Comprensión de la acidificación oceánica

La acidificación del océano representa uno de los cambios más consiguientes que se producen en los océanos del mundo de hoy. Desde la Revolución Industrial, las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico (CO2) han aumentado de aproximadamente 280 partes por millón (ppm) a más de 420 ppm, impulsadas principalmente por la combustión de combustibles fósiles, la deforestación y los procesos industriales. Los océanos han amortiguado este aumento al absorber aproximadamente el 25 al 30 por ciento de las emisiones antropógenas de CO2, un servicio que ha moderado el calentamiento global pero viene a un costo químico directo a la química del agua marina.

Cuando el CO2 se disuelve en agua de mar, sufre una serie de reacciones químicas. El CO2 reacciona con el agua (H2O) para formar ácido carbónico (H2CO3), que rápidamente se disocia en iones bicarbonato (HCO3-) y iones de hidrógeno (H+). El aumento de la concentración de iones de hidrógeno es lo que baja pH, haciendo el agua más ácido. Críticamente, estos iones de hidrógeno se unen con iones de carbonato (CO3 2-) para formar bicarbonato adicional, reduciendo la disponibilidad de iones de carbonato en el agua. Los iones de carbonato son los bloques de construcción que utilizan los organismos calcificadores para construir carbonato de calcio (CaCO3) conchas y esqueletos. El resultado es una cascada de consecuencias biológicas que afectan a organismos desde la microscópica hasta la masiva.

La escala del cambio ya es mensurable. El pH del océano superficial ha disminuido en aproximadamente 0.1 unidades de pH desde tiempos preindustriales, lo que representa un aumento aproximado del 30% en la concentración de iones de hidrógeno. Si las emisiones continúan en las trayectorias actuales, proyecciones de las IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate (SROCC) sugieren una nueva disminución de 0,3 a 0,4 unidades a finales de este siglo. Esta tasa de cambio no tiene precedentes en al menos 300 millones de años, superando todo lo que los organismos marinos de la Tierra han experimentado en su historia evolutiva.

La química de la acidificación del océano en detalle

Para comprender por qué la acidificación oceánica es tan disruptiva, ayuda a comprender el sistema de carbonatos con mayor detalle. El agua de mar contiene naturalmente tres formas de carbono inorgánico: CO2, iones bicarbonatos y iones carbonatos. Estas especies existen en equilibrio, y el equilibrio depende del pH. En el océano actual, alrededor del 90 por ciento del carbono inorgánico disuelto existe como bicarbonato, 9 por ciento como carbonato, y 1 por ciento como CO2. A medida que el CO2 entra en el agua, el equilibrio cambia, aumentando el bicarbonato y disuelto CO2 a expensas del carbonato.

El estado de saturación de minerales de carbonato de calcio es un parámetro crítico. Dos formas biógenas comunes, aragonita y calcita, tienen diferentes solubilidades. La aragonita, utilizada por corales y muchos moluscos, es más soluble y se disolverá a niveles inferiores de pH. El calcite, utilizado por cocolithophores y algunos foraminifera, es ligeramente más estable pero todavía sensible. El estado de saturación (Ω) indica si un mineral precipitará o se disolverá: cuando se pueden formar las cáscaras y esqueletos; cuando se produce la disolución Ω 1, se produce la disolución. En muchas regiones, especialmente las aguas frías y de alta latitud, la saturación aragonita ya ha caído por debajo de 1 durante partes del año, lo que significa que las condiciones son corrosivas a los proyectiles desprotegidos.

Estos cambios químicos no ocurren uniformemente a través del océano. Las aguas frías mantienen más CO2, haciendo regiones polares entre las primeras para experimentar subsaturación. Zonas de plantación, donde el agua profunda, rica en CO2 es llevada a la superficie, también experimentan estados de pH naturalmente bajos y baja saturación—condiciones que ahora están siendo exacerbadas por el CO2 antropogénico. Las zonas costeras, influidas por escorrentía de nutrientes, insumos de agua dulce y contaminación local, enfrentan complejidades adicionales que pueden amplificar o amortiguar temporalmente los efectos de acidificación.

