Carbon dioxide (CO2) levels have increased dramatically in the atmosphere and the ocean over the past two centuries (Sabine et al., 2004). Dit heeft directe gevolgen gehad voor de oceaan: de wereldwijde gemiddelde pH in oppervlaktewateren is sinds de industriële revolutie met 0,1 eenheden gedaald en er wordt voorspeld dat deze daling zal oplopen tot 0,4 eenheden tegen 2100 (Orr et al., 2005). De blootstelling aan verlaagde pH-waarden varieert op natuurlijke wijze tussen verschillende mariene ecosystemen. Bijvoorbeeld, tijdens perioden van sterke opwelling worden mariene habitats langs de Amerikaanse westkust nu al dagen tot weken blootgesteld aan corrosief, onderverzadigd (in aragoniet) water, dat overeenkomt met de omstandigheden die waarschijnlijk zullen ontstaan wanneer toenemende atmosferische CO2 veranderingen in oceaanchemie en -fysische forcering in de komende decennia veroorzaakt (Feely et al., 2004; Gruber et al., 2012). Gedetailleerde oceanografische voorspellingen die de pH-dynamiek in de Californische Stroming modelleren, laten zien dat er in de komende 40 jaar chronische lage pH-condities zullen optreden, bovenop de seizoensvariabiliteit als gevolg van upwelling (Hofmann et al., 2011) (Gruber et al., 2012). Veel gematigde soorten kunnen dus nu al gedurende korte perioden te maken krijgen met voorspellingen voor het einde van de eeuw, waarbij blootstelling aan deze lage pH-condities in de toekomst naar verwachting vaker en langduriger zal voorkomen.
Naast de voortgaande verzuring van de oceaan wordt ook voorspeld dat hypoxische gebeurtenissen in de toekomst vaker zullen voorkomen, met name in de Californische Stroom (Bograd et al., 2008; Hauri et al., 2009; Morel et al., 2010; Gruber, 2011). Upwelling brengt pulsaties van diep water met een hoog gehalte aan nutriënten maar een laag zuurstofgehalte naar bentische habitats nabij de kust. De cyclus van verhoogde fytoplanktonproductiviteit, aangewakkerd door hoge nutriëntenniveaus als gevolg van upwelling en kustafvoer, gevolgd door microbiële afbraak en daarmee gepaard gaand zuurstofverbruik, kan het zuurstofgehalte nog verder doen dalen. Upwelling komt vaker voor in de lente en de zomer, en kan dus een brede waaier van gematigde mariene soorten blootstellen aan zuurstofarm en pH-arm water tijdens kritieke rekruteringsperioden. Dit mechanisme van klimaatgedreven intensivering van upwelling kan bijdragen aan de waarneming dat hypoxische gebeurtenissen zijn toegenomen in frequentie, duur en ruimtelijke omvang langs de Amerikaanse westkust (Schwing en Mendelssohn, 1997; Snyder et al., 2003; Grantham et al., 2004; Chan et al., 2008). Aanvullende waarnemingen wijzen op afnemende DO-concentraties in de afgelopen decennia in de Californië-stroomregio (Bograd et al., 2008; McClatchie et al., 2010; Booth et al., 2014), deels als reactie op opwarming en grootschalige oceanografische processen. Dalingen van het zuurstofgehalte kunnen leiden tot een toename van subletale stress voor mariene organismen, zelfs als de concentraties boven de drempel voor hypoxie blijven (over het algemeen gedefinieerd als optredend rond 2 mg O2 L-1, Vaquer-Sunyer en Duarte, 2008).
