综述：为珊瑚礁修复选择合适的人工礁基材：一篇小综述

《Blue Biotechnology》：Choosing the right substrate to restore coral reefs through artificial reef construction: a mini-review

本综述系统评述了人工礁基材在珊瑚礁主动修复中的应用与挑战。文章指出，传统材料（如混凝土、塑料、金属、木材）存在高碳足迹、毒性浸出或耐久性不足等局限，并重点探讨了通过优化混凝土配方、利用3D打印技术、开发生物源（biosourced）及生物降解材料等创新策略，旨在构建兼具生物相容性、环境友好性和成本效益的新一代人工礁，为提升珊瑚礁恢复成效提供了关键见解。

　　

引言

珊瑚礁是地球上最具经济价值和生态价值的生态系统之一。尽管其面积仅占海洋表面的不到0.1%，却养育着全球约25%的海洋生物多样性，约有10万个物种不同程度地依赖珊瑚礁完成其生命循环。珊瑚礁为人类社会提供了至关重要的生态系统服务，包括海岸防护、保障发展中国家沿海社区的食物安全，并通过渔业、旅游业和药物研究成为重要的收入来源。据估计，珊瑚礁每年为全球经济提供的生态系统服务价值高达9.9万亿美元。然而，数十年来，由于局部压力（如过度捕捞、沿海开发、流域污染）和全球气候变化（已成为珊瑚礁面临的最大威胁）的共同作用，珊瑚礁生态系统持续衰退。在过去30年中，全球约一半的热带珊瑚礁已经消失，据政府间气候变化专门委员会（IPCC）估计，如果全球气温比工业化前水平升高1.5°C，70-90%的现代珊瑚礁可能会消失；若升温超过2°C，超过99%的珊瑚礁将遭到破坏。

通过人工礁建设修复珊瑚礁

面对影响因素的强度，珊瑚礁的自然再生能力已不堪重负。为了帮助珊瑚礁恢复，人们采用了多种主动恢复方法，其中包括人工礁的建设。根据《保护海洋环境国际公约》的定义，人工礁是故意沉没在海底的淹没结构，旨在模拟自然海床的特征，使底栖生物得以繁衍生息。当正确部署在受沉积物影响的环境中时，人工礁已被证明能够增强当地海洋资源。它们可以帮助招募珊瑚幼虫，并作为移植来自苗圃或其他礁体的珊瑚群体的生长基质。从长远来看，当建立的珊瑚群体性成熟后，人工礁可以作为帮助珊瑚幼虫扩散的中间平台。

然而，从生态和经济角度来看，此类结构成功部署的高度依赖于其建造材料。应使用能够鼓励珊瑚生物定殖、不会无意中污染环境且尽可能具有成本效益的材料，以恢复尽可能多的礁体。世界各地已经测试了由不同材料制成的各种结构，从专门设计的结构到机会材料，在实现恢复目标方面取得了不同程度的成功。《OSPAR公约》指出，人工礁必须由能够承受海洋环境恶劣条件的惰性材料制成，以避免生物、物理或化学变化过程可能引发的污染事件。首选稳定的材料以促进生物发展。值得注意的是，主动恢复工作在资金上受到高度限制。鉴于人工礁设置的中位成本高达3,341,754美元，使用负担得起的材料是必要的。考虑到这一背景，一种好的材料可以被定义为具有成本效益、可持续、生物相容性且不会引入环境污染的材料。

现代人工礁中使用的基材

混凝土因其高抗性、高适应性以及与天然岩石相似的特性，成为人工礁设计中最常用的材料之一。混凝土是一种易于塑形的基质，可以模制成任何所需形状，因此以多种形式被使用。各种表生生物可以在其表面定居和生长，并且可以通过添加粗砂等元素来调整其表面粗糙度等特性。然而，混凝土有几个主要缺点。一旦浸入水中，某些水泥的表面pH值可达10-11，需要在海水中老化3-12个月才能使材料表面pH值接近海水pH值。在此期间，耐高pH值的生物（如藤壶）可以 colonize 结构表面，阻碍珊瑚的附着。最后，水泥工业约占全球碳排放量的6%。尽管生产的大部分混凝土并非用于珊瑚保护的人工礁建设，但使用一种其生产技术直接加剧气候变化（珊瑚的主要威胁）的材料是自相矛盾的。

