Wetenschappers en ingenieurs van MBARI ontwikkelen al 15 jaar nieuwe methoden om oceaanverzuring en de effecten ervan op mariene organismen in hun natuurlijke habitat te bestuderen. Onderzoekers over de hele wereld passen MBARI-instrumenten aan om hun eigen experimenten uit te voeren in habitats variërend van koraalriffen tot de Antarctische zeebodem. Deze diverse projecten zijn onlangs belicht in een artikel in het tijdschrift Vooruitgang in oceanografie .

Oceaanverzuring beschrijft de chemische veranderingen die optreden als zeewater reageert met overtollig koolstofdioxide dat uit de atmosfeer wordt geabsorbeerd. Belangrijke veranderingen in de carbonaatchemie van zeewater tijdens verzuring zijn onder meer een toename van de partiële druk van CO ₂ , verhoogde zuurgraad (verlaagde pH van de oceaan), en verminderde niveaus van carbonaationen (CO32-). Deze chemische veranderingen kunnen fysiologisch uitdagend zijn voor organismen, hun interne zuur-base balans verstoren en verkalking van schelpen of skeletten aantasten, uiteindelijk de "kosten van levensonderhoud" verhogen om het hoofd te bieden aan hogere koolstofniveaus in de oceaan. Voor sommige organismen is met name sommige zeeplanten, verhoogde CO ₂ niveaus kunnen de groei zelfs versterken, maar voor veel organismen de verhoogde CO ₂ kan het gedrag beïnvloeden, groei, reproductie, overleving, en andere levensprocessen.

Drijvend in het helderblauwe water van een indoor testtank, MBARI's eerste gratis oceaan CO ₂ Het verrijkingssysteem (FOCE) was een cirkelvormige kooi van buizen die bedoeld was om het gebied binnenin te drenken met water dat rijk is aan koolstofdioxide (CO ₂ ). Geïnspireerd door een aanpak om de effecten van stijgende CO . te bestuderen ₂ niveaus op het land genaamd Free-Air CO ₂ Verrijking (FACE) experimenten, FOCE is ontworpen om een ​​kritische vraag te beantwoorden:hoe beïnvloeden toenemende niveaus van koolstofdioxide in de oceaan mariene planten en dieren?

Het FOCE-systeem is ontwikkeld door een team onder leiding van wetenschapper Peter Brewer en ingenieur Bill Kirkwood, en het betrekken van een groot contingent van ingenieurs langs de weg. Bij het opzetten van het FOCE-systeem, de wetenschappers en ingenieurs van MBARI wilden niet alleen de effecten van CO . belichten ₂ op mariene organismen, ze waren op zoek naar een manier om hun experimenten van het laboratorium naar de open oceaan te brengen.

Veel van wat wetenschappers weten over de effecten van oceaanverzuring op mariene organismen is afkomstig van gecontroleerde experimenten die zijn uitgevoerd in laboratoria, of veldwaarnemingen in omgevingen zoals natuurlijke CO ₂ ventilatieopeningen, die in sommige opzichten de chemie van toekomstige koolstofrijke oceanen kan nabootsen. Er zijn voor- en nadelen van deze benaderingen. De meeste laboratoriumexperimenten lijden aan kunstmatige laboratoriumomstandigheden die de dynamische natuurlijke omstandigheden in oceaanhabitats niet kunnen repliceren. En hoewel studies in de buurt van CO ₂ ventilatieopeningen zijn zeer informatief geweest over de reactie van natuurlijke gemeenschappen op verhoogde zuurgraad, hun CO ₂ niveaus zijn vaak zeer variabel, de moeilijkheid van het bepalen van de belangrijkste CO . vergroten ₂ niveaus die leiden tot schade aan het ecosysteem. FOCE-systemen zijn ontworpen om experimenten mogelijk te maken om de effecten te meten van veranderingen in de carbonaatchemie van de oceaan op hele gemeenschappen van op elkaar inwerkende mariene organismen onder bijna natuurlijke omstandigheden, verder gaan dan studies van individuele organismen onder kunstmatige laboratoriumomstandigheden.

Het FOCE-systeem probeert onderzoekers de mogelijkheid te bieden om experimentele omstandigheden nauwkeurig te manipuleren, terwijl ze rekening houden met de complexiteit en variabiliteit van een natuurlijke gemeenschap. Zoals de onderzoekers in hun recente paper schreven, "Deze voordelen maken FOCE een ideale benadering om de huidige hiaten in het begrip van de gevolgen van verzuring van de oceaan te helpen aanpakken, inclusief langetermijn- en multi-stressoreffecten."

