Кислий експеримент у Світовому океані

Океан поглинув не менше третини вуглекислого газу, який людина викинула в атмосферу з початку індустріальної епохи. І якщо про парниковий ефект чули всі, то про наслідки великої  концентрації СО ₂   в океанських водах широкій публіці відомо набагато менше.

Вчені вважають, що нині відбувається грандіозний глобальний експеримент , адже  концентрація СО ₂   в атмосфері за одне століття змінилась такою мірою, ніби пройшла геологічна епоха. Результатом цього стали не лише кліматичні зміни.

Світовий океан  завжди був глобальною «стічною трубою» для вуглекислого газу і саме завдяки її роботі темпи накопичення СО ₂   значно нижчі, ніж могли бути. Проте антропогенне навантаження на океан не може пройти безслідно.

Зі шкільного курсу хімії ми знаємо про водневий показник - рН, який зменшується за умови збільшення кислої реакції у середовищі. Так звані буферні розчини здатні зберігати майже незмінний рівень рН при додаванні певної кількості агентів, які їх окислюють. Об’єм цих кількостей  залежить від буферної  місткості розчину.

Сам океан можна назвати величезним буферним розчином. Його середній показник рН в даний момент приблизно 8,0 (він варіює в різних регіонах). Вуглекислий газ підкислює воду при розчиненні, але її буферні властивості не дозволяють сильно змінювати рівень  рН. Проте якщо обсяг СО ₂   занадто великий, певні зміні все ж мають відбутися.

Існуютьпевні фактори, які дозволяють океану поглинути більше CO ₂ . В першу чергу,  це численні організми, внутрішні та зовнішні скелетні структури яких складаються  з карбонату кальцію. Для побудови своїх голок або панцирів вони вилучають з води іони HCO ₃ ^-   і зв'язують їх у формі нерозчинної солі кальцію. Після смерті організмів їх скелети можуть опускатися на дно та формувати крейдяні відкладення, що призводить до тривалого захоронення вуглецю.

Фото: NEON ja, Richard Bartz / Wikimedia Commons ( ]]> лиц-я CreativeCommons ]]> )

До важливих груп подібних живих істот належать планктонні одноклітинні водорості під назвою   кокколітофориди   (на фото - зображення клітини зі скануючого електронного мікроскопа, фарбування штучне). Вони покривають себе особливими пластинками з карбонату кальцію - кокколітами. Згідно з даними досліджень, ряд видів кокколітофорид впевнено нарощує свої панцири за умов  збільшення додаткового HCO ₃ ^-   за рахунок припливу CO ₂ . При вивченні данних відкладів з Північної Атлантики з'ясувалося, що за період з 1780-го по 2004-й рр. середня маса кокколітів виросла з 1,08 × 10 ^{- 11} гдо 1,55 × 10 ^{- 11} г, а цемайже в півтора рази!

Зниження рН створює загрозу того, що карбонат кальцію почне розчинятися у воді. Як показала нещодавня стаття, опублікована в науковому журналі   Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , кокколіти значно стабільніші у порівнянні з кристалами кальциту (той же карбонат кальцію) небіологічного походження. І частки природного ісландського шпату, і частки штучно отриманого в лабораторії кальциту за рівних умов розчиняються в сильно підкисленій воді (рН 5,6) в середньому більш ніж на 20% швидше, ніж кокколіти водорості   Coccolithus pelagicus . Як викопні кокколіти з крейдяних порід, так і свіжі пластини з тільки-но вирощених водоростей залишаються стійкими в розчині, позбавленому іонів кальцію, у той час як частки небіологічного походження в такому середовищі руйнуються.

Таким чином, кокколіти мають певний запас міцності по відношенню до несприятливих тенденцій, пов'язаних з закисленням океану. За судженнями фахівців причина полягає у тому, що водорості будують ці структури на основі спеціального «каркаса» з органічних сполук і саме така основа забезпечує специфічну форму частинок. За словами авторів роботи, молекули органічних полімерів (в першу чергу, полісахаридів) перешкоджають «розбиранню» кристалічного карбонату кальцію. Крім того, зрілі кокколіти ззовні вкриті особливим білковим «хутром», що додає їм стійкості.

До певної міри кокколітофориди можуть чинити опір закисленню. Вони навіть роблять свій внесок у поховання вуглецю і зниження загальної кількості СО ₂ , як вже зазначалося вище. Проте їхні можливості також обмежені.

За сучасними оцінками, у порівнянні з доіндустріальним рівнем рН океанської води зменшився на 0,1. Багато це чи мало?