轮胎和塑料

为了最大限度地减少珊瑚恢复项目对新材料生产的需求并减少碳足迹，可以利用回收材料。旧轮胎是通过建造人工礁将材料重新用于海洋保护的完美范例。其主要优点在于成本极低且被海洋底栖生物（如珊瑚）定殖的潜力很高。然而，用回收轮胎建造的人工礁稳定性较差，容易被水流移动，可能对周围珊瑚礁造成损害。此外，人们对轮胎浸出液及其产生的污染存在重大担忧。一旦浸入水中，会释放出锌、铜、甲醛和丙酮产物等有毒化合物，阻止海洋生物群的发展。因此，据我们所知，大规模部署轮胎不再被认为是人工礁项目的可行策略。相反，其他塑料结构更受青睐，例如聚氯乙烯（PVC）管，因其低成本、重量轻而受到认可。这些材料可以融入由混凝土等基质制成的人工礁中，以帮助构建系统，或用于建造整个培育系统，例如珊瑚修复基金会开发的珊瑚树苗圃。该树苗圃由一个中央PVC柱和PVC或玻璃纤维臂组成，珊瑚可以悬挂或附着在上面进行原位培养。整个系统使用钢筋或缆绳锚定在海底，最大限度地减少对底质的影响。在结构顶部，一个通常由聚苯乙烯球或塑料瓶制成的漂浮装置使结构在水中保持直立。尽管珊瑚树苗圃具有便携、低成本、维护少以及对敏感海底栖息地干扰最小等优点，但它是一个临时结构，设计用于在珊瑚最终移植到退化礁体之前进行培育。此外，由于其塑料部件在恶劣海洋条件下易降解，珊瑚树苗圃可能向环境中释放微塑料。微塑料可以通过摄入直接影响珊瑚，或通过病原体传播间接影响。摄入塑料在能量上是昂贵的，因为它取代了实际食物并给珊瑚一种错误的饱腹感。摄入的塑料还可能堵塞消化系统，并导致珊瑚虫死亡。除了这些直接影响，塑料可以作为病原体的宿主，引发珊瑚礁疾病爆发。一旦个体暴露于塑料碎片，患病几率从4%显著增加到89.1%。

金属

金属结构可用于建造人工礁。项目开发者欣赏其轻质以及可用于创建复杂形状的特性。例如，玛氏公司使用金属钢筋在印度尼西亚退化的礁石上开发并部署了六边形模块化“蜘蛛”结构。这些结构表面涂有粗糙的海滩沙，为珊瑚招募和受损礁体的快速恢复提供了合适的基质。此外，其低廉的成本（每套“蜘蛛”结构15美元）使其成为从业者负担得起的选择。然而，氧化过程中释放的物质一旦浸入水中可能被藻类利用生长，从而限制珊瑚在其表面的生长和招募。在一项比较珊瑚在混凝土、轮胎和金属板上定殖的研究中，观察到金属板上的珊瑚数量少于混凝土结构。这可能是由于质地特性和更粗糙的表面为海洋幼虫创造了更理想的环境，以及所使用的金属板较薄，在17个月内就解体了，不足以让珊瑚生长。退役船舶的金属结构可以通过沉没重新用于人工礁建设。这种方法在经济上具有吸引力，因为沉船可以成为良好的潜水地点，并为珊瑚定殖提供大面积区域。然而，它们的使用带来了重大的污染问题，因为它们可能被多氯联苯（PCBs）、放射性控制表盘、石油产品、铅、汞、锌、三丁基锡（TBT）和石棉等各种污染物污染。这些污染物可以被清除，但这代表了额外的开支，导致预算膨胀。

