海水变酸,生物直面大危机

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对于那些习惯了弱碱性海水的生物来说，酸化的海水无疑是一剂杀伤力很大的“毒药”。

2003年，英国著名杂志《自然》（Nature）上首次出现了“海洋酸化”（ocean acidification）一词，随即，海洋酸化问题引起了世界各国学者的广泛关注。2012年3月，美国《科学》（Science）杂志上发表报告称，受人类排放温室气体的影响，地球正经历过去3亿年来速度最快的海洋酸化过程，众多海洋生物因此面临生存威胁。

海洋酸化是指人类活动所排放到大气中的二氧化碳（CO2）被海洋稳定吸收，从而导致海水pH值持续下降的现象。液体的酸碱度一般用pH值来表示，范围为0～14，pH值为0时代表酸性最强，pH值为14代表碱性最强。蒸馏水的pH值为7，代表中性。海水应为弱碱性，海洋表层水的pH值约为8.2，当大气中过量的二氧化碳进入海洋时，海水就会酸化。科学研究表明，工业革命以来，过量的二氧化碳排放已将海水表层pH值降低了0.1，这表示海水的酸度已经提高了30%。预计到2100年海水表层酸度将下降到7.8，到那时海水酸性将比1800年高150%。

海水是怎样变酸的

1956年，美国地球化学家洛根·罗维尔开始着手研究大工业时期产生的二氧化碳在未来50年中将产生怎样的气候效应。洛根和他的合作者在远离二氧化碳排放点的偏远地区设立了两个监测站，一个在南极，那里远离尘嚣，没有工业活动，而且几乎没有植被生长；另一个在夏威夷的莫纳罗亚山顶。50多年来，他们的监测工作几乎从未间断。

洛根通过监测发现，每年的二氧化碳浓度都高于前一年，而且二氧化碳的浓度变化与北半球植物生长季节的更替是同步的。这一观测结果让科学界很快认识到，洛根的担忧是正确的：被释放到大气中的二氧化碳不会全部被植物和海洋吸收，有相当一部分残留在大气中。洛根还通过计算发现，被海洋吸收的二氧化碳数量非常巨大。研究表明，在19世纪和20世纪，海洋吸收了人类排放的二氧化碳中的30%，并且仍以每小时100万吨的速度吸收着。

在海水中，CO2是怎样使海水变酸的呢？

二氧化碳（CO2）溶入海水（H2O），二者的分子结合成为碳酸（H2CO3）；H2CO3离解成碳酸氢根离子（HCO3-）和氢离子（H-），HCO3-再离解成碳酸根离子（CO32-）和H-，这个过程处在动态平衡之中。当大量的CO2 进入海水时，将打破这种平衡，导致海水中的HCO3- 和H+ 浓度升高，这不仅使海水的pH值降低（即酸度增高），而且它们与海水中的碳酸盐离子结合，产生大量碳酸氢盐，导致碳酸盐离子浓度降低，后者是许多海洋生物构建外壳或骨骼不可缺少的物质。

海水酸化与碳酸根离子的减少还会影响海洋生物的许多功能，其中许多影响我们目前还不完全了解。

自工业革命以来，化石能源的使用及水泥生产等人类活动产生的CO2量非常巨大。在过去200年里，海洋吸收了全球大约50%的CO2。目前，海洋中所储存的CO2总量约为大气的50倍，是陆地生态系统和土壤的20倍。海洋成了最大的CO2贮存库。

海洋酸化正以我们无法估计的速度加剧。2011年《中国海洋环境质量公报》中指出，除了某些pH值极高或极低的局部近岸海域外，我国海域海水最低pH值已降至7.8，比正常海水pH值（8.1左右）低了0.3个单位。日益加剧的海洋酸化，正对海洋生物的生存及海洋生态系统的平衡构成严重威胁，也威胁到人类的可持续发展。

酸性海水，“毒性”很强

海洋酸化的影响是多方面的。海洋酸化通过改变海洋微生物的比例，可能会改变海水中的铁、氮等主要营养成分的比例；同样，可能使阳光更容易穿透海洋表层到达更深处。由于海水的基本化学成分改变，海洋吸收低周波声音的能力会下降40%，这会导致部分海域噪音更多。最终，酸化的海水还会妨碍一些物种的繁衍生息。

海水酸化不断加剧而造成的水体pH值降低，给各种海洋生物的生存带来了不同程度的压力。海洋生物体液的pH值将随着海水pH值的降低而降低，这将破坏海洋生物细胞原有的组织渗透压。那些酸碱平衡调节能力较低的低等海洋生物，如藻类、珊瑚、软体动物、棘皮动物，将面临由于组织渗透压改变而造成的细胞损伤或细胞破裂，进而导致生物体的各种组织机能损伤甚至坏死。从能量代谢角度来讲，海洋生物为了适应由水体pH值降低而带来的环境胁迫，必然会转移部分用于其他生理过程的能量进行反馈补偿性代谢，以尽量平衡体内外环境的酸碱度。如果生物体长期处于这种体内酸碱度反馈补偿性调节状态，则势必会影响该生物的其他生理过程。也就是说，酸化的海水对于那些习惯了弱碱性海水的生物来说，无疑是一剂杀伤力很大的“毒药”。

