Comprendre l'acidification des océans

Depuis la révolution industrielle, les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone (CO2) sont passées d'environ 280 parties par million (ppm) à plus de 420 ppm, principalement du fait de la combustion des combustibles fossiles, de la déforestation et des processus industriels. Les océans ont amorti cette augmentation en absorbant environ 25 à 30 % des émissions anthropiques de CO2, service qui a modéré le réchauffement planétaire mais qui a un coût chimique direct pour la chimie de l'eau de mer.

Lorsque le CO2 se dissout dans l'eau de mer, il subit une série de réactions chimiques. Le CO2 réagit avec l'eau (H2O) pour former de l'acide carbonique (H2CO3), qui se dissocie rapidement en ions bicarbonate (HCO3) et en ions hydrogène (H+). L'augmentation de la concentration d'ions hydrogène est ce qui diminue le pH, rendant l'eau plus acide. C'est pourquoi ces ions hydrogène se lient avec des ions carbonate (CO3-2) pour former un bicarbonate supplémentaire, réduisant la disponibilité d'ions carbonate dans l'eau. Les ions carbonate sont les éléments de base que les organismes calcifiants utilisent pour construire des coquilles et des squelettes de carbonate de calcium (CaCO3).

Si les émissions continuent sur les trajectoires actuelles, les projections du rapport spécial de l'IPCC sur l'océan et la cryosphère dans un climat en évolution (SROCC) suggèrent une nouvelle baisse du pH de 0,3 à 0,4 unité d'ici la fin de ce siècle. Ce taux de changement est sans précédent en au moins 300 millions d'années, dépassant tout ce que les organismes marins ont connu dans leur histoire évolutionnelle.

La chimie de l'acidification océanique en détail

Pour comprendre pourquoi l'acidification des océans est si perturbatrice, elle aide à comprendre le système carbonaté en plus grand détail. L'eau de mer contient naturellement trois formes de carbone inorganique : le CO2, les ions bicarbonates et les ions carbonates dissous. Ces espèces existent en équilibre, et l'équilibre dépend du pH.

L'état de saturation des minéraux carbonate de calcium est un paramètre critique. Deux formes biogéniques communes, l'aragonite et la calcite, ont des solubilités différentes. L'aragonite, utilisée par les coraux et de nombreux mollusques, est plus soluble et se dissout à des pH plus bas. Le calcite, utilisé par les cocolithophores et certains foraminifères, est un peu plus stable mais encore sensible. L'état de saturation (--) indique si un minéral précipitera ou se dissoudra : quand -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Les zones de sursaut, où l'eau est riche en CO2, connaissent également un pH naturellement bas et des états de faible saturation et de la mdash; les conditions qui sont maintenant exacerbées par le CO2 anthropique. Les zones côtières, influencées par le ruissellement des éléments nutritifs, les apports d'eau douce et la pollution locale, font face à d'autres complexités qui peuvent amplifier ou temporairement atténuer les effets de l'acidification.

Effets sur les calcificateurs marins : coquilles et écueils sous siège

Récifs coralliens

Les récifs coralliens sont souvent décrits comme les forêts pluviales de la mer, qui abritent environ 25 pour cent de toutes les espèces marines malgré la couverture de moins de 1 pour cent du fond de l'océan. La fondation de ces écosystèmes est la structure de carbonate de calcium construite par les polypes coralliens en symbiose avec les algues zooxanthelles. L'acidification océanique sape directement cette fondation.

De nombreuses études ont documenté une calcification réduite chez les coraux majeurs qui construisent des récifs, comme Porites[ et Acropora.Les expériences montrent qu'à des niveaux de CO2 équivalant à 600 à 800 ppm, la calcification des coraux peut diminuer de 15 à 25 pour cent par rapport aux conditions préindustrielles.

Bien que le stress thermique provoque le blanchiment des coraux et de la mdash;l'expulsion des algues symbiotiques et de la mdash; l'acidification entrave la régénération en freinant la croissance du squelette.La pression combinée du réchauffement et de l'acidification crée un scénario où les récifs peuvent passer de l'accrétion nette à l'érosion nette, perdant ainsi de la masse au fil du temps.Le NOAA Ocean Acidification Program surveille de près les sites de récifs à l'échelle mondiale, et les données montrent que de nombreux récifs s'érodent déjà plus rapidement qu'ils ne peuvent croître.

Conchylètes et mollusques

Les larves de bivalves commencent à se former des coquilles dans les heures à jours suivant la fécondation et, à pH réduit, elles subissent un retard de développement, une taille plus petite et une mortalité plus élevée. Cette vulnérabilité a déjà été observée dans les écloseries commerciales le long de la côte ouest des États-Unis, où la production d'huîtres dans des endroits comme l'écloserie de mollusques Whiskey Creek en Oregon a subi des pertes massives au milieu des années 2000, directement liées à des eaux en hauteur à faible saturation aragonite.

