Понимание окисления океана

Закисление океана представляет собой одно из самых последовательных изменений, происходящих в океанах мира сегодня. Со времени промышленной революции концентрации углекислого газа в атмосфере (CO2) выросли с примерно 280 частей на миллион (ppm) до более 420 частей на миллион, что обусловлено главным образом сжиганием ископаемого топлива, обезлесением и промышленными процессами. Океаны буферизировали это увеличение, поглощая примерно 25-30% антропогенных выбросов CO2, услуга, которая смягчила глобальное потепление, но понесла прямую химическую стоимость для химии морской воды.

Когда CO2 растворяется в морской воде, он подвергается ряду химических реакций. CO2 реагирует с водой (H2O) с образованием карбоновой кислоты (H2CO3), которая быстро диссоциируется в ионы бикарбоната (HCO3-) и ионы водорода (H+). Увеличение концентрации ионов водорода снижает рН, делая воду более кислой. Критически, эти ионы водорода затем связываются с ионами карбоната (CO3 2-) с образованием дополнительного бикарбоната, уменьшая доступность ионов карбоната в воде. Ионы карбоната являются строительными блоками, которые кальцинируют организмы используют для создания карбоната кальция (CaCO3) оболочки и скелеты. Результатом является каскад биологических последствий, которые влияют на организмы от микроскопических до массивных.

Масштаб изменений уже поддается измерению. Уровень pH в поверхностных океанах снизился примерно на 0,1 pH единицы с доиндустриальных времен, что представляет собой примерно 30-процентное увеличение концентрации ионов водорода. Если выбросы продолжатся по текущим траекториям, прогнозы из Специального доклада МГЭИК по океану и криосфере в меняющемся климате (SROCC) предполагают дальнейшее снижение pH на 0,3 до 0,4 единиц к концу этого столетия. Этот уровень изменений беспрецедентный по крайней мере за 300 миллионов лет, опережая все, что морские организмы Земли испытали в своей эволюционной истории.

Химия окисления океана в деталях

Чтобы понять, почему подкисление океана настолько разрушительно, это помогает понять карбонатную систему более подробно. Морская вода естественным образом содержит три формы неорганического углерода: растворенный CO2, ионы бикарбоната и ионы карбоната. Эти виды существуют в равновесии, и баланс зависит от рН. В сегодняшнем океане около 90 процентов растворенного неорганического углерода существует в виде бикарбоната, 9 процентов в виде карбоната и 1 процент в виде растворенного CO2. По мере того, как CO2 входит в воду, равновесие сдвигается, увеличивая бикарбонат и растворенный CO2 за счет карбоната.

Состояние насыщения минералов карбоната кальция является критическим параметром. Две распространенные биогенные формы, арагонит и кальцит, имеют разные растворимости. Арагонит, используемый кораллами и многими моллюсками, более растворим и будет растворяться при более низких уровнях pH. Кальцит, используемый коколитофорами и некоторыми фораминиферами, немного более стабилен, но все же чувствителен. Состояние насыщения (Ω) указывает, будет ли минерал осаждаться или растворяться: когда Ω > 1, могут образовываться оболочки и скелеты; когда Ω < 1, происходит растворение. Во многих регионах, особенно холодных, высокоширотных водах, насыщение арагонитом уже упало ниже 1 в течение части года, что означает, что условия коррозионны для незащищенных оболочек.

Эти химические изменения не происходят равномерно по всему океану. Более холодные воды содержат больше CO2, что делает полярные регионы одними из первых, которые испытывают недонасыщение. Зоны апвеллинга, где глубокая, богатая CO2 вода выводится на поверхность, также испытывают естественно низкий pH и низкое состояние насыщения. Условия, которые в настоящее время усугубляются антропогенным CO2. Прибрежные районы, под влиянием стока питательных веществ, поступления пресной воды и местного загрязнения, сталкиваются с дополнительными сложностями, которые могут усиливать или временно буферизировать эффекты подкисления.

