Generic analysis of the response of calcifying microalgae to an elevation of pCO2 : qualitative vs quantitative analysis
Authors: Bernard Olivier , Sciandre Antoine 
Published: January 2021

Calcifying microalgae can play a key role in atmospheric CO2 trapping through large scale precipitation of calcium carbonate in the oceans. However, recent experiments revealed that the associated fluxes may be slow down by an increase in atmospheric CO2 concentration. In this paper we design models to account for the decrease in calcification and photosynthesis rates observed after an increase of pCO2 in Emiliania huxleyi chemostat cultures. Since the involved mechanisms are still not completely understood, we consider various models, each of them being based on a different hypothesis. These models are kept at a very general level, by maintaining the growth and calcification functions in a generic form, i.e. independent on the exact shape of these functions and on parameter values. The analysis is thus performed using these generic functions where the only hypothesis is an increase of these rates with respect to the regulating carbon species. As a result, each model responds differently to a pCO2 elevation. Surprisingly, the only models whose behaviour are in agreement with the experimental results correspond to carbonate as the regulating species for photosynthesis. Finally we show that the models whose qualitative behaviour are wrong could be considered as acceptable on the basis of a quantitative prediction error criterion.

Les microalgues calcifiantes jouent un rôle clé dans le piégeage du CO2 atmosphérique d’origine anthropique en précipitant du carbonate de calcium qui sédimente au fond des océans. Toutefois, des expériences en laboratoire ont suggéré que cette activité biologique pourrait être diminuée par l’augmentation de la pression partielle de CO2 (pCO2) dans les océans qui a tendance à s’ équilibrer avec celle de l’atmosphère. Dans ce papier, nous concevons des modèles dynamiques pour essayer de simuler la diminution des taux de calcification et de photosynthèse observés chez Emiliania huxleyi après une hausse de la pCO2 reproduite en chémostat. Comme les mécanismes physiologiques impliqués sont encore loin d’ être complètement élucidés, nous considérons différents modèles, chacun d’eux étant basé sur une hypothèse biologique différente. Ces modèles, construits en utilisant des fonctions génériques pour caractériser les processus de croissance et de calcification, peuvent être analysés indépendamment de la forme exacte de ces fonctions et de la valeur des paramètres. L’ étude s’appuie donc sur ces fonctions génériques où la seule hypothèse est une régulation de ces taux par une des trois formes qui composent la totalité du carbone inorganique dissous : le CO2, les carbonates et les bicarbonates. Il s’en suit que chaque modèle réagit différemment à une élévation de la pCO2. Contrairement aux hypothèses classiquement admises, notre étude montre que les seuls modèles dont le comportement est en accord avec les résultats expérimentaux sont ceux pour lesquels une régulation de la photosynthèse par les carbonates a été supposée, ce qui corrobore les conclusions de travaux récents. Enfin, nous montrons que les modèles dont le comportement qualitatif est mauvais ne seraient pas rejetés sur la base d’un critère quantitatif d’erreur de prédiction.