UNIDAD ARTIFICIAL FLEXIBLE INDIVIDUAL DE ANGIOSPERMA MARINA.
SECTOR DE LA TÉCNICA
Investigación marina, retención de sedimento o el control de la erosión de fondos blandos marinos, protección de estructuras ingenieriles (emisarios, tuberías...), reducción de los niveles de turbidez en el agua, protección de determinadas especies bentónicas, establecimiento de zonas de cría y alevinaje para especies animales.
GENERALIDADES
Las praderas artificiales están fundamentalmente orientadas al estudio de las angiospermas marinas en su papel de bioingenieros y a la comprensión de sus efectos en el ecosistema; de un mismo modo, las praderas artificiales pueden ser utilizadas en la aplicación de estas cualidades de bioingenieros de ecosistemas tanto a nivel científico, como industrial, ingenieril y en aras del bienestar socioeconómico de las poblaciones costeras.
Las angiospermas marinas son plantas vasculares que recolonizaron el medio marino y que cubren grandes extensiones de las zonas someras de nuestras costas. Estas especies actúan como ingenieros de ecosistemas, ya que su presencia modifica las condiciones fisicoquímicas y biológicas del ambiente que las rodean. Esta modificación del ambiente y la creación de complejos hábitats tridimensionales, tienen efectos significativos tanto en la biodiversidad como en el funcionamiento del ecosistema.
Las praderas de angiospermas marinas, en función de sus características del dosel (densidad, altura del dosel, número de hojas, tamaño de las praderas y distribución espacial de las mismasdistribución faceteada frente a continua) son capaces de modificar las corrientes hidrodinámicas, favoreciendo la retención y/o sedimentación de partículas en el interior del dosel (sedimento, material orgánico e inorgánico, pequeños organismos, larvas y otros). A este respecto destaca así su papel en la protección de la costa ante la erosión, la capacidad de sedimentar y acumular sedimento y así como su importancia en la protección de las zonas costeras, playas y obras de ingeniería (emisarios, tuberías...). Así mismo, las praderas de angiospermas marinas son conocidas como grandes generadores de diversidad ya que favorecen una protección contra los depredadores, se establecen como zonas de cría y alevinaje para la fauna y son fuente de alimento, bien a través de las propias plantas, epífitos adheridos a sus hojas o el alimento incorporado por la deposición de partículas.
El diseño presentado en esta memoria, se aleja de los diseños tradicionales de angiospermas artificiales y permite reproducir aquellas características de las fanerógamas que dan lugar a las propiedades bioingenieras que se quieren reproducir. Por lo tanto el nuevo diseño planteado, se vertebra mediante un sistema de tubos flexibles con flotabilidad positiva unido a un sistema de anclaje individual que permite su adecuación a numerosos contextos y situaciones y a las necesidades concretas que se persigan.
Este nuevo diseño no sólo proporciona una potente herramienta de investigación marina si no que abre las puertas a multitud de usos más allá del conocimiento científico. Estas unidades artificiales pueden ser utilizadas en diferentes tipos de proyectos y empresas que precisen de las funciones y servicios promovidas por las angiospermas marinas, como la retención de sedimento o el control de la erosión de fondos blandos, la protección de estructuras ingenieriles (emisarios, tuberías...), la reducción de los niveles de turbidez en el agua, la protección de determinadas especies bentónicas, el establecimiento de zonas de cría y alevinaje para especies animales de interés comercial o no. Adicionalmente, estas unidades permiten el asentamiento de una rica comunidad epibionte sobre los tubos flexibles, que no solo proporciona un campo de estudio para la comunidad científica sobre evolución y ecología de comunidades epífitas, sino que además promueve un aumento de la producción primaria en el sistema, con ventajas discernióles como la retención de nutrientes en suspensión, fijación de carbono o generación de alimento para otros organismos asociados. También el uso de dichas unidades artificiales cargadas de epibiontes pueden servir de base para diferentes estudios científicos, como por ejemplo estudios toxicológicos.
Además, los ecosistemas dominados por angiospermas marinas se encuentran gravemente amenazados debido al deterioro paulatino de las zonas costeras como consecuencia de impactos antrópicos de distinta naturaleza. El desarrollo de barreras protectoras formadas por unidades artificiales se plantearía como un potente instrumento preventivo ante la destrucción de estos entornos frente a presiones físicas (enterramiento, dragados, tormentas).
