BIOFOULING FORMATION IN THE ARTIFICIAL REEF STRUCTURED SPACE

Main Article Content

A. V. Prazukin Yu. K. Firsov R. I. Li V. V. Kholodov

Abstract

The paper focuses on the possibility of using artificial reef structures (ARS) to control biofouling and focuses on the spatial organization of vegetative canopies formed in the ARS, which is relevant for solving the problems of cultivation of hydrobionts on solid substrates. ARS is a kind of stockade made up of cylindrical vertical structures (di = 0.33 cm, li = 20 cm) that are placed on a horizontal plate (So = a1 · a = 900 cm2). The stockade covers space (Vg = 0.018 m3) partly occupied by vertical structures (ΣVi = Vi · n, where n is the total number of axial structures on the module horizontal surface), while the rest of it remains free (Vf = Vg – ∑Vi). Three possible densities were considered for the arrangement of the said vertical structures (n/So), and namely: 544, 3956 and 10 678 pieces per m2, while the concentration of their surface area within the ARS (Cs = (∑Si) / Vg ) was set as 0.056, 0.295 and 1.106 per cm. For 43 days (from May 27 to July 9 2014), the ARSs were kept in the offshore strip of the Sevastopol Bay (Black Sea) at the depth of 2 m. The water temperature in the sea ranged from 23.3 to 25.6 °C. Samples were taken every 6–8 days. In the composition of the biofouling, diatom algae were found to be predominating in the mass, while also present were sprouts of multicellular algae and, of animals, hydroids, bryozoans, spirogbis, and larvae of balanuses were also observed. On the 7th day of exposure, 51 species of diatom algae were found on the surface of the ARS with a loose (544 pieces per cm2) and dense (10 678 pieces per cm2) structures arrangement, with only 15 species making a significant (> 5 %) contribution to the total number (ni, %) and biomass (Wi, %) of the community in certain sections of vertical structures (Achnanthes longipes, Amphora hyalina, Berkeleya rutilans, Cylindrotheca closterium, Entomoneis paludosa, Haslea ostrearia, Licmophora abbreviata, L. hastata, Neosynedra provincialis, Nitzschia sigma, N. tenuirostris, Parlibellus delognei, Pleurosigma elongatum, Proboscidea insecta, Trachyneis aspera). The values of the Sorensen – Chekanovskii (Ksc = 0.7) and Stugren – Radulescu (Psr = -0.077) coefficients indicate a very close similarity between the systematic composition of the communities being compared. As the fouling density value changes in vertical structures (W/Si) during the period under consideration, four characteristic stages can be distinguished. The first, by convention, is completed on the 7th day of observation, and an approximately equal fouling density (0.51–0.91 mg (dry weight) per cm2) is found to have been created by this time on the tops of the structures, regardless of the density of their structures, and it differs significantly (0.03–0.57 mg (dry weight) per cm2) in the middle part of the ARS. The second stage (7t –21st days) is characterized by low rates of biomass increase per unit of the surface colonized (0.003–0.08, 0.25, -0.17 mg (dry weight) · day−1 · cm−2 ) and by relatively low values W/Si (0.36–2.23 mg (dry weight) per cm2). The third stage is characterized by a rapid increase in the fouling density (0.30–0.75 mg (dry weight) · day−1 · cm−2 ). The maximum W/Si (3.09–9.07 mg (dry weight) per cm2) is reached on the 29th and 36th days of exposure. The fourth, final stage is characterized by a decrease in W/Si, this being the period of partial “disintegration” of the previously formed fouling community. The paper analyzes in detail the vertical distribution of the dry biofouling biomass (W/Si) along the axial structures with different density of their arrangement on the 7th, 14th, 21st, 29th, 36th and 43rd days of the experiment. The general picture of the vertical distribution of W/Si on the 29th and 43rd days was found to be similar. With the increase in the density of vertical structures arrangement, the maximum fouling biomass shifts towards the upper boundary of the ARS. In loosely arranged structures, the maximum biomass is located in the middle part of the canopy, while in not so densely arranged structures (3956 pieces per cm2), the bulk of the biomass (83.5–73.8 %) is concentrated in the upper half of the canopy, while in densely arranged structures, in the upper 2-cm layer (63.9–79.3 %). The paper also considers the relationship between the biofouling dry mass concentration throughout the inhabited space (Cw = (∑Wi) / Vf ) and the concentration of the ARS physical surface with respect to the upper ARS (1) layer and the entire volume of the reef structure (2) in 20-cm high structures on the 29th day of the experiment ((1): Cw = -0.232 + 7.136Cs, R2 = 0.99; (2): Cw = 0.084 + 2.652Cs, R2 = 0.93). It shows that in 20-cm vertical structures an increase in the value of Cs is accompanied by the increased screening effect produced by both structure elements and biofouling – a process which leads to the growth of biofouling agents being partially checked by the insufficient inflow of light and biogenic elements and, accordingly, to a “shortage” of biomass in the given volume of the structure space.

