Compreender a acidificação do oceano

A acidificação do oceano representa uma das mudanças mais conseqüentes que ocorrem nos oceanos do mundo atual. Desde a Revolução Industrial, as concentrações de dióxido de carbono atmosférico (CO2) subiram de aproximadamente 280 partes por milhão (ppm) para mais de 420 ppm, impulsionadas principalmente pela combustão de combustíveis fósseis, desmatamento e processos industriais. Os oceanos têm tamponado este aumento absorvendo cerca de 25 a 30 por cento das emissões de CO2 antropogênicos, um serviço que tem moderado o aquecimento global, mas vem a um custo químico direto para a química das águas do mar.

Quando o CO2 se dissolve na água do mar, sofre uma série de reações químicas. O CO2 reage com a água (H2O) para formar ácido carbônico (H2CO3), que rapidamente se dissocia em íons bicarbonato (HCO3-) e íons hidrogênio (H+). O aumento da concentração de íons hidrogênio é o que diminui o pH, tornando a água mais ácida. Criticamente, esses íons hidrogênio se ligam então com íons carbonato (CO3-) para formar bicarbonato adicional, reduzindo a disponibilidade de íons carbonatos na água. Os íons carbonatados são os blocos de construção que os organismos calcificantes usam para construir conchas e esqueletos de cálcio (CaCO3). O resultado é uma cascata de consequências biológicas que afetam os organismos desde microscópicos até os maciços.

A escala de mudança já é mensurável. O pH do oceano superficial diminuiu aproximadamente 0,1 unidades de pH desde os tempos pré-industriais, representando um aumento de cerca de 30% na concentração de íons hidrogênio. Se as emissões continuarem em trajetórias atuais, projeções do ]IPCC Relatório Especial sobre o Oceano e Criosfera em um Clima em Mudança (SROCC)[] sugerem um novo declínio de pH de 0,3 a 0,4 unidades até o final deste século. Esta taxa de mudança é inédita em pelo menos 300 milhões de anos, superando qualquer coisa que os organismos marinhos da Terra & rsquo;s experimentaram em sua história evolutiva.

A Química da Acidificação Oceânica em Detalhe

Para compreender por que a acidificação do oceano é tão disruptiva, ajuda a compreender o sistema de carbonatos em maior detalhe. A água do mar contém naturalmente três formas de carbono inorgânico: o CO2 dissolvido, os íons bicarbonato e os íons carbonatos. Estas espécies existem em equilíbrio, e o equilíbrio depende do pH. No oceano hoje em dia, cerca de 90% do carbono inorgânico dissolvido existe como bicarbonato, 9 por cento como carbonato e 1% como CO2 dissolvido. À medida que o CO2 entra na água, o equilíbrio muda, aumentando o bicarbonato e o CO2 dissolvido à custa do carbonato.

O estado de saturação dos minerais carbonato de cálcio é um parâmetro crítico. Duas formas biogénicas comuns, a aragonita e a calcita, têm solubilidades diferentes. A aragonita, usada por corais e muitos moluscos, é mais solúvel e dissolve- se- á em níveis de pH mais baixos. A calcita, usada por coccolitophores e alguns foraminíferos, é ligeiramente mais estável mas ainda sensível. O estado de saturação (ē) indica se um mineral precipitará ou dissolverá: quando Ž > 1, conchas e esqueletos se podem formar; quando ocorre a dissolução ↔ < 1. Em muitas regiões, especialmente águas frias de alta latitude, a saturação de aragonita já caiu abaixo de 1 durante partes do ano, o que significa que as condições são corrosivas para conchas não protegidas.

Estas mudanças químicas não ocorrem uniformemente através do oceano. Águas mais frias possuem mais CO2, tornando regiões polares entre as primeiras a experimentar subsaturação. Zonas de crescimento, onde água profunda, rica em CO2 é trazida para a superfície, também experimentam naturalmente pH baixo e estados de baixa saturação & mdash; condições que estão sendo exacerbadas por CO2 antropogênico. Áreas costeiras, influenciadas pelo escoamento de nutrientes, entradas de água doce e poluição local, enfrentam complexidades adicionais que podem amplificar ou temporariamente tamponar efeitos de acidificação.

