Het Zeeaquarium: Het rif als kalkreactor?

Geschreven door Tim Wijgerde | Afdrukken

Het rif als kalkreactor?

Klimaatverandering is tegenwoordig een populair discussie-onderwerp, wat steeds meer aandacht krijgt in de media. Iedereen heeft er tegenwoordig wel een mening over. De kwestie blijft gevoelig, vooral omdat nog steeds niet duidelijk is in hoeverre de mens hieraan bijdraagt. Verder hebben ijsboringen en andere geobiologische methoden aangetoond dat onze aarde vaker klimaatveranderingen heeft ondergaan¹, wat gepaard ging met een verhoogde gemiddelde temperatuur en atmosferische CO₂ concentratie. Bekend is dat hoge watertemperaturen in de zomer voor bleking van de koraalriffen kunnen zorgen. Dat een verhoogde CO₂concentratie een net zo grote bedreiging vormt, is minder bekend.

Het CO₂ evenwicht

De huidige CO₂concentratie is ongeveer 385 ppm (fig.1), hoewel deze waarde continu schommelt. Deze schommeling is te verklaren door het feit dat het merendeel van de aardse vegetatie zich op het noordelijk halfrond bevindt. Hierdoor vindt tijdens de zomer op het noordelijk halfrond meer totale fotosynthese plaats dan wanneer het zomer zou zijn op het zuidelijk halfrond. Tijdens onze winter wordt dus minder CO₂vastgelegd, waardoor de concentratie in het najaar stijgt (fig.1).

                                       Fig.1: Gemiddelde maandelijkse CO₂concentraties in ppm, gemeten op het Mauna Loa observatorium te Hawaii op 3400m hoogte.
                                       De cycli welke te zien zijn worden veroorzaakt door de afwisseling tussen zomer en winter op het noordelijk halfrond
                                        (www.esrl.noaa.gov, modificatie).

Ook in de zee schommelt de CO₂waarde, aangezien er continu gasuitwisseling plaatsvindt tussen water en lucht. Wanneer de concentratie in de atmosfeer stijgt, gebeurt dit ook in de zee. Het is zelfs zo dat de oceanen op aarde het broeikaseffect maskeren door deze overvloedige opname. Zeewater is een natuurlijke buffer, in de zin dat het een oplossing is welke zich kan verzetten tegen verzuring. Dit vermogen wordt uitgedrukt in alkaliniteit. Deze alkaliniteit wordt grotendeels gevormd door bicarbonaationen. Wanneer CO₂oplost, onstaat een chemisch evenwicht wat hieronder als volgt is weergegeven:

CO₂vormt dus alkaliniteit, maar draagt tegelijkertijd bij aan de verzuring van het zeewater, waarbij alkaliniteit weer wordt verbruikt. Dit neutrale effect van CO₂ wordt ook wel de wet van behoud van alkaliniteit genoemd².

De verzuring van de oceanen

Hoewel de CO₂-uitstoot de geen nadelige invloed heeft op de alkaliniteit van de oceanen, zorgt deze wel voor verzuring. Deze verzuring is de afgelopen jaren gemeten (fig.2), en hieruit is gebleken dat de gemiddelde pH-waarde van de zeeën daalt³.

Fig.2: Relatie tussen de atmosferische [CO₂] en de pH van de Atlantische oceaan op diverse breedtegraden op aarde,
op verschillende tijdstippen. Preind.:Preindustriële periode, S: gunstige prognose, I: worst-case scenario (gemodificeerd uit Orr et al, Nature, 2005).

De pH in de oceanen is de laatste 300 miljoen jaar niet lager geweest dan 7.6³, en bepaalde modellen voorspellen dat als de verbranding van fossiele brandstoffen doorzet dat deze zelfs lager kan worden dan 7.6¹⁰. Wel moet gezegd worden dat dit een lange-termijn voorspelling is, waarbij van het worst-case scenario is uitgegaan. In ieder geval is de daling van de oceanische pH nu al te meten; in tropische wateren is deze nu 0.1 lager vergeleken met de pre-industriële periode³.

De gevolgen

De toename van de oceanische CO₂-concentratie zal niet ongestraft verlopen; vele organismen zullen hier nadeel van ondervinden. Hoe komt dit? Mariene organismen hebben zich in de loop van de evolutie aangepast aan de natuurlijke waterwaarden, zoals temperatuur en de concentraties van talloze elementen. Zij hebben zich niet alleen aangepast, zij zijn hiervan zelfs afhankelijk geworden. Veel organismen bouwen hun skelet op doordat zij bepaalde elementen zoals calcium (in de vorm van Ca²⁺ ionen) en bicarbonaat uit het zeewater onttrekken. Hiertoe behoren coccolithoporen (een vorm van fytoplankton), koralen, foraminiferen (ééncellige diertjes), de echinodermata (stekelhuidigen), schaaldieren en weekdieren. Hun skeletten bestaan voornamelijk uit aragoniet (en in mindere mate calciet), dit is het mineraal CaCO₃ (calciumcarbonaat) met een specifieke kristalstructuur.