Article Details

Keywords
biofouling, phytofouling, colonization, phytocenosis, diatoms, artificial reef, vegetative canopy, inhabited space, communities inhabiting hard surfaces
Section
Scientific communications

References

1. Брайко В. Д. Обрастание в Черном море. Киев : Наукова думка, 1985. 124 с. [Brajko V. D. Obrastanie v Chernom more. Kiev: Naukova dumka, 1985, 124 p. (in Russ.)].

2. Брянцева Ю. В., Лях А. М., Сергеева А. В. Расчет объемов и площадей поверхности одноклеточных водорослей Черного моря. Севастополь, 2005. 25 с. (Препринт / НАН Украины, Институт биологии южных морей). [Bryantseva Yu. V., Lyakh A. M., Sergeeva A. V. Raschet ob"emov i ploshchadei poverkhnosti odnokletochnykh vodoroslei Chernogo morya. Sevastopol, 2005, 25 p. (Preprint / NAN Ukrainy, Institut Biologii Yuzhnykh morei). (in Russ.)].

3. Горбенко Ю. А. Экология морских микроорганизмов перифитона. Киев : Наукова думка, 1977. 252 с. [Gorbenko Yu. A. Ekologiya morskikh mikroorganizmov perifitona. Kiev: Naukova dumka, 1977, 252 p. (in Russ.)].

4. Ковальчук Ю. Л., Неврова Е. Л. Шалаева Е. А. Диатомовые обрастания твердых субстратов. Москва : Т-во науч. изд-в КМК, 2008. 174 с. [Koval'chuk Yu. L., Nevrova E. L., Shalaeva E. A. Diatomovye obrastaniya tverdykh substratov. Moscow: T-vo nauch. izd-v KMK, 2008, 174 p. (in Russ.)].

5. Карманова И. В. Математические методы изучения роста и продуктивности растений Москва : Наука, 1976. 221 с. [Karmanova I. V. Matematicheskie metody izucheniya rosta i produktivnosti rastenii. Moscow: Nauka, 1976, 221 p. (in Russ.)].

6. Ли Р. И. Рябушко Л. И. Сезонная динамика видового состава и количественных характеристик диатомовых водорослей эпилитона Карантинной бухты в зависимости от температуры воды в Чёрном море // Системы контроля окружающей среды : сб. науч. тр. / НАН Украины, Мор. гидрофиз. ин-т. Севастополь, 2010. С. 215–221. [Li R. I.. Ryabushko L. I. Sezonnaya dinamika vidovogo sostava i kolichestvennykh kharakteristik diatomovykh vodoroslei epilitona Karantinnoi bukhty v zavisimosti ot temperatury vody v Chernom more. Sistemy kontrolya okruzhayushchei sredy: sb. nauch. tr. / NAN Ukrainy, Mor. gidrofiz. in-t. Sevastopol, 2010, pp. 215–221. (in Russ.)].

