海水變酸，生物直面大危機(jī)

艾春香

對于那些習(xí)慣了弱堿性海水的生物來說，酸化的海水無疑是一劑殺傷力很大的“毒藥”。

2003年，英國著名雜志《自然》（Nature）上首次出現(xiàn)了“海洋酸化”（ocean acidification）一詞，隨即，海洋酸化問題引起了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。2012年3月，美國《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表報告稱，受人類排放溫室氣體的影響，地球正經(jīng)歷過去3億年來速度最快的海洋酸化過程，眾多海洋生物因此面臨生存威脅。

海洋酸化是指人類活動所排放到大氣中的二氧化碳（CO2）被海洋穩(wěn)定吸收，從而導(dǎo)致海水pH值持續(xù)下降的現(xiàn)象。液體的酸堿度一般用pH值來表示，范圍為0～14，pH值為0時代表酸性最強(qiáng)，pH值為14代表堿性最強(qiáng)。蒸餾水的pH值為7，代表中性。海水應(yīng)為弱堿性，海洋表層水的pH值約為8.2，當(dāng)大氣中過量的二氧化碳進(jìn)入海洋時，海水就會酸化?？茖W(xué)研究表明，工業(yè)革命以來，過量的二氧化碳排放已將海水表層pH值降低了0.1，這表示海水的酸度已經(jīng)提高了30%。預(yù)計到2100年海水表層酸度將下降到7.8，到那時海水酸性將比1800年高150%。

海水是怎樣變酸的

1956年，美國地球化學(xué)家洛根·羅維爾開始著手研究大工業(yè)時期產(chǎn)生的二氧化碳在未來50年中將產(chǎn)生怎樣的氣候效應(yīng)。洛根和他的合作者在遠(yuǎn)離二氧化碳排放點的偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)立了兩個監(jiān)測站，一個在南極，那里遠(yuǎn)離塵囂，沒有工業(yè)活動，而且?guī)缀鯖]有植被生長；另一個在夏威夷的莫納羅亞山頂。50多年來，他們的監(jiān)測工作幾乎從未間斷。

洛根通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，每年的二氧化碳濃度都高于前一年，而且二氧化碳的濃度變化與北半球植物生長季節(jié)的更替是同步的。這一觀測結(jié)果讓科學(xué)界很快認(rèn)識到，洛根的擔(dān)憂是正確的：被釋放到大氣中的二氧化碳不會全部被植物和海洋吸收，有相當(dāng)一部分殘留在大氣中。洛根還通過計算發(fā)現(xiàn)，被海洋吸收的二氧化碳數(shù)量非常巨大。研究表明，在19世紀(jì)和20世紀(jì)，海洋吸收了人類排放的二氧化碳中的30%，并且仍以每小時100萬噸的速度吸收著。

在海水中，CO2是怎樣使海水變酸的呢？

二氧化碳（CO2）溶入海水（H2O），二者的分子結(jié)合成為碳酸（H2CO3）；H2CO3離解成碳酸氫根離子（HCO3-）和氫離子（H-），HCO3-再離解成碳酸根離子（CO32-）和H-，這個過程處在動態(tài)平衡之中。當(dāng)大量的CO2 進(jìn)入海水時，將打破這種平衡，導(dǎo)致海水中的HCO3- 和H+ 濃度升高，這不僅使海水的pH值降低（即酸度增高），而且它們與海水中的碳酸鹽離子結(jié)合，產(chǎn)生大量碳酸氫鹽，導(dǎo)致碳酸鹽離子濃度降低，后者是許多海洋生物構(gòu)建外殼或骨骼不可缺少的物質(zhì)。

海水酸化與碳酸根離子的減少還會影響海洋生物的許多功能，其中許多影響我們目前還不完全了解。

自工業(yè)革命以來，化石能源的使用及水泥生產(chǎn)等人類活動產(chǎn)生的CO2量非常巨大。在過去200年里，海洋吸收了全球大約50%的CO2。目前，海洋中所儲存的CO2總量約為大氣的50倍，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和土壤的20倍。海洋成了最大的CO2貯存庫。

海洋酸化正以我們無法估計的速度加劇。2011年《中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報》中指出，除了某些pH值極高或極低的局部近岸海域外，我國海域海水最低pH值已降至7.8，比正常海水pH值（8.1左右）低了0.3個單位。日益加劇的海洋酸化，正對海洋生物的生存及海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也威脅到人類的可持續(xù)發(fā)展。

