DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344503
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41911209
تاريخ النشر: 2026-03-30
المؤلف: Amrita Bhaumik وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
تدرس الدراسة آثار تعزيز قلوية المحيطات (OAE) على الأنواع الجيلاتينية من العوالق الحيوانية Oikopleura dioica، المعروفة بدورها الكبير في دورة الكربون من خلال التدفق العمودي. أجريت التجربة على مدى 53 يومًا في مضيق نرويجي معتدل، حيث تعرضت مجتمعات العوالق الطبيعية لمستويات قلوية متغيرة (ΔTA من 0 إلى 600 ميكرومول كجم$^{-1}$) باستخدام معادن السيليكات (الأوليفين) والكالسيوم (الجير المطفأ). أظهرت النتائج أن تجمعات O. dioica أظهرت تباينًا كبيرًا، تأثر بشكل أساسي بتوافر الفرائس بدلاً من مستويات القلوية أو نوع المعدن. من المهم أن الوظائف الفسيولوجية مثل إنتاج المنازل ومعدلات التغذية لم تتأثر بـ OAE، مما يشير إلى أن O. dioica قادرة على التكيف مع ظروف القلوية المختبرة.
تشير النتائج إلى أن عمليات تصدير الكربون التي تتوسطها اليرقات من المحتمل أن تستمر دون عائق تحت سيناريوهات OAE المدروسة. ومع ذلك، تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى أخذ عينات أكثر تكرارًا لفهم أفضل لديناميات المفترس-الفريسة التي قد تؤثر على تجمعات O. dioica. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية مراعاة تفاعلات الشبكة الغذائية عند تقييم الآثار البيئية لـ OAE كاستراتيجية لإزالة ثاني أكسيد الكربون البحري.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الزيادة الكبيرة في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) الناتجة عن الأنشطة البشرية منذ الثورة الصناعية، حيث تمتص المحيطات حوالي 30% من هذه الانبعاثات. أدى هذا الامتصاص إلى تحمض المحيطات، الذي يتميز بانخفاض في درجة حموضة سطح المحيطات بحوالي 0.1 وحدة منذ العصور ما قبل الصناعية، مع توقعات تشير إلى انخفاض إضافي يتراوح بين 0.1-0.3 وحدة بحلول عام 2100 تحت سيناريوهات انبعاثات مختلفة. ظهر تعزيز قلوية المحيطات (OAE) كاستراتيجية محتملة لإزالة ثاني أكسيد الكربون البحري (mCDR) تهدف إلى التخفيف من تحمض المحيطات واستعادة القدرة الطبيعية للمحيط على التوازن. بينما يتم التعرف على OAE من قبل IPCC كنهج قابل للتطبيق لإزالة الكربون، من الضروري تقييم المخاطر البيئية إلى جانب فوائده.
تشمل آلية OAE تسريع التجوية الطبيعية للمعادن لإطلاق الأيونات القلوية، مما يزيد من القلوية الكلية (TA) وي stabilizes درجة الحموضة. تشمل المعادن الرئيسية لـ OAE الأوليفين والمركبات القائمة على الكالسيوم مثل الجير المطفأ، التي تسهل تحويل CO₂ إلى أيونات البيكربونات والكربونات. تسلط الورقة الضوء على الحاجة إلى مزيد من البحث حول آثار OAE على العوالق الحيوانية، وخاصة اليرقات، التي تلعب دورًا حيويًا في الشبكات الغذائية البحرية ودورة الكربون. تهدف الدراسة إلى التحقيق في كيفية تأثير OAE غير المتوازن مع CO₂ على ديناميات تجمعات وأداء الأنواع اليرقية Oikopleura dioica، مع افتراض أنها يمكن أن تتحمل مستويات حموضة مرتفعة مع فحص الآثار غير المباشرة لتوافر الفرائس وضغط الافتراس على تجمعات اليرقات.