7. Марфенин Н. Н. Феномен колониальности. Москва : Изд-во Моск. ун-та, 1993. 239 с. [Marfenin N. N. Fenomen kolonial'nosti. Moscow: Izd-vo Mosk. un-ta, 1993, 239 p. (in Russ.)].

8. Неврова Е. Л. Бентосные диатомовые водоросли (Bacillariophyta) Чёрного моря: разнообразие и структура таксоценов различных биотопов : автореф. дис. ... докт. биол. наук: 03.02.01, 03.02.10. Москва, 2015. 45 с. [Nevrova E. L. Bentosnye diatomovye vodorosli (Bacillariophyta) Chernogo morya: raznoobrazie i struktura taksotsenov razlichnykh biotopov: avtoref. dis. ... dokt. biol. nauk: 03.02.01, 03.02.10. Moscow, 2015, 45 p. (in Russ.)].

9. Парталы Е. М. Обрастание в Азовском море. Мариуполь : Рената, 2003. 378 с. [Partaly E. M. Obrastanie v Azovskom more. Mariupol': Renata, 2003, 378 p. (in Russ.)].

10. Празукин А. В. Формирование фитообрастаний на искусственных рифовых конструкциях // Альгология. 2001. Т. 11, № 1. C. 57-69. [Prazukin A. V. Phytofouling formation on the artificial reef constructions. Al'gologiya, 2001, vol. 11, no. 1, pp. 57-69. (in Russ.)].

11. Празукин А. В. Водные биокосные фитосистемы природного и антропогенного происхождения (структурное сопоставление) // Морской экологический журнал. 2003. Т. 2, № 2. C. 16–28. [Prazukin A. V. Water bioinert phytosystems of anthropogenic and natural origins (structural comparison). Morskoj ecologicheskij zhurnal, 2003, vol. 2, no. 2, pp. 16-28. (in Russ.)].

12. Празукин А. В. Экологическая фитосистемология. Москва : Перо, 2015. 375 с. [Prazukin A. V. Ecological Phytosystemology. Moscow: Pero Publ., 2015, 375 p. (in Russ.)].

13. Празукин А. В. Фирсов Ю. К. Архитектоника растительных пологов цистозировых фитоценозов, Черное море // Вестн. Тверского Государственного университета. Сер.: Биология и экология. 2016. № 1. С. 105-118. [Prazukin A. V., Firsov Yu. K. The architectonics of cystoseira phytocenoses canopies in the Black Sea. Vestnik Tverskogo Gosudarstvennogo universiteta. Ser.: Biologiya i ekologiya, 2016, no. 1, pp. 105-118. (in Russ.)].

14. Празукин А. В., Фирсов Ю. К., Холодов В. В., Ли Р. И. Сезонная динамика биообрастания искусственных рифовых конструкций в евтрофируемой морской акватории // Морские биологические исследования: достижения и перспективы : в 3-х т.: сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, приуроч. к 145-летию Севастопольской биологической станции (Севастополь, 19–24 сент. 2016 г.) / под общ. ред. А.В. Гаевской. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2016. Т. 3. С. 432–435. [Prazukin A. V., Firsov Yu. K., Holodov V. V., Li R. I. Sezonnaya dinamika bioobrastaniya iskusstvennykh rifovykh konstrukcii v evtrofiruemoi morskoi akvatorii. In: Morskie biologicheskie issledovaniya: dostizheniya i perspektivy: v 3-kh t.: sb. materialov Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem, priuroch. k 145-letiyu Sevastopol'skoi biologicheskoi stantsii (Sevastopol, 19–24 Sept. 2016) / A. V. Gaevskaya (Ed.). Sevastopol: EKOSI-Gidrofizika, 2016, vol. 3, pp. 432–435. (in Russ.)].

