• No results found

Impacts on corals

In document OCC1207.pdf (1.896Mb) (sider 18-0)

pH 7.2

 

Figure 12. Impact of pH on Brissopsis lyrifera and nutrient flux. Left: Nutrient uptake as  function of size for different pH scenarios (S. Widdicombe). Right: Brissopsis tissue. Impacts  have also been observed on acid – base balance, reproductive tissues, respiration rates, and  meiofaunal communities. 

The sea urchin is highly vulnerable because there is no impermeable membrane to  isolate it from the surrounding water. As evidenced above, the control demonstrates  that, under normal conditions, there is an inverse linear relationship between nutrient  uptake and sea‐urchin size. However, when exposed to pH values of 7.6 compared  with pH = 8, this linearity was lost, indicating a change in functionality. Little further  change was noticed with increasing pH. Change was also observed in the acid – base  balance, reproductive tissue, and respiration rates. 

3.10 Impacts on corals

Experimental studies on tropical shallow corals have demonstrated that biogenic  calcification depends on the concentration of available carbonate ions; the lower the  pH of seawater, the lower the amount of carbonate available and the lower the rate of  calcification  by  corals.  The  relationship  between  calcification  and  pH  is  overwhelmingly consistent across species (Figure 13).  

0

Figure 13. Calcification as function of pH for tropical corals. Every 0.1 ↓ in pH  ≈ 8 % ↓ in  (G = calcification rate as weight of CaCO3 deposited; courtesy F. Marubini). 

Evidence of the negative effect of lower pH was also found at the microstructural  level in the appearance of the growing skeletal fibres of A. verweyi using scanning  electron microscopy (Figure 14; Marubini et al., 2002).  

  Figure 14. Skeletal microstructure of the tropical coral Acropora verweyi. Present day (left) vs. year  2100 (right; Marubini et al., 2002). 

Other work (Gattuso et al., 1999) demonstrates the importance of additional factors,  such as irradiance and nutrient stress, in determining calcification rates. These  parameters, along with temperature, are likely to interact with pH in the future  climate, and indeed their interaction requires further analysis. The North Atlantic is  home to extensive coral reef frameworks built by cold‐water corals. As the response  of cold‐water corals to pH is expected to be similar to that described above for  tropical corals, concern for this highly diverse and yet little explored ecosystems of  the deep sea is mounting (Roberts et al., 2006). 

  Figure 15. The role of viruses (courtesy K. Børsheim). 

3.12 Impacts on shellfish farming

Pacific oyster (Crassostrea gigas) is the most cultivated species in the world and forms  a significant part of the world mollusc production. There has been a 5 % year  −1  increase worldwide in the production of mariculture for the past ten years, mostly in  China and eastern Asia. This total accounts for 15 – 20 % of the global aquaculture  production, with a value of approximately US $ 10 billion. 

1950 1960 1970 1980 1990 2000 0

5 10 15

Oysters Mussels Total mollusc

Year Production(106 tFWyr-1 )

 

Figure 16. Worldwide shellfish production, showing the dramatic increase (FAO, 2002). 

Experiments to assess the potential impact on this industry have been undertaken  using incubation chambers on two of the most important farmed species. The effect  on shell formation from these experiments is quite dramatic. For Mytilus edulis, a  commonly cultivated mussel, the response is linear and exhibits a marked decrease  (30 %) in shell formation at pH levels likely to be reached in this century. At very high 

levels of pCO2 (1800 ppm by volume), the shells dissolve completely. However, the  response for oysters is different with more tolerance until very high levels are  reached.  

3.13 Impacts on finfish farming

Direct impacts on aquaculture are hard to assess, but are likely to pose a small risk. 