الطرق
استخدمت الدراسة تصميمًا تجريبيًا قائمًا على التدرج للتحقيق في آثار تعزيز قلوية المحيطات (OAE) في بيئة متوسطة التغذية في Raunefjord، النرويج، على مدى فترة 53 يومًا من مايو إلى يوليو 2022. تضمنت التجربة خمسة ميسوكوسم، يمثل كل منها مستويات قلوية كلية مختلفة (TA) (0، 150، 300، 450، و600 ميكرومول كجم$^{-1}$)، لتقييم الآثار البيئية للقلوية المتغيرة مع الالتزام بحدود الأمان (ΔTA < 1000 ميكرومول كجم$^{-1}$؛ pH < 9). تم ملء الميسوكوسم بمياه المضيق الطبيعية، مع استبعاد الكائنات الأكبر من 3 مم لتقليل التباين الناتج عن المفترسات الكبيرة، وتم تصميمها للحفاظ على تدرج عمودي وظروف ضوئية نموذجية. تم اختبار استراتيجيتين معتمدتين على المعادن لـ OAE: العلاجات القائمة على الكالسيوم (Ca-based) والعلاجات القائمة على السيليكات (Si-based)، مع تخصيص خمسة ميسوكوسم لكل منها. في اليوم السادس، تم زيادة TA باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، مع إضافة كلوريد الكالسيوم (CaCl$_2$) إلى الميسوكوسم القائمة على الكالسيوم وكلوريد المغنيسيوم (MgCl$_2$) إلى الميسوكوسم القائمة على السيليكات، مما يضمن أن TA هو المتغير الرئيسي. لمواجهة نقص المغذيات في مجتمع العوالق النباتية، تمت إضافة المغذيات الكبرى في اليومين 26 و28. تهدف هذه الدراسة إلى تحديد الحدود الآمنة لتطبيقات OAE مع تقليل الاضطراب البيئي، مع توثيق منهجيات ونتائج مفصلة لمزيد من المرجع.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثير تعزيز قلوية المحيطات غير المتوازن مع CO₂ (OAE) على مجتمع العوالق، مع التركيز على الأنواع الجيلاتينية من العوالق الحيوانية Oikopleura dioica. على مدى تجربة استمرت 53 يومًا مع علاجات ΔTA متغيرة (0 إلى 600 ميكرومول كجم⁻¹) ونوعين من المعادن، برزت O. dioica كنوع مهيمن، مع ملاحظات لتقلبات كثافة كبيرة. بينما زادت كثافات اليرقات بشكل ملحوظ في العلاج القائم على السيليكات خلال المرحلة الثانية، أظهرت التحليلات الإحصائية عدم وجود تأثيرات كبيرة لـ ΔTA أو نوع المعدن على وفرة اليرقات الإجمالية (p > 0.05). اختلفت مساهمة اليرقات في مجتمع العوالق الحيوانية الكلي، مع تفاعل ملحوظ بين ΔTA × نوع المعدن في المرحلة الأولى (p = 0.02)، ولكن لم تُلاحظ أي تأثيرات مستمرة بعد ذلك.
تغير توزيع أحجام مجتمع اليرقات مع مرور الوقت، حيث هيمنت الأحجام المتوسطة في المرحلة الأولى وأصبح الأفراد الصغار أكثر انتشارًا في المرحلة الثانية. على الرغم من هذه الاتجاهات، لم يتم الكشف عن تأثيرات كبيرة لـ ΔTA أو نوع المعدن على فئات الحجم، على الرغم من ملاحظة تفاعل كبير بين ΔTA × نوع المعدن لليرقات الكبيرة في المرحلة الثانية (p = 0.05). أشارت التقييمات الفسيولوجية إلى عدم وجود تأثيرات كبيرة على إنتاج المنازل أو معدلات التغذية عبر العلاجات. لوحظت آثار غير مباشرة، حيث ظلت الكلوروفيل أ مستقرة وأظهرت البيكوبلانكتون وفرة أعلى في العلاجات القائمة على الكالسيوم (p = 0.05). كشفت تحليلات الارتباط عن ارتباط إيجابي ضعيف بين وفرة O. dioica والكلوروفيل أ في المرحلة الأولى، والذي تحول إلى ارتباط سلبي كبير في المرحلة الثانية (r = -0.41، p = 0.008)، مما يشير إلى زيادة ضغط الرعي. من المثير للاهتمام، لوحظت ارتباطات إيجابية بين اليرقات ووفرة المفترسات في المرحلة الثانية (r = 0.52، p = 0.001)، مما يشير إلى استجابة مشتركة لتوافر الموارد بدلاً من تأثير وساطة المفترس.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على قدرة اليرقات Oikopleura dioica على التكيف مع تعزيز قلوية المحيطات (OAE) تحت ظروف غير متوازنة مع CO₂، مما يظهر كثافات سكانية مستقرة ووظائف فسيولوجية مثل إنتاج المنازل وإزالة الفرائس عبر تدرج ΔTA يصل إلى 600 ميكرومول كجم⁻¹ (ΔpH 0.7). على الرغم من التباين الزمني، لم تُلاحظ أي تأثيرات متسقة لتعزيز القلوية، على الرغم من أن التفاعلات العابرة بين ΔTA ونوع المعدن أثرت على توزيعات أحجام اليرقات. تؤكد الدراسة أنه بينما حافظت O. dioica على وظائف رئيسية تحت درجة حموضة مرتفعة (8.1-8.7)، قد تكون الآثار غير المباشرة من خلال تفاعلات الشبكة الغذائية، وخاصة التحولات في توافر الفرائس وديناميات المفترس، قد شكلت الأنماط السكانية الملاحظة.
