重要的浮游植物类群容忍一些从海洋中去除二氧化碳的策略

人类有着在几乎没有深谋远虑的情况下做出重大改变的悠久记录。从化石燃料到人工智能，从塑料到杀虫剂，我们喜欢创新解决我们的问题，却发现我们创造了不同的问题。因此，听到一些案例，我们在承诺一个激进的新想法（比如二氧化碳去除）之前退后一步深思熟虑，可能会令人耳目一新。

随着碳排放量持续攀升，许多科学家、环保主义者和政策制定者主张采取行动，直接从大气中去除碳。他们认为，这些地球工程方法对于避免我们的陆地、空中和海洋发生灾难性变化是必要的。

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员正在评估一项此类提案的效果，该提案涉及增加海洋的碱度以促进碳封存。目的是加速从大气中去除碳的地质过程，这些过程非常强大，但非常缓慢。研究小组调查了这将如何影响食物链底部海洋中数量最多和最重要的两个浮游生物群。他们的研究结果发表在《科学进展》上，表明浮游生物在治疗下会表现良好，这一积极的结果鼓励对这一有前途的提议进行更多研究。

“当我们向大气中添加CO₂ 时，我们正在酸化海洋，”主要作者，加州大学圣巴巴拉分校的博士生James Gately说。“增加碱度本质上就像在海洋中添加抗酸剂一样。碱性或碱性化合物会改变海水的化学性质，将 CO₂ 转化为其他碳化合物，如碳酸盐和碳酸氢根离子。这使得海洋能够吸收更多的二氧化碳，同时降低水的酸度。

事实上，这种机制构成了地质碳循环的基础，它长时间在地球、大气和海洋之间循环碳。“这个过程通常需要数万到数十万年才能发生，”盖特利说。“我们的目标是加快这一进程。

盖特利和他的同事们面临的问题是，海洋生物将如何应对大规模海洋碱度的增加？为了得到答案，他们研究了这种治疗如何影响两个关键的浮游生物群体：硅藻和球藻。

这两个群体都是重要的初级生产者，将阳光转化为食物，并作为海洋食物链的基础。“它们在生物碳泵中发挥着重要作用，这基本上是海洋在数百万年内将二氧化碳从大气中锁定的方式，”盖特利生态学，进化和海洋生物学系顾问Débora Iglesias-Rodriguez教授说。这些浮游生物还构建了外骨骼，这意味着它们在生物圈周围移动大量的钙，二氧化硅和碳酸盐。

一年一度的浮游植物大量繁殖（例如球藻和硅藻）一直为小鱼等食物链提供食物。水华后，死细胞落入海底，形成富含碳酸盐或二氧化硅的沉积物。随着时间的推移，这种沉积物将生物体通过光合作用吸收的碳从大气中隔离开来。最终，海底沉积物会变成燧石和石灰石。如果海洋碱度增强影响这些浮游生物中的任何一个，结果可能是可怕的。

该团队在从圣巴巴拉海峡收集的水中添加了营养物质和碱度。通常，橄榄石和各种碳酸盐等矿物质在地质时间内提供碱度，但盖特利和他的合著者用其他溶解和反应更快的化合物模拟了这一过程。然后，他们过滤水进行消毒，然后在空气中冒泡，二氧化碳含量为百万分之420，大致相当于现代大气中的CO₂ 浓度。几天后，研究小组添加了他们在实验室培养的硅藻和球藻。

现代海洋的碱度约为每公斤水 2，300 至 2，400 微摩尔。科学家们以3，000μmol/kg进行了一项试验，模拟了长期碱度添加，另一项以5，000μmol/kg的速度模拟潜在的热点，如治疗部位。

作者测量了浮游生物的生理和生物化学以及海水化学的一系列变化。他们特别好奇球藻是否会增加钙化，因为治疗会增加水中钙离子的丰度。具有讽刺意味的是，制造碳酸钙实际上会产生CO₂，即使该化合物中含有碳和氧。在很长一段时间内，封存效应胜出，使球藻成为地球上最大的碳汇之一。

总而言之，浮游生物对碱度处理的反应是中性的，钙化没有显着变化。细胞的光合效率略有下降，但两种治疗仍处于健康水平之内。作者怀疑这种减少可能是由于微量营养素（如铁）的可用性减少。

事实上，研究小组观察到溶解的离子在较高的碱度下变成固体化合物或沉淀。这个过程可以去除溶液中的营养物质和碱度，这既会影响海洋生物，又会降低海洋碱度增强的功效。该团队已经在新的实验中研究这一过程。

“总而言之，当我们增加水中的碱度时，这些生物的生理机能并没有改变，”Iglesias-Rodriguez说。虽然结果令人鼓舞，但作者警告不要外推到生态系统规模，因为反应可能因物种而异。“浮游植物是一个良好的开端，但我们也需要在其他生物和生态系统中进行测试。

该小组已经开始在天然养分浓度下对整个浮游生物群落进行碱度增强实验。他们将测量单个物种以及整个群落的反应。最终，该团队计划将研究从实验室带到现场。“这非常令人兴奋，但我们需要谨慎行事，”Iglesias-Rodriguez说。

与许多地球工程提案一样，提高海洋碱度是一个有争议的话题。“我们并不是说这是一个好主意，”盖特利说，“我们正试图确定它是否是。

问题在于，如果我们想将升温控制在2摄氏度以下，仅仅依靠减少排放为时已晚。将碳去除扩大到千兆吨级将需要几种方法;海洋碱度增强只是其中之一。“这些技术都不是气候变化的灵丹妙药，”盖特利说，但海洋封存的碳比陆地和大气的总和多一个数量级，这使得以海洋为重点的方法具有吸引力。

也就是说，除非社会减少温室气体排放，否则仅靠地球工程无法解决问题。“如果我们在一艘有洞的船上，我们可以使用水桶试图舀出水，”盖特利补充道。“但如果我们不堵住这个洞，我们就会沉没。