Het probleem wat zich in de nabije toekomst zal openbaren, is chemisch van aard. Bij een verlaagde pH neemt de verzadiging van carbonaationen (CO₃^2-) af. Normaal gesproken is zeewater verzadigd met deze ionen. Dit is de reden waarom een koraalskelet, hetzij in het aquarium of in een kalkreactor, niet oplost. Pas bij voldoende verlaging van de pH verschuift bovenstaand CO₂evenwicht, en zijn er minder carbonaationen in oplossing. Dit leidt tot het oplossen van calciumcarbonaat (CaCO₃). Dit is de manier waarop een kalkreactor werkt. Wanneer de pH van het zeewater te ver daalt zal het aragoniet (of calciet) oplossen, waardoor het skelet niet meer opgebouwd kan worden. Het mag duidelijk zijn dat een negatieve invloed op de groei van deze organismen grote gevolgen kan hebben voor de ecosystemen in de oceanen.

- fytoplankton

De term fytoplankton (phyton, Gr.: plant, planktos, Gr.: zwerver)⁴ is een verzamelnaam voor veel organismen. Het bestaat uit o.a. ééncellige algjes zoals dinoflagellaten en diatomeeën, en cyanobacteriën. In deze organismen vindt fotosynthese plaats, wat leidt tot de fixatie van CO₂ in de vorm van suikers⁵. Een significant gedeelte van het fytoplankton wordt niet gegeten, maar zinkt naar de diepzee. De zeeën vormen dan ook één van de grootste “sinks” (opslag) van koolstof op aarde. Ook dit heeft de CO₂-uitstoot deels gemaskeerd.

Een groep organismen behorende tot het fytoplankton, de coccolithoporen (phylum: haplophyta), maken een exoskelet van schijfjes calciet (coccolieten). Een belangrijk lid van deze groep is Emiliana huxleyi (fig.3).

Fig.3: Links:electronenmicroscopische foto van Emiliana huxleyi (www.marinebiology. edu). Goed te zien zijn de plaatjes calciet welke het skelet van de alg vormen. Rechts: Onder bepaalde omstandigheden vormt E. huxleyi enorme bloeiwolken, welke te zien zijn met satellieten. Dit wordt mede veroorzaakt vanwege het reflecterende karakter van calciet © NASA.

E. huxleyi speelt een belangrijke rol in het mariene ecosysteem. Samen met de rest van het fytoplankton staat het aan de basis van de voedselketen in de zee. Wanneer dit organisme zich niet meer kan handhaven bij een lagere pH, dan zal dit de populatie van diverse soorten zoöplankton en hogere dieren negatief beinvloeden.

Een positief punt volgens onderzoekers is dat een afname van de netto calcificatie zal zorgen voor een negatieve terugkoppeling van de CO₂-uitstoot. Calcificatie zorgt immers voor CO₂ productie (het omgekeerde vindt plaats in een kalkreactor, waarbij juist CO₂wordt toegevoegd om koraal op te lossen). De vraag is natuurlijk wat de oceanen hieraan hebben; de schade is immers al toegebracht.

- het koraalrif

De koraalriffen zelf worden helaas ook bedreigd door een dalende pH. De grote vraag is; welke waarde is nu kritisch te noemen? Deze blijkt te liggen rond de 7.4 – 7.6⁶. Recentelijk zijn experimenten uitgevoerd met het Mediterrane koraal Oculina patagonica. Hieruit dat blijkt dat rifbouwende steenkoralen bij een gemiddelde pH van 7.4 vrij snel oplossen. Binnen 4 maanden loste 75% van het skelet op. De netto calcificatie was dus negatief, omdat er meer aragoniet oploste dan dat er werd gefixeerd. Na blootstelling aan normaal zeewater met een pH van 8.0 – 8.3 was duidelijk te zien dat O. patagonica zich herstelde (fig.4, C).

Fig.4: Oculina patagonica, de witzwarte balken geven 2 mm aan. A: controlekolonie.
B: solitaire poliepen, ontstaan na enkele maanden blootstelling aan zeewater met een gemiddelde pH van 7.4.
C Herstel door calcificatie van de kolonie na blootstelling aan normaal zeewater.
D: Tijdserie waarbij de procentuele verandering in proteïne/poliep en totaalgewicht van de kolonie is weergegeven.
Duidelijk is te zien dat bij een pH van 7.4 75% van het skelet verdwijnt, en dat binnen 4 maanden (gemodificeerd uit Fine et al, Science, 2006).

