海洋科普｜海洋酸化 - 海洋酸化化学反应

简介

海洋酸化是指由于海洋吸收、释放大气中过量二氧化碳（CO2）使海水正在逐渐变酸。自工业革命以来，海洋大约吸收了人类向大气排放CO2中的1/3，海水pH值下降了0.1。随着大气中CO2体积分数持续增高，海洋吸收CO2的量也在不断增加，最终改变了海洋自身碳酸盐的化学平衡，使依赖于化学环境稳定性的多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。随着海洋酸化的加速，影响对人类健康至关重要的资源的数量和质量，人类健康问题日益明显 9 c" q1 B6 t8 |# N- l+ X% ~7 S

海洋酸化发生机制

海洋酸化的发生主要体现在海水无机碳循环体系的变化，该体系包括气态二氧化碳（CO2（g））、二氧化碳水合物（CO2（aq））、碳酸氢根离子（HCO3-）和碳酸根离子（CO32-），反应平衡如下：

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CO2(g) ⇌ CO2 (ag)

CO2 (ag) + H2O ⇌ HCO3- + H+

HCO3-⇌ CO32- + H+

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无机碳循环是控制海水pH值和维持海洋化学平衡的一个重要方面。当二氧化碳溶解在海水中，形成碳酸（HCO3-），大部分的碳酸分解成氢离子（H+）和碳酸氢盐离子（HCO3-）。向海水中加入二氧化碳的净效应是，随着海洋表层二氧化碳浓度的增加，改变了海洋原有的化学平衡，碳酸、氢离子和碳酸氢盐离子的浓度迅速增加，从而影响海水的化学状态。

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海洋酸化对海洋物种的影响

从全球和历史上看，海洋提供了渔业和水产养殖的关键资源。海洋酸化及其化学变化会对处于关键生命史阶段（例如，卵、幼虫、幼鱼和成虫）的可食用海洋物种的生理结构产生直接影响，从而改变它们的生存能力和可食用性。对于具有重要商业价值的鱼类种群，特别是野生捕捞渔业，关注的重点是因海洋酸化而中断的种群水平过程，例如存活下来进入渔业的鱼类数量。因此，早期生命史阶段一直是研究的重点。在鱼类方面，研究发现，CO2的增加对某些物（如夏季比目鱼、牙鲆和大西洋鳕鱼）的卵和早期幼虫阶段的存活率有负面影响。同样，生殖过程也是一个重点，荟萃（Meta）分析表明海洋酸化对不同生物群体（如鱼类、软体动物、棘皮动物和甲壳动物）的生存、生长、发育和繁殖有负面影响。此外，在一些地区，由于碳酸盐饱和度降低和无法长壳的幼体（例如美国西海岸的牡蛎）的死亡，沿海水域的贝类养殖已经在减少。

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图1 海洋生物

海洋酸化对污染物影响

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许多化学物质通过人类活动直接或间接进入到自然系统中被生物体吸收，然后通过食物链转移，在更高营养级生物体组织中积累，并影响其生理机能。污染物在海洋环境中的传播会受到海洋酸化的影响，研究发现，海洋酸化会改变污染物的生物利用度，加剧暴露和生物积累，并增强生物体生物水平从基因到生态系统的影响。汞及其他金属（例如铝，铁，锌，铜和铅）通常在酸化水生环境生物利用度更高，利用度的增加解释了暴露于酸化海洋中的海洋双壳类动物中镉积累增加的原因，酸化的海水还可能会通过引起上皮损伤导致镉更容易渗透或降低排镉的能力来增加积累。

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海洋酸化对毒素分布和累积的影响

海产品尤其是贝类引起的中毒是海洋对人类健康产生负面影响的一个关键途径。贝类含有可导致麻痹性贝类中毒（PSP）、神经毒性贝类中毒（NSP）、健忘性贝类中毒（ASP）或腹泻性贝类中毒（DSP）的天然毒素，这些毒素通常是从那些形成有害藻华（HAB）的藻类中积累的。

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图2 有害藻华

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海洋酸化可以改变有害藻华的丰度和化学成分，从而增加贝类毒性，从而对人类健康产生负面影响。已发现受海洋酸化影响的毒素和产生它们的藻类包括麻痹性贝类毒素、神经性贝类毒素以及短毒素。研究发现，海洋酸化会导致藻类生长速度增加，加速有毒藻类的产生。除了有害的微生物藻类，细菌还可以通过释放毒素引起疾病，例如肉毒梭菌会产生非常有效的天然毒素肉毒杆菌，当口服摄入时，会阻断神经功能，导致呼吸和肌肉骨骼麻痹[1]。

总结

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海洋酸化除了影响到海洋生物种群外，对海洋生态系统的其他环节同样影响巨大。从细菌到鱼类，许多生物已被证明受到海洋酸化的负面影响。海洋酸化所引起的海洋种质资源的减少或消亡会随着食物链影响整个海洋生态系统平衡，积累的污染物和毒素造成人类海洋食物的负面影响，增加人类健康风险。

[1]FALKENBERG L J, BELLERBY R G J, CONNELL S D, et al. Ocean Acidification and Human Health [J]. Int J Environ Res Public Health, 2020, 17(12): 

投稿者：艾伽伊 博士研究生

审核导师：袁益辉 研究员

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