Efeitos em Calcifadores Marinhos: Shells e Esqueletos Sob Cerco

Coral Reefs

Os recifes de coral são frequentemente descritos como as florestas tropicais do mar, abrigando cerca de 25% de todas as espécies marinhas, apesar de cobrir menos de 1% do fundo do oceano. A base destes ecossistemas é a estrutura de carbonato de cálcio construída por pólipos de coral em simbiose com algas zooxantelas. A acidificação do oceano diretamente mina esta fundação. À medida que a saturação de aragonita diminui, os corais gastam mais energia para depositar seus esqueletos, e as taxas de calcificação diminuem.

Numerosos estudos documentaram a redução da calcificação em corais de construção de recifes, como Poritos e Acropora. Experimentos mostram que, em níveis de CO2 equivalentes a 600 a 800 ppm, a calcificação de coral pode diminuir 15 a 25 por cento em comparação com as condições pré-industriais. esqueletos mais fracos são mais propensos a rupturas de tempestades, bioerosão por organismos chatos e danos físicos de predadores. Esta degradação estrutural reduz a capacidade de proteger os recifes e os córregos da energia das ondas e diminui a sua capacidade de fornecer habitat para peixes e invertebrados.

A acidificação do oceano também interage com o aumento das temperaturas do mar. Enquanto o estresse térmico provoca o branqueamento de corais— a expulsão de algas simbióticas— a acidificação prejudica a recuperação, impedindo o crescimento esquelético. A pressão combinada de aquecimento e acidificação cria um cenário onde os recifes podem passar de acreção líquida para erosão líquida, perdendo efetivamente massa ao longo do tempo. O Programa NOAA Ocean Acidification Program[]] monitoriza de perto os locais de recifes globalmente, e os dados mostram que muitos recifes já estão a erodir mais rapidamente do que podem crescer.

Mariscos e moluscos

Ostras, amêijoas, mexilhões, vieiras e abalona são vulneráveis à acidificação porque dependem de íons carbonatos para construir suas conchas. Os estágios larval e juvenil são especialmente sensíveis. As larvas de Bivalve começam a formação de conchas em horas a dias de fertilização, e em pH reduzido, experimentam atraso no desenvolvimento, tamanho menor e maior mortalidade. Essa vulnerabilidade já foi observada em incubatórios comerciais ao longo da Costa Oeste dos EUA, onde a produção de ostras em lugares como Whiskey Creek Shellfish Hatchery sofreu grandes desvanecimentos em meados dos anos 2000, diretamente ligados a águas altas com baixa saturação de aragonita.

Os mariscos adultos também experimentam efeitos subletais. Mesmo quando podem sobreviver, podem alocar mais energia à manutenção da casca em detrimento do crescimento, reprodução e função imunológica. As conchas mais finas e mais fracas tornam-nas mais suscetíveis a predadores como caranguejos e estrelas-do-mar. Para espécies comercialmente importantes como a ostra oriental ([]Crassostrea virginica)) e o mexilhão azul (Mytilus edulis, estes impactos traduzem-se em rendimentos reduzidos, tamanhos menores de colheitas e aumento dos custos de produção para as operações de aquicultura.

Os pteropods, às vezes chamados borboletas do mar, são pequenos moluscos de natação livre que desempenham um papel maior nas teias de alimentos polares. Eles produzem conchas de aragonita delicadas que são altamente sensíveis à acidificação. No Oceano Antártico e Oceano Ártico, pteropods já experimentam períodos de subsaturação, e suas conchas mostram danos visíveis dissolução. Porque pteropods são uma fonte alimentar primária para salmão, arenque, bacalhau e até baleias, seu declínio ondula para cima através da teia de alimentos.

Equinodermes e crustáceos

Ouriços do mar, estrelas-do-mar e outros equinodermos também têm estruturas calcificadas. Larvas de ouriço do mar, por exemplo, dependem de hastes esqueléticas calcita de magnésio para suporte e alimentação. pH reduzido afeta desenvolvimento larval, simetria e sobrevivência. Crustáceos como caranguejos e lagostas constroem seus exoesqueletos a partir de carbonato de cálcio, muitas vezes na forma de calcita. Embora possam ser um pouco mais resilientes do que bivalves, estudos mostram que estágios larvais podem ser prejudicados, e adultos podem investir mais energia na reparação de carapaça, potencialmente reduzindo o crescimento e reprodução.

