Calcifying organisms in changing shallow and deep marine environments

Abstract

Anthropogenic CO2 emissions, which are resulting in ocean acidification and a decrease in the saturation state for calcium carbonate (Ω), are a particular threat to calcifying marine biota. The aim of this thesis is to fill important knowledge gaps that limit our understanding of the implication of these anthropogenically driven changes for calcifying organism in intertidal, coastal and deep-sea environments. Papers I and II investigate the intertidal environment where the range and rate of environmental changes are often extreme. Paper I describes seasonal and daily fluxes in the inorganic carbon system in tidal pool environments in relation to biological processes in a red calcifying coralline algal species (Ellisolandia elongata) through irradiance response curves. Paper II describes an experimental study where alga from the same population as studied in paper I were grown for 3 weeks at varying pCO2 concentrations: 380 µatm (representing modern day atmospheric CO2 concentration) and 550, 750 and 1000 µatm (representing future atmospheric CO2 concentrations). Results suggest intertidal algae are less susceptible to future atmospheric CO2 concentrations compared to coralline alga from the subtidal marine environments. Data on spatial and temporal variability in the inorganic carbon system in coastal regions is limited, which is an issue for understanding biological responses of coastal species to ocean acidification and for the construction of numerical biogeochemical models. Paper III investigates the seasonal variability in the inorganic carbon system in a pristine coastal region of Iceland, Breiðafjörður Bay. The study region was identified as a net sink of atmospheric CO2 at a rate of 1.8 mol C m-2 y-1 with surface pCO2 ranging from 212 to 417 µatm from summer to winter. The deep-sea is a relatively stable environment. Regardless, numerical model predictions suggest the Nordic Seas will be largely undersaturated with respect to aragonite by the year 2100, posing a severe threat to calcifying mollusc in the region. Paper IV provides previously lacking information on bivalve and gastropod occurrences and biodiversity in the high latitude North Atlantic, north and south of the Greenland-Iceland-Faroe (GIF) ridge. This information is fundamental for evaluating the implication of environmental changes in these regions for calcifying benthic molluscs. Altogether, the research presented in this thesis contributes information needed to understand the implications of environmental changes, in particular ocean acidification, for calcifying biota in intertidal, coastal and deep-sea environments.

Kalkmyndandi lífverum stafar ógn af þeim umhverfisbreytingum sem eru að verða í hafinu vegna stórtækrar losunar mannkyns á koldíoxíði (CO2), sem leiðir síðan til súrnunar sjávarins og lækkunar á kalkmettun (Ω) í sjó. Þessari ritgerð er ætlað að fylla upp í mikilvæg göt í þekkingu okkar og efla þannig skilning okkar á afleiðingum súrnunar sjávar fyrir kalkmyndandi lífríki innan þriggja ólíkra búsvæða í og við sjó, þ.e. fjöru, grunnsævi og djúpsjávar. Greinar I og II fjalla um fjöruna þar sem umhverfisbreytingar geta verið bæði hraðar og viðamiklar. Grein I lýsir árstíðabundnum og daglegum breytileika í efnajafnvægi ólífræns kolefnis í fjörupollum í tengslum við líffræðilegra ferla hjá kalkmyndandi rauðþörung (Ellisolandia elongata). Í grein II er lýst tilraun þar sem þörungar úr sama stofni og voru aldir í 3 vikur við mismunandi hlutþrýsting CO2 (pCO2), 380 µatm (núverandi styrk CO2 í andrúmslofti), og 550, 750 og 1000 µatm, eða styrk CO2 andrúmslofti síðar á 21. öldinni. Niðurstöður tilraunarinnar benda til þess að kalkmyndandi þörungar í fjörum séu minna viðkvæmir fyrir CO2 styrk í andrúmslofti framtíðar heldur en tegundir sem finnast helst neðan sjávarborðs. Það vantar upplýsingar um náttúrulegan breytileika á grunnsævi í tíma og rúmi, sérstaklega hvað varðar ólífræn kolefni. Slíkar upplýsingar eru mikilvægar svo auka megi á skilning á áhrifum súrnunar sjávar á lífríki á grunnsævi og fyrir framleiðslu á reiknilíkönum um flæði CO2 á milli efnageyma. Grein III fjallar um árstíðabundinn umhverfisbreytileika á grunnsævi við Ísland, Breiðafirði. Sýnt er fram á upptöku sjávar upp á 1.8 mol C m-2 ár-1 á rannsóknarsvæðinu en pCO2 við yfirborð mældist frá 212 µatm um sumar til 417 µatm um vetur. Djúpsjórinn er tiltölulega stöðugt búsvæði. Þrátt fyrir það benda reiknilíkön til þess að Norðurhöf verði að mestu undirmettuð með tilliti til kalkgerðarinnar aragónít fyrir árið 2100, sem telja má að ógni kalkmyndandi lindýrum á þessu svæði. Í grein VI er lýst tegundasamsetningu, dreifingu og fjölbreytileika samloka og snigla á háum breiddargráðum í Norður Atlantshafinu, þ.e. norður og suður af Grænlands-ÍslandsFæreyja (GIF) hryggnum. Þessar upplýsingar skapa grunn fyrir áframhaldandi rannsóknir á áhrifum umhverfisbreytinga á kalkmyndandi lindýr þeim svæðum sem rannsökuð voru. Á heildina litið, veita þær rannsóknir sem kynntar eru í þessari ritgerð upplýsingar sem nýta má til þess að öðlast betri skilning á mögulegum áhrifum umhverfisbreytinga, og sér í lagi súrnunar sjávar, á kalkmyndandi lífríki innan þriggja búsvæða í og við sjó, þ.e. fjöru, grunnsævi og djúpsjávar.