com.
  12. ^ Горо, Томас; Гильберц, В. (2005-01-01). «Восстановление морской экосистемы: затраты и выгоды для коралловых рифов». World Res. Rev. 17: 375–409.
  13. ^ Горо, Томас Дж. Тренч, Роберт Кент. (коп.2013 г.). Инновационные методы восстановления морских экосистем. CRC Press. ISBN  978-1-4665-5773-4. OCLC  904531279. Проверить значения даты в: | дата = (помощь)CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ а б c d Горо, Томас Дж. Ф .; Пронг, Паулюс (декабрь 2017 г.). «Электрические рифы Биорока за несколько месяцев снова превратили сильно разрушенные пляжи». Журнал морской науки и техники. 5 (4): 48. Дои:10.3390 / jmse5040048.
  15. ^ Феррарио, Филиппо; Бек, Майкл У .; Storlazzi, Curt D .; Микели, Фиоренца; Шепард, Кристина С .; Эйрольди, Лаура (сентябрь 2014 г.). «Эффективность коралловых рифов для снижения риска прибрежных опасностей и адаптации». Nature Communications. 5 (1): 3794. Дои:10.1038 / ncomms4794. ISSN  2041-1723. ЧВК  4354160. PMID  24825660.
  16. ^ Uchoa, Marcella P .; О’Коннелл, Крейг П.; Горо, Томас Дж. (01.01.2017). «Воздействие электрических полей, связанных с биороками, на рифовую акулу Карибского моря (Carcharhinus perezi) и бычью акулу (Carcharhinus leucas)». Биология животных. 67 (3–4): 191–208. Дои:10.1163/15707563-00002531. ISSN  1570-7563.
  17. ^ Gutzeit, Франк + Hilbertz, W.H. + Goreau, T.J., Экспедиция Сая де Малха, март 2002 г., Sun & Sea e.V. Гамбург, август 2002 г.
  18. ^ Горо, Т. Дж, комментарии, цитируемые в Независимый исследовательский проект по Biorock, Сайт GCRA, февраль 2011 г.
  19. ^ Винс, Гайя (6 сентября 2012 г.). «Как мы можем спасти наши умирающие коралловые рифы?». bbc.com. BBC. Получено 2018-08-12.

Опубликованные работы

  • Гильберц, В. Х., Морская архитектура: альтернатива, в: Arch. Sci. Rev., 1976
  • Гильберц, В. Х., Технология обогащения минералов: приложения для архитектуры и аквакультуры с Д. Флетчером и К. Крауссом, Промышленный форум, 1977 г.
  • Гильберц, В. Х., Создание среды, которая растет, в: Футурист (июнь 1977): 148-49.
  • Hilbertz, W.H. et al., Электроосаждение минералов в морской воде: эксперименты и приложения, в: IEEE Journal on Oceanic Engineering, Vol. ОЭ-4, № 3, стр. 94–113, 1979 г.
  • Ортега, Альваро, Базовая технология: накопление минералов для укрытия. Морская вода как источник строительства, MIMAR 32: Архитектура в разработке, № 32, с. 60–63, 1989 г.
  • Гильберц, В. Х., Строительный материал из морской воды, генерируемый солнечными батареями, для смягчения глобального потепления, in: Building Research & Information, Volume 19, Issue 4 July 1991, pages 242-255.
  • Гильберц, В. Х., Строительный материал из морской воды, вырабатываемый солнечными батареями, как поглотитель углерода, Амбио 1992
  • Бальбоса, Энрике Амат, Revista Arquitectura y Urbanismo, Vol. 15, нет. 243, 1994 г.
  • Горо, Т. Дж. + Гильберц, В. Х. + Эванс, С. + Горо, П. + Гутцайт, Ф. + Деспейн, К. + Хендерсон, К. + Меки, К. + Обрист, Р. + Кубица, Х., Экспедиция Сая де Малха, март 2002 г., 101 с., Sun & Sea e.V. Гамбург, Германия, август 2002 г.
  • Cervino, J.M. + Hayes, R.L. + Honovich, M. + Goreau, T.J. + Джонс, С. + Рубек, П.Дж., Изменения плотности, морфологии и митотического индекса зооксантелл у герматипных кораллов и анемонов, подвергшихся воздействию цианида, In: Marine Pollution Bulletin 46, 573–586, May 2003.
  • Горо, Т. Дж. + Гильберц, В. Х., Восстановление морской экосистемы: затраты и выгоды для коралловых рифов, в: World Resource Review Vol. 17, № 3, с. 375–409, 2005 г.
  • Р. Ваккарелла + Т. Ж. Горо, Applicazione della elettrodeposizione nel recupero die mattes di Posidonia oceanica, in: Posidonia Oceanica, pp. 93–105, Protezione ripopolazione di praterie ed utilazzione dei резидуи в агрономии, Редакция а Cura della Provincia di Bari, Servizio Politiche Comunitarie, Assessorato Risorse del Mare, Бари, Италия, 2008
  • Горо, Т. Дж. + Гильберц, В. Х., Восстановление коралловых рифов и рыбных промыслов снизу вверх в Индонезии, Панаме и Палау, Август 2008 г.
  • Горо, Т. Дж. + Гильберц, В. Х., Восстановление рифов как инструмент управления рыболовством, В: Томас Дж. Горо, Раймонд Л. Хейс, (2008), Рыболовство и аквакультура, [Ред. Патрик Сафран], в Энциклопедии систем жизнеобеспечения (EOLSS), разработанной под эгидой ЮНЕСКО, издательство Eolss Publishers, Оксфорд, Великобритания, 2008 г.
  • Стрёмберг, Сусанна М. + Лундельв, Томас + Горо, Т. Дж., Пригодность образования минералов в качестве метода восстановления холодноводных коралловых рифов, Журнал экспериментальной морской биологии и экологии, вып. 395. С. 153–161, 2010.
  • Уэллс, Люси + Перес, Фернандо + Хибберт, Марлон + Клерво, Люк + Джонсон, Джоди + Горо, Т.Дж., Влияние сильных ураганов на проекты восстановления биорокских коралловых рифов на островах Гранд-Терк, Теркс и Кайкос, Департамент окружающей среды и прибрежных ресурсов (DECR), Гранд-Терк, острова Теркс и Кайкос, 12-VII-2010
  • Горо, Т. Дж., Коралловые рифы и восстановление среды обитания рыбных промыслов в коралловом треугольнике: ключ к устойчивому управлению рифами, Proceeding of Coral Reef Management Symposium on Coral Triangle Area, стр. 244–253, Фаза II программы реабилитации и управления коралловыми рифами, Джакарта Селатан, Индонезия, 2010 г.
  • Бенедетти А., Браманти Л., Цунис Г., Файмали М., Паванелло Г., Росси С., Джили Дж. М., Сантанджело Г. 2011. Применение катодно поляризованных субстратов для восстановления ценных кораллов. Биообрастание 27 (7): 799-809.

внешняя ссылка

Координаты: 37 ° 47′00 ″ с.ш. 10 ° 46′00 ″ в.д. / 37,7833 ° с. Ш. 10,7667 ° в. / 37.7833; 10.7667