Using calcein-filled osmotic pumps to study the calcification response of benthic foraminifera to induced hypoxia under in situ conditions : an experimental approach

Abstract (Swedish)

Bentiska foraminiferer används i stor utsträckning för miljöövervakning, t ex i kontext med syrebrist i kustnära vatten, vilket är det snabbast växande och mest allvarliga hotet mot marina ekosystem. Ett flertal studier har visat att många foraminiferarter har förmåga till överlevnad, förökning och biomineralisering under förhållanden med syrebrist (hypoxi) och till och med under helt syrefria förhållanden (anoxi). Reaktionen på dessa förhållanden är artspecifika, till exempel sänkt ämnesomsättning, lagring av nitrat för att understödja anaerob metabolism och vertikal förflyttning i sedimenten. Här visar vi för första gången att osmotiska pumpar kan användas för att dispensera den fluorescerande kalcitmarkören kalcein i orörda marina sediment med syfte att analysera hur biomineraliseringen hos kalkskalsbildande foraminiferer påverkas av olika syreförhållanden. I denna studie använde vi osmotiska pumpar för att tillföra en 100 mg/l lösning av kalcein till marina sedimentkärnor, som togs från Gullmarn, vari bentiska foraminiferer odlades under normalt syresatta och hypoxi in situ-förhållanden under ~3,5 månader. Medeltemperaturen i havsvattnet överliggande sedimenten var 8°C och den genomsnittliga salthalten var 32,6. De osmotiska pumpar, som hade en beräknad flödeshastighet av ~1 μl/h, fylldes med 2 ml av kalceinlösningen och placerades sedan, en per sedimentkärna, 1 cm under gränsytan mellan sediment och vatten. Vår analys av kalceinmärkta bentiska foraminiferer i 100-150 μm-fraktion i de översta 1,5 cm av sedimenten visar att det relativa antalet biomineraliserande Nonionoides turgida och Nonionellina labradorica jämfört med Bulimina marginata är positivt korrelerade till syrenivåerna. Resultaten indikerar att kalceinkoncentrationen avtar i riktning bort från den osmotiska pumpen, även om kalceinmärkta foraminiferer återfanns på alla avstånd inom en radie på 4,5 cm från punktkällan. Genom att använda osmotiska pumpar kan odling och kalceinmärkning ske in situ i ostörda sedimentkärnor, vilket medför att både fältstudiens respektive laboratorieexperimentets fördelar kan utnyttjas – det vill säga en bättre överensstämmelse med naturliga förhållanden i kombination med en noggrann kontroll över miljövariabler. Detta innebär att osmotiska pumpar har en stor potential att bli ett viktigt verktyg i framtida studier av bentisk foraminiferekologi.

Abstract

Benthic foraminifer a are extensively used for environmental monitoring, for example in the context of oxygen depletion in coastal waters, which is the fastest growing and most serious threat to marine ecosystems. Several studies have demonstrated that many foraminiferal species are able to survive, reproduce and calcify under hypoxic (low dissolved oxygen) and even anoxic (no oxygen) conditions. The responses to these conditions are species specific, for example lowering of the metabolism, storage of nitrate to support anaerobic metabolism, and vertical migration in the sediments. Here we show for the first time that osmotic pumps can be used to dispense the fluorescent calcite marker calcein in undisturbed marine sediments in order to analyse the calcification response of calcareous foraminifera to different oxygen conditions. In the present study we used osmotic pumps to deliver a 100 mg/l solution of calcein to marine sediment cores, which were collected from the Gullmar Fjord, wherein benthic foraminifera were cultured under normoxic and hypoxic in situ conditions during ~3.5 months. The average temperature in the seawater overlying the sediments was 8°C and the average salinity was 32.6. The osmotic pumps, which had a calculated flow rate of ~1 μl/h, were filled with 2 ml of the calcein solution and then placed, one per sediment core, 1 cm below the sediment- water interface. Our analysis of calceinlabelled benthic foraminifera in the 100–150 μm-fraction in the uppermost 1.5 cm of the sediments shows that the relative abundances of calcifying Nonionoides turgida and Nonionellina labradorica compared to Bulimina marginata are positively correlated with the oxygen levels. The results indicate that the calcein concentration decreases in a direction away from the osmotic pump, although calcein-labelled foraminifera were recovered at all distances within a radius of 4.5 cm from the point source. By using osmotic pumps culturing and calcein-labelling can be performed in situ in undisturbed sediment cores, which means that the advantages of both the field study and the laboratory experiment can be utilized – that is a better consistency with the natural conditions in combination with a rigorous control of environmental variables. Thus, osmotic pumps have a great potential to become an important tool in future studies of benthic foraminiferal ecology.

• author: Landgren, Susanne
• supervisor: Helena Filipsson; Laurie Charrieau
• organization: Department of Geology
• alternative title: Användning av calcein-fyllda osmotiska pumpar för att studera hur biomineraliseringen hos bentiska foraminiferer påverkas av inducerad syrebrist under [i]in situ[/i] förhållanden : en experimentell ansats
• course: GEOR02 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: benthic foraminifera, calcein, osmotic pump, hypoxia, Gullmar Fjord, bentiska foraminiferer, kalcein, osmotisk pump, syrebrist, Gullmarn
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 431
• language: English
• id: 5425178
• date added to LUP: 2015-05-21 10:32:52
• date last changed: 2016-05-21 04:07:40