木材

木材是一种廉价材料，因其无毒性而与海洋生物具有良好的相容性。此外，它是一种低至零碳排放的人工礁建筑材料。这些优点解释了为什么木材被广泛用于人工礁项目。研究人员调查了污损生物群落的发展，报告称在四种基质中，木材承载的总生物量最大。在另一项实验中，研究人员用砍伐的梨树构建了树礁结构，并观察了固着底栖生物对其的定殖。研究表明，在6个月内，这些礁体成为固着表生生物多样性的热点，发现了贻贝等栖息地形成物种。然而，矛盾的是，这种材料的缺点也正是使其能够被快速定殖的特性。根据所用木材的类型，由其制成的结构寿命各不相同，可能在18个月或更短时间内降解。不过，用于海洋环境的木材可以进行化学处理以延长其寿命，这引发了与铜、砷和铬等毒素浸出相关的潜在污染问题。另一个问题是木材是一种非常轻的材料，当放置在水下时，必须进行压载以使其保持在海底。此外，据我们所知，木制人工礁从未用于旨在恢复珊瑚礁生态系统的项目中。如果在大西洋观察到泛化珊瑚（如Tubastrea spp.）在木材碎片上定殖和生长，我们尚不清楚造礁珊瑚物种如何在此类基质上定居。

用于珊瑚礁修复的下一代基材

对目前用于建造人工礁的主要基材的简要回顾表明，有必要开发和部署兼具合理成本、生物相容性、耐久性以及低至无污染风险的材料。混凝土、金属、塑料和木材很难同时满足所有这些标准。

解决这些局限性的一种方法可能是针对每种材料的具体问题加以改进。例如，不同树种的密度各不相同，硬木密度更大、更耐用、更重。选择和测试不同的硬木树种应有助于开发能够持续数十年的人工树礁系统。然而，对此类致密硬木的采购应进行严格监控，以确保其来自可持续来源，并且不会产生其他负面外部效应。此外，研究栖息地形成物种（如珊瑚）能否在木材上正常发育，以及由此形成的礁体在因降解而坍塌时可能如何反应也很有趣。研究人员提出了创新的混凝土混合料设计，有助于增加海洋生物的定殖，同时减少碳强度和成本。研究人员测试了掺入破碎和筛分回收牡蛎壳的各种混凝土配合比。报告指出，它们的加入创造了高度多孔且表面纹理比传统混凝土复杂得多的混凝土。用蓝贻贝幼虫进行的幼虫偏好测试表明，含牡蛎壳的混凝土增加了附着数量。类似地，研究人员利用粉煤灰和花岗岩粉尘生产了具有成本效益且坚固的混凝土块。将这些工业副产品与标准混凝土结合使用，生产出的材料比市售混凝土便宜25%至40%。此外，掺入粉煤灰并未导致高水平的浸出。这一过程支持生产更环保、成本更低的材料，用于建造人工礁以恢复珊瑚礁。像Jason deCaires Taylor这样的艺术家已经在使用低碳、pH值中性的混凝土创作水下雕像，设计初衷就是让海洋生物（包括珊瑚）定殖。

另一种解决局限性的方法是设计和部署使用材料更少、部署成本更低的小型结构。秉承这一理念，Chamberland及其同事开发了一种混凝土四脚锥体结构，可以利用海底的自然复杂性高效放置。每个播种单元的成本仅为1美元，包括部署费用。大量研究表明，可以通过改变颜色、地形、防污或添加防污涂层等方式来改变已部署结构的表面，以增加珊瑚的定殖和生长。利用吸引珊瑚幼虫的化学、生物和物理特征的结构设计可以提高人工礁的有效性。研究表明，珊瑚幼虫更频繁地在红色表面上附着，而Acropora millepora和Ctenactis crassa的幼虫优先定居在微地形与其尺寸相匹配的表面上。因此，增加淹没表面的粗糙度可以改善淹没结构的定殖，正如玛氏公司的“蜘蛛”结构所示。此外，化学线索可用于支持珊瑚附着，无论是通过吸引幼虫还是限制藻类竞争。壳状珊瑚藻（CCA）发挥着关键作用，因为其提取物和对基质的自然定殖可以提供引导幼虫附着的生化信号。补充性方法，如非杀生性FRC涂层，在减少藻类污损和促进珊瑚定殖方面显示出潜力，尽管需要进一步验证以确认其有效性并评估潜在的副作用。