Meer dan een decennium na de eerste test in MBARI's indoor testtank, het FOCE-systeem is geëvolueerd tot een krachtig en veelzijdig hulpmiddel dat wereldwijd wordt gebruikt om onze kennis van oceaanverzuring uit te breiden en hoe oceanische ecosystemen kunnen reageren op toekomstige omstandigheden. Dit vermogen om langdurige oceaanverzuringsexperimenten uit te voeren op hele mariene gemeenschappen heeft nieuwe, onverwachte bevindingen die hebben uitgedaagd wat wetenschappers dachten te weten, en leidde tot meer vragen die moeten worden onderzocht.

Het nieuwe artikel beschrijft hoe verschillende FOCE-experimenten zijn gebruikt in een grote verscheidenheid aan habitats. Het vat ook de bevindingen en beperkingen van elk experiment samen.

FOCE in een mediterraan zeegrasbed

In Europa, onderzoekers gebruikten FOCE om de effecten van oceaanverzuring te observeren op een Posidonia oceanica zeegrasweide in het noordwesten van de Middellandse Zee, voor de kust van Frankrijk. De studie, uitgevoerd van juni tot november 2014, besloeg meerdere seizoenen en testte verschillende hypothesen.

Net als eerdere laboratoriumonderzoeken, het FOCE-experiment met zeegras vond bewijs dat veranderingen in pH de bezinkingssnelheid beïnvloedden van algen met harde skeletten die calciumcarbonaat bevatten. Veranderingen in pH waren ook van invloed op wormen die in harde, calciumrijke buizen.

Een tweede FOCE-experiment met zeegras toonde aan dat deze algen en wormen beter bestand waren tegen veranderingen in de oceaanchemie in de aanwezigheid van gezonde zeegrasvelden. In feite, algen en wormen die groeien op gezonde zeegrasbladen werden niet ernstig aangetast door hogere concentraties CO ₂ - een bevinding die contrasteert met de resultaten van eerdere experimenten.

In dit geval, het FOCE-systeem stelde onderzoekers in staat om de reactie van de zeegrasweide als gemeenschap te bestuderen, en observeer het over een langere periode. Het onthulde ook onverwachte resultaten die het belang benadrukten van gezonde habitats bij het bufferen tegen toekomstige pH-veranderingen.

FOCE op het Great Barrier Reef

evenzo, onderzoekers in Australië gebruikten een FOCE-systeem om de effecten van een verlaagde pH op koraal op Heron Island in het Great Barrier Reef te observeren. Hun FOCE-systeem, gevestigd in een zeer dynamische koraalgemeenschap nabij de kust, bood de mogelijkheid om koralen te bestuderen buiten een stabiele laboratoriumomgeving. Deze experimenten toonden aan dat sommige koraalsoorten veerkrachtiger kunnen zijn tegen veranderingen in pH dan eerder werd gedacht.

FOCE in the deep sea

In Monterey Bay, the first deep-water FOCE experiment showed how changes in pH can affect the foraging behavior and movement of deep-sea urchins. Tijdens dit experiment wordt MBARI researchers used a series of "raceways" to track the foraging ability of individual sea urchins at different pH levels.

FOCE in Antarctica

Most recently, the antFOCE experiment was installed under ice in the shallow waters near Casey Station, Antartica. This experiment demonstrated the ability of FOCE systems to collect valuable data in even the harshest environments.

Like many experimental systems, the FOCE design has weaknesses. Bijvoorbeeld, because study plots must be enclosed in partially-open (flow-through) enclosures to help control seawater chemistry, the conditions experienced by study organisms inside FOCE enclosures are somewhat different from the natural environment nearby. Seawater flowing through these enclosures is enriched in CO ₂ , but keeps normal levels of plankton and varies in temperature and most other factors just as in study plots outside FOCE chambers. Other factors, such as currents or light levels may be diminished within chambers, compared to areas outside FOCE chambers. Researchers have responded to this concern by including "control" plots within FOCE enclosures that do not experience acidification, as well as open plots outside chambers.

FOCE researchers are now developing guidelines for FOCE experiments that will foster collaboration between different research groups. This will allow FOCE systems to evolve toward consistent methods for testing hypotheses and sharing technology and design improvements.

"The next generation of FOCE experiments ideally would include increased replication, longer experiments to encompass multi-generational times for benthic species and whole and multiple season cycles, multiple environmental-factor approaches, and the use of ancillary incubation chambers for examination of short-term physiological and behavioral responses, " the researchers suggest in their paper.

The authors of the recent FOCE paper point out that there is an urgent need for further studies utilizing FOCE systems, in addition to laboratory experiments and field observations of CO ₂ vents and other proxy environments. They note that it is imperative that humans prepare for the inevitable changes in the ocean. High-quality data from a variety of research methods will allow resource managers to predict and perhaps mitigate the consequences of these changes and protect ocean ecosystems.

Samengevat, FOCE systems are an indispensable tool to view the impacts of a changing ocean on whole ecosystems. As the researchers put it, "The knowledge gained from further FOCE experiments would make an important contribution to improving our ability to forecast the impacts of ocean acidification on natural ecosystems and to better support the management of its impacts."