Efeitos nos Organismos Não-Calcificantes

Fisiologia e Comportamento dos Peixes

Os peixes não são imunes à acidificação oceânica. Embora não construam conchas de carbonato de cálcio, devem manter o equilíbrio interno do pH, e o CO2 elevado na água do mar pode interromper a sua regulação ácido-base. A pesquisa ao longo da última década revelou uma gama de efeitos comportamentais e fisiológicos. Em condições elevadas de CO2, muitas espécies de peixes experimentam funções olfativas prejudicadas, tornando mais difícil detectar predadores, encontrar alimentos ou localizar habitats adequados. Por exemplo, larvas de peixes-palhaço criadas em níveis de CO2 projetados para o final do século perdem a capacidade de distinguir entre pistas químicas que sinalizam ambientes seguros versus perigosos, levando-os a nadar em direção a predadores em vez de longe deles.

Estudos sobre a libelo-socorro e outras espécies de recifes de coral têm mostrado que o CO2 elevado altera a sensibilidade auditiva e a detecção de contraste visual, comprometendo ainda mais a sobrevivência.O comportamento de assentamento juvenil —o processo pelo qual as larvas escolhem um habitat e metamorfose em adultos— também é interrompido, o que pode reduzir o recrutamento para populações de recifes ou estuarinas.

Esses comprometimentos comportamentais estão ligados à função do receptor GABA-A no sistema nervoso central. O CO2 elevado altera as concentrações iônicas nos tecidos de peixes, afetando a função neurotransmissor de forma a levar a um comportamento mais arriscado, a uma menor ansiedade e a uma aprendizagem prejudicada. Importantemente, algumas espécies ou populações podem apresentar aclimatação ao longo de várias gerações, mas o ritmo de mudança ambiental pode superar sua capacidade adaptativa.

Plankton e a base da Web de Alimentos

O fitoplâncton é a base de teias de alimentos marinhos e é responsável por cerca de metade da produção primária global. Os coccolitofores, um grupo de fitoplâncton que constroem placas de calcita (coccolitos), são diretamente sensíveis à acidificação. Enquanto algumas espécies apresentam aumento do crescimento sob o CO2 elevado quando os nutrientes são suficientes, sua calcificação muitas vezes diminui, levando a cocollitos mais leves e mais finos. Isso afeta suas taxas de naufrágio e, consequentemente, a exportação de carbono para o oceano profundo.

Zooplâncton, incluindo copépodes, krill, e foraminífera, também são impactados. Foraminífera construir testes de calcita, e seu peso da casca já diminuiu em sedimentos da era industrial em comparação com os tempos pré-industriais. Krill, uma espécie de pedra chave em teias de alimentos do Oceano Antártico, experimentar o sucesso de eclosão reduzida e desenvolvimento larval mais lento sob CO2 elevado. Como krill são presas de pinguins, focas, baleias e peixes, seu declínio representa uma grande ameaça à integridade do ecossistema.

Consequências do nível do ecossistema

Disrupção da Web de Alimentos

Os efeitos de nível individual descritos acima aumentam para alterar a estrutura da teia alimentar, o fluxo de energia e a função do ecossistema. Quando os calcificadores, como pteropods ou bivalves, diminuem, os predadores que dependem deles, ou mudam de espécie de presa, viajam mais para encontrar alimentos ou declinam eles mesmos. Isto pode levar a cascatas tróficas onde mudanças em uma parte da teia se propagam para outras. Por exemplo, no Pacífico Norte, os declínios de pteropod foram associados a índices de condição reduzidos nas populações de salmão que dependem deles durante as fases principais da vida.

A acidificação dos oceanos também pode mudar a dinâmica competitiva entre as espécies. Alguns organismos, como certos tipos de algas marinhas e algas marinhas, beneficiam de elevados níveis de CO2 porque podem aumentar as suas taxas fotossintéticas. Nos sistemas costeiros, isto pode levar a uma proliferação de macroalgas em detrimento da calcificação de algas e animais, fundamentalmente mudando a estrutura do habitat. O resultado é uma simplificação dos ecossistemas, muitas vezes com menos níveis tróficos e redução da biodiversidade.

