3D-printed, biodegradable reef mimics nature

~~ scroll naar beneden voor Nederlands ~~ for Dutch scroll down ~~

This week, 50 artificial reef structures were retrieved from the Wadden Sea for detailed analysis in the lab. They will be carefully examined, with each species of flora and fauna documented. This will help to shed light on the success of the design principles incorporated into the artificial reefs and highlight the potential for future improvements.

Holding up

Previous field inspections have already shown that young mussels prefer the complex environment found in artificial reefs with a small mesh size. It has been observed that different species of algae grow on the reefs as well, depending on the amount of time they spend underwater. This may have an important effect in mussel or oyster settlement. “They should not cover the whole structure of course, but mussels seem to prefer a bit of algae for their settlement”, Varley thinks.  Furthermore, the structures hold up well against wave energy and the threat of being buried by sand, risks that are omnipresent in a dynamic marine environment such as the Wadden Sea.

Natural properties

According to Varley, the key factor for success lies in the design, which incorporates some crucial properties from natural reefs. "Mussels attach to each other using byssus threads. We mimic those in these artificial reefs using coconut rope. In addition, a natural reef is also complex enough to keep shrimp, crabs and other predators away from the tiny shellfish that want to grow big here. In this experiment, we’re testing how fine the structure in the design needs to be to keep the predators out, but leave sufficient water flow to provide the mussels with food and oxygen."

Critical threshold

Artificial reefs are designed to give young reef builders such as mussels and oysters a ‘kick start’. Only when the mass of shellfish becomes large enough, a reef can withstand the pressures from the elements and from predators. "We assume that our biodegradable reef structures will last for a number of years. Before degrading, they should harbor enough shellfish for the reef to survive on its own," Varley hopes.

Roman recipe

Five different versions of the structures were eventually made, based on two different raw materials. In addition to the biodegradable polymer PBSA, the builders are also trialing ‘Roman cement’ for the first time. Varley: "In ancient times, the Romans used a mixture of natural lime with volcanic ash, with which they built extremely strong and long-lasting structures. We have been tweaking the recipe by adding more shell fragments and making them naturally erodable. Oysters in particular appear to be attracted when traces of oyster shells are incorporated into a reef. This is something we will also test in the future."

Ultimate test

The ultimate "stress test" for the artificial reefs will follow next year, when the blocks will be placed on the Wadden Sea floor for an extended period of time. An earlier version of these reef blocks was crumbled by traveling ice, after which debris washed up on the Wadden coast of Texel. Varley: "Even though it is biodegradable, you obviously don't want to cause this kind of pollution. Next winter we will see how the new structures withstand the elements. In any case, we've already seen in recent months that two violent storms have not affected our new designs at all."

3D-geprint biologisch afbreekbaar rif bootst natuur na

Met een soort van ‘lampenkappen’ die 3D geprint zijn van biologisch oplosbaar materiaal, hebben NIOZ-promovendus Daniel Varley en collega’s een succesvolle formule gevonden om oesters, mosselen en andere rifbouwers ‘een kick start te geven’. Verschillende dieren weten de kunstriffen te bereiken, zag Varley. “Het recept voor één van de gebruikte materialen stamt nota bene uit de Romeinse tijd”, vertelt de promovendus.

Deze week zijn 50 kunstmatige rifblokken uit de Waddenzee gehaald voor analyse. In het lab zullen alle planten en dieren in vijf verschillende ontwerpen nauwkeurig worden bekeken. Op die manier moet duidelijk worden welke van de verschillende materialen en ontwerpen het beste werken in het aantrekken van bodemleven.

Volhouden

De eerste veldinspecties hebben al laten zien dat jonge mosselen de voorkeur geven aan de kunstmatige riffen met een kleine maaswijdte. Ook verschillende soorten algen wisten de kunstriffen te vinden, afhankelijk van de hoogte op de wadplaten en dus de tijd die ze onder water staan. Dit kan ook weer gevolgen hebben voor de vestiging van mosselen of oesters. “Ze moeten niet de hele structuur bedekken, maar een beetje alg lijkt juist goed voor de vestiging van mosseltjes”, denkt Varley. Bovendien bleken de structuren goed bestand tegen de kracht van de golven en het zwevende zand dat de blokken zou kunnen bedekken in een dynamisch zeemilieu als de Waddenzee.

Natuurlijke eigenschappen

Het succes schuilt volgens Varley vooral in het ontwerp, waarin enkele cruciale eigenschappen van natuurlijke riffen zijn verwerkt. “Mosselen hechten aan elkaar met behulp van byssusdraden. Die hebben we in deze kunstriffen nagemaakt met behulp van kokostouw. Daarnaast is een natuurlijk rif ook fijnmazig genoeg om krabben en andere rovers weg te houden bij de minuscule schelpdieren die hier groot willen groeien, maar tegelijk open genoeg om voldoende vers water met ‘schelpdiereten’ naar binnen te laten.”   

Kritische drempel

De kunstriffen zijn bedoeld om jonge rifbouwers als mossels en oesters een ‘kick start’ te geven. Alleen wanneer de massa schelpdieren groot genoeg is, kan een rif de druk van de elementen en van predatoren overleven. “We gaan ervanuit dat onze biologisch afbreekbare rifstructuren een aantal jaren blijven staan. Voordat ze biologisch afbreken, moeten ze voldoende schelpdieren herbergen, om het rif op eigen kracht te laten voortbestaan”, hoopt Varley.

Romeins recept

Van de structuren zijn uiteindelijk vijf verschillende versies gemaakt, op basis van twee verschillende grondstoffen. Naast de biologisch afbreekbare polymeer PBSA, gebruikten de bouwers ook ‘Romeins cement’. Varley: “Al in de oudheid gebruikten de Romeinen een mengsel van natuurlijk kalk met vulkanische as, waar ze oersterke constructies mee bouwden. Wij hebben het recept aangepast door meer fragmentjes van schelpen toe te voegen en het materiaal beter erodeerbaar te maken. Vooral oesters worden aangetrokken wanneer er sporen van oude oesterschelpen in een rif verwerkt zitten. Ook daar willen we in de toekomst verder mee gaan experimenteren”

Ultieme test

De ultieme ‘stresstest’ voor de kunstriffen volgt volgend jaar, wanneer de blokken voor langere tijd op de Wadbodem zullen worden gelegd. Een eerdere versie van deze rifblokken werd door kruiend ijs verkruimeld, waarna stukjes op de Waddenkust van Texel aanspoelden. Varley: “Ook al is het materiaal biologisch afbreekbaar, toch wil je dit soort vervuiling natuurlijk niet veroorzaken. Volgende winter zullen we zien hoe de nieuwe structuren de elementen doorstaan. De afgelopen maanden hebben we in ieder geval al gezien dat twee heftige stormen geen invloed hebben gehad op de blokken.”