艾春香

對(duì)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(guó)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(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。2012年3月，美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表報(bào)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(dòng)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(shí)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(shí)，海水就會(huì)酸化。科學(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(jì)到2100年海水表層酸度將下降到7.8，到那時(shí)海水酸性將比1800年高150%。

海水是怎樣變酸的

1956年，美國(guó)地球化學(xué)家洛根·羅維爾開始著手研究大工業(yè)時(shí)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(diǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)立了兩個(gè)監(jiān)測(cè)站，一個(gè)在南極，那里遠(yuǎn)離塵囂，沒有工業(yè)活動(dòng)，而且?guī)缀鯖]有植被生長(zhǎng)；另一個(gè)在夏威夷的莫納羅亞山頂。50多年來，他們的監(jiān)測(cè)工作幾乎從未間斷。

洛根通過監(jiān)測(cè)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(zhǎng)季節(jié)的更替是同步的。這一觀測(cè)結(jié)果讓科學(xué)界很快認(rèn)識(shí)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(huì)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(jì)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(shí)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(gè)過程處在動(dòng)態(tài)平衡之中。當(dāng)大量的CO2 進(jìn)入海水時(shí)，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(huì)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(dòng)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(chǔ)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(kù)。

海洋酸化正以我們無法估計(jì)的速度加劇。2011年《中國(guó)海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》中指出，除了某些pH值極高或極低的局部近岸海域外，我國(guó)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(gè)單位。日益加劇的海洋酸化，正對(duì)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(huì)改變海水中的鐵、氮等主要營(yíng)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(huì)下降40%，這會(huì)導(dǎo)致部分海域噪音更多。最終，酸化的海水還會(huì)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(dòng)物、棘皮動(dòng)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(huì)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(zhǎng)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(shì)必會(huì)影響該生物的其他生理過程。也就是說，酸化的海水對(duì)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(zhǎng)；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(huì)降低其對(duì)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(huì)發(fā)生。此外，海洋酸化還會(huì)改變海水中溶氧濃度分布和金屬的生物可利用性，從而對(duì)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(duì)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(dòng)物，體長(zhǎng)一般在3毫米左右，營(yíng)浮游生活。廈門大學(xué)的研究顯示，CO2酸化對(duì)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(duì)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(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)卵數(shù)量越少。酸化的海水還會(huì)使橈足類的神經(jīng)系統(tǒng)中毒，并且會(huì)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(gè)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(huì)對(duì)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(dòng)物也表現(xiàn)得極其脆弱。研究顯示，海洋酸化對(duì)海膽的受精率影響不大，卻對(duì)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(duì)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(duì)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?yàn)楹Ｋ膒H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(dòng)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(guó)南極考察隊(duì)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(dòng)的海洋軟體動(dòng)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)槭场Ｔ诒碧窖?，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(dòng)物的外殼放在預(yù)測(cè)2100年pH值和碳酸鹽含量的海水中，一個(gè)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(chǎng)所，每年每公頃珊瑚礁為人類帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)到80萬～700 萬美元。珊瑚礁是許多海洋動(dòng)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(dòng)。海洋酸化將使紅珊瑚滅絕的風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)物群體，許多種類都具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(shí)驗(yàn)室模擬海洋酸化發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)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(zhǎng)速度快、貝殼厚而緊實(shí)的特點(diǎn)，而生長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)，到2060 年，海洋酸化將嚴(yán)重影響美國(guó)的貝類產(chǎn)業(yè)，造成的經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)可高達(dá)14 億美元。海洋酸度增加將影響貝類個(gè)體的大小與重量。貝類等海洋動(dòng)物是海鳥、海豹等食肉動(dòng)物的重要食物來源，同時(shí)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(huì)最終影響到人類及大型海洋動(dòng)物。

海魚或許越來越少

海洋魚類作為脊椎動(dòng)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(huì)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(zhǎng)、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(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)期的海洋酸化可能會(huì)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(huì)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(zhǎng)度上增加了7%～9%。由于耳石的主要功能是聲音探測(cè)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(duì)聲音的探測(cè)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(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，不同程度的海洋酸化會(huì)影響仔魚的攝食及躲避天敵的能力。海水pH 值的降低會(huì)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(cè)估計(jì)，由于受到海洋酸化的影響，加之魚類種群對(duì)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(duì)海洋酸化的研究還處于起步階段，已經(jīng)評(píng)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(zhǎng)期效應(yīng)和對(duì)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(shí)海洋酸化對(duì)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(diǎn)會(huì)構(gòu)成海洋酸化大問題

一些人對(duì)海洋酸化不以為然，他們會(huì)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(huì)低于7?！?/p>

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

打個(gè)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?？墒侨绻覀冋f起這個(gè)人，肯定會(huì)說他瘦了，而不會(huì)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(gè)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(gè)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(huì)對(duì)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(huì)大量減少。 （方陵生/文）