Même lorsqu'elles survivent, les mollusques adultes peuvent consacrer plus d'énergie à l'entretien des coquilles au détriment de la croissance, de la reproduction et de la fonction immunitaire. Les coquilles plus épaisses et plus faibles les rendent plus sensibles aux prédateurs comme les crabes et les étoiles de mer. Pour des espèces d'importance commerciale comme l'huître orientale (Crassolea virginica) et la moule bleue (Mytilus edulis), ces impacts se traduisent par une réduction des rendements, une réduction des récoltes et une augmentation des coûts de production pour les activités aquacoles.

Les ptéropodes, parfois appelés papillons marins, sont de petites mollusques qui nagent librement et qui jouent un rôle démesuré dans les réseaux alimentaires polaires. Ils produisent des coquilles aragonites délicates qui sont très sensibles à l'acidification. Dans l'océan Austral et l'océan Arctique, les ptéropodes connaissent déjà des périodes de sous-saturation et leurs coquilles présentent des dommages visibles à la dissolution.

Échinodermes et crustacés

Les larves d'oursins, d'étoiles de mer et d'autres échinodermes ont également des structures calcifiées. Les larves d'oursins, par exemple, comptent sur des tiges squelettiques de calcite de magnésium pour le soutien et l'alimentation. La réduction du pH affecte le développement, la symétrie et la survie des larves.

Effets sur les organismes non calcifiques

Physiologie et comportement des poissons

Bien qu'ils ne construisent pas de coquilles de carbonate de calcium, les poissons doivent maintenir un équilibre du pH interne et l'élévation du CO2 dans l'eau de mer peut perturber leur régulation de base acide. Les recherches menées au cours de la dernière décennie ont révélé une gamme d'effets comportementaux et physiologiques. Dans des conditions de CO2 élevées, de nombreuses espèces de poissons ont une fonction olfactive altérée, ce qui rend plus difficile la détection des prédateurs, la recherche de nourriture ou la localisation d'habitats appropriés.

Les études sur les espèces de récifs coralliens et de damselfish ont montré que l'élévation du CO2 modifie la sensibilité auditive et la détection de contrastes visuels, compromettant ainsi la survie.

Ces troubles du comportement sont liés à la fonction du récepteur GABA-A dans le système nerveux central. L'augmentation des concentrations d'ions CO2 dans les tissus des poissons, qui affecte la fonction neurotransmetteur, peut conduire à un comportement plus risqué, à une diminution de l'anxiété et à une mauvaise connaissance.

Plancton et la base du Web alimentaire

Les cocolithophores, un groupe de phytoplancton qui construisent des plaques de calcite (cocolithes), sont directement sensibles à l'acidification. Bien que certaines espèces montrent une croissance accrue sous le CO2 élevé lorsque les nutriments sont suffisants, leur calcification diminue souvent, ce qui entraîne des cocolithes plus légers et plus minces.

Le zooplancton, y compris les copépodes, le krill et le foraminifère, sont également touchés. Les essais de calcite de Foraminifera, et leur poids en coquille ont déjà diminué dans les sédiments de l'ère industrielle par rapport à l'ère préindustrielle. Krill, une espèce clé des réseaux alimentaires de l'océan Austral, connaît un succès d'éclosion réduit et un développement larvaire plus lent sous CO2 élevé.

Conséquences pour les écosystèmes

Dérèglement du Web alimentaire

Les effets individuels décrits ci-dessus s'étendent pour modifier la structure du réseau alimentaire, le flux d'énergie et la fonction de l'écosystème. Lorsque les calcificateurs comme les ptéropodes ou les bivalves diminuent, les prédateurs qui en dépendent doivent soit changer d'espèce de proie, se déplacer plus loin pour trouver de la nourriture, soit se dépérir. Cela peut conduire à des cascades trophiques où des changements dans une partie du réseau se propagent à d'autres.

L'acidification des océans peut également modifier la dynamique concurrentielle des espèces, certains organismes, comme certains types de graminées et d'algues, bénéficiant d'une élévation du CO2 parce qu'ils peuvent augmenter leurs taux photosynthétiques.Dans les systèmes côtiers, cela peut entraîner une prolifération de macroalgues au détriment de la calcification des algues et des animaux, ce qui modifie fondamentalement la structure de l'habitat.

Perte d'habitat et déclin de la biodiversité

Les récifs coralliens constituent l'exemple classique de la perte d'habitat causée par l'acidification. À mesure que les récifs s'érodent, la structure tridimensionnelle complexe qui fournit des abris et des aires de pépinières à des milliers d'espèces s'effondre. La diversité des poissons diminue, les populations d'invertébrés se rétrécissent et l'écosystème se déplace vers un état plus simple et moins productif.

Dans les écosystèmes coralliens d'eau froide, qui se trouvent dans des eaux profondes et sombres au large des plateaux continentaux, la menace est encore plus grave parce que ces coraux vivent déjà à des états de faible saturation.

Impacts régionaux et socio-économiques

Pêche et aquaculture

Les conséquences économiques de l'acidification des océans sont concentrées dans des secteurs qui dépendent des mollusques et des poissons. L'industrie des mollusques et crustacés des États-Unis, évaluée à plus d'un milliard de dollars par année en ventes directes, a déjà connu des pertes documentées.

