Cientistas e engenheiros do MBARI têm desenvolvido novos métodos para estudar a acidificação dos oceanos e seus efeitos nos organismos marinhos em seus habitats naturais por 15 anos. Pesquisadores de todo o mundo têm adaptado os instrumentos do MBARI para realizar seus próprios experimentos em habitats que vão desde recifes de coral até o fundo do mar da Antártica. Esses diversos projetos foram recentemente destacados em um artigo na revista. Progresso na Oceanografia .

A acidificação dos oceanos descreve as mudanças químicas que ocorrem quando a água do mar reage com o excesso de dióxido de carbono absorvido da atmosfera. As principais mudanças na química do carbonato da água do mar durante a acidificação incluem um aumento na pressão parcial de CO ₂ , aumento da acidez (redução do pH do oceano), e níveis reduzidos de íons carbonato (CO32-). Essas mudanças químicas podem ser fisiologicamente desafiadoras para os organismos, perturbando seu equilíbrio ácido-básico interno e prejudicando a calcificação de conchas ou esqueletos, em última análise, aumentando o "custo de vida" para lidar com os níveis mais elevados de carbono nos oceanos. Para alguns organismos, particularmente algumas plantas marinhas, aumento de CO ₂ os níveis podem realmente aumentar o crescimento, mas para muitos organismos, o aumento de CO ₂ pode prejudicar o comportamento, crescimento, reprodução, sobrevivência, e outros processos vitais.

Flutuando nas águas azuis cristalinas de um tanque de teste interno, O primeiro CO de oceano livre do MBARI ₂ O sistema de enriquecimento (FOCE) era uma gaiola circular de tubos destinada a inundar a área interna com água rica em dióxido de carbono (CO ₂ ) Inspirado por uma abordagem para estudar os efeitos do aumento do CO ₂ níveis em terra chamados Free-Air CO ₂ Experimentos de enriquecimento (FACE), O FOCE foi projetado para responder a uma pergunta crítica - como os níveis crescentes de dióxido de carbono no oceano afetam as plantas e animais marinhos?

O sistema FOCE foi desenvolvido por uma equipe liderada pelo cientista Peter Brewer e pelo engenheiro Bill Kirkwood, e envolvendo um grande contingente de engenheiros ao longo do caminho. Ao configurar o sistema FOCE, os cientistas e engenheiros do MBARI estavam procurando não apenas iluminar os efeitos do CO ₂ em organismos marinhos, eles estavam procurando uma maneira de levar seus experimentos do laboratório para o oceano aberto.

Muito do que os cientistas sabem sobre os efeitos da acidificação dos oceanos nos organismos marinhos vem de experimentos controlados realizados em laboratórios, ou observações de campo em ambientes como CO natural ₂ aberturas, que pode, de certa forma, imitar a química dos oceanos ricos em carbono do futuro. Existem vantagens e desvantagens nessas abordagens. A maioria dos experimentos de laboratório sofre de condições de laboratório artificiais que não podem replicar as condições naturais dinâmicas encontradas em habitats oceânicos. E embora estudos perto de CO ₂ locais de ventilação têm sido altamente informativos sobre a resposta das comunidades naturais ao aumento da acidez, seu CO ₂ os níveis são frequentemente altamente variáveis, aumentando a dificuldade de determinar CO chave ₂ níveis que resultam em danos ao ecossistema. Os sistemas FOCE foram projetados para permitir experimentos para medir os efeitos das mudanças na química do carbonato do oceano em comunidades inteiras de organismos marinhos interagindo sob condições quase naturais, indo além dos estudos de organismos individuais em condições artificiais de laboratório.

O sistema FOCE tenta fornecer aos pesquisadores a capacidade de manipular com precisão as condições experimentais enquanto incorpora as complexidades e a variabilidade de uma comunidade natural. Como os pesquisadores escreveram em seu artigo recente, "Essas vantagens tornam o FOCE uma abordagem ideal para ajudar a resolver as lacunas atuais na compreensão dos impactos da acidificação dos oceanos, incluindo efeitos de longo prazo e multi-estressores. "

Mais de uma década após seu teste inicial no tanque de teste interno do MBARI, o sistema FOCE evoluiu para uma ferramenta poderosa e versátil que está sendo usada globalmente para expandir nosso conhecimento da acidificação dos oceanos e como os ecossistemas oceânicos podem reagir às condições futuras. Esta capacidade de realizar experimentos de acidificação oceânica de longo prazo em comunidades marinhas inteiras revelou algo novo, descobertas inesperadas que desafiaram o que os cientistas pensavam que sabiam, e gerou mais questões que precisam ser exploradas.

O novo artigo descreve como diferentes experimentos FOCE foram usados ​​em uma ampla variedade de habitats. Ele também resume as descobertas e limitações de cada experimento.

FOCE em um tapete de ervas marinhas do Mediterrâneo

Na Europa, pesquisadores usaram FOCE para observar os efeitos da acidificação do oceano em um prado de ervas marinhas Posidonia oceanica no noroeste do Mediterrâneo, ao largo da costa da França. O estudo, conduzido de junho a novembro de 2014, abrangeu várias temporadas e testou várias hipóteses.

Como estudos de laboratório anteriores, o experimento FOCE com ervas marinhas encontrou evidências de que mudanças no pH afetaram as taxas de sedimentação de algas que têm esqueletos duros contendo carbonato de cálcio. Mudanças no pH também afetaram vermes que vivem dentro de casa, tubos ricos em cálcio.

Um segundo experimento FOCE com ervas marinhas mostrou que essas algas e vermes eram mais resistentes às mudanças na química do oceano na presença de leitos de ervas marinhas saudáveis. Na verdade, algas e vermes que crescem em lâminas de ervas marinhas saudáveis ​​não foram seriamente afetados por concentrações mais altas de CO ₂ - uma descoberta que contrasta com os resultados de experimentos anteriores.

Nesse caso, o sistema FOCE permitiu aos pesquisadores estudar a resposta do prado de ervas marinhas como uma comunidade, e observá-lo por um período de tempo mais longo. Também revelou resultados inesperados que destacaram a importância de habitats saudáveis ​​na proteção contra futuras mudanças de pH.

FOCE na Grande Barreira de Corais

De forma similar, pesquisadores na Austrália utilizaram um sistema FOCE para observar os efeitos da redução do pH nos corais na Ilha Heron na Grande Barreira de Corais. Seu sistema FOCE, estabelecido em uma comunidade de coral próxima à costa altamente dinâmica, forneceu a capacidade de estudar corais fora de um ambiente de laboratório estável. Esses experimentos mostraram que algumas espécies de coral podem ser mais resistentes às mudanças no pH do que se pensava anteriormente.

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

Most recently, the antFOCE experiment was installed under ice in the shallow waters near Casey Station, Antártica. 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. Por exemplo, 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. Outros fatores, 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.

Resumindo, 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."