MBARI-forskare och ingenjörer har utvecklat nya metoder för att studera havsförsurning och dess effekter på marina organismer i deras naturliga livsmiljöer i 15 år. Forskare runt om i världen har anpassat MBARI-instrument för att utföra sina egna experiment i livsmiljöer som sträcker sig från korallrev till den antarktiska havsbotten. Dessa olika projekt har nyligen belysts i en artikel i tidskriften Framsteg inom oceanografi .

Havsförsurning beskriver de kemiska förändringar som sker när havsvatten reagerar med överskott av koldioxid som absorberas från atmosfären. Viktiga förändringar i karbonatkemin i havsvatten under försurning inkluderar en ökning av partialtrycket för CO ₂ , ökad surhet (minskat pH i havet), och reducerade nivåer av karbonatjoner (CO32-). Dessa kemiska förändringar kan vara fysiologiskt utmanande för organismer, stör deras inre syra-basbalans och försämrar förkalkning av skal eller skelett, i slutändan öka "levnadskostnaderna" för att klara av högre kolhalter i havet. För vissa organismer, särskilt vissa marina växter, ökad CO ₂ nivåer kan faktiskt öka tillväxten, men för många organismer, den ökade CO ₂ kan försämra beteendet, tillväxt, fortplantning, överlevnad, och andra livsprocesser.

Flytande i det klarblå vattnet i en inomhustesttank, MBARI:s första Free Ocean CO ₂ Anrikningssystem (FOCE) var en cirkulär bur av rör avsedd att dränka området inuti med vatten rikt på koldioxid (CO) ₂ ). Inspirerad av ett tillvägagångssätt för att studera effekterna av stigande CO ₂ nivåer på land som kallas Free-Air CO ₂ Anrikningsexperiment (FACE), FOCE utformades för att svara på en kritisk fråga – hur påverkar ökande nivåer av koldioxid i havet marina växter och djur?

FOCE-systemet utvecklades av ett team ledd av forskaren Peter Brewer och ingenjören Bill Kirkwood, och involverar en stor grupp ingenjörer längs vägen. När du ställer in FOCE-systemet, forskarna och ingenjörerna vid MBARI försökte inte bara belysa effekterna av CO ₂ på marina organismer, de letade efter ett sätt att ta sina experiment från laboratoriet ut i det öppna havet.

Mycket av det som forskarna vet om effekterna av havsförsurning på marina organismer kommer från kontrollerade experiment utförda i laboratorier, eller fältobservationer i miljöer som naturligt koldioxid ₂ ventiler, som på något sätt kan efterlikna kemin i framtida kolrika hav. Det finns fördelar och nackdelar med dessa metoder. De flesta laboratorieexperiment lider av konstgjorda laboratorieförhållanden som inte kan replikera de dynamiska naturliga förhållanden som finns i havets livsmiljöer. Och även om studier nära CO ₂ ventilationsplatser har varit mycket informativa om naturliga samhällens reaktion på ökad surhet, deras CO ₂ nivåerna är ofta mycket varierande, ökar svårigheten att bestämma nyckel-CO ₂ nivåer som resulterar i ekosystemskador. FOCE-system utformades för att möjliggöra experiment för att mäta effekterna av förändringar i havets karbonatkemi på hela samhällen av interagerande marina organismer under nästan naturliga förhållanden, att gå bortom studier av enskilda organismer under artificiella laboratorieförhållanden.

FOCE-systemet försöker ge forskare förmågan att exakt manipulera experimentella förhållanden samtidigt som komplexiteten och variationen i ett naturligt samhälle införlivas. Som forskarna skrev i sin senaste tidning, "Dessa fördelar gör FOCE till ett idealiskt tillvägagångssätt för att ta itu med nuvarande luckor i förståelsen av havsförsurningens effekter, inklusive långsiktiga och multi-stressor effekter."

Över ett decennium efter det första testet i MBARIs inomhustesttank, FOCE-systemet har utvecklats till ett kraftfullt och mångsidigt verktyg som används globalt för att utöka vår kunskap om havsförsurning och hur oceaniska ekosystem kan reagera på framtida förhållanden. Denna förmåga att utföra långsiktiga havsförsurningsexperiment på hela marina samhällen har avslöjat nya, oväntade fynd som har utmanat vad forskare trodde att de visste, och väckte fler frågor som måste undersökas.

Den nya artikeln beskriver hur olika FOCE-experiment har använts i en mängd olika livsmiljöer. Den sammanfattar också resultaten och begränsningarna för varje experiment.

FOCE i en medelhavssjögräsbädd

I Europa, forskare använde FOCE för att observera effekterna av havsförsurning på en Posidonia oceanica sjögräsäng i nordvästra Medelhavet, utanför Frankrikes kust. Studien, genomfördes från juni till november 2014, sträckte sig över flera säsonger och testade olika hypoteser.

Liksom tidigare laboratoriestudier, sjögräs-FOCE-experimentet fann bevis för att förändringar i pH påverkade sedimenteringshastigheten för alger som har hårda skelett som innehåller kalciumkarbonat. Förändringar i pH påverkade också maskar som lever hårt inuti, kalciumrika rör.

Ett andra sjögräs-FOCE-experiment visade att dessa alger och maskar var mer motståndskraftiga mot förändringar i havets kemi i närvaro av friska sjögräsbäddar. Faktiskt, alger och maskar som växte på friska sjögrässtrån påverkades inte allvarligt av högre koncentrationer av CO ₂ — ett fynd som står i kontrast till resultaten från tidigare experiment.

I detta fall, FOCE-systemet gjorde det möjligt för forskare att studera svaret från sjögräsängen som ett samhälle, och observera det över en längre tidsperiod. Den avslöjade också oväntade resultat som visade vikten av friska livsmiljöer för att buffra mot framtida pH-förändringar.

FOCE på Stora Barriärrevet

Liknande, forskare i Australien använde ett FOCE-system för att observera effekterna av sänkt pH på koraller på Heron Island i Stora barriärrevet. Deras FOCE-system, etablerad i ett mycket dynamiskt korallsamhälle nära stranden, gav möjligheten att studera koraller utanför en stabil laboratoriemiljö. Dessa experiment visade att vissa arter av koraller kan vara mer motståndskraftiga mot förändringar i pH än vad man tidigare trott.

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

Senast, 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. Till exempel, 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. Andra faktorer, 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.

Sammanfattningsvis, 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."