厦门大学海洋与地球学院的高坤山教授发现，海水中CO2浓度升高，能促进某些藻类的光合作用和生长；在光能不足的情况下，这种促进效应尤其明显。然而，海水酸性的增加将导致钙化藻类的钙化程度下降，使其更易蒙受阳光紫外线的损害，所以藻类的生存反而变得艰难了。即使非钙化藻类，如某些硅藻和赤藻，酸化的海水也会降低其对于强光的耐受能力，且迫使其进行过度的呼吸作用，消耗“体力”。因此，海洋酸化究竟能否使海洋的光合固碳能力增强，取决于酸化与CO2浓度升高“双刃剑”效应的平衡。在不可逆转的海洋酸化过程中，藻类必然通过生理调节来适应酸化带来的生存压力，由此，遗传或进化方面的变化也会发生。此外，海洋酸化还会改变海水中溶氧浓度分布和金属的生物可利用性，从而对海洋生物产生间接影响。

厦门大学的科研人员还用桡足类作材料，研究了海水酸化对小型海洋生物的危害。桡足类是海洋中数量丰富的一类节肢动物，体长一般在3毫米左右，营浮游生活。厦门大学的研究显示，CO2酸化对桡足类的毒性比盐酸酸化的毒性还高，尤其是肉食性的桡足类对海水酸化的耐受性非常低。桡足类的繁殖能力也明显受到海水酸化的抑制，在酸化海水中生存的时间越长，产卵数量越少。酸化的海水还会使桡足类的神经系统中毒，并且会抑制其体内合成各种蛋白质的能力。

他们的研究还发现，在酸化的海水中生存一个多星期后，桡足类的肌肉组织和卵母细胞的超微结构均受到影响，肌丝排列的有序性随酸化水平的加剧而下降，甚至出现肌丝断裂现象。酸化的海水会对桡足类造成一定程度的氧化损伤，使桡足类卵母细胞内的线粒体出现断裂现象，并可能进一步诱使卵母细胞发生凋亡。

在酸化的海水中，海胆这类棘皮动物也表现得极其脆弱。研究显示，海洋酸化对海胆的受精率影响不大，却对海胆浮游幼体的发育有明显的影响，导致其卵裂率降低，幼体体积变小，并有大量身体不对称的畸形浮游幼体出现。在酸化的海水中，海胆的骨针也无法很好地完成钙化作用。

有壳生物岌岌可危

面对海洋酸化，首当其冲的是那些利用碳酸钙制造壳体的海洋生物，这是因为海水的pH值降低及海水碳酸盐饱和度的改变可破坏海洋生态系统中CO2-碳酸盐体系的动态平衡，使生物外壳（或骨骼）发生溶蚀，或导致它们的幼体无法正常形成所需的碳酸盐外壳（或骨骼）。

英国南极考察队在南大洋乔治岛附近发现，翼足类海蜗牛的外壳由于海水酸化而溶解。在电子显微镜下发现，海蜗牛的外层硬壳都有不同寻常的腐蚀迹象。

翼足类是一种只有小豌豆般大小的自由游动的海洋软体动物，是许多其他海洋生物的食物，从微小的磷虾到巨大的鲸鱼都以它们为食。在北太平洋，翼足类还是幼年鲑鱼的主要食物来源。研究人员将翼足类动物的外壳放在预测2100年pH值和碳酸盐含量的海水中，一个半月后它们的外壳就渐渐溶解消失了。

位于热带和亚热带的珊瑚礁是近岸海域生产率最高的生态系统，也是许多经济海产生物栖息和“育儿”的主要场所，每年每公顷珊瑚礁为人类带来的经济价值达到80万～700 万美元。珊瑚礁是许多海洋动植物在海底的主要栖息地，然而海水酸度的增加可使珊瑚致死。海洋酸化导致的珊瑚钙化率降低以及珊瑚死亡率升高，将严重影响栖息于珊瑚礁的海洋生物的生存与繁殖，使渔业经济蒙受巨大损失。近年的研究表明，海洋酸化导致造礁石珊瑚幼体补充和群落恢复更加困难，造礁石珊瑚和其他造礁生物钙化率降低甚至溶解，乃至影响珊瑚礁鱼类的生命活动。海洋酸化将使红珊瑚灭绝的风险增大。

贝类大多生活在近岸海域的浅海滩涂，是世界上最庞大的渔获动物群体，许多种类都具有极高的经济价值。随着海洋酸化的不断加剧，海水中碳酸盐的溶解平衡遭到破坏，大多数贝类的碳酸钙外壳将开始溶蚀或停止形成。研究人员通过实验室模拟海洋酸化发现，生长于模拟工业革命前水平CO2 浓度下的海湾扇贝和文蛤具有生长速度快、贝壳厚而紧实的特点，而生长在模拟2100 年CO2 浓度条件下的海湾扇贝和文蛤不仅存活率降低、生长速度减慢，而且贝壳面积显著减小并呈现溶蚀状态。