Влияние на морские кальцификаторы: снаряды и скелеты под осадой

Коралловые рифы

Коралловые рифы часто описываются как тропические леса моря, в которых обитает примерно 25 процентов всех морских видов, несмотря на то, что они покрывают менее 1 процента дна океана. Основой этих экосистем является структура карбоната кальция, построенная коралловыми полипами в симбиозе с зооксантелловыми водорослями. Подкисление океана непосредственно подрывает этот фундамент. По мере уменьшения насыщения арагонитами кораллы тратят больше энергии на осаждение своих скелетов, а темпы кальцификации снижаются.

Многочисленные исследования зафиксировали снижение кальцификации в крупных рифообразующих кораллах, таких как Пориты и Акропора. Эксперименты показывают, что при уровнях CO2, эквивалентных 600—800 ppm, кальцификация кораллов может снижаться на 15—25 % по сравнению с доиндустриальными условиями. Более слабые скелеты более склонны к поломке от штормов, биоэрозии скучными организмами и физическому повреждению от хищников. Эта структурная деградация снижает способность рифа защищать береговые линии от волновой энергии и уменьшает его способность обеспечивать среду обитания для рыб и беспозвоночных.

Подкисление океана также взаимодействует с повышением температуры моря. В то время как тепловой стресс вызывает обесцвечивание кораллов; вытеснение симбиотических водорослей; окисление ухудшает восстановление, препятствуя восстановлению скелета. Объединенное давление потепления и подкисления создает сценарий, при котором рифы могут переходить от чистой аккреции к чистой эрозии, эффективно теряя массу с течением времени. Программа подкисления океана NОАА внимательно следит за рифовыми участками во всем мире, и данные показывают, что многие рифы уже разрушаются быстрее, чем они могут расти.

Моллюски и моллюски

Устрицы, моллюски, мидии, гребешки и абалон уязвимы к подкислению, поскольку они полагаются на ионы карбоната для создания своих раковин. Личинки личинок и ювенильных стадий особенно чувствительны. Личинки двустворчатых начинают образование оболочки в течение нескольких часов до нескольких дней оплодотворения, и при пониженном рН они испытывают замедленное развитие, меньший размер и более высокую смертность. Эта уязвимость уже наблюдалась в коммерческих хэтчери вдоль западного побережья США, где производство устриц в таких местах, как Whiskey Creek Shellfish Hatchery в Орегоне, в середине 2000-х годов страдало массовыми вымираниями, непосредственно связанными с обильно затопленными водами с низким насыщением арагонита.

Взрослые моллюски также испытывают сублетальные эффекты. Даже когда они могут выжить, они могут выделять больше энергии для поддержания раковины за счет роста, размножения и иммунной функции. Более тонкие, более слабые раковины делают их более восприимчивыми к хищникам, таким как крабы и морские звезды. Для коммерчески важных видов, таких как восточная устрица (FLT:0) Crassostrea virginica (FLT:1)) и синяя мидия (FLT:2) Mytilus edulis (FLT:3)), эти воздействия приводят к снижению урожайности, меньшим размерам урожая и увеличению производственных затрат на операции по аквакультуре.

Птероподы, иногда называемые морскими бабочками, — это маленькие свободноплавающие моллюски, играющие негабаритную роль в полярных пищевых сетях. Они производят нежные раковины арагонита, которые очень чувствительны к подкислению. В Южном океане и Северном Ледовитом океане птероподы уже испытывают периоды недонасыщения, а их раковины демонстрируют видимое повреждение растворения. Поскольку птероподы являются основным источником пищи для лосося, сельди, трески и даже китов, их упадок рябит вверх через пищевую сеть.

Эхинодермы и краустовые

Морские ежики, морские звезды и другие иглокожие также имеют кальцинированные структуры. Личинки морского ежика, например, полагаются на скелетные стержни из кальцита магния для поддержки и кормления. Снижение рН влияет на развитие личинок, симметрию и выживание. Крутые, такие как крабы и омары, строят свои экзоскелеты из карбоната кальция, часто в форме кальцита. Хотя они могут быть несколько более устойчивыми, чем двустворчатые, исследования показывают, что личиночные стадии могут быть нарушены, и взрослые могут инвестировать больше энергии в восстановление карапакса, потенциально уменьшая рост и размножение.