ESTADO DE LA TÉCNICA
Las praderas de angiospermas marinas se encuentran entre los más productivos de la Biosfera, proporcionando un gran número de servicios y funciones ecosistémicas que finalmente revierten de un modo positivo y directo en el bienestar de las poblaciones costeras que las rodean. Se ha estimado que el valor de estos servicios equivalen a unos 16000 euros ha'1año'1 (muy superior a los proporcionados arrecifes de coral (5200 ha"1año'1) o los bosques (815 ha'1año'1; Costanza et al., 1997. The valué of the worlds ecosystem
Services and natural capital. Nature 387:253-260). De entre los servicios más destacables se pueden enumerar su papel protector frente a la erosión costera debido a su capacidad de estabilizar el sedimento, retener partículas y sedimentarlas, revelando pues su gran importancia en la conservación de playas y en la protección de estructuras ingenieriles (emisarios, tuberías submarinas...). Además, la presencia de praderas mejora la calidad del agua (filtrado y sedimentación de partículas, reducción de los niveles de nutrientes, oxigenación...), estando reconocidas como indicador biológico de la calidad de aguas costeras en la Directiva Marco de Aguas de la UE (2000/60/CE). Adicionalmente, las praderas de angiospermas marinas están reconocidas como grandes generadores de biodiversidad en las zonas costeras.
Muchos de los servicios proporcionados por las praderas de angiospermas marinas se relacionan con la capacidad de actuar de las fanerógamas marinas como bio-ingenieros de ecosistemas autogénicos. Desde que Jones et al. (1994, 1997) introdujeran el concepto de ingeniero del ecosistema para describir especies que causan una modificación, directa o indirecta, de las condiciones físico-químicas, este concepto ha crecido en interés. La modificación del hábitat mediada por los ingenieros de ecosistemas tiene grandes consecuencias, para el funcionamiento de los ecosistemas y de los organismos en términos de productividad, estabilidad y resiliencia.
Los ingenieros de ecosistemas alteran la complejidad del hábitat, formando matrices tridimensionales que son capaces de alterar y modificar las fuerzas hidrodinámicas. En comparación con fondos desprovistos de vegetación, las velocidades por lo general disminuyen dentro de las praderas, y aumentan por encima del dosel vegetal. Como consecuencia directa, en el interior de las angiospermas marinas no sólo se modifica la disponibilidad de recursos para los macrófitos del bentos (luz y nutrientes), sino también los patrones de sedimentación y erosión locales y la disponibilidad de recursos para la fauna bentónica. Por lo tanto, estos procesos tienen consecuencias evidentes para el hábitat (p.e. propiedades del sedimento), los organismos (disponibilidad de recursos como la luz, nutrientes, alimentos para los organismos filtradores...) y la comunidad (efectos en la biodiversidad). Otros efectos sobre la comunidad atribuidos a una serie de causas indirectas promovidas por las estructuras físicas de las praderas son a modo de ejemplo, variaciones en las interacciones entre plantas y animales (p.e. asentamiento de nuevos individuos) o cambios en la intensidad de las interacciones depredador- presa (p.e disminución en las tasas de depredación).
En el estudio de los efectos de las estructuras físicas de las angiospermas marinas, son comunes los experimentos manipulativos. El grado en que las condiciones hidrodinámicas son alteradas y disipadas en el interior del dosel, depende en gran medida de las
características morfométricas del dosel como la densidad de haces, el tamaño de los mismos, el tamaño de las praderas o distribución espacial de las praderas (continua vs faceteada). Por lo tanto, este tipo de estudios busca alterar estas propiedades morfológicas del dosel vegetal en la búsqueda de posibles cambios dentro del ecosistema. Sin embargo, este tipo de manipulaciones sobre poblaciones naturales presentan evidentes desventajas, ya que las manipulaciones no son duraderas en el tiempo debido al crecimiento natural de las propias plantas o a la imposibilidad de conocer la historia previa de las zonas a investigar. Además, como se ha demostrado en diferentes estudios (Peralta et al., 2008. Consequences of shoot density and stiffness for ecosystem engineering by benthic macrophytes in flow dominated areas: a hydrodynamic flume study. Mar. Ecol. Progr. Ser. 368: 103-115; Bouma et al., 2005. Trade-offs related to ecosystem engineering: a case study on stiffness of emerging macrophytes. Ecology. 86(8): 2187-2199) la capacidad de una pradera de macrófitos marinos de estimular la sedimentación o la protección del fondo marino, o por el contrario estimular la resuspensión y erosión del mismo depende de factores tales como la densidad de haces, rigidez/flexibilidad de los mismos y de las características morfológicas de estos haces. Todos estas características pueden ser controladas de un modo individual con el diseño planteado en este documento, pudiendo por tanto adecuarse el diseño final a los objetivos concretos que se persigan.