Much work has been performed previously looking at the effects of acid rain,  primarily in Scandinavian lakes. These fresh‐water systems are unbuffered, and the  pH change experienced there is much greater than is likely to be experienced in the  marine environment. Currently, most farmed finfish species experience a range of  salinities and pH conditions in the wild. It is unlikely, therefore, that pH change in  itself will have a noticeable effect. However, as noted previously, the combination of  thermal stress and low oxygen could combine with a change in pH, with problematic  results. An indirect effect may likely be from attack by different viruses or parasites,  which may take advantage of different environmental conditions. Owing to a number  of  constraints,  the  industry  is  proposing  to  consider  offshore  sites  for  future  development. These, however, may suffer greater relative impact than the present  inshore sites.  

3.14 Effects on fisheries

Acidification is likely to have some direct and indirect impacts on fish and fisheries. 

The nature and degree  of  such  impacts  is  currently unknown but  should be  considered against a backdrop of considerable historical overfishing (Jennings and  Blanchard, 2004; Piet and Rice, 2004; Dulvy et al., 2005). The direct effects on fish and  fisheries may be relatively limited and, most likely, will be analogous to the effects of  thermal and oxygen stress outlined previously. Fish early life stages, such as eggs  and larvae, are more sensitive to pH than adults (Ishimatsu et al., 2004). However,  mortality at the early life stages of broadcast‐spawning species is typically great and  highly variable, owing to natural match – mismatch and density‐dependent processes  in the planktonic stages (Hjort, 1914; Cushing, 1990; Goodwin et al., 2006). So, it is not  known  whether  the  direct  acidification  effect  on  larval  survival  would  be 

Gilbert, 2007). Indirect effects are likely to be more relevant but even harder to  quantify. Ocean acidification may influence the structure and productivity of primary  and  secondary  benthic  production  which,  in  turn,  may  indirectly  affect  the  productivity of fish communities and higher trophic levels. Changes in food source,  e.g. Barents Sea herring feeding on pteropods (sea butterflies), may result in shifts in  species distribution, lower species abundance, or diet shifts. The degree and nature of  adaptation will strongly influence their availability to fisheries and their productivity. 

The possible effects of acidification on the timing of appearance, abundance, and  quality of larval fish prey sources, such as phyto‐ and zooplankton, remain unknown  (Edwards and Richardson, 2004). The gaps in knowledge that require addressing are  extensive but could focus on key target fish species, particularly those that depend  heavily on calcifying taxa as prey, e.g. pteropods. A key unknown is the relative  importance of acidification for fisheries. Acidification effects have yet to be observed  in shelf seas, so they are likely to be minor relative to the comparatively massive  impacts of overexploitation of fisheries during the last few decades. 

4 Future requirements for the observation of pH and pCO2

Although existing quality datasets present strong evidence for the change in pH  associated with the decrease in CO2, they are few and represent limited geographic  types. The large‐scale programmes, such as the Geochemical Ocean Section Study  (GEOSECS), the World Ocean Circulation Experiment (WOCE), and the US Joint  Global Ocean Flux Study (JGOFS), have given us precise and accurate descriptions of  the global carbonate system, but only in series of snapshots, and these cannot be  easily used to deduce the long‐term trend from short‐term variation. There is a need,  therefore, for more long‐term series of these key parameters in other areas.  

Although modelling is probably the most cost‐effective way to obtain worldwide  estimates of pH variability and predict future pH changes, the models are only as  good as the data used to validate them. There is a requirement, therefore, for a  concerted data collection effort with greater spatial coverage to provide data for  validation of models and to provide estimates of the rate of change in areas with  differing biogeochemical response. These observational programmes are not required  to avoid or delay taking preventive action but to help assess whether the mitigation  undertaken is effective.  

Measurements  of  pH  and  other  carbonate‐system  parameters  are  currently  expensive.  However,  recent  advances  in  technology  coupled  with  present  observational programmes, such as the instrumented commercial vessels (FerryBox)  or existing mooring networks like Smart Bouys, could increase the cost‐effectiveness  and feasibility of the required programmes.  

This Workshop specifically endorses the Advances in Marine Ecosystem Modelling  Research (AMEMR) workshop held 12 – 14 February 2007 in Plymouth, UK, which  suggested the following recommendations for observations to support modelling.  