15. Празукин А. В., Хайлов К. М. Пространственная организация полога диатомового обрастания на экспериментальных конструкциях в сравнении с другими фитосистемами // Гидробиологический журнал. 1998. Т. 34, № 5. С. 38–48. [Prazukin A. V., Khailov K. M. Spatial organization of the canopy of diatom fouling on experimental constructions in comparison with other phytosystems. Gidrobiologicheskii zhurnal, 1998, vol. 34, no. 5, pp. 38-48. (in Russ.)].

16. Празукин А. В., Хайлов К. М., Ковардаков С. А. Сравнение структурно–функциональных соотношений в морских фитосистемах разного уровня организации на основе их унифицированного описания // Морской экологический журнал. 2003. Т. 2, № 3. С. 51–62. [Prazukin A. V., Khailov K. M., Kovardakov S. A. Comparison of structural and functional relationships in marine phytosystems of different levels of organization on the basis of their unified description. Morskoj ecologicheskij zhurnal, 2003, vol. 2, no.3, pp. 51-62. (in Russ.)].

17. Протасов А. А. Пресноводный перифитон. Киев : Наукова думка, 1994. 307 с. [Protasov A. A. Presnovodnyi perifiton. Kiev: Naukova dumka, 1994, 307 p. (in Russ.)].

18. Раилкин А. И. Процессы колонизации и защита от биообрастания. Санкт-Петербург : Изд-во С.-Петербург. ун-та, 1998. 272 с. [Railkin A. I. Protsessy kolonizatsii i zashchita ot bioobrastaniya. Sankt-Peterburg: Izd-vo S.-Petersburg. un-ta, 1998, 272 p. (in Russ.)].

19. Раилкин А. И. Колонизация твердых тел бентосными организмами. Санкт-Петербург : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2008. 427 с. [Railkin A. I. Kolonizatsiya tverdykh tel bentosnymi organizmami. Sankt-Peterburg: Izd-vo S.-Petersb. un-ta, 2008, 427 p. (in Russ.)].

20. Росс Ю., Нильсон Т. Вертикальное распределение биомассы в посевах // Фотосинтезирующие системы высокой продуктивности. Москва : Наука, 1966. С. 96–108. [Ross Yu., Nil'son T. Vertikal'noe raspredelenie biomassy v posevakh. Fotosinteziruyushchie sistemy vysokoi produktivnosti. Moscow: Nauka, 1966, pp. 96–108. (in Russ.)].

21. Рябушко Л. И. Микрофитобентос Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2013. 416 с. [Ryabushko L. I. Microphytobentos of the Black Sea. Sevastopol: EKOSI-Gidrofizika, 2013, 416 p. (in Russ.)].

22. Тамметс Т. Х., Тооминг Х. Г. Функциональность архитектуры фитоценоза // Физиология растений. 1985. Т. 32, вып. 4. С. 629–635. [Tammets T. H., Tooming H. G. Funkcional'nost' arhitektury fitotsenoza. Fiziologiya rastenii, 1985, vol. 32, iss. 4, pp. 629–635. (in Russ.)].

23. Фирсов Ю. К. Исследование фотосинтеза фитоперифитона стеклянных пластин в зависимости от сезона и длительности экспозиции субстрата в море // Системы контроля окружающей среды : сб. науч. тр. / НАН Украины, Мор. Гидрофиз. ин-т. Севастополь, 2013. Вып. 19. С. 268-272. [Firsov Yu. K. Issledovanie fotosinteza fitoperifitona steklyannykh plastin v zavisimosti ot sezona i dlitel'nosti ekspozitsii substrata v more. Sistemy kontrolya okruzhayushchei sredy: sb. nauch. tr. / NAN Ukrainy, Mor. Gidrofiz. in-t. Sevastopol, 2013, iss. 19, pp. 268-272. (in Russ.)].