El uso de praderas artificiales simulando la estructura física de los doseles de angiospermas marinas ha sido utilizado en experimentos manipulativos, sobre todo en la investigación de las interrelaciones pradera-fauna asociada, demostrado la versatilidad de este tipo de herramienta a la hora de simplificar el modelo de estudio (p. e. Bell, J.D 1985. Artificial seagrass : How use ful is it for field experiments on físh and macroinvertebrates?. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 90:171-177). Esta aproximación elimina algunos factores como las interacciones bioquímicas entre las plantas y el sistema, además de permitir, a priori, tener réplicas exactas de los distintos tratamientos (praderas artificiales con las mismas características), lo cual resulta difícil en el caso de las praderas naturales. Además, factores como longitud/flexibilidad de hoja, densidad y distribución espacial pueden ser fácilmente alteradas proporcionando praderas artificiales con ilimitadas características funcionales.
Como herramienta, los primeros modelos de unidades artificiales buscaban principalmente paliar los efectos erosivos de la corriente en ambientes naturales y retener el sedimento. En estos primeros modelos, la principal preocupación de los diseñadores fue por lo tanto la perdida de las unidades artificiales debido a los efectos de removilización del sedimento. A modo de ejemplo, Keith Williams Edwards (Patente US n° 1.191.614) desarrollo en 1969 un sistema de anclaje basado en un sistema de bombeo de agua a través del sistema de fondeo que favorecía el enterramiento de la unidad per se a distancia desde una
embarcación. Posteriormente, soluciones de diferente índole fueron presentadas para evitar el desplazamiento de las unidades artificiales, a modo de ejemplo podemos destacar matrices de hojas plásticas con voluminosos anclajes (Patente US n° 4.534.675, 1985), sistemas de cuerdas (Patente US n° 4.641.997, 1987), sistemas de anclaje bipartido para favorecer la estabilidad de la unidad (Patente US n° 5.961.251,1999), secciones tubulares rellena de arena o roca (Patente US n° 6.230.654, 2001). Estos sistemas mencionados, a pesar de lograr el objetivo de fijar las unidades al sedimento, mostraban una serie de desventajas como la complejidad y esfuerzo de su instalación, los costes asociados y la poca manlobrabilldad que permite el hecho de instalar pesadas estructuras subterráneas en el sedimento.
Para paliar estas desventajas, en los últimos años el modelo clásico de pradera artificial consiste en una serie de cintas plásticas unidas generalmente a paneles de material plástico o redes metálicas los cuales son enterrados en el sustrato, siendo la pradera artificial una sola pieza unida (p.e. Lee S.T et al. 2001. The effects ofseagrass (Zostera japónica) canopy structure on associated fauna: a study using artificial seagrass units sampling of natural beds. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 259 : 23 - 50; European Patente Aplication, JP2000300110(A)-2000-10-31; European Patent Aplication, JP2001054334(A)-2001-02- 27.). Este nuevo tipo de diseño proporciona una mayor ligereza y maniobrabilidad de la pieza, permitiendo el trasporte de un área de pradera en un solo paso y asegurando su anclaje al sedimento debido a su extensión. Además diferentes modificaciones en la parte aérea del diseño han sido empleados para incrementar las puestas de huevos de peces y otros organismos (European Patente Aplication, JP2001145433 (A) - 2001-05-29.). Sin embargo, aunque este tipo de praderas simulan de un modo realista la parte foliar del sistema, el uso de este tipo de mallas porosas como base para las unidades artificiales presenta una serie de desventajas como la necesidad de escavar el sustrato para su colocación (dando lugar a perturbaciones en el sistema como aumento en la turbidez, removilización de nutrientes, supresión de fauna, etc.), generan una barrera al movimiento natural de los organismos endobentónicos, no proporcionan un incremento en complejidad estructural en el interior del sedimento y carecen de versatilidad ante imprevistos; una vez creada la pradera artificial esta no es fácilmente adaptable a cambios en el diseño como presencia de obstáculos en el sedimento o variaciones de tamaño/densidad. Cabe destacar que en todos los casos mencionados anteriormente, a pesar de que se ha avanzado en materia de simulación foliar y sistemas de agarre, la simulación de la parte subterránea (rizomas y raíces) ha quedado descuidada a pensar de su importancia en el establecimiento de comunidades bentónicas.