Maximum use needs to be made of the observational data that are currently being  collected; funding should be used to complement these sources. 

In particular: 

• A  multidisciplinary  approach  broadening  the  scope  of  existing  and  planned  observations  should  ensure  that  appropriate  parameters  are  collected. Carbonate monitoring systems should be standard. 

• Expanding ships of opportunity programmes both in number and in the  range of measurements taken is probably one of the most efficient ways of  ensuring good spatial and temporal data availability. 

• Long‐term  time‐series  datasets  are  vital;   the  maintenance  of  these  programmes requires a commitment to long‐term funding. 

• Coastal  to  offshore  transects  would  be  valuable  in  assessing  the  penetration of terrestrial signals into shelf seas. 

This requires (i) international coordination and standardization (e.g. pH, DIC), and  (ii) some fundamental new research on shelf seas alkalinity. 

 

  Figure 18. An example of experimental apparatus for work on mussels and oyster used by  F. Gazeau. 

10m S=31.3 S=29.8

S=31.3

Sediment Trap pump

Ecosystem response to a changing CO

2

world

CO2regulation

190 ppmV

370 ppmV

700 ppmV 95% PAR

190

190 370370 700700

pCOpCO22((ppmvppmv))

5m

University of Bergen large scale marine facility

Ulf Riebesell   Figure 19. An example of mesocosm experiments being conducted by the University of Bergen. 

The number of experimental sites is limited and needs to be increased. The level of  confidence in any biological response is greatly enhanced by replication in other  experiments. There is a need to perform similar mesocosm experiments in a wide  variety of habitats and different water masses. As the exact response of seawater to  increasing CO2 depends on the chemical constituents (alkalinity), there will be  geographic variation in the response. 

Most experiments are currently short‐term (hours to weeks). Some species can  acclimatize over a long period, whereas others can survive a short‐term exposure to  low pH, but suffer from long‐term exposure at less reduced pH. 

Experiments in tanks and knowledge gained in aquaculture studies reveal that very  different responses can be produced from those in the wild. There is a need,  therefore, to design and conduct experiments that can manipulate the CO2 field in  situ while leaving other elements undisturbed.  

 

The FOCE Prototype – a double ring with acid emitters and sophisticated valve control to allow for system latency

Acid Reservoir Acid H2O

  Figure 20. Concept sketch of Free Ocean CO2 Enrichment Experiment (FOCE) where experiments  in the seas emulate future conditions (courtesy P. Brewer). 

The prototype produced by the Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)  is able to provide and maintain control of a volume of fixed exposure. It works best in  an area of low (but some) flow.  

The access problems associated with the marine environment makes it unrealistic to  expect the size and coverage that is available from the Free Air CO2 Enrichment  (FACE) experiments on land. Therefore, the kinds of instruments mentioned above  are  best  used  to  confirm  or  refute  results  from  tank  experiments  and  more  conventional mesocosm experiments.  

6 Societal and policy implications for ocean acidification

Public awareness of the existence of the problems associated with global warming is  high, but knowledge of ocean acidification, and its potential ecological and socio‐

economic impact, is limited. Therefore, ocean acidification needs to be brought to the  attention of audiences beyond those with scientific interest and thus added to the  broader climate change discussion. The United Nations Environment Programme  (UNEP)  is currently facilitating a television documentary to showcase the impact of  ocean acidification on key marine ecosystems, such as tropical or cold‐water corals  and polar plankton communities. Intended for broadcast on BBC World in May 2008, 

© Amadeo Bachar

U ses and U sers

Indire ct U ses

- S uppo rting sea l populatio ns - S uppo rting eco system function

  Figure 21. Understanding economic values (courtesy J. Kildow). 