Les pêches mondiales vulnérables à l'acidification comprennent celles des myes, des huîtres, des moules, des pétoncles, des palourdes, des oursins et de certaines espèces de crabe et de homard.Dans les pays en développement où les protéines provenant des fruits de mer constituent une composante alimentaire primaire, la baisse des récoltes de mollusques et crustacés menace directement la sécurité alimentaire.

Communautés côtières et peuples autochtones

Les communautés autochtones de l'Alaska, de la Colombie-Britannique, du Pacifique Nord-Ouest et de l'Arctique dépendent fortement des mollusques, du saumon et des mammifères marins. L'acidification des océans ajoute une autre couche de stress aux communautés déjà confrontées à l'élévation du niveau de la mer, au réchauffement et à la perte de glace de mer. Les connaissances traditionnelles et les sciences contemporaines font toutes deux ressortir la même conclusion : les océans qui ont soutenu ces communautés pendant des millénaires évoluent de façon à réduire leur productivité et leur prévisibilité.

Voies d'atténuation et d'adaptation

Réduction des émissions de CO2 à la source

La seule solution à long terme pour lutter contre l'acidification des océans consiste à cesser d'ajouter du CO2 à l'atmosphère, ce qui exige une transition mondiale des combustibles fossiles vers des sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire, éolienne, géothermique et hydroélectrique. Les améliorations de l'efficacité énergétique dans l'industrie, les transports et les bâtiments peuvent réduire la demande globale.

Les accords internationaux et les politiques nationales jouent un rôle central. L'objectif de l'Accord de Paris de limiter le réchauffement climatique à 1,5–2.0 °C, si elle est atteinte, limiterait également l'ampleur de l'acidification des océans. Toutefois, même dans les scénarios les plus optimistes, l'océan continuera à s'acidificationr pendant des décennies à des siècles en raison de l'inertie du cycle du carbone.

Renforcer la résilience des écosystèmes

Si les réductions d'émissions s'attaquent à la cause fondamentale, les mesures locales et régionales peuvent aider les écosystèmes à résister aux changements déjà en cours. Protéger et restaurer les habitats côtiers tels que les mangroves, les herbiers et les marais salés améliore le stockage du carbone et fournit des refuges aux espèces sensibles.

Les zones marines protégées (ZPM) qui réduisent la pression de pêche et d'autres facteurs de stress peuvent aider les populations à maintenir leur diversité génétique et leur potentiel d'adaptation.Dans les ZPM, les populations en meilleure santé ont de meilleures chances de survivre au stress environnemental et de modifier la tolérance à un pH faible.

Gestion de la pêche et de l'aquaculture

Les gestionnaires des pêches peuvent intégrer les projections climatiques et d'acidification dans les évaluations des stocks et les règles de récolte. Le déplacement des modes de récolte vers des espèces plus résilientes et la réduction des prises accessoires d'espèces vulnérables peuvent aider à maintenir la fonction de l'écosystème. En aquaculture, les exploitants peuvent surveiller la chimie de l'eau à haute résolution temporelle et traiter l'eau d'absorption avec des tampons tels que le carbonate de sodium ou la coquille concassée pour élever le pH avant qu'elle ne atteigne des larves sensibles.

Recherche, surveillance et bioingénierie

Des observations océaniques soutenues sont essentielles pour suivre les tendances de l'acidification, valider les modèles et informer la gestion.Des programmes comme le NOAA PMEL Carbon Program[ fournissent des mesures de haute qualité dans l'océan mondial, en détectant les changements de pH, d'alcalinité et de saturation.

Des recherches sur la base génétique et physiologique de la tolérance à l'acidification peuvent identifier des souches de coraux, d'huîtres ou d'autres espèces qui peuvent survivre dans des conditions projetées. Des programmes de sélection de mollusques sont déjà en cours, visant à produire des lignées avec une plus grande résilience pour l'aquaculture commerciale.

Engagement communautaire et changement comportemental

La sensibilisation du public à l'acidification des océans s'est accrue, mais elle demeure inférieure à celle des changements climatiques ou de la pollution plastique. La communication efficace sur la science, les enjeux et les voies de solution est essentielle.Les programmes de science citoyenne, comme la Shellfish Growers Climate Coalition et les efforts communautaires de surveillance du pH, font participer les intervenants directement à la collecte de données et à la défense des intérêts.

Conclusion

L'acidification des océans n'est pas une menace lointaine pour l'avenir; elle se produit maintenant, dans chaque bassin océanique, à une vitesse qui remet en question la capacité d'adaptation de la vie marine.De la dissolution des coquilles de ptéropodes en mer polaire à l'affaiblissement des squelettes coralliens dans les eaux tropicales, les changements chimiques provoqués par les émissions de CO2 remodelent les écosystèmes marins.Les conséquences s'étendent par les réseaux alimentaires, les pêches, et sur les plaques et les moyens de subsistance de milliards de personnes.