تشير النتائج إلى أن ديناميات تجمعات O. dioica كانت مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالتغيرات في وفرة البيكوبلانكتون، التي اختلفت مع العلاجات المعدنية. من الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن وفرة اليرقات زادت استجابةً لإثراء المغذيات، مما يشير إلى استجابة متعلقة بالغذاء بدلاً من تأثيرات فسيولوجية مباشرة لارتفاع درجة الحموضة. تؤكد الأبحاث على أهمية مراعاة كل من التأثيرات الكيميائية المباشرة والمسارات البيئية غير المباشرة عند تقييم آثار OAE. يدعو المؤلفون إلى دراسات مستقبلية لتحديد المساحات الآمنة لتشغيل OAE من خلال استكشاف مصادر جزيئية متنوعة، والديناميات الموسمية، وتفاعلات المفترس-الفريسة، مما يساهم في فهم أفضل لتوافق OAE مع النظم البيئية البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344503
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41911209
Publication Date: 2026-03-30
Author(s): Amrita Bhaumik et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
The study investigates the effects of ocean alkalinity enhancement (OAE) on the gelatinous zooplankton species Oikopleura dioica, known for its significant role in carbon cycling through vertical flux. Conducted over 53 days in a temperate Norwegian fjord, the mesocosm experiment exposed natural plankton communities to varying alkalinity levels (ΔTA from 0 to 600 μmol kg$^{-1}$) using silicate (olivine) and calcium (slaked lime) minerals. The results indicated that O. dioica populations exhibited substantial variability, primarily influenced by prey availability rather than alkalinity levels or mineral type. Importantly, physiological functions such as house production and feeding rates remained unaffected by OAE, suggesting that O. dioica is resilient to the tested alkalinity conditions.
The findings imply that larvacean-mediated carbon export processes are likely to continue without impairment under the examined OAE scenarios. However, the study highlights the need for more frequent sampling to better understand the predator-prey dynamics that may influence O. dioica populations. Overall, the research underscores the importance of considering food-web interactions in evaluating the ecological implications of OAE as a marine carbon dioxide removal strategy.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant rise in anthropogenic carbon dioxide (CO₂) emissions since the Industrial Revolution, with the oceans absorbing approximately 30% of these emissions. This uptake has led to ocean acidification, characterized by a decrease in surface ocean pH by about 0.1 units since pre-industrial times, with projections indicating a further decline of 0.1-0.3 units by 2100 under various emission scenarios. Ocean alkalinity enhancement (OAE) has emerged as a potential marine carbon dioxide removal (mCDR) strategy aimed at mitigating ocean acidification and restoring the ocean’s natural buffering capacity. While OAE is recognized by the IPCC as a viable CDR approach, it is crucial to assess its ecological risks alongside its benefits.
The mechanism of OAE involves accelerating the natural weathering of minerals to release alkaline ions, thereby increasing total alkalinity (TA) and stabilizing pH. Key minerals for OAE include olivine and calcium-based compounds like slaked lime, which facilitate the conversion of CO₂ into bicarbonate and carbonate ions. The paper highlights the need for further research on the effects of OAE on zooplankton, particularly larvaceans, which play a vital role in marine food webs and carbon cycling. The study aims to investigate how non-CO₂-equilibrated OAE affects the population dynamics and physiological performance of the larvacean species Oikopleura dioica, hypothesizing that it can tolerate increased pH levels while also examining the indirect effects of prey availability and predation pressure on larvacean populations.