Efectos sobre calcificadores marinos: Shells and Skeletons Under Siege

Coral Reefs

Los arrecifes de coral se describen a menudo como las selvas tropicales del mar, que albergan aproximadamente el 25 por ciento de todas las especies marinas a pesar de cubrir menos del 1 por ciento del suelo oceánico. La base de estos ecosistemas es la estructura de carbonato de calcio construida por pólipos de coral en simbiosis con algas zooxanthellae. La acidificación del océano socava directamente esta fundación. Mientras la saturación aragonita disminuye, los corales gastan más energía para depositar sus esqueletos, y las tasas de calcificación disminuyen.

Numerosos estudios han documentado la reducción de la calcificación en los principales corales de reconstrucción de arrecifes, como Porites y AcroporaLos experimentos muestran que en los niveles de CO2 equivalentes a 600 a 800 ppm, la calcificación de coral puede disminuir en un 15 a 25 por ciento en comparación con las condiciones preindustriales. Los esqueletos de Weaker son más propensos a romperse de tormentas, bioerosión por organismos aburridos, y daño físico de los depredadores. Esta degradación estructural reduce la capacidad del arrecife para proteger las costas de la energía de las ondas y disminuye su capacidad para proporcionar hábitat para peces e invertebrados.

La acidificación del océano también interactúa con el aumento de las temperaturas marinas. Mientras que el estrés térmico provoca el decoloramiento del coral, la expulsión de algas simbióticas, la acidificación perjudica la recuperación al obstaculizar el crecimiento esquelético. La presión combinada del calentamiento y la acidificación crea un escenario donde los arrecifes pueden pasar de la acreción neta a la erosión neta, perdiendo efectivamente masa con el tiempo. El NOAA Ocean Acidification Program monitorea de cerca los sitios de arrecife a nivel mundial, y los datos muestran que muchos arrecifes ya están erosionando más rápido de lo que pueden crecer.

Shellfish and Mollusks

Los ostras, almejas, mejillones, cuero cabelludos y abalona son todos vulnerables a la acidificación porque confían en iones carbonatos para construir sus conchas. Las etapas larvas y juveniles son especialmente sensibles. Las larvas de Bivalve comienzan la formación de cáscaras dentro de horas a días de fertilización, y a baja pH, experimentan retraso en el desarrollo, menor tamaño y mayor mortalidad. Esta vulnerabilidad ya se ha observado en las hatcheries comerciales a lo largo de la costa oeste de los Estados Unidos, donde la producción de ostras en lugares como Whiskey Creek Shellfish Hatchery en Oregon sufrió enormes muertes a mediados de los años 2000, directamente ligadas a aguas desbordadas con baja saturación aragonita.

Los mariscos adultos también experimentan efectos subleales. Incluso cuando pueden sobrevivir, pueden asignar más energía al mantenimiento de cáscaras a expensas del crecimiento, la reproducción y la función inmune. Las cáscaras más finas y débiles las hacen más susceptibles a los depredadores como los cangrejos y el pez estrella. Para especies comercialmente importantes como el ostra oriental (Crassostrea virginica) y el mejillón azul (Mytilus edulis), estos impactos se traducen en rendimientos reducidos, tamaños de cosecha más pequeños y mayores costos de producción para operaciones de acuicultura.

Los pteropodos, a veces llamados mariposas marinas, son pequeños moluscos que juegan un papel extragrande en las redes de alimentos polares. Producen cáscaras aragonitas delicadas que son altamente sensibles a la acidificación. En el Océano Sur y el Océano Ártico, los pteropodos ya experimentan períodos de subsaturación, y sus conchas muestran daños visibles de disolución. Debido a que los pteropodos son una fuente primaria de alimentos para el salmón, el arenque, el bacalao, e incluso las ballenas, su declive madura hacia arriba a través de la red alimentaria.

Echinoderms and Crustaceans

Los erizos de mar, el pez estrella y otros echinodermos también tienen estructuras calcificadas. Larvas de erizo de mar, por ejemplo, dependen de varillas esqueléticas de calcita de magnesio para soporte y alimentación. El pH reducido afecta el desarrollo larval, la simetría y la supervivencia. Crustaceans tales como cangrejos y langostas construyen sus exosqueletos del carbonato de calcio, a menudo en forma de calcita. Aunque pueden ser algo más resilientes que los bivalvos, los estudios muestran que las etapas de larval pueden ser deterioradas, y los adultos pueden invertir más energía en la reparación de carapace, potencialmente reduciendo el crecimiento y la reproducción.

