海洋酸化对海洋生物有哪些影响？应该怎么治理？

简介

海洋酸化是指由于海洋吸收、释放大气中过量二氧化碳（CO2）使海水正在逐渐变酸。自工业革命以来，海洋大约吸收了人类向大气排放CO2中的1/3，海水pH值下降了0.1。正常的海水呈碱性；在冰河世纪鼎盛时期，海水的pH约为8.3；在工业革命之前，海水的pH值约为8.18；而在今天，海水的pH值约为8.10。那么在21世纪末期，海水的pH将会下降至多少呢？研究预测，在2100年时，海水的pH值将下降至7.8。通过这组数据大家应该不难发现，从古至今海水的pH值呈现了一个明显的下降趋势，而且这个下降的趋势在未来也会持续发生。这种海水pH不断下降的过程就被成为海洋酸化（Ocean Acidification）。

什么造成了海洋酸化？

二氧化碳，是他是他还是他。

目前，大气中二氧化碳的浓度为390 ppm，而工业时期之前这个数值只有280 ppm。而这其中的一部分二氧化碳又溶解到了海水中。这就使得海水中碳酸的含量上升，进而降低了海水pH值，造成了海洋酸化。因此，二氧化碳的浓度增长是造成海洋酸化的主要原因。

当然，这不是唯一原因。

海洋酸化的另外一个原因是某些污染物浓度的上升。比如，化石燃料中硫化物的燃烧导致二氧化硫和三氧化硫的含量增加，而这些气体在海水中的溶解和它们引起的酸雨都会导致海洋酸化；再如，大量含氮肥料流入海洋，导致藻类大量生长，增加了海水中氧气的含量，使得分解作用和呼吸作用加剧。而这些作用的终产物都是二氧化碳，这些额外增加的二氧化碳形成的碳酸同样也会降低海水pH，造成海洋酸化。还有，海底存在大量的甲烷，这些甲烷在海底低温高压的条件下以稳定的固态形式存在，即所谓的“可燃冰”。然而，随着全球气候变暖加剧，海水温度升高，这些固体可燃冰会变为气体甲烷存在于海水中。而海水中大量的甲烷氧化菌会将这些甲烷氧化成二氧化碳，进而造成海水酸化。

海洋酸化发生机制

海洋酸化的发生主要体现在海水无机碳循环体系的变化，该体系包括气态二氧化碳（CO2（g））、二氧化碳水合物（CO2（aq））、碳酸氢根离子（HCO3-）和碳酸根离子（CO32-），反应平衡如下：

CO2(g) ⇌ CO2(ag)

CO2(ag) + H2O ⇌ HCO3-+ H+

HCO3-⇌ CO32-+ H+

无机碳循环是控制海水pH值和维持海洋化学平衡的一个重要方面。当二氧化碳溶解在海水中，形成碳酸（HCO3-），大部分的碳酸分解成氢离子（H+）和碳酸氢盐离子（HCO3-）。向海水中加入二氧化碳的净效应是，随着海洋表层二氧化碳浓度的增加，改变了海洋原有的化学平衡，碳酸、氢离子和碳酸氢盐离子的浓度迅速增加，从而影响海水的化学状态。

海洋酸化对海洋物种的影响

从全球和历史上看，海洋提供了渔业和水产养殖的关键资源。海洋酸化及其化学变化会对处于关键生命史阶段（例如，卵、幼虫、幼鱼和成虫）的可食用海洋物种的生理结构产生直接影响，从而改变它们的生存能力和可食用性。对于具有重要商业价值的鱼类种群，特别是野生捕捞渔业，关注的重点是因海洋酸化而中断的种群水平过程，例如存活下来进入渔业的鱼类数量。因此，早期生命史阶段一直是研究的重点。在鱼类方面，研究发现，CO2的增加对某些物（如夏季比目鱼、牙鲆和大西洋鳕鱼）的卵和早期幼虫阶段的存活率有负面影响。同样，生殖过程也是一个重点，荟萃（Meta）分析表明海洋酸化对不同生物群体（如鱼类、软体动物、棘皮动物和甲壳动物）的生存、生长、发育和繁殖有负面影响。此外，在一些地区，由于碳酸盐饱和度降低和无法长壳的幼体（例如美国西海岸的牡蛎）的死亡，沿海水域的贝类养殖已经在减少。