Влияние на нерасщепляющие организмы

Физиология и поведение рыб

Рыбы не застрахованы от подкисления океана. Хотя они не строят раковины из карбоната кальция, они должны поддерживать внутренний баланс рН, а повышенный уровень СО2 в морской воде может нарушить их кислотно-щелочной регуляции. Исследования за последнее десятилетие выявили ряд поведенческих и физиологических эффектов. В повышенных условиях СО2 многие виды рыб испытывают нарушение обонятельной функции, затрудняя обнаружение хищников, поиск пищи или нахождение подходящих мест обитания. Например, личинки рыб-клоунов, выращенные на уровнях СО2, прогнозируемых на конец века, теряют способность различать химические сигналы, которые сигнализируют о безопасности против опасных сред, заставляя их плыть к хищникам, а не от них.

Также могут быть затронуты слуховые и зрительные функции. Исследования на демэгоистичных и других видах коралловых рифов показали, что повышенный CO2 изменяет чувствительность слуха и визуальное обнаружение контраста, что еще больше ставит под угрозу выживание. Поведение поселков несовершеннолетних — процесс, посредством которого личинки выбирают среду обитания и метаморфозируют во взрослых — также нарушается, что может уменьшить набор в популяции рифов или эстуариев.

Эти поведенческие нарушения связаны с функцией рецептора ГАМК-А в центральной нервной системе. Повышенный CO2 изменяет концентрации ионов в тканях рыб, влияя на функцию нейротрансмиттеров способами, которые могут привести к более рискованному поведению, снижению тревожности и нарушению обучения. Важно отметить, что некоторые виды или популяции могут проявлять акклиматизацию в течение нескольких поколений, но темпы изменения окружающей среды могут опережать их адаптивную способность.

Планктон и основа пищевой сети

Фитопланктон образует основу морских пищевых сетей и отвечает примерно за половину мирового первичного производства. Коколитхофоры, группа фитопланктона, которые строят кальцитовые пластины (кокколиты), непосредственно чувствительны к подкислению. В то время как некоторые виды демонстрируют повышенный рост при повышенном СО2, когда питательных веществ достаточно, их кальцификация часто снижается, что приводит к более легким, более тонким кокколитам. Это влияет на их скорость погружения и, следовательно, экспорт углерода в глубокий океан.

Зоопланктон, в том числе копеподы, криль и фораминифера, также подвергаются воздействию. Foraminifera строят тесты на кальцит, и их масса раковины уже уменьшилась в отложениях индустриальной эпохи по сравнению с доиндустриальными временами. Криль, ключевой вид в пищевых сетях Южного океана, испытывает снижение успеха вылупления и более медленное развитие личинок при повышенном СО2. Поскольку криль является добычей пингвинов, тюленей, китов и рыб, их снижение представляет собой серьезную угрозу целостности экосистемы.

Последствия на уровне экосистем

Продовольственная паутина

Описанные выше эффекты индивидуального уровня масштабируются вплоть до изменения структуры пищевой сети, потока энергии и функции экосистемы. При снижении кальцификаторов, таких как птероподы или двустворчатые, хищники, которые полагаются на них, должны либо переключаться на виды добычи, путешествовать дальше, чтобы найти пищу, либо снижаться сами. Это может привести к трофическим каскадам, где изменения в одной части сети распространяются на другие. Например, в северной части Тихого океана снижение птеропода было связано с пониженными показателями состояния в популяциях лосося, которые зависят от них на ключевых этапах жизни.

Подкисление океана также может изменить конкурентную динамику среди видов. Некоторые организмы, такие как определенные виды морских трав и водорослей, получают выгоду от повышенного уровня CO2, поскольку они могут увеличить свои фотосинтетические скорости. В прибрежных системах это может привести к распространению макроводорослей за счет кальцификации водорослей и животных, кардинально изменяя структуру среды обитания. Результатом является упрощение экосистем, часто с меньшим трофическим уровнем и сокращением биоразнообразия.