除了这些改进，替代材料也在开发中。特别是，生物源材料引起了极大兴趣。一些用生物源材料建造的实验性结构已经为双壳类礁体恢复而设计，并在荷兰和佛罗里达进行了测试。这些结构由可生物降解的土豆废料衍生的Solanyl C1104M和模拟贻贝足丝的纤维椰壳绳制成，成功促进了礁体形成。此外，我们预计生物源礁体可以使石珊瑚受益。可生物降解礁体的临时性质可以满足另一个重要标准。OSPAR指南指出，人工礁应设计为可在必要时移除。可生物降解人工礁的可降解特性符合这一标准，因为结构可以随着时间的推移以允许珊瑚发育的速度被移除。

随着珊瑚恢复项目中可生物降解选项的增多，量化其有效性并监测其潜在影响将变得至关重要。替代材料还包括复合无机基质。研究人员开发了一种由石灰砂浆和不同添加剂（如富含石英的砂和碳酸锶矿）制成的材料。释放到水柱中的离子吸引了两加勒比海珊瑚物种的幼虫并促进了其附着。随后，研究人员确认了无机添加剂对珊瑚幼虫存活和附着的影响。寻找使用这些添加剂的其他混合物可以为材料科学家创造机会，为人工礁项目开发更高效、可持续的材料。

陶瓷材料值得注意，其珊瑚附着率很高。陶瓷的优点包括其化学惰性（对环境无毒）和长期耐久性。研究人员通过生产具有特定孔径的不同基质并观察Pocillopora damicornis珊瑚幼虫的附着成功率，证实了这种材料的潜力。在形态上与珊瑚骨骼高度相似的仿生材料是幼虫附着的良好表面。此外，陶瓷材料可以使用3D打印技术；3D打印技术正在成为创建通过传统设计方法极难获得的复杂形态的一种策略。3D打印方法能够（i）生产具有珊瑚物种偏好的异质特征的复杂结构，（ii）降低成本，（iii）减少环境影响，以及（iv）提高恢复项目的可扩展性。在红海，3D打印的赤陶结构被部署在天然珊瑚斑块旁边，以测试其容纳复杂鱼类和底栖生物群落的能力。经过3年的监测，研究人员观察到数十个珊瑚群体以及15种海绵和被囊动物的附着。此外，Archireef开始打印和测试他们自己的粘土礁砖，这展示了业界对这种人工礁设计方法的热情。低压矿物沉积（LVMD）技术是生产复杂、高孔隙度结构的另一种方法。由此产生的材料，被称为Biorock，是一种有前途的基质，其强度可能超过混凝土，并且允许珊瑚的生长速度比对照条件快3.17倍。从全局来看，借鉴仿生学（以自然为灵感）的工程方法在产生满足经济和技术成功标准的创新材料方面显示出巨大潜力。然而，无论是Biorock还是3D打印陶瓷结构，都需要更大规模的部署来正确评估这些技术用于礁体恢复的可扩展性。

结论

总之，为了纠正当前用于建造人工礁（特别是用于珊瑚修复）材料的负面特性，正在开展广泛的研究。新材料正在被开发和研究中。新混凝土配合比和更耐用木材的开发代表了向支持珊瑚生态系统和扩大恢复规模的下一代人工礁迈出的中间步骤。相反，这些新材料（例如生物源基质或多孔陶瓷）的成本需要明确评估，以满足制约主动珊瑚恢复计划的可及性标准。最后，我们认为未来的研究应聚焦于升级的生产技术（如3D打印）与耐用、仿生的材料相结合。这种结合将为珊瑚修复的未来提供新的见解，为利益相关者和保护主义者提供积极修复礁体的新策略。

然而，人工礁材料的改进不应被视为万能药。虽然人工礁可以作为在有限范围内支持礁体恢复和恢复力的宝贵工具，但其成功取决于减轻直接的人类压力（富营养化、污染、过度捕捞和破坏性捕捞）以及减少全球排放。