Methods
The study employed a gradient-based experimental design to investigate the effects of ocean alkalinity enhancement (OAE) in a mesotrophic environment at Raunefjord, Norway, over a 53-day period from May to July 2022. The experiment involved five mesocosms, each representing different total alkalinity (TA) levels (0, 150, 300, 450, and 600 µmol kg$^{-1}$), to assess the ecological impacts of varying alkalinity while adhering to safety thresholds (ΔTA < 1000 µmol kg$^{-1}$; pH < 9). The mesocosms were filled with natural fjord water, excluding organisms larger than 3 mm to minimize variability from large predators, and were designed to maintain typical vertical stratification and light conditions. Two mineral-based OAE strategies were tested: calcium-based (Ca-based) and silicate-based (Si-based) treatments, with five mesocosms assigned to each. On day 6, TA was increased using sodium hydroxide (NaOH), with calcium chloride (CaCl$_2$) added to Ca-based mesocosms and magnesium chloride (MgCl$_2$) to Si-based mesocosms, ensuring that TA was the primary variable. To counteract nutrient limitation in the phytoplankton community, macronutrients were added on days 26 and 28. This study aims to identify safe thresholds for OAE applications while minimizing ecological disruption, with detailed methodologies and results documented for further reference.
Results
In this study, the impact of non-CO₂-equilibrated ocean alkalinity enhancement (OAE) on the plankton community was investigated, focusing on the gelatinous zooplankton species Oikopleura dioica. Over a 53-day experiment with varying ΔTA treatments (0 to 600 µmol kg⁻¹) and two mineral types, O. dioica emerged as the dominant species, with significant density fluctuations observed. While larvacean densities increased notably in the Si-based treatment during Phase II, statistical analyses revealed no significant effects of ΔTA or mineral type on overall larvacean abundance (p > 0.05). The contribution of larvaceans to the total zooplankton community varied, with a notable ΔTA × mineral interaction in Phase I (p = 0.02), but no persistent effects were observed thereafter.
The size distribution of the larvacean community shifted over time, with intermediate sizes dominating in Phase I and small individuals becoming more prevalent in Phase II. Despite these trends, no significant effects of ΔTA or mineral type were detected on size classes, although a significant ΔTA × mineral interaction was noted for large larvaceans in Phase II (p = 0.05). Physiological assessments indicated no significant impacts on house production or feeding rates across treatments. Indirect effects were observed, with chlorophyll a remaining stable and picoplankton showing higher abundances in Ca-based treatments (p = 0.05). Correlation analyses revealed a weak positive correlation between O. dioica abundance and chlorophyll a in Phase I, which shifted to a significant negative correlation in Phase II (r = -0.41, p = 0.008), indicating increased grazing pressure. Interestingly, positive correlations between larvaceans and predator abundances were observed in Phase II (r = 0.52, p = 0.001), suggesting a shared response to resource availability rather than a predator-mediated effect.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the resilience of the larvacean Oikopleura dioica to ocean alkalinity enhancement (OAE) under non-CO₂-equilibrated conditions, demonstrating stable population densities and physiological functions such as house production and prey clearance across a ΔTA gradient of up to 600 µmol kg⁻¹ (ΔpH 0.7). Despite temporal variability, no consistent effects of alkalinity enhancement were observed, although transient interactions between ΔTA and mineral type influenced larvacean size distributions. The study emphasizes that while O. dioica maintained key functions under elevated pH (8.1-8.7), potential indirect effects through food-web interactions, particularly shifts in prey availability and predator dynamics, may have shaped observed population patterns.
The findings indicate that O. dioica’s population dynamics were closely linked to changes in picoplankton abundance, which varied with mineral treatments. Notably, the study found that larvacean abundance increased in response to nutrient enrichment, suggesting a food-mediated response rather than direct physiological effects of elevated pH. The research underscores the importance of considering both direct chemical impacts and indirect ecological pathways when evaluating the effects of OAE. The authors advocate for future studies to refine safe-operating spaces for OAE by exploring various particulate sources, seasonal dynamics, and predator-prey interactions, ultimately contributing to a better understanding of OAE’s compatibility with marine ecosystems.