MBARI-design brugt i havforsuringseksperimenter rundt om i verden

MBARI-forskere og ingeniører har udviklet nye metoder til at studere havforsuring og dens virkninger på marine organismer i deres naturlige levesteder i 15 år. Forskere over hele verden har tilpasset MBARI-instrumenter til at udføre deres egne eksperimenter i habitater lige fra koralrev til den antarktiske havbund. Disse forskellige projekter er for nylig blevet fremhævet i en artikel i tidsskriftet Fremskridt i Oceanografi .

Havforsuring beskriver de kemiske ændringer, der sker, når havvand reagerer med overskydende kuldioxid absorberet fra atmosfæren. Nøgleændringer i havvandets carbonatkemi under forsuring omfatter en stigning i partialtrykket af CO ₂ , øget surhedsgrad (reduceret pH i havet), og reducerede niveauer af carbonationer (CO32-). Disse kemiske ændringer kan være fysiologisk udfordrende for organismer, forstyrre deres indre syre-base balance og forringe forkalkning af skaller eller skeletter, i sidste ende at øge "leveomkostningerne" for at klare højere kulstofniveauer i havet. For nogle organismer, især nogle marine planter, øget CO ₂ niveauer kan faktisk øge væksten, men for mange organismer, den øgede CO ₂ kan svække adfærd, vækst, reproduktion, overlevelse, og andre livsprocesser.

Flyder i det klare blå vand i en indendørs testtank, MBARIs første Free Ocean CO ₂ Enrichment (FOCE) system var et cirkulært bur af rør beregnet til at gennembløde området inde med vand rigt på kuldioxid (CO ₂ ). Inspireret af en tilgang til at studere virkningerne af stigende CO ₂ niveauer på land kaldet Free-Air CO ₂ berigelse (FACE) eksperimenter, FOCE blev designet til at besvare et kritisk spørgsmål - hvordan påvirker stigende niveauer af kuldioxid i havet marine planter og dyr?

FOCE-systemet blev udviklet af et team ledet af videnskabsmand Peter Brewer og ingeniør Bill Kirkwood, og involverer et stort kontingent af ingeniører undervejs. Ved opsætning af FOCE-systemet, videnskabsmændene og ingeniørerne ved MBARI søgte ikke kun at belyse virkningerne af CO ₂ på marine organismer, de søgte efter en måde at tage deres eksperimenter fra laboratoriet ud i det åbne hav.

Meget af det, forskerne ved om virkningerne af havforsuring på marine organismer, kommer fra kontrollerede eksperimenter udført i laboratorier, eller feltobservationer i miljøer som naturligt CO ₂ ventilationsåbninger, som på nogle måder kan efterligne kemien i fremtidige kulstofrige oceaner. Der er fordele og ulemper ved disse tilgange. De fleste laboratorieforsøg lider under kunstige laboratorieforhold, der ikke kan kopiere de dynamiske naturlige forhold, der findes i havets levesteder. Og selvom undersøgelser nær CO ₂ udluftningssteder har været meget informative om naturlige samfunds reaktion på øget surhedsgrad, deres CO ₂ niveauer er ofte meget varierende, øger vanskeligheden ved at bestemme nøgle CO ₂ niveauer, der resulterer i økosystemskader. FOCE-systemer blev designet til at gøre det muligt for eksperimenter at måle virkningerne af ændringer i havets carbonatkemi på hele samfund af interagerende marine organismer under næsten naturlige forhold, træde ud over studier af individuelle organismer under kunstige laboratorieforhold.

FOCE-systemet forsøger at give forskerne muligheden for præcist at manipulere eksperimentelle forhold og samtidig inkorporere kompleksiteten og variationen i et naturligt samfund. Som forskerne skrev i deres nylige papir, "Disse fordele gør FOCE til en ideel tilgang til at hjælpe med at løse nuværende huller i forståelsen af ​​havforsuringspåvirkninger, inklusive langsigtede og multi-stressor effekter."

Over et årti efter den første test i MBARIs indendørs testtank, FOCE-systemet har udviklet sig til et kraftfuldt og alsidigt værktøj, der bliver brugt globalt til at udvide vores viden om havforsuring og hvordan oceaniske økosystemer kan reagere på fremtidige forhold. Denne evne til at udføre langsigtede havforsuringseksperimenter på hele havsamfund har afsløret nye, uventede fund, der har udfordret, hvad forskerne troede, de vidste, og udløste flere spørgsmål, der skal udforskes.

Det nye papir beskriver, hvordan forskellige FOCE-eksperimenter er blevet brugt i en lang række habitater. Den opsummerer også resultaterne og begrænsningerne for hvert eksperiment.

FOCE i en middelhavstangsseng

I Europa, forskere brugte FOCE til at observere virkningerne af havforsuring på en Posidonia oceanica strandeng i det nordvestlige Middelhav, ud for Frankrigs kyst. Studiet, udført fra juni til november 2014, strakte sig over flere sæsoner og testede forskellige hypoteser.

Ligesom tidligere laboratorieundersøgelser, havgræsset FOCE-eksperimentet fandt bevis for, at ændringer i pH påvirkede bundfældningshastigheden af ​​alger, der har hårde skeletter, der indeholder calciumcarbonat. Ændringer i pH påvirkede også orme, der lever hårdt inde, calciumrige rør.

Et andet havgræs FOCE eksperiment viste, at disse alger og orme var mere modstandsdygtige over for ændringer i havets kemi i nærværelse af sunde havgræssenge. Faktisk, alger og orme, der voksede på sunde strandgræsstænger, blev ikke alvorligt påvirket af højere koncentrationer af CO ₂ - et fund, der står i kontrast til resultaterne af tidligere eksperimenter.

I dette tilfælde, FOCE-systemet gjorde det muligt for forskere at studere svaret fra strandengen som et samfund, og observere det over en længere periode. Det afslørede også uventede resultater, der fremhævede vigtigheden af ​​sunde levesteder i buffer mod fremtidige pH-ændringer.

FOCE på Great Barrier Reef

Tilsvarende forskere i Australien brugte et FOCE-system til at observere virkningerne af sænket pH på koraller på Heron Island i Great Barrier Reef. Deres FOCE-system, etableret i et meget dynamisk koralsamfund nær kysten, forudsat evnen til at studere koraller uden for et stabilt laboratoriemiljø. Disse eksperimenter viste, at nogle arter af koraller kan være mere modstandsdygtige over for ændringer i pH end tidligere antaget.

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. During this experiment, MBARI researchers used a series of "raceways" to track the foraging ability of individual sea urchins at different pH levels.

FOCE in Antarctica

Seneste, the antFOCE experiment was installed under ice in the shallow waters near Casey Station, Antarktis. 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. For eksempel, 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.

Sammenfattende, 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."