Intrigerend is dat de oceanen op aarde vaker deze omstandigheden hebben gekend, en dat de riffen hieraan blootgesteld zijn geweest. De huidige inzichten tonen namelijk aan dat koralen reeds voor het Perm, 300 miljoen jaar geleden, zijn ontstaan⁷(hermatypische steenkoralen verschenen voor het eerst tijdens het Trias). Dit wordt door geologisch onderzoek bevestigd. Er zijn zogenaamde “reef gaps” gevonden; lagen in de aardbodem waar gefossiliseerd koraal ontbreekt⁸. Deze feiten hebben geleid tot de hypothese dat koralen in het verleden tijdelijk zijn overgegaan van een fossiliserende, harde vorm, naar een zachte vorm^8,9. Deze theorie wordt ondersteund door bovenstaand experiment.

Hoewel het koraal op de foto nog niet compleet is geregenereerd, geven deze inzichten hoop voor de toekomst. Volgens schattingen zal de CO₂concentratiezich moeten verdriedubbelen (1000 ppm) voordat de situatie in dit experiment werkelijkheid wordt¹⁰ (pH-daling van 0.6 eenheden). Als de huidige CO₂uitstoot doorzet, zal dit pas over 150 jaar worden bereikt¹⁰ (dit is niet terug te zien in fig.2, aangezien de grafiek slechts tot het jaar 2100 loopt). Het feit blijft echter dat het moeilijk is voorspellingen te doen, omdat nog niet duidelijk is in hoeverre maatregelen met betrekking tot het energievraagstuk zullen worden gerealiseerd.

De toekomst

In het licht van de huidige klimaatveranderingen op aarde rijst de vraag; hoe ziet onze wereld er over 100 jaar, of zelfs 1000 jaar uit? Zal de menselijke populatie op aarde stabiliseren, en zullen voldoende maatregelen door politiek en burger genomen worden? Dat het leven op aarde, en dus ook de koraalriffen, vaker radicale veranderingen gezien heeft is duidelijk. De vraag is ook of het tempo waarmee de huidige veranderingen plaatsvinden voldoende ruimte laat voor de natuur om zich aan te passen. De komende eeuwen zullen de oceanen mogelijk meer verzuring ondervinden dan in de afgelopen 300 miljoen jaar⁹(met mogelijke uitzonderingen zoals bij meteorietinslagen en vulkaanuitbarstingen^1,10), zeker zolang men de fossiele brandstoffen in hoog tempo blijft verbranden.

Zelfs al zijn veel soorten koraal in staat zich aan te passen zijn de mogelijke gevolgen desaustreus. Het verdwijnen van koraalskeletten zal de riffen doen instorten en oplossen. Hiermee verdwijnen veel ecologische niches; verblijfplaats van talloze ongewervelden en vissen. Ook zullen diverse landen problemen ondervinden; niet alleen verdwijnen natuurlijke barrières zoals bij noord-oost Australië, ook zal het ecotourisme een harde klap toegebracht worden in landen zoals Indonesië en de Filippijnen.

De politieke maatregelen die zijn genomen, zoals het Kyoto-protocol, en de wetenschappelijke resultaten en rapporten zoals die van het IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), zullen hopelijk voldoende zijn om het tij te keren. Het bewustzijn onder de bevolking ten aanzien van klimaatverandering stijgt. De gunstige prognosen geven aan dat als de verbranding van fossiele brandstoffen een halt wordt toegeroepen de CO₂ concentratie en het klimaat op aarde kunnen worden gestabiliseerd. En daarmee heeft het leven in zee weer een toekomst.

Literatuurlijst

1. Crowley TJ, Berner RA, Paleoclimate, CO₂and climate change, Science, 2001, pp 870-872(5518)

2. Holmes-Farley R, Chemistry and the aquarium, Advanced Aquarist’s Online Magazine, 2002

3. Orr JC et al, Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms, Nature, 2005, pp 681-686(437)

4. Thurman, HV, Introductory Oceanography, New Jersey, USA: Prentice Hall College, 1997

5. Wijgerde T, Nieuwe inzichten in koraalbleking, Het Zeeaquarium, 2007, pp 40-45(5)

6. Fine M, Tchernov D, Scleractinian coral species survive and recover from decalcification, Science, 2006, pp 1811(315)

7. Romano SL, Palumbi SR, Molecular evolution of a portion of the mitochondrial 16S ribosomal gene region in scleractinian corals, Journal of Molecular Evolution, 1997, pp 387-411(4)

8. Stanley GD, Eartch Sci. Rev., 2003, pp (60)

9. Stanley GD, Fautin GD, Science, 2001, pp (271)

10. Caldeira K, Wickett ME, Anthropogenic carbon and ocean pH, Nature, 2003, pp 365(425)

11. Beerling DJ, Berner RA, Biogeochemical constraints on the Triassic- Jurassic boundary carbon cycle event, Global Biogeochem. Cycles, 2002, pp 101-113(16)

Portaalsite voor de échte zeeaquariaan

Zoeken op de site

Sponsors

Woordenboek

Partners