Efectos sobre los organismos no calificadores

Fisiología y comportamiento de los peces

Los peces no son inmunes a la acidificación oceánica. Aunque no construyen cáscaras de carbonato de calcio, deben mantener el equilibrio interno de pH, y el CO2 elevado en aguas marinas puede interrumpir su regulación de base ácido. La investigación durante la última década ha revelado una gama de efectos conductuales y fisiológicos. En condiciones elevadas de CO2, muchas especies de peces experimentan una función olfativa deteriorada, lo que hace más difícil detectar depredadores, encontrar alimentos o localizar hábitats adecuados. Por ejemplo, larvas de clownfish cedidas en los niveles de CO2 proyectados para finales del siglo pierden su capacidad de distinguir entre cues químicas que indican entornos seguros contra peligrosos, lo que los lleva a nadar hacia los depredadores en lugar de alejarse de ellos.

Las funciones auditivas y visuales también pueden verse afectadas. Estudios sobre especies damselfish y otros arrecifes de coral han demostrado que el CO2 elevado altera la sensibilidad auditiva y la detección de contrastes visuales, además de comprometer la supervivencia. El comportamiento de asentamiento juvenil —el proceso por el cual larvas eligen un hábitat y metamorfosis en adultos— también se interrumpe, lo que puede reducir el reclutamiento en poblaciones de arrecifes o estuarinas.

Estas deficiencias conductuales están vinculadas a la función del receptor GABA-A en el sistema nervioso central. Elevated CO2 altera las concentraciones de iones en los tejidos de los peces, afectando la función neurotransmisor de maneras que pueden conducir a comportamientos más arriesgados, ansiedad reducida y aprendizaje deficiente. Importantemente, algunas especies o poblaciones pueden mostrar aclimatación a lo largo de múltiples generaciones, pero el ritmo del cambio ambiental puede superar su capacidad de adaptación.

Plancton y la Base de la Red de Alimentos

Phytoplankton forma la base de las redes de alimentos marinos y son responsables de aproximadamente la mitad de la producción primaria mundial. Los cocolithophores, un grupo de fitoplancton que construyen placas calcitas (cococolitos), son directamente sensibles a la acidificación. Aunque algunas especies muestran un crecimiento creciente bajo el CO2 elevado cuando los nutrientes son suficientes, su calcificación a menudo disminuye, lo que conduce a cocolitos más ligeros y más delgados. Esto afecta sus tasas de hundimiento y, en consecuencia, la exportación de carbono al océano profundo.

Zooplankton, incluyendo copópodos, krill y foraminifera, también son impactados. Foraminifera construye pruebas de calcita, y su peso cáscara ya ha disminuido en sedimentos de la era industrial en comparación con tiempos preindustriales. Krill, una especie de piedra clave en las redes de alimentos del Océano Sur, experiencia reducida éxito de captura y desarrollo larval más lento bajo el elevado CO2. Debido a que el krill es presa de pingüinos, focas, ballenas y peces, su declive representa una amenaza importante para la integridad de los ecosistemas.

Ecosystem-Level Consequences

Disrupción de la Web alimentaria

Los efectos a nivel individual descritos anteriormente escalan para alterar la estructura de la red alimentaria, el flujo energético y la función de los ecosistemas. Cuando los calcificadores como pteropodos o bivalvos disminuyen, los depredadores que confían en ellos deben cambiar especies de presas, viajar más lejos para encontrar comida, o declinar. Esto puede llevar a cascadas tróficas donde los cambios en una parte de la web se propagan a otros. Por ejemplo, en el Pacífico Norte, las declinaciones de pteropodos se han relacionado con índices de condición reducidos en poblaciones salmones que dependen de ellas durante etapas vitales clave.

La acidificación del océano también puede cambiar la dinámica competitiva entre las especies. Algunos organismos, como ciertos tipos de algas marinas y algas marinas, se benefician del CO2 elevado porque pueden aumentar sus tasas fotosintéticas. En los sistemas costeros, esto puede llevar a una proliferación de macroalgas a expensas de algas calcificantes y animales, cambiando fundamentalmente la estructura del hábitat. El resultado es una simplificación de los ecosistemas, a menudo con menos niveles tróficos y menor biodiversidad.

