Linking Internal Carbonate Chemistry Regulation and Calcification in Corals Growing at a Mediterranean CO2 Vent

10.3389/fmars.2019.00699

DIFA Authors /Autori DIFA: L. Brizi, P. Fantazzini.

Interdisciplinary research team composed by members of three Departments of the University of Bologna (DIFA, BiGeA and CHIM) and ISMAR-CNR, as part of an international collaboration.

Rising atmospheric CO₂ is responsible for increasing ocean acidity, posing a major threat to marine species that generate and accumulate calcium carbonate structures, such as corals. The Mediterranean basin represents a natural laboratory for investigating climate change and its effects. We have studied the acclimatization potential of stony corals living along a pH gradient generated by a Mediterranean CO₂ vent close to Panarea island, a natural laboratory for ocean acidification studies.

We used skeletal Boron isotopic composition and B/Ca methods to estimate the calcifying fluid pH (pH_cf) and the carbonate chemistry of a Mediterranean coral (Balanophyllia europaea) naturally living along the pH gradient. The estimated gross calcification rate (GCR) and the internal pH_cf were homogeneous along the gradient, exhibiting an increased up-regulation capability with increasing acidification.

The homogeneous GCR determined an apparent contradiction with the previously observed decrease in net calcification rates (NCR) on the same specimens along this gradient. This can be solved easily by observing that the correct comparison is between GCR and the micro-net calcification rate (micro-NCR) of the solid coral skeleton, i.e. computed by avoiding the volume of the voids inside the coral structure, not with the bulk-NCR, that consider also the voids. A more substantial question remained: why in a previous paper an increasing porosity of the corals was observed at higher acidity, producing higher skeletal fragility? Then it was hypothized that the bio-mineralization process produced less “building blocks”, the fundamental structural components of the coral skeletons. The pH up-regulation now demonstrated in this study provides a substantial contribution in solving the question. In fact, it explains that B. europaea produces less building blocks because part of its energy is spent to maintain elevated calcifying fluid pH with increasing acidity. Anyway, the ability of corals to maintain elevated internal pH_cf compared to the ambient seawater might not always be sufficient to counteract declines in coral growth under ocean acidification scenarios.

Un ponte tra la regolazione interna della chimica dei carbonati e la calcificazione in coralli che crescono vicino ad emissioni di CO₂ nel Mediterraneo

I metodi della composizione isotopica del Boro e del rapporto B/Ca mostrano un aumento della sovra-regolazione del pH e la costanza del tasso di calcificazione per unità di area all’aumentare dell'acidificazione dell'acqua di mare. Questo può spiegare perché la porosità dello scheletro aumenti, contribuendo a ridurre la densità di popolazione.

L’aumento della concentrazione atmosferica di CO₂ è responsabile dell’aumento dell’acidità degli oceani, minacciando così le specie marine che generano ed accumulano strutture di carbonato di calcio, come i coralli. Il bacino mediterraneo rappresenta un laboratorio naturale per lo studio del cambiamento climatico e dei suoi effetti. Abbiamo studiato la potenziale acclimazione di coralli che vivono lungo un gradiente di pH causato da emissioni di CO₂ presso l’isola di Panarea, che costituisce un modello sperimentale per simulare scenari a lungo termine.

Abbiamo usato i metodi della composizione isotopica del boro e del rapporto B/Ca nello scheletro per stimare il pH del fluido calcificante (pH_cf) e la chimica dei carbonati di un corallo mediterraneo (Balanophyllia europaea) che cresce naturalmente lungo un gradiente di pH. Il tasso di gross calcification (GCR) ed il valore di pH_cf stimati dalla composizione isotopica dello scheletro non variavano lungo il gradiente, mostrando la capacità di aumentare la sovra-regolazione del pH all’aumentare della acidificazione.

La costanza di GCR appariva in contrasto con la diminuzione del tasso di net calcification osservato in uno studio precedente sugli stessi campioni, lungo lo stesso gradiente. Questo era facilmente spiegabile osservando che il confronto andava fatto con il cosiddetto tasso di micro-net calcification (micro-NCR) dello scheletro, calcolato escludendo il volume degli spazi porosi entro la struttura del corallo, non il bulk-NCR, che considera anche i vuoti.

Ma rimaneva aperto un più importante quesito: perché nel lavoro precedente si era osservato un aumento della porosità dello scheletro con l’aumento dell’acidità? Era stato ipotizzato che il processo di bio-mineralizzazione producesse uguali “building blocks”, i componenti fondamentali della struttura dello scheletro, ma in minor numero. La sovra-regolazione del pH osservata in questo studio fornisce un contributo sostanziale per risolvere il quesito. Infatti, qui si spiega che la B. europaea produce meno building blocks poiché parte della sua energia è usata per mantenere l’elevato pH del fluido calcificante all’aumentare dell’acidità. Comunque, l’abilità dei coralli nel mantenere elevato pH_cf rispetto all’ambiente marino può non essere sempre sufficiente per contrastare il declino delle popolazioni coralline negli scenari che prevedono un aumento dell’acidità degli oceani.

Methods based on measurements of boron isotopic composition and B/Ca on skeletons of corals growing at a Mediterranean CO2 vent.