Ocean Acidification ResearchChallenges and Data Gaps

Justin B. Ries

MIT Sea Grant OA Workshop ‐ 23 January 2015

3 main areas(1) Sensor development

(2) Characterizing the carbonate chemistry of coastal seas

(3) Impacts of ocean acidification on marine organisms

1. Sensor Development

1A. Autonomous sensor development

SAMI‐CO2 (DIC)

Byrne et al., 2009

‐logging TA/DIC/pH/sal/temp

*spectrophotometric observation of Pb2+ ion complexation with CO32‐

Byrne, 2010

1B. Development of a direct CO32‐ sensor

CORAL SKELETON

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3‐ + H+

CO2

Ries, 2011, Nature Climate Change

H+

Ca2+ + CO32‐

CORAL POLYP

DISSOLUTION

1C. Miniaturization of sensors for calcifying fluids chemistry

CORAL SKELETON

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3‐ + H+

CO2

Ries, 2011, Nature Climate Change

H+

Ca2+ + CO32‐

CORAL POLYP

CALCIFYING FLUID

DISSOLUTION

H+?Ca2+

Mg2+CO32‐

1C. Miniaturization of sensors for calcifying fluids chemistry

Ries, 2011, Geochimica Cosmochimica Acta

1C. Miniaturization of sensors for calcifying fluids chemistry

CORAL SKELETON

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3‐ + H+

CO2

Ries, 2011, Nature Climate Change

H+

Ca2+ + CO32‐

CORAL POLYP

DISSOLUTION

H+

Ca2+ H+Proton‐pumpCALCIFYING FLUID

Ries, 2011, Geochimica Cosmochimica Acta

Shel

l gro

wth

Positive

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

Parabolic

Shel

l gro

wth

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

Negative

Shel

l gro

wth

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

Ries, Cohen and McCorkle, 2009, Geology

Positive

Shel

l gro

wth

Parabolic

Shel

l gro

wth

Shel

l gro

wth

Negative

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

INCREASING OCEAN ACIDIFICATIONRies et al., 2009

2. Carbonate chemistry   of coastal seas

Wal

dbus

sere

t al.,

201

1

2A. Long term monitoring needed to establish high‐quality records of carbonate chemistry in critical coastal seas 

Hof

fman

et a

l., 2

011

Days

Miller et al., 2009

2B. Short‐term, high‐spatial resolution monitoring needed to establish baseline spatial variability in carbonate system parameters

Pelejero et al., 2005

2C. Reconstruction of past pH change in coastal seas

Flinders Reef, Australia

3. Biological Impacts

(Riebesell and Gattuso, 2015, Nat Clim Change)Lessons learned from ocean acidification research

3A. Impacts above species level

Mercenaria mercenaria(quahog)

R2 = 0.76-0.04%-0.03%-0.02%-0.01%0.00%0.01%0.02%0.03%0.04%

0 1 2 3

Prey

Ries et al., 2009, Geology

Callinectes sapidus (crab)

R2 = 0.400%2%4%6%8%

10%12%14%16%18%

0 1 2 3

Cal

cific

atio

n ra

te (w

t-% p

er d

ay)

Ωaragonite

Predator

Ωaragonite

3A. Impacts above species level

Hall‐Spencer et al., 2008

3B. Field‐based experiments exploiting natural pH gradients

Shel

l gro

wth

high‐CO2

Normal CO2High CO2

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

DISSOLUTION

normal‐CO2

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

Rie

set

al.,

200

9, G

eolo

gy

3C. Impacts of OA on shell macrostructure

pCO2 = 2850 ppm

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

Low CO2High CO2

high‐CO2

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

normal‐CO2

Shel

l gro

wth

3C. Impacts of OA on shell macrostructure

High CO2

INCREASING OCEAN ACIDIFICATION

Shel

l gro

wth

pCO2 = 2850 ppm pCO2 = 400 ppm

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

high‐CO2 normal‐CO2

normal‐CO23C. Impacts of OA on shell ultrastructure

Ωaragonite

Cal

cific

atio

n ra

te (w

t-% p

er 6

0 da

y)

Calcification Rates

pCO2 = 2850 ppm pCO2 = 400 ppm

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

high‐CO2 normal‐CO2

normal‐CO2high‐CO2

3C. Impacts of OA on shell ultrastructure

3C. Impacts of OA shell mineralogy

Ries, 2011

Ries, 2010, AGU

3C. Impacts of OA shell strength

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3

Load

at F

ract

ure

(New

tons

)

ΩAragoniteRies, 2010, AGU

3C. Impacts of OA shell strength

3D. Impacts of OA combined with other stressors(additive, mitigative, or synergistic?)

Courtney, Ries, et al., 2013Echinometra viridis

Harvey et al., 2013

OA WarmingOA + 

Warming

OA WarmingOA + 

Warming

3E. Genomic response to OA(up/down‐regulation, evolutionary responses)

Castillo, Ries, et al., 2012

Forereef corals

Backreef coralsForereef corals Nearshore corals

3F. Impacts of OA on critical life stages

Adult limpets (Crepidula fornicata) Ries et al., 2009

ΩA

Calcificatio

n rate              

(%‐change/60

‐day)

3F. Impacts of OA on critical life stages

Larval limpets (Crepidula fornicata)

pCO2 = 2850 ppm pCO2 = 400 ppm

Pechenik & Ries, in prep

Summary1. Sensor development

A. Autonomous sensor development ‐‐ TA/DIC/pH/salinity/temperatureB. Development of a direct CO3

2‐ sensorC. Miniaturization of micro‐sensors for in situ measurement of calcifying fluid chemistry

(Mg2+, Ca2+, Cl‐, CO2‐, H+, CO32‐)

2. Characterizing the carbonate chemistry of coastal seasA. Most calcifiers live in coastal seas (estuaries, shelf, reefs)B. Coastal seas have unique carbonate chemistries that differ from the open oceanC. Long term monitoring is needed to establish high‐quality records at critical sites going 

forward D. Short‐term, high‐spatial resolution monitoring is needed across wide areas to establish 

baseline spatial variability in carbonate system parametersE. Reconstruction of paleo‐chemistry of coastal seas from long‐lived marine calcifiers (corals, coralline red algae, calcareous planktonic sediments‐forams, coccolithophores)

3. Biological impacts of ocean acidificationA. Impacts of OA above species level (predator‐prey dynamics, ecosystem‐impacts)B. Field‐based experiments exploiting impact of natural pH gradients on organismsC. Impact of OA on shell properties (macrostructure, ultrastructure, mineralogy, strength)

D. Impacts of combined stressors (OA, temperature, hypoxia, eutrophication)E. Genomic response to OA (up/down regulation of genes, evolutionary responses) F.  Impacts of OA on critical life stages (larvae, juveniles)

Thank you