Утрата среды обитания и сокращение биоразнообразия

Коралловые рифы являются классическим примером потери среды обитания, вызванной подкислением. По мере разрушения рифов разрушается сложная трехмерная структура, обеспечивающая убежище и ясли тысяч видов. Убывает разнообразие рыб, сокращаются беспозвоночные популяции, экосистема переходит в более простое, менее продуктивное состояние. Аналогичные процессы происходят в устричных рифах, которые когда-то образовывали обширные биогенные среды обитания в умеренных устьях. Устричные рифы обеспечивают твердую субстратную среду, улучшают качество воды и стабилизируют береговые линии. По мере снижения популяций устриц эти экосистемные услуги теряются, а сообщества с мягким дном заменяют сообщество рифов.

В холодноводных коралловых экосистемах, обнаруженных в глубоких, темных водах у континентальных шельфов, угроза еще более острой, поскольку эти кораллы уже живут в состояниях с низким уровнем насыщения.По мере повышения уровня CO2 обширные участки дна океана могут стать коррозионными для арагонита, потенциально устраняя эти медленно растущие древние места обитания, которые обладают высоким биоразнообразием и служат нерестилищами рыб.

Региональные и социально-экономические последствия

Рыболовство и аквакультура

Экономические последствия подкисления океана сосредоточены в секторах, зависящих от моллюсков и рыб. Американская моллюсковая промышленность, оцениваемая в прямых продажах более чем в $1 млрд в год, уже испытала документально подтвержденные потери. Кризис инкубации устриц на Западном побережье заставил операторов инвестировать в буферные системы морской воды, контролировать уровень CO2 в режиме реального времени и переносить операции в менее пострадавшие районы. Эти адаптивные меры добавляют затраты и не полностью устраняют риск.

Глобальные рыболовства, уязвимые для подкисления, включают рыболовство моллюсков, устриц, мидий, гребешков, моллюсков, морских ежей и некоторых видов крабов и омаров. В развивающихся странах, где белок из морепродуктов является основным диетическим компонентом, снижение урожая моллюсков напрямую угрожает продовольственной безопасности. Даже рыболовство рыбных рыб, хотя и менее непосредственно затронуто, может испытывать вторичные эффекты по мере сокращения их видов добычи или изменения мест обитания. Смитсоновский океанский портал предоставляет доступные сводки о том, как эти экономические последствия прогнозируются для роста при различных сценариях выбросов.

Прибрежные общины и коренные народы

Прибрежные сообщества, зависящие от морских ресурсов для существования, культурной идентичности и экономических средств к существованию, находятся на передовой линии. Коренные общины на Аляске, в Британской Колумбии, на северо-западе Тихого океана и в Арктике в значительной степени зависят от моллюсков, лосося и морских млекопитающих. Подкисление океана добавляет еще один слой стресса общинам, уже сталкивающимся с повышением уровня моря, потеплением и потерей морского льда. Традиционные знания и современная наука указывают на один и тот же вывод: океаны, которые поддерживали эти сообщества на протяжении тысячелетий, меняются таким образом, что снижают их производительность и предсказуемость.

Пути смягчения и адаптации

Сокращение выбросов CO2 в источнике

Единственным долгосрочным решением проблемы подкисления океана является прекращение добавления CO2 в атмосферу. Это требует глобального перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная, ветровая, геотермальная и гидроэнергетика. Повышение энергоэффективности в промышленности, транспорте и зданиях может снизить общий спрос. Технологии улавливания и хранения углерода (CCS), хотя и не заменяют сокращения выбросов, могут помочь управлять выбросами из труднодоступных секторов, таких как производство цемента и стали. лесовозобновление и улучшение управления земельными ресурсами также улавливают углерод и уменьшают чистые выбросы.

Центральное место в этом процессе занимают международные соглашения и национальная политика. Цель Парижского соглашения по ограничению глобального потепления до 1,5–2.0°C, если она будет достигнута, также ограничит масштабы закисления океана. Однако даже при самых оптимистичных сценариях океан будет продолжать закислять на протяжении десятилетий и столетий из-за инерции углеродного цикла.