Disminución de la pérdida y la biodiversidad del hábitat

Los arrecifes de coral proporcionan el ejemplo clásico de pérdida de hábitat impulsada por la acidificación. A medida que los arrecifes se erosionan, la compleja estructura tridimensional que proporciona refugio y viveros para miles de especies se derrumben. La diversidad de peces disminuye, las poblaciones invertebradas se reducen y el ecosistema cambia a un estado más simple y menos productivo. Procesos similares ocurren en arrecifes de ostra, que una vez formaron hábitats biógenos extensos en estuarios templados. Los arrecifes de ostra proporcionan sustrato duro, mejoran la calidad del agua y estabilizan las costas. A medida que las poblaciones de ostras disminuyen, estos servicios de ecosistemas se pierden y las comunidades de base blanda reemplazan a la comunidad de arrecifes.

En los ecosistemas coralinos de aguas frías que se encuentran en aguas profundas y oscuras frente a los estantes continentales, la amenaza es aún más aguda porque estos corales ya viven en estados de baja saturación. A medida que aumentan los niveles de CO2, vastas áreas del suelo oceánico pueden llegar a ser corrosivas para la aragonita, eliminando potencialmente estos hábitats antiguos de crecimiento lento que albergan alta biodiversidad y sirven como áreas de cultivo de peces.

Efectos regionales y socioeconómicos

Pesca y Acuicultura

Las consecuencias económicas de la acidificación de los océanos se concentran en sectores que dependen de mariscos y peces finos. La industria estadounidense de mariscos, valorada en más de 1.000 millones de dólares anuales en ventas directas, ya ha experimentado pérdidas documentadas. La crisis de hatchery de ostras de la costa oeste obligó a los operadores a invertir en sistemas de agua marina amortiguada, monitorear los niveles de CO2 en tiempo real y reubicar las operaciones en zonas menos afectadas. Estas medidas de adaptación añaden costos y no eliminan completamente el riesgo.

Las pesquerías mundiales vulnerables a la acidificación incluyen las de almejas, ostras, mejillones, cuero cabelludos, almejas, erizos marinos y algunas especies de cangrejo y langosta. En las naciones en desarrollo donde la proteína de los mariscos es un componente dietético primario, la disminución de las cosechas de mariscos amenaza directamente la seguridad alimentaria. Incluso las pesquerías de peces finos, aunque menos directamente afectadas, pueden experimentar efectos secundarios a medida que sus especies presas disminuyen o cambian de hábitat. El Smithsonian Ocean Portal proporciona resúmenes accesibles de cómo se proyecta que estos impactos económicos crezcan bajo diferentes escenarios de emisiones.

Coastal Communities and Indigenous Peoples

Las comunidades costeras que dependen de los recursos marinos para la subsistencia, la identidad cultural y el sustento económico están en primera línea. Las comunidades indígenas de Alaska, Columbia Británica, el noroeste del Pacífico y el Ártico dependen en gran medida de mariscos, salmones y mamíferos marinos. La acidificación del océano añade otra capa de estrés a las comunidades que ya se enfrentan al aumento del nivel del mar, el calentamiento y la pérdida de hielo marino. Los conocimientos tradicionales y la ciencia contemporánea señalan la misma conclusión: los océanos que han sostenido estas comunidades durante milenios están cambiando de maneras que reducen su productividad y previsibilidad.

Pautas de mitigación y adaptación

Reducción de emisiones de CO2 en la Fuente

La única solución a largo plazo para la acidificación de los océanos es dejar de añadir CO2 a la atmósfera. Esto requiere una transición global lejos de los combustibles fósiles hacia fuentes de energía renovables como energía solar, eólica, geotérmica e hidroeléctrica. Las mejoras de eficiencia energética en toda la industria, el transporte y los edificios pueden reducir la demanda general. Las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS), aunque no sustituyen las reducciones de las emisiones, pueden ayudar a gestionar las emisiones de sectores de difícil de descarbonizar, como la producción de cemento y acero. La reforestación y la mejora de la ordenación de la tierra también secuestran el carbono y reducen las emisiones netas.

Los acuerdos internacionales y las políticas nacionales desempeñan un papel central. El objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a 1,5–2.0 °C, si se logra, también limitaría la magnitud de la acidificación oceánica. Sin embargo, incluso bajo los escenarios más optimistas, el océano seguirá acidificando durante décadas a siglos debido a la inercia del ciclo del carbono.