酸性海水，“毒性”很強(qiáng)

海洋酸化的影響是多方面的。海洋酸化通過改變海洋微生物的比例，可能會改變海水中的鐵、氮等主要營養(yǎng)成分的比例；同樣，可能使陽光更容易穿透海洋表層到達(dá)更深處。由于海水的基本化學(xué)成分改變，海洋吸收低周波聲音的能力會下降40%，這會導(dǎo)致部分海域噪音更多。最終，酸化的海水還會妨礙一些物種的繁衍生息。

海水酸化不斷加劇而造成的水體pH值降低，給各種海洋生物的生存帶來了不同程度的壓力。海洋生物體液的pH值將隨著海水pH值的降低而降低，這將破壞海洋生物細(xì)胞原有的組織滲透壓。那些酸堿平衡調(diào)節(jié)能力較低的低等海洋生物，如藻類、珊瑚、軟體動物、棘皮動物，將面臨由于組織滲透壓改變而造成的細(xì)胞損傷或細(xì)胞破裂，進(jìn)而導(dǎo)致生物體的各種組織機(jī)能損傷甚至壞死。從能量代謝角度來講，海洋生物為了適應(yīng)由水體pH值降低而帶來的環(huán)境脅迫，必然會轉(zhuǎn)移部分用于其他生理過程的能量進(jìn)行反饋補(bǔ)償性代謝，以盡量平衡體內(nèi)外環(huán)境的酸堿度。如果生物體長期處于這種體內(nèi)酸堿度反饋補(bǔ)償性調(diào)節(jié)狀態(tài)，則勢必會影響該生物的其他生理過程。也就是說，酸化的海水對于那些習(xí)慣了弱堿性海水的生物來說，無疑是一劑殺傷力很大的“毒藥”。

廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院的高坤山教授發(fā)現(xiàn)，海水中CO2濃度升高，能促進(jìn)某些藻類的光合作用和生長；在光能不足的情況下，這種促進(jìn)效應(yīng)尤其明顯。然而，海水酸性的增加將導(dǎo)致鈣化藻類的鈣化程度下降，使其更易蒙受陽光紫外線的損害，所以藻類的生存反而變得艱難了。即使非鈣化藻類，如某些硅藻和赤藻，酸化的海水也會降低其對于強(qiáng)光的耐受能力，且迫使其進(jìn)行過度的呼吸作用，消耗“體力”。因此，海洋酸化究竟能否使海洋的光合固碳能力增強(qiáng)，取決于酸化與CO2濃度升高“雙刃劍”效應(yīng)的平衡。在不可逆轉(zhuǎn)的海洋酸化過程中，藻類必然通過生理調(diào)節(jié)來適應(yīng)酸化帶來的生存壓力，由此，遺傳或進(jìn)化方面的變化也會發(fā)生。此外，海洋酸化還會改變海水中溶氧濃度分布和金屬的生物可利用性，從而對海洋生物產(chǎn)生間接影響。

廈門大學(xué)的科研人員還用橈足類作材料，研究了海水酸化對小型海洋生物的危害。橈足類是海洋中數(shù)量豐富的一類節(jié)肢動物，體長一般在3毫米左右，營浮游生活。廈門大學(xué)的研究顯示，CO2酸化對橈足類的毒性比鹽酸酸化的毒性還高，尤其是肉食性的橈足類對海水酸化的耐受性非常低。橈足類的繁殖能力也明顯受到海水酸化的抑制，在酸化海水中生存的時間越長，產(chǎn)卵數(shù)量越少。酸化的海水還會使橈足類的神經(jīng)系統(tǒng)中毒，并且會抑制其體內(nèi)合成各種蛋白質(zhì)的能力。

他們的研究還發(fā)現(xiàn)，在酸化的海水中生存一個多星期后，橈足類的肌肉組織和卵母細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)均受到影響，肌絲排列的有序性隨酸化水平的加劇而下降，甚至出現(xiàn)肌絲斷裂現(xiàn)象。酸化的海水會對橈足類造成一定程度的氧化損傷，使橈足類卵母細(xì)胞內(nèi)的線粒體出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，并可能進(jìn)一步誘使卵母細(xì)胞發(fā)生凋亡。

在酸化的海水中，海膽這類棘皮動物也表現(xiàn)得極其脆弱。研究顯示，海洋酸化對海膽的受精率影響不大，卻對海膽浮游幼體的發(fā)育有明顯的影響，導(dǎo)致其卵裂率降低，幼體體積變小，并有大量身體不對稱的畸形浮游幼體出現(xiàn)。在酸化的海水中，海膽的骨針也無法很好地完成鈣化作用。