24. Хайлов К. М., Празукин А. В., Рабинович М. А., Чепурнов В. А. Связь биологических параметров фитообрастания с физическими параметрами экспериментальных "рифовых" конструкций в евтрофируемой морской акватории // Водные ресурсы. 1994. Т. 21, № 2. С. 166-175. [Khailov K. M., Prazukin A. V., Rabinovich M. A., Chepurnov V. A. Relation of the biological parameters of periphyton and physical parameters of experimental reef Structures in an Eutrophicated Marine Environment. Vodnye resursy, 1994, vol. 21, no. 2, pp. 166-175. (in Russ.)].

25. Хайлов К. М., Празукин А. В., Смолев Д. М. Формирование и рост поселений водорослей на экспериментальных объектах // Ботанический журнал. 1995. Т. 80, № 9. С. 21-34. [Khailov K. M., Prazukin A. V., Smolev D. M. Formirovanie i rost poselenii vodoroslei na eksperimental'nykh ob"ektakh. Botanicheskii zhurnal, 1995, vol. 80, no. 9, pp. 21-34. (in Russ.)].

26. Хайлов К. М., Юрченко Ю. Ю., Смолев Д. М., Празукин А. В. Геометрические условия заполнения гидробионтами пространств и поверхностей искусственных жилищ // Успехи современной биологии. 1998. Т. 118, вып. 5. С. 585-596. [Khailov K. M., Yurchenko Yu. Yu., Smolev D. M., Prazukin A. V. Geometric conditions for filling hydrobionts of spaces and surfaces of artificial dwellings. Uspekhi sovremennoi biologii, 1998, vol. 118, iss. 5, pp. 585-596. (in Russ.)].

27. Юрченко Ю. Ю. Биогеохимический подход в изучении обрастания и задачах конструирования искусственных рифо : автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.02.10. Севастополь, 2000. 21 с. [Yurchenko Yu. Yu. Biogeokhimicheskii podkhod v izuchenii obrastaniya i zadachakh konstruirovaniya iskusstvennykh rifov: avtoref. dis. ... kand. biol. nauk: 03.02.10. Sevastopol, 2000, 21 p. (in Russ.)].

28. Acs E, Kiss К. Т. Colonization processes of diatoms on artificial substrates in the River Danube near Budapest (Hungary). Hydrobiologia, 1993, vol. 269/270, pp. 307-315. doi: 10.1007/BF00028029.

29. Almeida O. U. H, Beltrones D. A. S. Variations in the structure of epiphytic diatom assemblages in subtropical macroalgae. Hidrobiologica, 2008, vol. 18, no. 1, pp. 51-61.

30. Cattaneo A., Amireault M. C. How artificial are artificial substrata for periphyton. Journal of the North American Benthological Society, 1992, vol. 11, no. 2, pp. 244-256. doi: 10.2307/1467389.

31. Desrosiers C., Leflaive J., Eulin A., Ten-Hage L. Optimal colonization and growth of marine benthic diatoms on artificial substrata: protocol for a routine use in bioindication. Journal of Applied Phycology, 2014, vol. 26, iss. 4, pp. 1759-1771. doi: 10.1007/s10811-013-0204-3.

32. Railkin A. I. Marine biofouling: Colonization processes and defenses. Boca Raton (Florida, USA); London; New York; Washington: CRC Press, 2004, 303 p.

33. Scheer B. T. The development of marine fouling communities. Biological Bulletin, 1945, vol. 89, no. 1, pp. 103-121. doi: 10.2307/1538088.

34. Wahl M. Marine epibiosis. I. Fouling and antifouling: some basic aspects. Marine Ecology Progress Series, 1989, vol. 58, no. 1-2, pp.175-189. doi: 10.3354/meps058175.

35. Wahl M. Living attached: Aufwuchs, fouling, epibiosis. In: Fouling Organisms in the Indian Ocean: Biology and Control Technology. Nagabhushanam R., Thompson M. F. (Eds.). New Delhi: Oxford and IBH Publ. Co, 1997, pp. 31-83.