Preliminary results with a torsion microbalance indicate that carbon dioxide and exposed
carbonic anhydrase in the organic matrix are the basis of calcification on the skeleton surface
of living corals
Ian M. Sandeman
ABSTRACT
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, temperature controlled, 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.
RESUMEN
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.