The economic value of fishing, tourism, and marine goods and services is substantial  and relatively well known. Less clear is the impact that ocean acidification can or  would have on this. Therefore, there needs to be an open policy dialogue that will  increase public awareness. Scientists have an important role in ensuring that science  is brought closer to policy‐makers and the public, that they communicate more  effectively, and that scientific needs and governmental solutions are specific. 

6.1 Management strategy

There is a need for a management strategy at national and international levels that  recognizes that a problem exists and implements action to address it. 

Management goals have to be adopted, support provided for scientific research, and  government actions backed by public knowledge. 

A strategic plan (five‐year and long‐term) needs to be created with a management  structure, a legal and regulatory framework, and the consideration of research  priorities. 

  

Blackford, Jerry  jcb@pml.ac.uk  PML, UK 

Knut, Børsheim  yngve.borsheim@imr.no  Institute of Marine Research, Norway 

Brewer, Peter  brpe@mbari.org  MBARI, USA 

Clemmesen, Catriona  cclemmesen@ifm‐geomar.de  IFM‐GEOMAR, Germany  Dulvy, Nick  nick.dulvy@cefas.co.uk  CEFAS, UK 

Dalton, Sir Howard  Deceased since the Workshop  DEFRA, UK  Fernand, Liam  liam.fernand@cefas.co.uk  CEFAS, UK 

Filipsson, Helena  filipsson@gvc.gu.se  University of Göteborg, Sweden  Gattuso, Jean‐Pierre  gattuso@obs‐vlfr.fr  CNRS , France 

Gazeau, Frederic  f.gazeau@nioo.knaw.nl  Netherlands Institute of Ecology (NIOO‐CEME‐

KNAW) 

Hain, Stefan  stefan.hain@unep‐wcmc.org  UNEP Coral Reef Unit   Hardman‐Mountford, Nick  nhmo@pml.ac.uk  PML, UK 

Hydes, David  djh@noc.soton.ac.uk  NOC, UK 

Kildow, Judith  jtk@mbari.org  MBARI, USA 

Kirkwood, William  kiwi@mbari.org  MBARI, USA 

Kröger, Silke  silke.kroeger@cefas.co.uk  CEFAS, UK 

Laing, Ian  ian.laing@cefas.co.uk  CEFAS, UK 

Leedale, Andrea  a.leedale@defra.gov.uk  DEFRA,UK 

Leonardos, Nikos  hernes@essex.ac.uk  University of Essex, UK  Marubini, Francesca  francesca.marubini@jncc.gov.uk  JNCC, UK 

McGovern, Evin  evin.mcgovern@marine.ie  Marine Institute, Ireland  Pelejero, Carlos  pelejero@icm.cat  CSIC , Spain 

Pörtner, Hans  hpoertner@awi‐bremerhaven.de  AWI, Germany  Roberts, Murray  murray.roberts@sams.ac.uk  SAMS, UK  Rodriguez, Carmen  carmen@st.ieo.es  IEO, Spain 

Schuster, Ute  U.Schuster@uea.ac.uk  UEA, UK 

Steinke, Michael  m.steinke@essex.ac.uk  University of Essex, UK  Studd, Shaun  shaun.studd@cefas.co.uk  CEFAS, UK 

Suggett, David  dsuggett@essex.ac.uk  UEA, UK 

Vogt, Meike  m.vogt@uea.ac.uk  UEA, UK 

Webster, Richard  not known  UEA, UK 

Whiteley, Nia  n.m.whiteley@bangor.ac.uk  University of Bangor, UK 

Widdicombe, Steve  swi@pml.ac.uk  PML, UK 

 

8 References

Arvidson, R. (Ed.) 2005. The Ocean in High‐CO2 World. Journal of Geophysical Research –  Oceans Special Collections. Journal of Geophysical Research, 110(C9).  

Blackford, J. C., and Gilbert, F. J. 2007. pH variability and CO2 induced acidification in the  North Sea. Journal of Marine Systems, 64: 229 – 241. 

Brewer, P. G. 1997. Ocean chemistry of the fossil fuel CO2 signal: the haline signature of 

“business as usual”. Geophysical Research Letters, 24(11): 1367 – 1369. 