Concluyendo, las praderas artificiales se están alzando como una potente y novedosa herramienta de estudio para la comprensión de los ecosistemas costeros. Del mismo modo se están mostrando como potentes herramientas a la hora de copiar muchas de las importantes funciones y servicios prestadas por las praderas de naturales, y permitir así que se puedan derivar dichas funciones y servicios en momentos y/o lugares donde de otro modo no sería posible. Además, y teniendo en cuenta que la calidad y número de estas funciones y servicios ecosistémicos dependen en gran medida de las características de las praderas (densidad, tamaño del dosel, configuración espacial, flexibilidad/rigidez de los haces), el uso de praderas artificiales permite modificar las características de las mismas y adecuarlas a las condiciones ambientales y a los requerimientos concretos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En el estudio de las comunidades de angiospermas marinas, numerosos investigadores han utilizado praderas artificiales para examinar la interacción física existente entre las praderas de angiospermas y el medio que las rodea (Virnstein R. W & Curran M.C, 1986. Colonization of artificial seagrass versus time and distance from source. Mar. Ecol. Prog. Ser. 29 : 279-288 y referencias, Lee S.T et al. 2001. The effects of seagrass (Zostera japónica) canopy structure on associated fauna: a study using artificial seagrass units sampling of natural beds. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 259 : 23 - 50 y referencias, Sirota L, 2006. Simulated eelgrass Zostera marina structural complexity: effects of shoot length, shoot density, and surface area on the epifaunal community of San Diego Bay, California, USA. Mar. Ecol. Prog. Ser. 326 :115-131 y referencias).
Hasta el momento, este tipo de estudios se han desarrollado empleando extensiones de praderas artificiales de mayor o menor tamaño consistentes en cintas plásticas unidas a mallas, sistemas de redes metálicas o paneles perforados, de manera que i) para su colocación en el lecho marino se ha de remover el sedimento de la zona, perturbando la fauna local y provocando alteraciones físico-químicas en el medio; ii) este sistema de mallas o paneles impiden el libre movimiento de la fauna asociada al sedimento, de manera que los organismos no pueden enterrarse y se ve excluida una gran parte de la población del sistema; iii) estos sistemas adheridos a paneles solo pueden ser colocados en zonas llanas, no siendo posible integrar en el sistema de pradera ningún obstáculo (rocas, sistemas de tuberías, etc ); iv) una vez se crea una pradera artificial anexa a un panel o malla es extremadamente complejo modificar la morfología de esta, de modo que una pradera siempre tendrá la misma forma, densidad y tamaño.
El nuevo diseño de haz que planteamos (Fig. 1) se encuentra formado por un tubo flexible sellado en ambos extremos, el cual no solo mantiene un perfecto equilibrio entre resistencia y flexibilidad, sino que además aporta flotabilidad a la hoja artificial, debido al aire contenido en su interior y permite modificar todas las características individuales (longitud, flexibilidad, grosor) y posteriormente las características a nivel de población (densidad, altura del dosel, distribución espacial). De esta manera cuando las unidades no se encuentran cubiertas por el agua (si se trasplantan en zonas intermareales), permanecen tumbadas en el lecho marino y a medida que el agua comienza a ascender, estas se van alzando emulando el comportamiento natural del dosel. Para simular la biomasa subterránea (rizomas y raíces) propias de este grupo y para además facilitar su anclaje al sedimento, cada tubo se une a una varilla acabada en punta. Esta varilla se hunde en el sedimento, quedando así fijada cada unidad artificial de modo independiente, formando el conjunto variable de unidades un sistema de pradera artificial con las características deseadas (Fig. 2).
El nuevo diseño presentado, solventa ios puntos anteriormente mencionados, de modo que i) su colocación no implica la removillzación del sedimento, ya que el sistema de varilla acabado en punta se inserta fácilmente en el sustrato sin necesidad de esfuerzo; ii) el sistema de varillas y la independencia de las unidades permite a los organismos bentónicos integrarse en el sistema, pudiendo estos establecerse en el sedimento ocupado por las praderas artificiales; iii) el diseño permite integrar en el sistema obstáculos presentes en el fondo marino, permitiendo su colocación en diversos paisajes marinos o en el contorno de diferentes tipos de estructuras ingeníenles, lo que amplia su funcionalidad; iv) el sistema es altamente versátil, las unidades independientes permiten crear gran diversidad de tamaños, densidades y formas de pradera. Además las unidades son recuperables, por lo que pueden reutllizarse para generar nuevas morfologías de pradera; v) simula la complejidad estructural subterránea de las praderas, favoreciendo por tanto todos aquellos procesos que dependen de la presencia de dicha complejidad subterránea.