随着海洋酸化的加剧，贝类种群数量将不断减少。据预测，到2060 年，海洋酸化将严重影响美国的贝类产业，造成的经济损失累计可高达14 亿美元。海洋酸度增加将影响贝类个体的大小与重量。贝类等海洋动物是海鸟、海豹等食肉动物的重要食物来源，同时也是人类海产品生产的重要组成部分。因此，海洋酸化引发的这些变化将会最终影响到人类及大型海洋动物。

海鱼或许越来越少

海洋鱼类作为脊椎动物，本身具有一定的酸碱调节能力，按理说应该不容易受到海洋酸化胁迫的影响，但海洋酸化也会在一定程度上使鱼类的酸碱平衡能力紊乱，导致代谢抑制及呼吸、循环、生长、繁殖等其他生理过程异常，严重的则导致死亡。研究显示，长期在酸化的海水中饲养一种名叫“花纹南极鱼”的冷水鱼类，可致其肝细胞轻微酸中毒以及线粒体能量代谢能力降低。

海水pH 值和溶解氧的变化，会影响鱼类的性别分化及性别决定过程。例如，在海洋酸化条件下，慈鲷科鱼类的性别比例失调，雄性数量明显升高。这一结果提示，长期的海洋酸化可能会导致某些鱼种性别失衡甚至灭绝。

耳石是海水鱼类的主要生物矿化器官，因其主要成分为碳酸钙，所以容易受到海洋酸化的影响。值得注意的是，与预期的海洋酸化会降低鱼类耳石的钙化效率并缩小鱼类耳石面积的假设相反，研究人员发现，海洋酸化不仅没有减缓鱼类耳石的形成进程，反而促使鲈鱼仔鱼的耳石在长度上增加了7%～9%。由于耳石的主要功能是声音探测和方向定位，如果耳石的形态发生变化，将直接影响鱼类对声音的探测和水中的自身定位，进而影响鱼类种群之间的交流以及鱼类自身的方向定位，甚至导致鱼类种群整体的行为异常。

研究人员用一种名叫“橙色小丑鱼”的鱼儿做实验后发现，不同程度的海洋酸化会影响仔鱼的摄食及躲避天敌的能力。海水pH 值的降低会损伤某些经济鱼类的感觉器官，导致这些鱼类的存活率降低，进而影响经济鱼类的产量。

根据最新的预测估计，由于受到海洋酸化的影响，加之鱼类种群对海洋酸化不同的敏感性，世界某些海区2050 年的渔业最大捕捞潜力将比2005 年下降20%～30%。

目前，世界范围内对海洋酸化的研究还处于起步阶段，已经评估的物种还不到海洋生物总数的2%，有关海洋酸化的长期效应和对渔业资源的全部影响尚不清楚。因此，只有系统全面地认识海洋酸化对海洋各区域生物及生态系所产生的影响，才能找到有效的解决办法，减少海洋酸化带给人类的巨大损失。

（作者单位：厦门大学海洋与地球学院）

为什么pH值下降一小点会构成海洋酸化大问题

一些人对海洋酸化不以为然，他们会说：“什么意思，海洋酸化？海洋不是酸性的！海水pH值永远不会低于7。”

这话说对了一半。如今的海水pH值约为8.1，属于弱碱性，但实际上，液体中pH值的任何下降都可以被认为是“酸化”。

打个比方，某人身高1.65米，体重135公斤，他肯定不是瘦子。如果他减肥瘦了45公斤，他仍然不是瘦子。可是如果我们说起这个人，肯定会说他瘦了，而不会说他不如以前胖。

pH值是溶液中氢离子溶解和释放的指数，范围在0～14之间。pH值7为中性，低于7为酸性，高于7为碱性；越低于或越高于7，溶液就被认为酸性越强或碱性越强。但这个比例不是呈线性的——pH 值从8.2下降到8.1，酸性（或氢离子浓度）增加30%；从8.1下降到7.9，水的酸性增加150%。结论是：海水pH值的微小变化，导致海洋酸化的程度却是惊人的。

海水不属酸性，也永远不可能变成酸性。在过去的3亿年里，海洋pH值为弱碱性，平均值为8.2，如今大约为8.1，下降了0.1，表明在过去两个世纪里，海水酸度增加了30%。所以说海洋在酸化，海水在变酸。

由于大气中二氧化碳浓度的积累，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、牡蛎和许多其他生物构建外壳或骨骼所需的健康海水更酸。

海水增加的酸性本身并不会对贝壳和海洋生物的骨骼产生腐蚀作用，但多余的氢离子与碳酸根离子结合产生碳酸氢盐后，生物体用于构建外壳或骨骼的碳酸盐就会大量减少。 （方陵生/文）