De gevoeligheid van mariene soorten voor oceaanverzuring en hypoxie hangt af van hun fysiologische capaciteiten om milieustressoren te tolereren. Zeewieren, ongewervelde dieren en vissen zijn verschillend gevoelig voor veranderingen in oceaanchemie (Kroeker et al., 2013), waarbij sommige soorten negatieve effecten vertonen terwijl andere neutraal of positief reageren. Recente studies van jonge vissen hebben aangegeven dat ontwikkeling in wateren met een lage pH resulteert in de aantasting van olfactorische zintuigen (Munday et al., 2010), veranderingen in auditief gedrag (Simpson et al., 2011; Rossi et al., 2016), verstoringen van de lateralisatie van de hersenen (Domenici et al., 2011), verhoogde angstniveaus (Hamilton et al., 2013), en verminderingen van de capaciteit voor aerobe activiteit (Munday et al., 2009; Hamilton et al., 2017). Over het algemeen hebben meta-analyses aangegeven dat een reeks levensgeschiedenis- en gedragskenmerken wordt beïnvloed door verhoogde CO2-niveaus bij sommige zeevissoorten, terwijl andere soorten toleranter lijken te zijn voor deze veranderingen, vooral soorten die in dynamische gematigde omgevingen leven (Cattano et al., 2018).
Hypoxie kan eveneens nadelige gevolgen hebben voor vroege levensstadia van teleostvissen. Extreem lage zuurstofniveaus resulteren doorgaans in sterfte. Bij gematigde niveaus omvatten subletale effecten het vaker voorkomen van misvormingen bij larven, kleinere afmetingen bij het uitkomen van de larven, ademhalingsstoornissen en metabolische depressie (Boutilier et al., 1998; Landry et al., 2007). Er werd ook aangetoond dat hypoxie het gedrag van roofdieren beïnvloedt, zodat vissen in hypoxische omstandigheden minder gevoelig zijn voor signalen van roofdieren, minder goed kunnen bewegen en zich minder goed kunnen scholen (Domenici et al., 2007). Vergeleken met andere mariene taxa zijn vissen vaak gevoeliger voor zuurstofgebrek en kunnen ze subletale effecten van zuurstofgebrek vertonen, zoals verminderde groei en verminderde voedselopname, bij zuurstofconcentraties lager dan 4,5 g/L, met dodelijke concentraties tussen 1 en 2 mg/L (Levin, 2003; Vaquer-Sunyer en Duarte, 2008).
Enkele studies hebben aangetoond dat blootstelling aan water met een hoge CO2-uitstoot leidt tot een versterkte groei van het otoliet (oorsteen) bij sommige vissoorten (Checkley et al, 2009; Munday et al., 2011a; Hurst et al., 2012; Bignami et al., 2013; Maneja et al., 2013; Rossi et al., 2016; Shen et al., 2016; Martino et al., 2017; Di Franco et al., 2019), waarbij de effecten groter werden wanneer het CO2-niveau werd verhoogd van 1000 tot meer dan 4000 μatm. De allometrie van somatische en otolietgroei kan ook worden veranderd door oceaanverzuring, zoals blijkt uit veranderingen in de relatie tussen visgrootte en otolietgrootte (Réveillaca et al., 2015; Di Franco et al., 2019). Daarentegen hebben andere studies geen effecten van verhoogde CO2 op de groei van otolieten of de relatie tussen visgrootte en otolietgrootte aangetoond bij andere vissoorten in vergelijkbare bereiken van verhoogde CO2 (Franke, 2011; Munday et al., 2011b; Simpson et al., 2011; Frommel et al., 2013; Perry et al., 2015). Gezien het belang van otolieten voor gehoor, evenwicht en ruimtelijk evenwicht, hebben sommige studies aangegeven dat oceaanverzuring het vermogen heeft om zintuiglijke functies te beïnvloeden (Simpson et al., 2011; Munday et al., 2011a; Bignami et al., 2013; Rossi et al., 2016), terwijl andere studies gelijkluidende resultaten hebben gevonden (Shen et al., 2016). Hypoxie, daarentegen, lijkt typisch de otolietgroei te drukken in vergelijking met vis gekweekt in normoxische omstandigheden (Sepulveda, 1994; Hales en Able, 1995). De grootte van de groeireactie lijkt samen te hangen met de intensiteit en de duur van de ervaren hypoxie, waarbij de groei van de otolieten meer wordt onderdrukt bij zuurstofniveaus van minder dan 4 mg/L. Op basis van deze waarnemingen wordt voorspeld dat oceaanverzuring en hypoxie tegengestelde effecten zullen hebben op de groei van otolieten.
