Assessment of the marine biodegradation and suitability of textile carrier substrates for Zostera marina transplantation

Seagrass meadows provide essential eco-system services for humankind but have been declining over the past and still ongoing, mainly attributed to anthropogenic disturbances. The development of cost-effective and large-scale strategies for seagrass restoration has been challenging. In this study fundamental knowledge was generated to identify textile fabrics from natural derivatives to serve as carrier substrate for transplantation purposes. In a series of experiments the biodegradation behavior of textiles was assessed, differing in material and design. Specimen were buried in the intertidal of the Ria Formosa Lagoon and retrieved after set intervals. Weight, tensile strength and oxygen consumption rate were used as descriptors for biodegradation. The least degraded fabric was composed from coir, followed by the jute and sisal layouts, which performed similarly. The response of Zostera marina shoots towards the textiles was analyzed by placing shoots, incorporated into the fabrics, into mesocosms. Survival rates along with the development of new leaves was higher in shoots growing on sisal layouts than in controls and shoots in coir nets. This study demonstrated that the fixation of the plants onto a dense mesh as the sisal one offers significant support for shoots to grow on, resulting in superior health compared to single lose shoots. Additionally, earlier induced biodegradation in sisal layouts possibly fostered shoots with plant-growth-supporting substrates, according to the health state of these shoots. Hence, time of biodegradation was found to be vital for seagrass transplantation. Rapid degradation, leaving no carrier substrate as in controls and fertilized shoots, was proven to reduce survival chances. Retarded degradation like in coir fabrics, decelerates the supply of growth supporting substrates. Concluding, the dense sisal mesh was found to be the most successful fabric for transplantation of Zostera marina due to its biodegradation rate, high tensile strength, facilitating handling, along with sufficient fixation of the shoots.A sociedade actualmente enfrenta um grande número de desafios ambientais que precisam de ser enfrentados e resolvidos. O ambiente marinho é essencial para o bemestar humano e proporciona vários serviços ecossistêmicos, como zonas favoráveis á práctica de pesca, rotas de transporte de mercadorias e pessoas, serviços recreativos e muito mais. Com o aumento da influência antropogênica adversa neste ambiente, os serviços do ecossistema tornam-se mais escassos, dando origem a uma variedade de problemas para a população humana. As ervas marinhas desempenham um papel fundamental na boa continuação de vários desses serviços ecossistêmicos, servindo como habitat de berçário para diferentes espécies, protegendo as costas da erosão e sequestrando o carbono atmosférico. No entanto, os prados de ervas marinhas têm diminuído nas últimas décadas, em grande parte devido a distúrbios antropogénicos. O foco principal deste trabalho é o restabelecimento dos prados de ervas marinhas. O desenvolvimento de estratégias econômicas e em grande escala para a restauração de ervas marinhas tem sido um desafio. A falta de recursos, dificuldades de logística, baixa eficiência e eventos ambientais adversos, como tempestades, foram os principais contribuintes para o fracasso de muitos programas de restauração. Neste estudo, conhecimentos fundamentais foram gerados para identificar uma nova abordagem de restauração de ervas marinhas em que tecidos de derivados naturais serviram como substrato de transporte para fins de transplante. Formulando e colocando em práctica um conjunto de experiências, o comportamento de biodegradação de tecidos no ambiente marinho foi avaliado, uma vez que, até ao momento, só há informações disponíveis sobre a degradação terrestre. Os tecidos diferenciam-se em material (fibra de coco, sisal, juta) e design (malha, tapete não tecido). Os tecidos foram combinados em uma chamada “estructura de sanduíche” na qual uma esteira não tecida foi colocada entre duas malhas do mesmo tipo, gerando assim um composto estabilizador (malha) e base de enraizamento (esteira) para os brotos de Zostera marina. Os espécimes foram enterrados na zona entre-marés do estuário da Ria Formosa e avaliados semanalmente durante o primeiro mês, e posteriormente, mensalmente durante mais dois meses. A perda de peso e a perda de resistência à tracção foram usadas como descrictores físicos, e a taxa de consumo de oxigênio como descrictor biológico para a taxa de biodegradação. O tecido com menor taxa de degradação foi o composto de fibra de coco, seguido pelos layouts de juta e sisal, que tiveram desempenho semelhante. No entanto, as telas de sisal possuem a maior resistência observada à tração inicial e final, sendo a melhor escolha de material. A resposta dos rebentos da Zostera marina aos têxteis foi analisada através da incorporação dos mesmos nos têxteis, que posteriormente foram colocados em mesocosmos. Os mesocosmos foram dotados de um fluxo de ar coerente e afluência de água do mar do estuário da Ria Formosa. Parâmetros físicos como temperatura, salinidade, intensidade da luz e oxigênio dissolvido foram monitorizados durante todo o período da experiência. A saúde dos brotos diminuiu em todos os tanques e tratamentos após um período de sete semanas, conforme demonstrado na diminuição das taxas de sobrevivência. Os brotos que cresceram em layouts de sisal mostraram maior resistência ao stress do que os controles e os brotos incorporados às redes de coco. Isso foi revelado pela menor mortalidade de brotos que crescem em tecidos de sisal, juntamente com um aumento do desenvolvimento de novas folhas. Além disso, o rendimento quântico efectivo - um proxy para a atividade fotossintética - foi maior nesses brotos. Desse modo, este estudo demonstrou que a fixação das plantas em uma malha densa como a do sisal oferece um suporte significativo para o crescimento de brotos, resultando em saúde superior quando comparado com brotos isolados. Além disso, a biodegradação induzida mais cedo em layouts de sisal (comprovada pelos testes de biodegradação), possivelmente promoveu brotos com substractos de suporte de crescimento de plantas, melhorando a sua integridade e capacidade de produzir novas folhas. Portanto, o tempo de biodegradação foi considerado vital para o transplante de ervas marinhas. A rápida degradação, sem deixar substracto portador como nos brotos de controle e fertilizados, demonstrou reduzir as chances de sobrevivência. Em contraste, a degradação retardada, como em tecidos de coco, desacelera o fornecimento de substratos de suporte de crescimento. A integridade dos brotos fertilizados estava mais intacta do que a dos brotos incorporados à malha de fibra de coco, apoiando a suposição de que a nutrição é crucial para a saúde das ervas marinhas. A nutrição saudável pode até superar o efeito positivo derivado de um substracto de suporte a longo termo. Portanto, um dispositivo de ancoragem como o tecido de sisal com um efeito secundário de fertilização parece ser a solução ideal. A distinção entre as esteiras não-tecidas - que eram compostas de fibra de coco, mas diferiam em sua densidade e espessura - não poderia ser feita porque estas comportaram-se de forma contrária durante as experiências do mesocosmo. A esteira mais densa apresentou melhor desempenho embebida na malha de sisal, porém comportou-se inferiormente na malha de coco. Assim, uma investigação mais aprofundada deve ser realizada para examinar o efeito do enraizamento, testando diferentes materiais por um período mais longo, uma vez que nenhum enraizamento foi observado durante as sete semanas da experiência. Concluindo, a malha densa de sisal mostrou-se o tecido de maior sucesso para transplante de Zostera marina em condições controladas com base em sua taxa de biodegradação e alta resistência à tracção, que facilita o manuseio para o transporte, além de proporcionar fixação suficiente para os brotos. No entanto, os testes foram realizados em escala de laboratório por um curto período de tempo e não foram submetidos a forças hidrodinâmicas. É possível que a rápida biodegradação da malha de sisal seja muito pronunciada a longo prazo, não dando aos brotos o tempo adequado para se enraizarem no solo de sedimentos. Mais pesquisas na tradução destas descobertas para o ambiente “selvagem” devem ser realizadas