A modo de resumen se puede destacar que el nuevo diseño se basa en unidades Independientes, flexibles a la hora de interaccionar con las condiciones hidrodinámicas, con flotabilidad positiva y con un sistema de anclaje novedoso que simula la biomasa subterránea.
DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS
Figura 1. Unidad artificial flexible. 1Tubo cilindrico flexible.
2.- Cierre superior con adhesivo.
3.- Adhesivo de unión a la varilla.
4.- Varilla con punta afilada.
Figura 2. Pradera artificial
5.- Lecho marino.
6.- Sedimentación de partículas.
7.- Partículas suspendidas en la columna de agua.
8.- Unidades artificiales conformando una pradera.
9.- Comunidades epibiotes asociadas.
10.- Puestas de huevos.
11.- Fauna endobentónica integrada en el sistema.
12.- Estructuras de carácter antrópico.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Para el montaje de las unidades artificiales (Fig. 1) es necesario disponer de tubo flexible cilindrico (1) que será cortado a una longitud determinada en función de las necesidades pertinentes. El tubo flexible marcará la longitud de las "hojas de las angiospermas y por ende la altura del dosel. Del mismo modo el diámetro del tubo flexible puede variar en función de morfometría deseada, habiendo sido probadas en nuestra experiencia diámetros entre 0,5 a 0,65 cm. El tubo ofrece una flotabilidad positiva debajo del agua, así pues la longitud del tubo nunca será impedimento para su funcionalidad. Ambos extremos del tubo se sellarán con adhesivo sellante (pe. de silicona) (2), haciendo mayor hincapié en el extremo donde ira insertada la varilla (3). La varilla (4) deberá adaptarse al diámetro de tubo utilizado, y podrá tener una longitud variable en función de las características del sedimento donde será colocada la unidad y las necesidades requeridas. Longitudes menores de 10 cm
no pueden asegurar una correcta sujeción en el tiempo de la unidad al sedimento, mientras que longitudes mayores de 40 cm pueden quebrarse en sedimento duros.
Una vez seco el adhesivo, la unidad artificial esta lista para su utilización. La forma de ser colocada en el sedimento no requiere un pre-tratamiento de la zona a utilizar o excavación. Las unidades artificiales son insertadas individualmente en el sustrato mediante la varilla hasta el comienzo del tubo flexible, formando grupos en función de las características de la pradera deseadas (Fig. 2).
APLICACIÓN INDUSTRIAL
La unidad artificial flexible individual de angiosperma marina se presenta como:
1. Una herramienta de investigación marina en el estudio de los mecanismos controlados por las estructuras físicas de las angiospermas marinas
2. Un dispositivo para retención de sedimento marino, control de la erosión de fondos blandos o de reducción de los niveles de turbidez en el agua.
3. Un elemento de soporte para poblaciones epibiontes naturales que luego pueden usarse para distintos tipos de estudios (p.e. toxicidad), o para la recolección de ciertas especies epífitas o puestas de organismos de interés comercial, o como fuente de alimento para otras especies.
4. Un elemento protector de determinadas especies bentónicas, favoreciendo además el establecimiento de zonas de cría y alevinaje para especies animales de interés comercial o no, así como de las propias poblaciones de angiospermas naturales en constante deterioro como consecuencia de impactos antrópicos de distinta naturaleza
5. Un elemento que introduce complejidad y diversidad en el sistema, pudiendo ser utilizado también para incluir especies en el sistema que permitan un control biológico de algunos tipos de plagas en zonas dedicadas al cultivo intensivo de especies. Además esta mayor complejidad y diversidad puede incrementar el reciclado de materia orgánica y nutrientes, pudiendo utilizarse como sistema de bioremediación en zonas de cultivos intensivos de ciertas especies marinas (conchicultura, dorada, lubina, etc.).
6. Un elemento que puede ser introducido para excluir ciertos organismos bentónicos que puedan interaccionar negativamente con el cultivo de ciertas especies o alterar ciertas obras ingenieriles.
7. Un elemento protector de estructuras de naturaleza antrópica, como emisarios, tuberías, cableados submarinos o yacimientos arqueológicos submarinos frente al poder erosivo de las corrientes.