Perda de Habitat e declínio da biodiversidade

Os recifes de coral fornecem o exemplo clássico de perda de habitat impulsionada pela acidificação. À medida que os recifes erodem, a estrutura tridimensional complexa que proporciona abrigo e berçário para milhares de espécies colapsam. A diversidade de peixes diminui, as populações de invertebrados encolhem e o ecossistema muda para um estado mais simples e menos produtivo. Processos semelhantes ocorrem em recifes de ostras, que uma vez formaram habitats biogênicos extensos em estuários temperados. Os recifes de ostra fornecem substrato duro, melhoram a qualidade da água e estabilizam as linhas costeiras. À medida que as populações de ostras declinam, esses serviços ecossistêmicos são perdidos, e comunidades de fundo macio substituem a comunidade de recifes.

Nos ecossistemas de corais de água fria encontrados em águas profundas e escuras fora das prateleiras continentais, a ameaça é ainda mais aguda porque esses corais já vivem em estados de baixa saturação. À medida que os níveis de CO2 aumentam, vastas áreas do fundo do oceano podem tornar-se corrosivas para aragonita, potencialmente eliminando esses habitats de crescimento lento e antigos que abrigam alta biodiversidade e servem como áreas de desova de peixes.

Impactos regionais e socioeconómicos

Pesca e aquicultura

As consequências econômicas da acidificação oceânica estão concentradas em setores que dependem de marisco e marisco. A indústria de mariscos dos EUA, avaliada em mais de US$ 1 bilhão por ano em vendas diretas, já experimentou perdas documentadas.A crise do incubatório de ostras da Costa Oeste forçou os operadores a investir em sistemas de água do mar tamponados, monitorar os níveis de CO2 em tempo real e reinstalar operações para áreas menos afetadas.

A pesca global vulnerável à acidificação inclui as de moluscos, ostras, mexilhões, vieiras, mariscos, ouriços-do-mar e algumas espécies de caranguejo e lagosta. Nos países em desenvolvimento, onde a proteína do marisco é um componente alimentar primário, diminui nas colheitas de mariscos ameaçam diretamente a segurança alimentar. Mesmo as pescarias de marisco, embora menos diretamente afetadas, podem experimentar efeitos secundários à medida que suas espécies de presas diminuem ou mudam de habitat. O Portal do Oceano Smithsonian] fornece resumos acessíveis de como esses impactos econômicos são projetados para crescer sob diferentes cenários de emissão.

Comunidades costeiras e povos indígenas

As comunidades costeiras que dependem de recursos marinhos para subsistência, identidade cultural e subsistência econômica estão na linha de frente. As comunidades indígenas no Alasca, Colúmbia Britânica, Noroeste do Pacífico e Ártico dependem fortemente de mariscos, salmão e mamíferos marinhos. A acidificação do oceano acrescenta outra camada de estresse às comunidades que já enfrentam o aumento do nível do mar, aquecimento e perda de gelo marinho. Conhecimento tradicional e ciência contemporânea ambos apontam para a mesma conclusão: os oceanos que sustentam essas comunidades por milênios estão mudando de maneiras que reduzem sua produtividade e previsibilidade.

Caminhos de Mitigação e Adaptação

Redução das emissões de CO2 na fonte

A única solução a longo prazo para a acidificação dos oceanos é parar de adicionar CO2 à atmosfera.Isso requer uma transição global de combustíveis fósseis para fontes de energia renováveis, como energia solar, eólica, geotérmica e hidrelétrica. Melhorias na eficiência energética em toda a indústria, transporte e edifícios podem reduzir a demanda global. Tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS), embora não substituam as reduções de emissões, podem ajudar a gerenciar emissões de setores difíceis de descarbonizar, como a produção de cimento e aço. Reflorestamento e melhoria da gestão do solo também sequestram carbono e reduzem as emissões líquidas.

Os acordos internacionais e as políticas nacionais desempenham um papel central. O objetivo do Acordo de Paris de limitar o aquecimento global a 1,5–2.0 °C, se alcançado, também limitaria a magnitude da acidificação dos oceanos. No entanto, mesmo sob os cenários mais otimistas, o oceano continuará a acidificar por décadas a séculos devido à inércia do ciclo do carbono.