Building Ecosystem Resilience

Si bien las reducciones de las emisiones abordan la causa raíz, las acciones locales y regionales pueden ayudar a los ecosistemas a soportar los cambios ya en curso. La protección y restauración de hábitats costeros como manglares, camas de algas marinas y marismas de sal aumenta el almacenamiento de carbono y proporciona refugiación para especies sensibles. Seagrasses, en particular, puede localmente levantar pH a través de su actividad fotosintética, creando refugios seguros a pequeña escala para calcificadores.

Áreas marinas protegidas (MPA) que reducen la presión pesquera y otros factores de estrés pueden ayudar a las poblaciones a mantener su diversidad genética y su potencial de adaptación. Dentro de las AMP, las poblaciones más sanas tienen una mejor oportunidad de sobrevivir el estrés ambiental y potencialmente evolucionar la tolerancia al pH bajo. Se está explorando la restauración activa, como la plantación de corales que se han criado selectivamente para una mayor tolerancia térmica y pH, como una estrategia de intervención para los ecosistemas de arrecife de alto valor.

Gestión de Pesca y Acuicultura

Los gerentes de pesca pueden incorporar proyecciones de clima y acidificación en evaluaciones de stock y reglas de cosecha. El cambio de patrones de cosecha hacia especies más resistentes y la reducción del bycatch de especies vulnerables pueden ayudar a mantener la función del ecosistema. En la acuicultura, los operadores pueden monitorear la química del agua en alta resolución temporal y tratar el agua de ingesta con buffers como carbonato de sodio o cáscara triturada para elevar pH antes de que llegue a larvas sensibles. Los Hatcheries en la Costa Oeste de Estados Unidos han implementado estos sistemas, estabilizando la producción a pesar de empeorar las condiciones de agua de origen.

Investigación, monitoreo y bioingeniería

Las observaciones sostenidas sobre los océanos son esenciales para el seguimiento de las tendencias de acidificación, validar modelos e informar a la administración. Programas como los NOAA PMEL Carbon Program proporcionar mediciones de alta calidad en todo el océano mundial, detectando cambios en el pH, la alcalinidad y el estado de saturación. La expansión de estas redes en regiones costeras y polares es una prioridad.

La investigación sobre la base genética y fisiológica de la tolerancia a la acidificación puede identificar variedades de corales, ostras u otras especies que pueden sobrevivir en condiciones proyectadas. Ya se están ejecutando programas selectivos de cría de mariscos, con el objetivo de producir líneas con mayor resiliencia para la acuicultura comercial. Las herramientas moleculares, incluyendo la genómica y la transcripción, están descubriendo los mecanismos que permiten a algunos individuos mantener la calcificación incluso en el CO elevado, abriendo la puerta para la selección asistida por marcadores.

Participación comunitaria y cambio conductual

La conciencia pública sobre la acidificación de los océanos ha aumentado pero sigue siendo inferior a la conciencia sobre el cambio climático o la contaminación plástica. La comunicación efectiva sobre la ciencia, las apuestas y las vías de solución es crítica. Programas de ciencias ciudadanas, como la Coalición para el Clima Shellfish Growers y los esfuerzos de monitoreo de pH basados en la comunidad, involucran directamente a los interesados en la recopilación y promoción de datos. La reducción de la contaminación local, incluida la fuga de nutrientes que exacerba la acidificación costera, es una acción que las personas, las comunidades y los gobiernos pueden tomar que produce beneficios locales inmediatos mientras se aborda el problema mundial del CO2.

Conclusión

La acidificación oceánica no es una amenaza futura lejana: está ocurriendo ahora, en cada cuenca oceánica, a una velocidad que desafía la capacidad adaptativa de la vida marina. Desde la disolución de conchas de pteropod en mares polares hasta el debilitamiento de esqueletos de coral en aguas tropicales, los cambios químicos impulsados por emisiones de CO2 están remodelando ecosistemas marinos. Las consecuencias se extienden a través de las redes alimentarias, a la pesca y a las placas y medios de vida de miles de millones de personas. Para hacer frente a este problema se necesitan reducciones agresivas de las emisiones de CO2 y acciones locales deliberadas para aumentar la resiliencia en los sistemas marinos de los que depende la sociedad. La ventana para una acción significativa se está estrechando, pero todavía hay tiempo para frenar el ritmo del cambio y dar a la vida marina la oportunidad de adaptarse.