RESUMO
Ocean acidification is impacting the calcification of corals, but the mechanisms of calcification are still unclear. To explore the relationship between calcification and pH, small pieces of coral were suspended from a torsion microbalance in gently stirred, temperature controlled, seawater in a closed chamber. Net calcification rate and pH were continuously monitored while light, temperature or pH could be manipulated. The coral pieces were from the edges of thin plates of Agaricia agaricites and were studied alive and freshly collected. Unexpectedly, when calcification was taking place (n=9, 0.082 mg.hr-1.cm-2), as determined by weight increase, the pH of the surrounding seawater medium changed little (n=10, -0.0047 pH units.hr-1.cm-2). When calcification was not taking place the decrease of seawater pH was an order of magnitude higher, -0.013 pH units.hr-1.cm-2. This is the opposite of what is expected when calcium carbonate (CaCO3) forms. Similarly, fresh skeleton initially showed no change of pH in the seawater medium although the rates of weight gain were high (upto 1.0 mg hr-1.cm-2). After 10 hours, as the rate of deposition decreased following a generalized Michaelis-Menten growth curve, the pH began to decrease dramatically indicating an increase of CO2 in the seawater. These unexpected results can be explained if unstable calcium bicarbonate (Ca(HCO³)2) is formed in the organic matrix/carbonic anhydrase surface and slowly transforms later to CaCO3. Pieces of living coral monitored in the chamber for 30 hours gained weight during the day and loss it at night. The loss would be consistent with the transformation of Ca(HCO³)2 to CaCO3 with the release of CO2. The mean calcification rate of live coral was greater (n=8, p=0.0027) in high light (120 μmol.s-1.m-2) at 0.098 mg.hr-1.cm-2, compared to 0.063 mg.hr-1.cm-2 in low light (12 μmol.s-1.m-2). However, at the same time the mean rate of pH change was -0.0076 under low light compared to -0.0030 under high light (n=8, p=0.0001). The difference can be explained by CO2 being used for photosynthesis by zooxanthellae. The deposition rate of live coral was not affected by the addition of phosphate but the rate of weight gain by the freshly collected skeleton was strongly enhanced by phosphate. These results indicate that care should be applied in the application of the alkalinity anomaly technique for the measurement of calcification in corals.
La acidificación del océano está impactando la calcificación de los corales, pero los mecanismos de la calcificación son aún inciertos. Para explorar la relación entre la calcificación y pH, pequeños trozos de coral fueron suspendidos en una microbalanza de torsión en agitado suave, temperatura controlada, y agua de mar en una cámara cerrada. La tasa de calcificación neta y el pH se monitorearon continuamente mientras que la luz, temperatura o pH podían ser manipulados. Las piezas de coral eran de los bordes de placas finas de Agaricia agaricites y se estudiaron vivos y recién colectados. Inesperadamente, cuando la calcificación (n= 9, 0.082 mg.hr-1.cm-2) se estaba dando, según lo determinado por el aumento de peso, el pH del agua de mar circundante cambió poco (n = 10,-0.0047 pH units.hr-1.cm-2). Durante los períodos cuando la calcificación no se estaba dando la disminución del pH del agua de mar era un orden de magnitud mayor, -0.013 pH units.hr-1.cm-2. Esto es exactamente lo contrario de lo que se espera cuando se forma carbonato de calcio (CaCO3). Del mismo modo un esqueleto recién colectado al inicio no mostró cambios de pH en el agua de mar aunque eran muy altas las tasas de ganancia de peso (hasta 1.0 mg hr-1.cm-2). Después de 10 horas, la tasa de deposición disminuyó hasta seguir una curva de crecimiento generalizada de Michaelis-Menten, el pH comenzó a disminuir drásticamente, lo que indica un aumento de CO2 en el agua de mar. Estos resultados inesperados pueden explicarse si el bicarbonato de calcio inestable (Ca(HCO³)2) se forma en la superficie de la anhidrasa carbónica/matriz orgánica y lentamente se transforma más tarde a CaCO3. Piezas de coral vivo vigiladas en la cámara durante 30 horas demostraron un patrón de ganancia de peso durante el día y de pérdida en la noche. La pérdida sería coherente con la transformación de la Ca (HCO3)2 a CaCO3 con el lanzamiento de CO2. La tasa de calcificación media de coral vivo fue mayor (n= 8, p= 0.0027) en luz alta (120 μmol.s-1.m-2) a 0.098 mg.hr-1.cm-2, en comparación con 0.063 mg.hr-1.cm-2 en condiciones de poca luz (12 μmol.s-1.m-2). Sin embargo, al mismo tiempo la tasa media de cambio de pH fue de -0.0076 bajo luz baja en comparación con -0.0030 bajo luz alta (n= 8, p= 0,0001). La diferencia puede explicarse porque el CO2 está siendo utilizado para la fotosíntesis por zooxantelas. La tasa de deposición de coral vivo no fue afectada por la adición de fosfato pero la tasa de ganancia de peso de los esqueletos recién colectados era fuertemente reforzada por fosfato. Estos resultados indican que la atención debe aplicarse en la aplicación de la técnica de alcalinidad anormal para la medición de la calcificación de los corales.