有殼生物岌岌可危

面對海洋酸化，首當(dāng)其沖的是那些利用碳酸鈣制造殼體的海洋生物，這是因為海水的pH值降低及海水碳酸鹽飽和度的改變可破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)中CO2-碳酸鹽體系的動態(tài)平衡，使生物外殼（或骨骼）發(fā)生溶蝕，或?qū)е滤鼈兊挠左w無法正常形成所需的碳酸鹽外殼（或骨骼）。

英國南極考察隊在南大洋喬治島附近發(fā)現(xiàn)，翼足類海蝸牛的外殼由于海水酸化而溶解。在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，海蝸牛的外層硬殼都有不同尋常的腐蝕跡象。

翼足類是一種只有小豌豆般大小的自由游動的海洋軟體動物，是許多其他海洋生物的食物，從微小的磷蝦到巨大的鯨魚都以它們?yōu)槭?。在北太平洋，翼足類還是幼年鮭魚的主要食物來源。研究人員將翼足類動物的外殼放在預(yù)測2100年pH值和碳酸鹽含量的海水中，一個半月后它們的外殼就漸漸溶解消失了。

位于熱帶和亞熱帶的珊瑚礁是近岸海域生產(chǎn)率最高的生態(tài)系統(tǒng)，也是許多經(jīng)濟(jì)海產(chǎn)生物棲息和“育兒”的主要場所，每年每公頃珊瑚礁為人類帶來的經(jīng)濟(jì)價值達(dá)到80萬～700 萬美元。珊瑚礁是許多海洋動植物在海底的主要棲息地，然而海水酸度的增加可使珊瑚致死。海洋酸化導(dǎo)致的珊瑚鈣化率降低以及珊瑚死亡率升高，將嚴(yán)重影響棲息于珊瑚礁的海洋生物的生存與繁殖，使?jié)O業(yè)經(jīng)濟(jì)蒙受巨大損失。近年的研究表明，海洋酸化導(dǎo)致造礁石珊瑚幼體補(bǔ)充和群落恢復(fù)更加困難，造礁石珊瑚和其他造礁生物鈣化率降低甚至溶解，乃至影響珊瑚礁魚類的生命活動。海洋酸化將使紅珊瑚滅絕的風(fēng)險增大。

貝類大多生活在近岸海域的淺海灘涂，是世界上最龐大的漁獲動物群體，許多種類都具有極高的經(jīng)濟(jì)價值。隨著海洋酸化的不斷加劇，海水中碳酸鹽的溶解平衡遭到破壞，大多數(shù)貝類的碳酸鈣外殼將開始溶蝕或停止形成。研究人員通過實驗室模擬海洋酸化發(fā)現(xiàn)，生長于模擬工業(yè)革命前水平CO2 濃度下的海灣扇貝和文蛤具有生長速度快、貝殼厚而緊實的特點，而生長在模擬2100 年CO2 濃度條件下的海灣扇貝和文蛤不僅存活率降低、生長速度減慢，而且貝殼面積顯著減小并呈現(xiàn)溶蝕狀態(tài)。

隨著海洋酸化的加劇，貝類種群數(shù)量將不斷減少。據(jù)預(yù)測，到2060 年，海洋酸化將嚴(yán)重影響美國的貝類產(chǎn)業(yè)，造成的經(jīng)濟(jì)損失累計可高達(dá)14 億美元。海洋酸度增加將影響貝類個體的大小與重量。貝類等海洋動物是海鳥、海豹等食肉動物的重要食物來源，同時也是人類海產(chǎn)品生產(chǎn)的重要組成部分。因此，海洋酸化引發(fā)的這些變化將會最終影響到人類及大型海洋動物。

海魚或許越來越少

海洋魚類作為脊椎動物，本身具有一定的酸堿調(diào)節(jié)能力，按理說應(yīng)該不容易受到海洋酸化脅迫的影響，但海洋酸化也會在一定程度上使魚類的酸堿平衡能力紊亂，導(dǎo)致代謝抑制及呼吸、循環(huán)、生長、繁殖等其他生理過程異常，嚴(yán)重的則導(dǎo)致死亡。研究顯示，長期在酸化的海水中飼養(yǎng)一種名叫“花紋南極魚”的冷水魚類，可致其肝細(xì)胞輕微酸中毒以及線粒體能量代謝能力降低。