 Поки що планктон з вапняними скелетами процвітає. Однак у найближчі 20 років, з урахуванням сучасних обсягів емісій CO ₂ , очікується падіння рН ще на 0,1. До кінця століття, між 2060 і 2100 рр., припускають зменшення рН на 0,3 - 0,4 у порівнянні з теперішнім станом. Тоді, за даними експериментів, і кокколіти повинні розчинятися.

Фото:R Hopcroft, U of Alaska Fairbanks / NOAA, Census of Marine Life

Закислення таких масштабів має різко скоротити чисельність найрізноманітніших морських організмів з карбонатними скелетами. Згідно з прогнозами, найвразливішими будуть організми у полярних морях, оскільки там низькі температури та хімічні особливості вод сприяють зменшенню стабільності карбонату кальцію. Лабораторні експерименти показали, що за умов прогнозованого рівня закислення, раковини планктонних молюсків   Clio pyramidata   (на фото - вид молюска згори) розчиняються протягом 2-х днів.

Але це ще відносно далека перспектива. Між тим, інша робота з журналу   PNAS   показує, що навіть зменшення рН ще на 0,1 - 0,2 може викликати несподівані наслідки. Справа в тому, що від кислотності середовища залежить інтенсивність такого важливого процесу як нітрифікація - перетворення аміаку NH ₃   в нітрат-іон NO ₃ ^-   силами мікроорганізмів. Це невід’ємна ланка глобального колообігу азоту.

Азот завжди є одним з найбільш дефіцитних ресурсів для водоростей, оскільки отримувати його безпосередньо з атмосфери може лише вузьке коло організмів - синьо-зелені водорості та певні групи бактерій. Іншим доводиться конкурувати за азот, представлений у більш прийнятних формах: окислений NO ₃ ^-   і відновлений NH ₃ . Як показали підрахунки, формування органічних сполук у Світовому океані на 32% залежить від NO ₃ ^- , який утворили мікроорганізми-нітрифікатори та ще на 26% - від NO ₃ ^- , піднятого з великих глибин висхідними течіями.

Були проведені експерименти зі зразками води з декількох точок океану: в Саргасовому морі, біля Бермудських островів, узбережжя Лос-Анджелеса та в районі Гаваїв. Вихідний рН зразків з різних регіонів значно варіював: від 7,99 у воді з Гаваїв до приблизно 8,1 у воді з Саргасового моря. Воду підкислювали, пропускаючи через неї бульбашки СО ₂ . Виявилось, що падіння рН на 0,1 - 0,14 знижує інтенсивність нітрифікації у воді в середньому на 23%. Послаблення нітрифікаційних процесів відзначалось в усіх дослідах, хоча й різною мірою. Наприклад, у зразках з Багамського регіону інтенсивність нітрифікації впала на 38%.
Дослідники досягли висновку, що різні частини океану, безумовно, по-різному відреагують на ті процеси закислення, які відбуватимуться протягом найближчих 20 - 30 років. Однак безслідно вони не пройдуть. З іншого боку, дати переконливий прогноз щодо змін, яких зазнають морські екосистеми різних регіонів, вчені теж не можуть, бо поки не створено достатньо якісних моделей, а процеси, за якими ведуться спостереження, є дуже складними.

Як не дивно, один з передбачуваних наслідків може допомогти нам у боротьбі зі зміною клімату. Ослаблення нітрифікації призведе до скорочення супутніх викидів парникового газу - N ₂ O. Обсяг його емісій може зменшитися від 0,6х10 ⁵    до 8x10 ⁵   тонн. Для порівняння: всі викиди N ₂ O, пов'язані зі спалюванням викопного палива і промисловим виробництвом, складають 7x10 ⁵   тонн.

З іншого боку, може змінитися склад фітопланктону, а саме він є фундаментом харчової піраміди в океані. У більш вигідному становищі знаходяться ті одноклітинні водорості, які віддають перевагу поглинанню відновленого азоту - NH ₃ /NH ₄   ⁺    на противагу тим, яким більше «до смаку» нітрат. До числа останніх відноситься частина діатомових водоростей, які є  вкрай важливою групою. Ними харчуються дрібні ракоподібні, що в свою чергу є кормом для риб. Таким чином, якщо відбудеться така перебудова екосистем, вона може спричинити прямі економічні наслідки, наприклад, для риболовів.

"Закислення океану може дорого обійтися людству. За деякими підрахунками, очікується близько $10 млрд втрат на рік через зниження запасів промислових риб", - таку оцінку дав керівник морської програми WWF Росії Костянтин Згуровський у газеті ПандаTimes.

Якими будуть результати нинішнього глобального експерименту, покаже тільки час. З точки зору чистої науки, вони будуть дуже цікавими у будь-якому випадку. Але здоровий глузд змушує подумати: чи варто продовжувати настільки масштабний і непередбачуваний експеримент?