RESUMO
Ocean acidification is altering the calcification of corals, but the mechanism is still unclear. To explore what controls calcification, small pieces from the edges of thin plates of Agaricia agaricites were suspended from a torsion microbalance into gently stirred, temperaturecontrolled, seawater. Net calcification rates were monitored while light, temperature and pH were manipulated singly. The living coral pieces were sensitive to changes in conditions, especially light, and calcification was often suspended for one or two hours or overnight. The mean calcification rate increased from 0.06 in the dark to 0.10 mg.h-1.cm-2 (T test, n=8, p<0.01) in low light (15 μmol.s-1.m-2) and showed a positive linear relationship with temperature. With a reduction of mean pH from 8.2 to 7.6 the mean calcification rate in the light (65 μmol.s-1.m-2) increased from 0.19 to 0.28 mg.h-1.cm-2 (T test, n=8, p<0.05) indicating a dependency on carbon dioxide. After waterpiking and exposure of the skeletal surface/organic matrix to seawater, calcification showed an astonishing initial increase of more than an order of magnitude then decreased following a non-linear generalised Michaelis-Menten growth curve and reached a steady rate. Calcification rate of the freshly waterpiked coral was not influenced by light and was positively correlated with temperature. For a mean pH reduction from 8.1 to 7.6 the mean calcification rate increased from 0.18 to 0.32 mg.h-1.cm-2 (T test, n=11, p<0.02) again indicating a dependency on carbon dioxide. Calcification ceased in the presence of the carbonic anhydrase inhibitor azolamide. Staining confirmed the presence of carbonic anhydrase, particularly on the ridges of septae. After immersion of waterpiked corals in seawater for 48 hours weight gain and loss became linear and positively correlated to temperature. When the mean pH was reduced from 8.2 to 7.5 the mean rate of weight gain decreased from 0.25 to 0.13 mg.h-1.cm-2 (T test, n=6, p<0.05) indicating a dependence on carbonate. At a pH of 6.5 the skeleton lost weight at a rate of 1.8 mg.h-1.cm-2. The relationship between net calcification and pH (n=2) indicates that wt gain turns to loss at pH 7.4. These experiments confirm that calcification is a two-step process, involving secretion of a layer of organic matrix incorporating carbonic anhydrase to produce an active calcifying surface which uses carbon dioxide rather than carbonate. It is also unlikely that the calcifying surface is in direct contact with seawater. Inorganic deposition or dissolution of the skeleton in exposed dead areas of coral is a different phenomenon and is carbonate related. The wide range in results from this and other studies of calcification rate and carbon dioxide may be explainable in terms of the ratio of “live” to “dead” areas of coral.
La acidificaión de los océanos está alterando la calcificón de los corales. Sin embargo, el mecanismo no es todavía claro. Para explorar que controla la calcificación piezas pequeñas del borde de láminas delgadas de Agaricia agaricites fueron suspendidas de una microbalanza de torsión en agua de mar ligeramente agitada y con temperatura controlada. La tasa neta de calcificación fue monitoreada mientras se manipulaba la luz, temperatura y pH. Las piezas de coral vivo fueron sensibles a cambios en las condiciones, especialmente de luz, y la calcificación se suspendía por una o dos horas o de un día para otro. La tasa media de calcificación aumentó de 0.06 en la oscuridad a 0.10 mg h-1 cm-2 (prueba T, n=8, p<0.01) en luminosidad baja (15 μmol s-1 m-2) y mostró una relación lineal positiva con la temperatura. Con una reducción en el pH promedio de 8.2 a 7.6 la tasa de calcificación media en la luz (65 μmol.s-1.m-2) aumentó de 0.19 a 0.28 mg h-1 cm-2 (prueba T, n=8, p<0.05) indicando una dependencia de dióxido de carbono. Después de remover el tejido y exponer la superficie de los esqueletos/matriz orgánica a agua de mar, la calcificación tiene un marcada aumento inicial de más de un orden de magnitud y después decrese siguiendo una curva generalizada Michaelis-Menten de crecimiento no-lineal hasta alcanzar una tasa estable. La tasa de calcificación de esqueletos recién limpiados no estaba influenciada por la luz y estaba positivamente correlacionado con la temperatura. Pra una reducción media de pH de 8.1 a 7.6 la tasa media de calcificaión aumentó de 0.18 a 0.32 mg h-1 cm-2 (prueba T, n=11, p<0.02) de nuevo indicando la dependencia en el dióxido de carbono. La calcificación cesó en la presencia de azolamida un inhibidor de la anhidrasa carbónica. Tinciones confirmaron la presencia de anhidrasa carbónica, particularmente en las crestas de los septos. Después de sumergir esqueletos sin tejido en agua de mar por 48 horas la ganancia y pérdida de peso se volvió lineal y relacionada positivamente con la temperatura. Cuando el pH promedio se reducía de 8.2 a 7.5 la tasa media de ganacia de peso decrecía de 0.25 a 0.13 mg h-1 cm-2 (prueba T, n=6, p<0.05) indicando una dependencia en carbonato. A un pH de 6.5 la tasa de pérdida de peso esquelético fue de 1.8 mg h-1 cm-2. La relación entre calcificaión neta y pH (n=2) indican que la gancia de peso se vuele pérdida a pH 7.4. Estos experimentos confirman que la calcificación es un proceso de dos pasos, involucrando la secreción de la capa de matriz orgánica que incorpora anhidrasa carbónica para producir una superficie de calcificación activa que usa dióxido de carbono en vez de carbonato. Es también poco probable que la superficie de calcificación esté en contacto directo con el agua de mar. La depositación o disolución inorgánica del esqueleto en áreas expuestas de corales muertos en un fenómeno diferente y está relacionado a los carbonatos. El gran ámbito de resultados de este y otros estudios sobre tasas de calcificación y dióxido de carbono pueden ser explicados en términos de la razón entre las zonas vivas y muertas de los corales.