海水pH 值和溶解氧的變化，會影響魚類的性別分化及性別決定過程。例如，在海洋酸化條件下，慈鯛科魚類的性別比例失調(diào)，雄性數(shù)量明顯升高。這一結(jié)果提示，長期的海洋酸化可能會導(dǎo)致某些魚種性別失衡甚至滅絕。

耳石是海水魚類的主要生物礦化器官，因其主要成分為碳酸鈣，所以容易受到海洋酸化的影響。值得注意的是，與預(yù)期的海洋酸化會降低魚類耳石的鈣化效率并縮小魚類耳石面積的假設(shè)相反，研究人員發(fā)現(xiàn)，海洋酸化不僅沒有減緩魚類耳石的形成進(jìn)程，反而促使鱸魚仔魚的耳石在長度上增加了7%～9%。由于耳石的主要功能是聲音探測和方向定位，如果耳石的形態(tài)發(fā)生變化，將直接影響魚類對聲音的探測和水中的自身定位，進(jìn)而影響魚類種群之間的交流以及魚類自身的方向定位，甚至導(dǎo)致魚類種群整體的行為異常。

研究人員用一種名叫“橙色小丑魚”的魚兒做實驗后發(fā)現(xiàn)，不同程度的海洋酸化會影響仔魚的攝食及躲避天敵的能力。海水pH 值的降低會損傷某些經(jīng)濟(jì)魚類的感覺器官，導(dǎo)致這些魚類的存活率降低，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)魚類的產(chǎn)量。

根據(jù)最新的預(yù)測估計，由于受到海洋酸化的影響，加之魚類種群對海洋酸化不同的敏感性，世界某些海區(qū)2050 年的漁業(yè)最大捕撈潛力將比2005 年下降20%～30%。

目前，世界范圍內(nèi)對海洋酸化的研究還處于起步階段，已經(jīng)評估的物種還不到海洋生物總數(shù)的2%，有關(guān)海洋酸化的長期效應(yīng)和對漁業(yè)資源的全部影響尚不清楚。因此，只有系統(tǒng)全面地認(rèn)識海洋酸化對海洋各區(qū)域生物及生態(tài)系所產(chǎn)生的影響，才能找到有效的解決辦法，減少海洋酸化帶給人類的巨大損失。

（作者單位：廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院）

為什么pH值下降一小點會構(gòu)成海洋酸化大問題

一些人對海洋酸化不以為然，他們會說：“什么意思，海洋酸化？海洋不是酸性的！海水pH值永遠(yuǎn)不會低于7?！?/p>

這話說對了一半。如今的海水pH值約為8.1，屬于弱堿性，但實際上，液體中pH值的任何下降都可以被認(rèn)為是“酸化”。

打個比方，某人身高1.65米，體重135公斤，他肯定不是瘦子。如果他減肥瘦了45公斤，他仍然不是瘦子。可是如果我們說起這個人，肯定會說他瘦了，而不會說他不如以前胖。

pH值是溶液中氫離子溶解和釋放的指數(shù)，范圍在0～14之間。pH值7為中性，低于7為酸性，高于7為堿性；越低于或越高于7，溶液就被認(rèn)為酸性越強(qiáng)或堿性越強(qiáng)。但這個比例不是呈線性的——pH 值從8.2下降到8.1，酸性（或氫離子濃度）增加30%；從8.1下降到7.9，水的酸性增加150%。結(jié)論是：海水pH值的微小變化，導(dǎo)致海洋酸化的程度卻是驚人的。

海水不屬酸性，也永遠(yuǎn)不可能變成酸性。在過去的3億年里，海洋pH值為弱堿性，平均值為8.2，如今大約為8.1，下降了0.1，表明在過去兩個世紀(jì)里，海水酸度增加了30%。所以說海洋在酸化，海水在變酸。

由于大氣中二氧化碳濃度的積累，更多的二氧化碳被海洋所吸收，海水比以往更酸，比健康的珊瑚、蛤、牡蠣和許多其他生物構(gòu)建外殼或骨骼所需的健康海水更酸。

海水增加的酸性本身并不會對貝殼和海洋生物的骨骼產(chǎn)生腐蝕作用，但多余的氫離子與碳酸根離子結(jié)合產(chǎn)生碳酸氫鹽后，生物體用于構(gòu)建外殼或骨骼的碳酸鹽就會大量減少。 （方陵生/文）