Brown, C., and Yoder, J. 1994. Coccolithophorid blooms in the global ocean. Journal of  Geophysical Research, 99(C4): 7467 – 7482.  

Bryan, K. 1969. A numerical method for the study of the circulation of the world ocean. Journal  of Comparative Physics, 4: 347 – 376. 

Caldeira, K., and Wickett, M. E. 2003. Anthropogenic carbon and ocean pH. Nature, 425: 365 –  365. 

Cox, M. D. 1984. primitive equation, three‐dimensional model of the ocean. GFDL Ocean  Group Technical Report No. 1. Princeton, NJ. 143 pp. 

Cushing, D. H. 1990. Plankton production and year‐class strength in fish populations: an  update of the match/mismatch hypothesis. Advances in Marine Biology, 26: 249 – 294. 

Delille, B., Harlay, J., Zondervan, I., Jacquet, S., Chou, L., Wollast, R., Bellerby, R. G. J., et al. 

2005. Response of primary production and calcification to changes of pCO2 during  experimental blooms of the coccolithophorid Emiliania huxleyi. Global Biogeochemical  Cycles, 19: GB2023. 

Dulvy, N. K., Jennings, S. J., Goodwin, N. B., Grant, A., and Reynolds, J. D. 2005. Comparison  of threat and exploitation status in Northeast Atlantic marine populations. Journal of  Applied Ecology, 42: 883 – 891. 

Edwards, M., and Richardson,  A. J. 2004. Impact of climate change on marine pelagic  phenology and trophic mismatch. Nature, 430: 881 – 884. 

FAO. 2002. The State of World Fisheries and Aquaculture 2002. FAO, Rome. 150 pp. 

Gattuso, J‐P., Allemande, D., and Frankignoulle, M. 1999. Photosynthesis and calcification at  cellular, organismal and community levels in coral reefs: review of interactions and  control by carbonate chemistry. American Zoologist, 39: 160 – 183. 

Goodwin, N. B., Grant, A., Perry, A., Dulvy, N. K., and Reynolds, J. D. 2006. Life history  correlates  of  density‐dependent  recruitment  in  marine  fishes.  Canadian  Journal  of  Fisheries and Aquatic Sciences, 63: 494 – 509. 

Hjort, J. 1914. Fluctuations in the great fisheries of northern Europe viewed in the light of  biological research. Rapports et Procès‐Verbaux des Réunions du Conseil International  pour lʹExploration de la Mer, 1: 5 – 38. 

Hönisch, B., and Hemming, N. G. 2005. Surface ocean pH response to variations in pCO2  through two full glacial cycles. Earth and Planetary Science Letters, 236: 305 – 314. 

Huesemann, M. H., Skillman, A. D., and Crecelius, E. A. 2002. The inhibition of marine  nitrification by ocean disposal of carbon dioxide. Marine Pollution Bulletin, 44(2): 142 – 148. 

Institut Pierre Simon Laplace. 2005. International Carbon‐cycle Model Intercomparison Project  Phase (OCMIP3). Institut Pierre Simon Laplace, Orme, France. Available online at  www.ipsl.jussieu.fr/OCMIP/phase3/#NOCES. 

Ishimatsu, A., Kikkawa, T., Hayashi, M., Lee, K‐S., and Kita, J. 2004. Effects of CO2 on marine  fish: larvae and adults. Journal of Oceanography, 60: 731 – 741. 

Impacts of ocean acidification on coral reefs and other marine calcifiers: a guide for future  research. Report of workshop held 18 – 20 April 2005, St Petersburg, FL, sponsored by  NSF, NOAA, and the US Geological Survey. 88 pp. 

Kurihara, H., and Shirayama, Y. 2004. Effects of increased atmospheric CO2 on sea urchin early  development. Marine Ecology Progress Series, 274: 161 – 169. 

