酸化对海洋环境和生物的影响

来源:维普资讯   发布时间:2015-05-20 22:38:59 
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酸化对海洋环境的影响尽管海洋通过吸收二氧化碳帮助减缓全球变暖,但与此同时,海洋酸性增加将对海洋环境,特别是海洋生态系统在未来带来巨大的灾难。不断酸化的海水会最终溶解海洋中的碳酸钙,而碳酸钙正是海洋生物的骨骼、贝壳中的重要物质。如果二氧化碳继续以这一水平扩散,据预测,海水的酸化将会让有机物而,由此形成的碳化合物与离子相当复杂。
所有这类溶解和离解的一个简单结果就是氢离子浓度提高了,化学家通常用人们熟悉的pH值来进行量化。pH值下降1个单位,就相当于氢离子浓度提高到原来的1O偌,让水的酸性更强;而pH值上升1个单位,就相当于氢离子浓度下降为原来的1/10,让水的碱性更强。中性纯水的pH值为7,而原始海水的pH值为8.0~8.3,这就意味着,在自然状态下,海水略带碱性。
比起工业革命之前,海洋吸收二氧化碳已经导致现代地球表面海水的pH值大约下降了0.1,即导致碱性变弱。除非人类立即大幅度削的繁衍减少20%到50% ,它们中包括珊瑚、浮游生物、石灰质植物以及壳类生物。部分珊瑚、甲壳类、软体动物和浮游生物将处于灭绝的险境。
科学家们通过实验发现,海水与二氧化碳化合会生成碳酸,碳酸则向海水中释放氢离子,在这种情况下,同时产生了碳酸氢根离子和更少的碳酸根离子;少部分碳酸留在海水中,不发生离解,少量二氧化碳也是如此。因减对化石燃料需求,不然到21O0年,海洋pH值就将再下降0.3。pH值变动看起来似乎很小,但是它们足以引起科学家们的警觉。在对更遥远的将来所进行的大致预测中,美国华盛顿卡内基研究所的海洋学家肯·卡尔德拉指出,从现在开始的几个世纪里,海洋pH值将比过去3亿年里的任何时候都要低,这让人忧心仲忡。
值得注意的是,最新实验表明,pH值变化可能危害某些海洋生物,特别是危害依赖碳酸盐离子来形成外壳或其他硬质结构的海洋生物,碳酸盐离子来自碳酸钙,这令人忧虑。
海洋生物受到致命打击
乍看起来,这种担忧似乎自相矛盾。毕竟,如果海洋吸收的某些二氧化碳离解成碳酸盐离子,人们就可以期望有大量碳酸盐离子在周围活动,甚至超过其他方式可以得到的量。尽管这种逻辑是站不住脚的,因为它忽略了所有已产生的氢离子的影响,氢离子往往与碳酸盐离子化合,形成碳酸氢盐离子,因而最终结果是碳酸盐离子浓度下降。
令人担忧的是,pH值下降将妨碍某些生物形成碳酸钙的能力,足以使这些生物难以生长 、某些最为丰富的生物可能会遭受同样影响,其中包括叫做球石藻类的浮游生物,它们被一小块碳酸钙覆盖,常常可以看到它们靠近海面游动,它们在此利用充裕的阳光进行光合作用。其他重要例子是浮游生物有孔虫和翼足目软体动物,即小型海洋蜗牛,这些微小的生物是鱼类和海洋哺乳动物的主要食物来源。
