Onderzoekers van het NIOZ (het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee) en JAMSTEC (Japanese Agency for Marine-earth Science and Technology) vonden in hun experimenten dat zogeheten foraminiferen in zuurder water mogelijk juist makkelijker kalk aanmaken voor hun schelpvorming. Foraminiferen zijn eencellige schelpdiertjes die in groten getale voorkomen in de oceanen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Sinds 1750 is de zuurgraad van de oceaan gestegen met 30%. Volgens de gangbare theorie, en bijbehorende experimenten met kalkhoudende algen en schelpdieren, lost kalk (calciumcarbonaat) in zuurder water eerder op. De vorming van kalk door schelpdieren en steenkoralen verloopt dan moeilijker doordat er onder zuurdere omstandigheden minder carbonaat aanwezig is. Het carbonaat-ion staat via twee chemische evenwichtsreacties direct in verbinding met opgelost kooldioxide.

Zelfregulerende biochemische goocheltruc
De klassieke theorie gaat uit van uitsluitend chemische processen waarbij de zuurgraad van het water bepalend is voor de snelheid waarmee kalk wordt aangemaakt. NIOZ-onderzoeker en gedeeld eerste auteur Lennart de Nooijer: “In onze experimenten bleken foraminiferen in staat om de zuurgraad op micro-niveau zelf te reguleren. Op de plaatsen waar schelpvorming plaatsvond, was de zuurgraad zelfs flink lager dan in het omringende zeewater. Foraminiferen scheiden bij kalkvorming via hun celwand grote hoeveelheden waterstof-ionen uit. Dit leidt tot verzuring van hun directe omgeving waardoor het evenwicht tussen kooldioxide en carbonaat verschuift ten gunste van kooldioxide. De organismen nemen de toegenomen concentratie kooldioxide snel door hun celwand op. Aan de binnenzijde van de celwand heerst juist een lage zuurgraad, waardoor de binnengekomen kooldioxide daar weer wordt omgezet in carbonaat, dat dan ter plekke samen met calcium wordt afgezet als kalk. Zo’n actief biochemisch regulatiemechanisme is nog nooit gevonden.”

Dragen zelfregulerende ééncelligen bij aan opwarming van de aarde?
De oppervlaktelaag van de oceaan is in evenwicht met de atmosfeer. Meer kooldioxide in de lucht leidt dus ook tot meer opgelost kooldioxide aan het oppervlak van de oceaan. “Deze vondst kan belangrijke gevolgen hebben voor de verhouding tussen kooldioxidegehalten in de lucht en de vorming van kalkhoudende structuren door organismen” zegt co-auteur Professor Gert-Jan Reichart. “Als de klassieke hypothese stand houdt en meer kooldioxide leidt tot minder kalkproductie, dan kunnen de oceanen CO₂ blijven opnemen uit de atmosfeer. Maar als de meerderheid van organismen zelf de chemische vorm van hun anorganisch koolstof kan reguleren door biochemische processen en zo ook in een zuurdere oceaan kalkstructuren kan blijven vormen, dan kan de concentratie van opgelost kooldioxide in de oceanen na verloop van tijd gaan toenemen. In dat geval kunnen de oceanen steeds minder kooldioxide uit de atmosfeer opnemen. Hierdoor zouden de gehalten in de lucht sneller dan nu gaan stijgen, met mogelijk een snellere opwarming als gevolg.”

Bijschrift figuur: Microscopische foto's van foraminiferen. Links: Een foraminifeer met een schelp met 4 kamers, waarvan er eentje leeg is. Rechts: Foto van de inhoud van een foraminifeer. De groen gekleurde inhoud bestaat uit zeewater met een indicator die aantoont dat de zuurgraad is veranderd.
 

Unexpected result: Ocean acidification can promote shell formation

Fact: More carbon dioxide (CO₂) in the air also acidifies the oceans. It seemed to be the logical conclusion that shellfish and corals will suffer, because chalk formation becomes more difficult in more acidic seawater. But now a group of Dutch and Japanese scientists discovered to their own surprise that some tiny unicellular shellfish make better shells in an acidic environment. This is a completely new insight.

Researchers from the NIOZ (Royal Dutch Institute for Sea Research) and JAMSTEC (Japanese Agency for Marine-Earth Science and Technology) found in their experiments that so-called foraminifera might even make their shells better in more acidic water. These single-celled foraminifera shellfish occur in huge numbers in the oceans. The results of the study are published in the leading scientific journal ‘Nature Communications’.

Since 1750 the acidity of the ocean has increased by 30%. According to the prevailing theory and related experiments with calcareous algae and shellfish, limestone (calcium carbonate) dissolves more easily in acidic water. The formation of lime by shellfish and corals is more difficult because less carbonate is available under acidic conditions. The carbonate-ion relates directly to dissolved carbon dioxide via two chemical equilibrium reactions.

Self-regulating biochemical magic trick
The classical theory is based on purely chemical processes by which the rate at which lime is created is determined entirely by the acidity of the water. NIOZ researcher and shared first author Lennart de Nooijer: "In our experiments the foraminifera were regulating the acidity at the micro level. In the places where shell formation occurs, the acidity was substantially lower than in the surrounding seawater. Foraminifera expel large amounts of hydrogen ions through their cell wall. This leads to acidification of their immediate micro-environment causing the equilibrium between carbon dioxide and carbonate to change in favour of carbon dioxide. The organism take up the increased concentration of carbon dioxide quickly through its cell wall. On the inner side of the cell wall, a low acidity prevails due to the massive excretion of protons. Under these conditions the ingested carbon dioxide is again converted to carbonate, which reacts with calcium to form lime. Such an active biochemical regulation mechanism has never been found before."

Can self-regulating single-celled organisms lead to a more rapid global warming?
The surface layer of the ocean is in equilibrium with the atmosphere. Therefore, more carbon dioxide in the air also leads to more dissolved carbon dioxide in the ocean’s surface . "This finding may have important implications for the relationship between carbon dioxide levels in the air and the formation of calcareous structures by organisms," says co-author Professor Gert-Jan Reichart. "If the classic hypothesis holds and more carbon dioxide leads to less lime production, the oceans can continue to take up CO₂ from the atmosphere. But what if the majority of the organisms can regulate the chemical form of their inorganic carbon by biochemical processes like our foraminifers did, and continue to form lime structures in a more acidic ocean? Over time,  the concentration of dissolved carbon dioxide in the oceans may start to increase. Consequently, the ability of the oceans to take up a large part of the carbon dioxide  in the air may start to decrease. This would mean that more carbon dioxide would remain in the air, leading to a more rapid warming of our planet."

Legend to figures: Microscopic pictures of individual foraminifers. Left: A foraminifer with a shell containing four chambers of which one is empty. Also note the spines. Right: Picture of the interior of a foraminifer. The green colour is caused by seawater with an indicator showing that the acidity has changed. The actual size of the foraminifer is about 0.25 millimeter.

More information

Bibliography of article:
Toyofuku, T., M.Y. Matsuo, L.J. de Nooijer, Y. Nagai, S. Kawada, K. Fujita, G.-J. Reichart, H. Nomaki, M. Tsuchiya, H. Sakaguchi & H. Kitazato (2017). Proton pumping accompanies calcification in foraminifera. Nature Communications. DOI:10.1038/ncomms14145

Scientific contact persons:
Lennart de Nooijer, Gert-Jan Reichart

Communication contact:
Jan Boon (also for pictures in high resolution)