Langdon, C., Takahashi, T., Sweeney, C., Chipman, D., Goddard, J., Marubini, F., Aceves, H., et  al. 2000. Effect of calcium carbonate saturation state on the calcification rate of an  experimental coral reef. Global Biogeochemical Cycles, 14(2): 639 – 654. 

Marubini,  F., Ferrier‐Pagès,  C., and  Cuif, J‐P.  2002.  Suppression  of  skeletal  growth  in  scleractinian corals by decreasing ambient carbonate‐ion concentration: cross‐family  comparison. Proceedings of the Royal Society of London, Series B, 270: 179 – 184. 

Metz, B., Davidson, O., de Coninck, H., Loos, M., and Meyer, L. (Eds.) 2005. IPCC Special  Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Prepared by Working Group III of the  Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge. 

442 pp. 

Mucci, A., and Morse, J. W. 1990. Chemistry of low temperature abiotic calcites: experimental  studies on coprecipitation, stability and fractionation. Reviews in Aquatic Sciences, 3: 217 –  254.  

Orr, J. C., Fabry, V. J., Aumont, O., Bopp, L., Doney, S. C., Feely, R. A., Gnanadesikan, A., et al. 

2005. Anthropogenic ocean acidification over the twenty‐first century and its impact on  calcifying organisms. Nature, 437: 681 – 686.  

OSPAR. 2006. Effects on the marine environment of ocean acidification resulting from elevated  levels of CO2 in the atmosphere. Biodiversity Series, OSPAR Commission, London. 33 pp. 

Piet, G. J., and Rice, J. C. 2004. Performance of precautionary reference points in providing  management advice on North Sea fish stocks. ICES Journal of Marine Science, 61(8): 1305 –  1312. 

Petit, J. R., Jouzel, J., Raynaud, D., Barkov, N.  I., Barnola, J‐M.,  Basile, I.,  Bender, M.,  Chappellaz, J., et al. 1999. Climate and atmospheric history of the past 420 000 years from  the Vostok ice core, Antarctica. Nature, 399: 429 – 436. 

Pelejero, C., and Calvo, E. In press. Reconstructing past seawater pH from boron isotopes in  carbonates. Contributions to Science. 

Pelejero, C., Calvo, E., McCulloch, M. T., Marshall, J., Gagan, M. K., Lough, J. M., and Opdyke,  B. N. 2005. Preindustrial to modern interdecadal variability in coral reef pH. Science, 309: 

2204 – 2207. 

Pörtner, H. O. 2008. Ecosystem effects of ocean acidification in times of ocean warming:  physiologist’s view. Marine Ecology Progress Series, in review. 

Pörtner, H. O., Langenbuch, M., and Michaelidis, B. 2005. Synergistic effects of temperature  extremes, hypoxia, and increases in CO2 on marine animals: from Earth history to global  change. Journal of Geophysical Research, 110: C09S10, doi:10.1029/2004JC00256. 

Rainbow, P. S. 2002. Trace metal concentrations in aquatic invertebrates: why and so what? 

Environmental Pollution, 120(3): 497 – 507. 

Riebesell, U., Zondervan, I., Rost, B., Tortell, P. D., Zeebe, R. E., and Morel, F. M. M. 2000. 

Reduced calcification of marine plankton in response to increased atmospheric CO2 Nature, 407: 364 – 367. 

Roberts, J. M., Wheeler, A. J., and Freiwald, A. 2006. Reefs of the deep: the biology and geology  of cold‐water coral ecosystems. Science, 312: 543 – 547. 

Sadiq, M. 1992. Toxic Metal Chemistry in Marine Environments. Marcel Dekker, Inc., New  York. 390 pp. 

Salomons, W., and Forstner, U. 1984. Metals in the Hydrocycle. Springer‐Verlag, Heidelberg. 

Salomons, W., and Forstner, U. 1984. Metals in the Hydrocycle. Springer‐Verlag, Heidelberg. 

In document OCC1207.pdf (1.896Mb) (sider 18-0)