Resistência ao Ecossistema de Construção

Enquanto as reduções de emissões abordam a causa raiz, as ações locais e regionais podem ajudar os ecossistemas a resistir às mudanças já em curso. Proteger e restaurar habitats costeiros, como manguezais, leitos de grama e pântanos salgados, aumenta o armazenamento de carbono e fornece refuggia para espécies sensíveis. As gramíneas marinhas, em particular, podem aumentar localmente o pH através de sua atividade fotossintética, criando refúgios seguros em pequena escala para calcificadores.

As áreas protegidas marinhas (MPAs) que reduzem a pressão de pesca e outros estressores podem ajudar as populações a manter sua diversidade genética e potencial adaptativo. Dentro dos MPAs, populações mais saudáveis têm uma maior chance de sobreviver ao estresse ambiental e tolerância potencialmente evoluindo para baixo pH. Restauração ativa, como o outplantar corais que foram seletivamente criados para maior tolerância térmica e pH, está sendo explorada como uma estratégia de intervenção para ecossistemas de recifes de alto valor.

Gestão das pescas e da aquicultura

Os gestores de pesca podem incorporar projeções climáticas e de acidificação em avaliações de estoque e regras de colheita. Mudar os padrões de colheita para espécies mais resilientes e reduzir capturas acessórias de espécies vulneráveis pode ajudar a manter a função do ecossistema. Na aquicultura, os operadores podem monitorar a química da água em alta resolução temporal e tratar a ingestão de água com tampão, como carbonato de sódio ou casca esmagada para aumentar o pH antes de atingir larvas sensíveis.

Investigação, Monitoramento e Bioengenharia

Observações oceânicas mantidas são essenciais para o rastreamento das tendências de acidificação, validação de modelos e informação de gestão. Programas como o NOAA PMEL Carbon Program fornecem medições de alta qualidade em todo o oceano global, detectando mudanças no pH, alcalinidade e estado de saturação. Expansão dessas redes em regiões costeiras e polares é uma prioridade.

Pesquisas sobre a base genética e fisiológica da tolerância à acidificação podem identificar cepas de corais, ostras ou outras espécies que podem sobreviver sob condições projetadas. Programas seletivos de melhoramento de moluscos já estão em andamento, visando produzir linhas com maior resiliência para a aquicultura comercial. Ferramentas moleculares, incluindo genômica e transcriptômica, estão descobrindo os mecanismos que permitem que alguns indivíduos mantenham calcificação mesmo em CO2 elevado, abrindo a porta para seleção assistida por marcadores.

Engajamento comunitário e mudança comportamental

A consciência pública da acidificação dos oceanos aumentou, mas continua a ser menor do que a consciência das mudanças climáticas ou da poluição plástica. A comunicação eficaz sobre a ciência, os riscos e os caminhos de solução é crítica. Programas científicos dos cidadãos, como a Coalizão Climática de Produtores de Shellfish e os esforços de monitoramento de pH baseados na comunidade, envolvem os stakeholders diretamente na coleta de dados e na defesa. Reduzir a poluição local, incluindo o escoamento de nutrientes que exacerba a acidificação costeira, é uma ação que indivíduos, comunidades e governos podem tomar que produz benefícios locais imediatos enquanto o problema global de CO2 é abordado.

Conclusão

A acidificação do oceano não é uma ameaça futura distante—está a acontecer agora, em cada bacia oceânica, numa velocidade que desafia a capacidade adaptativa da vida marinha. Da dissolução das conchas de pteropod em mares polares ao enfraquecimento dos esqueletos de coral em águas tropicais, as mudanças químicas impulsionadas pelas emissões de CO2 estão a remodelar os ecossistemas marinhos. As consequências estendem-se através das teias alimentares, para a pesca, e para as placas e meios de subsistência de milhares de pessoas. Abordar este problema requer reduções agressivas das emissões de CO2 e acções locais deliberadas para construir resiliência nos sistemas marinhos de que a sociedade depende. A janela para uma acção significativa está a diminuir, mas ainda há tempo para abrandar o ritmo da mudança e dar à vida marinha uma oportunidade de adaptação.