Als eerste stap om het relatieve belang van oceaanverzuring en hypoxie op de groei van otolieten te onderzoeken (d.w.z, veranderingen in de relatie tussen otolietgrootte en visgrootte), testten we de onafhankelijke effecten van verhoogde pCO2 en lage opgeloste zuurstof (DO) over een bereik van waarden voor elke stressor bij twee soorten jonge rotsvissen: koperen rotsvis (Sebastes caurinus) en blauwe rotsvis (S. mystinus). Eerder hebben we aangetoond dat oceaanverzuring gedragsresponsen en zwemfysiologie kan aantasten bij koperen rotsvissen, met weinig bewijs voor effecten van hoge CO2 bij blauwe rotsvissen (Hamilton et al., 2017). We hebben ook de effecten van hypoxie getest, waarbij we ontdekten dat de aerobe prestaties bij lage DO-niveaus bij beide soorten worden verminderd en dat de gedragsresponsen bij koperkreeftjes worden veranderd (Mattiasen, 2018). Koper- en blauwe rotsvissen zijn nearshore soorten die rotsachtige riffen en kelpbedden bewonen. Pas gevestigde (< 2 maanden oud) koperen rotsvis-juvenielen komen voor in de kelpluifel nabij het oppervlak, terwijl blauwe rotsvis-juvenielen (3-4 maanden oud) zich vestigen en verzamelen in scholen nabij het benthos (Love et al., 2002). Bij beide soorten treden ontogenetische verschuivingen op in het habitatgebruik. Volwassen kopervissen zijn sterk verbonden met het benthos, terwijl volwassen blauwe meervallen zich in het middenwater scholen (Love et al., 2002). Het contrast in vestigingshabitats (bijv. het bladerdak voor de koperkreeft, benthische riffen voor de blauwe steenbolk) komt overeen met hun verticale verspreiding als pelagische juvenielen: de koperkreeft bewoont de oppervlaktelagen, terwijl de blauwe steenbolk de diepere lagen lijkt te bewonen (Lenarz et al., 1991). Omdat pH- en DO-niveaus vaak verticaal gelaagd zijn in de waterkolom als gevolg van fotosynthese en ademhaling (Frieder et al., 2012), kunnen deze soorten tijdens hun ontwikkeling worden blootgesteld aan verschillende chemische processen, wat van invloed kan zijn op hun gevoeligheid en tolerantie voor klimaatveranderingsstressoren.
Vaak zijn de effecten van oceaanverzuring en hypoxie op otolietgroei afzonderlijk en bij verschillende soorten bestudeerd, waardoor het een uitdaging is om het relatieve belang van een van beide stressoren op de richting en omvang van de groeireactie vast te stellen. Bovendien hebben veel eerdere studies individuen blootgesteld aan hoge pCO2 en lage DO behandelingscondities gedurende relatief korte tijdschalen (dagen tot weken). Hier onderzoeken we de onafhankelijke effecten van elke stressfactor op de otolietgroei bij koper- en blauwe rotsvissen na chronische blootstelling aan veranderingen in de oceaanchemie gedurende een periode van 5-6 maanden. Gebaseerd op eerdere studies, voorspelden we dat een verhoogde pCO2 zou resulteren in relatief grotere otolieten voor een gegeven grootte vis, terwijl een laag DO niveau de otolietgroei zou verminderen. Aangezien koperkreeftjes in hun fysiologische en gedragsreacties gevoeliger lijken te zijn voor hoge CO2 en lage DO dan blauwe rotsvissen, veronderstelden we ook dat de otolietgroeireacties sterker zouden zijn bij koperkreeftjes.