Построение устойчивости экосистемы

В то время как сокращение выбросов устраняет первопричину, местные и региональные действия могут помочь экосистемам противостоять уже происходящим изменениям. Защита и восстановление прибрежных мест обитания, таких как мангровые заросли, лужайки морской травы и соляные болота, улучшает хранение углерода и обеспечивает рефугию для чувствительных видов. Морские травы, в частности, могут локально повышать рН за счет своей фотосинтетической активности, создавая небольшие безопасные убежища для кальцификаторов.

Морские охраняемые районы (МОР), которые снижают давление на рыболовство и другие стрессоры, могут помочь популяциям сохранить свое генетическое разнообразие и адаптивный потенциал. В рамках МОР более здоровые популяции имеют больше шансов выжить в условиях экологического стресса и потенциально развивающейся толерантности к низкому рН. Активное восстановление, такое как выращивание кораллов, которые были выборочно выведены для более высокой термической и рН толерантности, изучается в качестве стратегии вмешательства для экосистем с высокой ценностью рифов.

Управление рыболовством и аквакультурой

Менеджеры рыболовства могут включать прогнозы климата и подкисления в оценки запасов и правила сбора урожая. Смещение моделей сбора урожая в сторону более устойчивых видов и сокращение прилова уязвимых видов может помочь поддерживать функцию экосистемы. В аквакультуре операторы могут контролировать химию воды с высоким временным разрешением и обрабатывать водозаборную воду буферами, такими как карбонат натрия или измельченная оболочка, чтобы повысить рН до того, как он достигнет чувствительных личинок. Хэтчери на Западном побережье США успешно внедрили такие системы, стабилизируя производство, несмотря на ухудшение условий исходной воды.

Исследования, мониторинг и биоинженерия

Устойчивые наблюдения за океаном необходимы для отслеживания тенденций подкисления, проверки моделей и информирования руководства. Программы, такие как NOAA PMEL Carbon Program, обеспечивают высококачественные измерения по всему глобальному океану, обнаруживая изменения pH, щелочности и состояния насыщения. Расширение этих сетей в прибрежные и полярные регионы является приоритетом.

Исследования на генетической и физиологической основе толерантности к подкислению могут выявить штаммы кораллов, устриц или других видов, которые могут выжить в прогнозируемых условиях. Уже ведутся селективные программы разведения моллюсков, направленные на производство линий с более высокой устойчивостью для коммерческой аквакультуры. Молекулярные инструменты, включая геномику и транскриптомику, раскрывают механизмы, позволяющие некоторым особям поддерживать кальцификацию даже при повышенном СО2, открывая дверь для селекции с помощью маркеров.

Вовлеченность и поведенческие изменения в обществе

Общественная осведомленность об окислении океана возросла, но остается ниже, чем осведомленность об изменении климата или загрязнении пластиком. Эффективная коммуникация о науке, ставках и путях решения имеет решающее значение. Гражданские научные программы, такие как Коалиция производителей рыбы-моллюска и усилия по мониторингу рН на уровне общин, привлекают заинтересованные стороны непосредственно к сбору данных и пропаганде. Сокращение местного загрязнения, включая сток питательных веществ, который усугубляет подкисление прибрежных районов, - это действие, которое могут предпринять отдельные лица, сообщества и правительства, которое дает немедленные местные выгоды, в то время как глобальная проблема CO2 решается.

Заключение

Подкисление океана не является отдаленной угрозой в будущем; оно происходит сейчас в каждом океанском бассейне со скоростью, которая бросает вызов адаптивной способности морской жизни. От растворения панцирей птероподов в полярных морях до ослабления коралловых скелетов в тропических водах химические изменения, вызванные выбросами CO2, меняют морские экосистемы. Последствия распространяются через пищевые сети, в рыболовство и на тарелки и средства к существованию миллиардов людей. Решение этой проблемы требует как агрессивного сокращения выбросов CO2, так и преднамеренных местных действий для повышения устойчивости в морских системах, от которых зависит общество. Окно для значимых действий сужается, но все еще есть время замедлить темпы изменений и дать морской жизни шанс адаптироваться.