图1 海洋生物

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海洋酸化对污染物影响

许多化学物质通过人类活动直接或间接进入到自然系统中被生物体吸收，然后通过食物链转移，在更高营养级生物体组织中积累，并影响其生理机能。污染物在海洋环境中的传播会受到海洋酸化的影响，研究发现，海洋酸化会改变污染物的生物利用度，加剧暴露和生物积累，并增强生物体生物水平从基因到生态系统的影响。汞及其他金属（例如铝，铁，锌，铜和铅）通常在酸化水生环境生物利用度更高，利用度的增加解释了暴露于酸化海洋中的海洋双壳类动物中镉积累增加的原因，酸化的海水还可能会通过引起上皮损伤导致镉更容易渗透或降低排镉的能力来增加积累。

海洋酸化对毒素分布和累积的影响

海产品尤其是贝类引起的中毒是海洋对人类健康产生负面影响的一个关键途径。贝类含有可导致麻痹性贝类中毒（PSP）、神经毒性贝类中毒（NSP）、健忘性贝类中毒（ASP）或腹泻性贝类中毒（DSP）的天然毒素，这些毒素通常是从那些形成有害藻华（HAB）的藻类中积累的。

图2 有害藻华

海洋酸化可以改变有害藻华的丰度和化学成分，从而增加贝类毒性，从而对人类健康产生负面影响。已发现受海洋酸化影响的毒素和产生它们的藻类包括麻痹性贝类毒素、神经性贝类毒素以及短毒素。研究发现，海洋酸化会导致藻类生长速度增加，加速有毒藻类的产生。除了有害的微生物藻类，细菌还可以通过释放毒素引起疾病，例如肉毒梭菌会产生非常有效的天然毒素肉毒杆菌，当口服摄入时，会阻断神经功能，导致呼吸和肌肉骨骼麻痹。

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如何防止海洋继续酸化？

方法主要有以下几种：

1、减少二氧化碳排放。

既然海洋酸化的主要原因来自于二氧化碳的排放，那么减少其过量排放自然就是防止海洋酸化的首要任务。

《京都议定书》在这个背景下应运而生。这个文件旨在减少世界各国的碳排放，以达到缓解气候变暖和海洋酸化的目的。

2、除掉大气中过量的二氧化碳。

如何减少大气中二氧化碳的含量一直是科学家们研究的热点问题。

武哥在之前有关于碳循环的推文中给大家介绍过微型生物碳泵（猛戳-->研究前沿：海洋碳循环与微型生物碳泵）。通过海洋巨大的碳汇作用和微型生物碳泵，可以实现碳在海洋中数百年的“封存”。

除此之外，还有很多海洋生物泵可以用来吸收大气中多余的二氧化碳。

3、减少污染物和其他温室效应气体的排放。

上面的内容中我们提到，氮、硫化合物的排放也会导致海洋酸化。

另外，除二氧化碳以外，温室效应气体还包括一氧化二氮、甲烷、氢氟碳化物(HFCs)、六氟化硫（SF6）和全氟化碳（PFCs）。

减少这些污染物和温室气体的排放同样对防止海洋酸化起到积极作用。

如何提高海洋对酸化的抗性？

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海洋酸化的事实已经发生了，而且我们也必须承认，在短期内解决海洋酸化并不现实。

因此，如何能让海洋最大程度地抵受住酸化带来的影响，这也是我们需要思考的问题。

那么如何增加海洋生态系统对酸化的抗性呢？

增加和保护生物的多样性就是一个很好的方案。

如果一个地方的生物很多样，那就意味着这个地方“财大气粗”，不在乎失去一两种生物；但如果一个地方生物的种类很少，那这个地方一旦遭受破坏，一两种生物的灭绝就会导致这个地方的生态系统彻底崩溃。高的生物多样性就相当于给一个生态系统加上了很多保险，保证了生态系统对环境变化的抵抗性。因此，保护和增加海洋生态系统中的生物多样性，是提高海洋对酸化抵抗性的有效手段。有效的渔业管理和环境治理等都可以保证海洋生物的多样性。不过，在这里我们要特别强调：再强的抗性都是有极限的。所以保护海洋生物多样性以提高海洋对酸化影响的抵抗性，只是缓解酸化压力的暂时性手段。如果二氧化碳浓度继续无限制地增加，那么海洋即便具有再强的抗性，最终都会被酸化所带来的影响压垮。

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总结

海洋酸化除了影响到海洋生物种群外，对海洋生态系统的其他环节同样影响巨大。从细菌到鱼类，许多生物已被证明受到海洋酸化的负面影响。海洋酸化所引起的海洋种质资源的减少或消亡会随着食物链影响整个海洋生态系统平衡，积累的污染物和毒素造成人类海洋食物的负面影响，增加人类健康风险。

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