在自然状态下,对各种碳酸盐而言,冷水的超饱和状态比热水差,因此,高纬度和深水生态系统可能首先受到海洋酸化影响。在本世纪,极地表面水就最有可能变成征石的不饱和状态区域。根据美国加州大学圣马科斯分校的维多利亚·法布里的研究成果,得出了一个令人忧虑的可能性,即极地翼足目软体动物将完全消失。或许它们将被迫迁移到纬度更低和更暖和的区域,前提是它们能适应那里的环境。没有人知道翼足目软体动物数量的急剧下降结果会对海洋生态系统的其他部分产生怎样的影响。但是,事实是这些小型海洋蜗牛是南极海域食物链的关键环节,为大量鱼、鲸和海鸟提供食物,这就足以让人忧虑了。海洋生物受到致命打击生物学家担心,珊瑚会遭受这种影响。它们过滤水中浮游生物进行采食。并分泌碳酸钙骨架,随着时间的推移,这些碳酸钙骨架累积而形成珊瑚礁。珊瑚礁位于海洋中生产率最高和生物多样性最强的生态系统之列。珊瑚藻也对大量珊瑚礁的酸化产生了影响。例如澳大利亚海岸外的大堡礁是世界上最大的生物构造,完全是珊瑚和珊瑚藻一代一代累积的结果。而在海洋更深之处,那里冷水珊瑚群落点缀着大陆边缘和海底山,形成重要的鱼类栖息地。
浅水珊瑚绚丽多彩,部分原因在于共生藻的作用。共生藻生活在珊瑚细胞内部,为了应对各种各样的环境压力,这些藻类有时候离开自己的寄主,将白色的碳酸钙骨架暴露在下面。例如,这种“漂白”事件会因极度暖和而发生。一些科学家认为,海洋酸化往往促使这类事件的发生。
珊瑚或其他甲壳类海洋生物外壳里的碳酸钙以方解石和霰石这两种独特的形式出现,珊瑚和翼足目软体动物都能形成霰石壳,而珊瑚藻制造含镁方解石。霰石和含镁方解石的溶解性比一般方解石更好。因此,珊瑚,翼足目软体动物和珊瑚藻都可能特别容易遭受海洋酸化的危害。
从根本上讲,碳酸钙的溶解性依赖于碳酸盐离子的浓度,但是它还受另外几个因素的影响,包括温度和压力。许多深海冷水的酸性足以溶解碳酸钙壳,这类海水被称为“不饱和的”。就方解石和霰石而言,浅层温暖表层海水被称为“超饱和的”,这意味着方解石和霰石在该区域没有任何溶解的趋势。超饱和环境与不饱和环境之间的转变带称为饱和线,低于这个水平,特定物质就开始溶解。大气二氧化碳进入海洋,导致了霰石和方解石的饱和线上移,同19世纪相比,已经向上移动了5O~200米。最新研究表明,在今后几十年里,饱和线将进一步上移。因此,随着海洋酸性越来越强,对海洋生物外壳有利的上层海水将越来越薄;也就是说,适宜钙化此类生物生存的海洋面积越来越少。
早先,许多科学家推测,海洋酸化只是一个小问题,因为海洋表面将保持超饱和状态,至少就方解石而言是这样,方解石是一种坚硬的碳酸钙。2O世纪9O年代后期,为检验这个假设,美国迈阿密大学的海洋生物学家克里斯托弗·兰登做了一个有说服力的实验,他控制人工珊瑚礁上水的化学性质,这个人工珊瑚礁建立在位于美国亚利桑纳州沙漠中心地带的哥伦比亚大学生物圈2号实验室的一个巨大水池里。令人惊奇的是,他发现珊瑚中碳酸钙生产率随pH值下降而下降,虽然就霰石而言,水保持相当的超饱和状态。不久以后,德国阿尔弗雷德· 维格纳极地与海洋研究所的乌尔夫·里贝塞尔及其同事们揭示,浮游生物球石藻类的生长遭遇了类似障碍。现在已经可以利用实验来揭示,对所有利用碳酸钙形成硬质结构的重要海洋生物种群,二氧化碳浓度升高都产生有害影响。高纬度钙化浮游植物和浮游动物可能命运相似,尽管它们数量的减少将晚几十年,因为它们的外壳由方解石构成,而方解石是一种溶解性更差的碳酸钙。深海珊瑚群落,特别是那些生活在北大西洋西部高浓度化石燃料碳散发水域的珊瑚群落,也可能遭受灭顶之灾。珊瑚礁的前景甚至更黯淡。对于那些珍贵的生态系统,海洋酸化正是众多环境压力之一,这种冲击包括温室效应、当地污染、过度捕捞和栖息地破坏。许多珊瑚礁已经减少,海洋酸化可能把一些珊瑚礁推向灭绝边缘。

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