Océanos: su acidificación es una amenaza real y grave de nuestra existencia

Océanos: su acidificación es una amenaza real y grave de nuestra existencia
21/12/11 Por Dr. Marcos Sommer
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La liberación masiva de dióxido de carbono (C02) está provocando un fenómeno submarino que pocos han percibido: el agua de los océanos se está poniendo ácida y los esqueletos de los animales marinos se debilitan porque están hechos de carbonato de calcio. En contraste, las algas marinas se reproducen masivamente porque están siendo fertilizadas con mucho carbono. Ese cambio en el nivel de acidez (o pH) del agua marina produce una menor disponibilidad de calcita, dragonita y otros carbonatos con los que se forman los arrecifes, los esqueletos y las conchas de muchas especies marinas.


Los océanos que cubren dos terceras partes de la superficie de la tierra, contienen las nueve décimas partes de los recursos de agua y el 90 por ciento de la biomasa viviente del mundo y son fuente primaria de alimento para más de tres mil millones y medio de personas. Además son un recurso económico vital que proporciona sus medios de vida a millones de personas en todo el mundo. Junto con los organismos que alberga contienen en total alrededor de 38.000 Gt Carbón. Esto representa aproximadamente el 95% del carbón total que se encuentra en los océanos, atmósfera y sistema terrestre, constituyendo un reservorio substancial de carbón (Riebesell U. et al., 2010). Esto demuestra el papel integral que desempeñan los océanos en los procesos naturales del ciclo del carbón a escala mundial (Turley C. 2010).
Los océanos intercambian carbón en forma de CO2 con la atmósfera y proporcionan un importante sumidero de CO2. El intercambio de dióxido de carbón es un proceso bidireccional, ya que el océano y la atmósfera se encuentran en todo momento absorbiendo y liberando CO2 (Kleypas et al., 1999,).
Las aguas superficiales de los océanos son ligeramente alcalinas, con un pH promedio alrededor de 8.2, aunque esto varía en los océanos alrededor de ±0.3 unidades, debido a las variaciones estaciónales, locales y regionales. El parámetro pH refleja el estado termodinámico de todo el sistema ácido-base presente en el agua de mar, en particular respecto al sistema geoquímica del CO2 y es indicativo de procesos biológicos como fotosíntesis y respiración.
El dióxido de carbono en la atmósfera se disuelve en las aguas superficiales de los océanos y establece una concentración en equilibrio con la concentración de la atmósfera. Las altas concentraciones de dióxido de carbono en el planeta no solamente afectan a la atmósfera y generan el calentamiento global; también ocasionan graves daños en los océanos, cuyas aguas se vuelven ácidas por el exceso de ese contaminante (IPCC, 2001).
La acidificación oceánica (bajando el pH-la medición de la acidez), se consideró por primera vez como un tema de gran importancia en el año 2005, con la publicación del informe de Royal Society (2005). Aunque ya existían referencias sobre esta problemática en la literatura, incluso desde los años 70, éstas aumentaran en número desde unos diez años antes de publicarse dicho informe.
Los ecosistemas oceánicos juegan un papel importante en el cambio climático actuando como moderador del clima (Sommer M., 2009). El océano funciona como un almacén de la energía solar que recibe y la distribuye por medio de la circulación oceánica entre el ecuador y los polos y entre la superficie y el fondo (Fig.1). Por otro lado, el océano actúa modificando la concentración de C02 en la atmósfera que es el gas invernadero más importante después del vapor de agua.

La liberación masiva de dióxido de carbono (C02) está provocando un fenómeno submarino que pocos han percibido: el agua de los océanos se está poniendo ácida y los esqueletos de los animales marinos se debilitan porque están hechos de carbonato de calcio. En contraste, las algas marinas se reproducen masivamente porque están siendo fertilizadas con mucho carbono. Ese cambio en el nivel de acidez (o pH) del agua marina produce una menor disponibilidad de calcita, dragonita y otros carbonatos con los que se forman los arrecifes, los esqueletos y las conchas de muchas especies marinas (Riebesell U. et al., 2010).
Desde el final de la primera Revolución Industrial (Fig. 2), en los años 1830s, la quema indiscriminada de combustibles fósiles, la deforestación y la producción de cemento han emitido a la atmósfera más de 440.000 millones de toneladas de C02 (la mitad de ellos durante los últimos 30 años) (Keeling et al., 1995, Khatiwala et al., 2009).

El trabajo de Havenhand J.N. et al., (2008), publicado en la revista Current Biology, afirma que el pH del agua de la superficie del mar ha disminuido hasta en un 25% desde el inicio de la industrialización. Este aumento de la acidez, aseguran estos expertos, amenaza la viabilidad de muchas especies marinas.
Aproximadamente el 50 por ciento de las emisiones permanecen en la atmósfera, el otro 50 por ciento es secuestrado por el océano y la vegetación terrestre (Bates et al., 2007). Por tanto, el océano se comporta como un sumidero de CO2 secuestrando y jugando un papel como depósito de CO2, conteniendo unas 50 veces más que la atmósfera y 20 veces más que la biosfera (Fig.2). Las concentraciones atmosféricas de C02 se sitúa en torno a 390 ppmv y el pH superficial del océano en 8.1 (Ríos, A... 2009, Takahashi et al., 2002).
Actualmente hay un consenso científico en que la acidificación oceánica es un hecho real y supone una amenaza importante para la vida marina. Por ejemplo, la Declaración sobre la Acidificación Oceánica del Panel Inter-Académico de Asuntos Internacionales (2009) afirma que aún con la estabilización del C02 atmosférico en 450 ppmv, la acidificación oceánica tendrá impactos trascendentales en muchos ecosistemas marinos (Fig.3).

Se predice que los niveles de CO2 continuarán incrementándose de manera drástica durante el siguiente siglo y probablemente durante mucho más tiempo, y a menos que se reduzcan sustancialmente las emisiones, podría llegar a niveles superiores a 1000 ppm para el año 2100, algo superior a lo experimentado en la Tierra durante varios millones de años (Langdon et al., 2003, Hall-Spencer et al., 2008). Se necesita una reducción rápida de al menos el 50 por ciento de las emisiones globales de C02 para el año 2050. En la historia de la tierra el equilibrio ácido base del océano ha sido relativamente constante. Las burbujas atrapadas en las capas de hielo proporcionan un registro de los niveles pretéritos de C02 atmosférico, a partir de los cuales se puede calcular el pH del océano. Los testigos extraídos del hielo pueden leerse de forma parecida a los anillos de los árboles: las capas superficiales reflejan las condiciones más recientes mientras que las más profundas fueron depositadas hace mucho tiempo. Estos testigos muestran que durante los últimos 800.000 años, hasta mediados de los años 1800s, los niveles atmosféricos de C02 nunca superaron las 280 ppmv, mientras el pH del agua de mar se mantenía alrededor de 8,2. El artículo de Zeebe et al. (2008) en la revista Science subraya que la reducción de las emisiones de CO2 no sólo ayudaría a combatir el cambio climático, sino también la acidificación de los océanos. En cualquier caso, los científicos recuerdan que una vez que el pH del océano ha descendido, llevará miles de años revertir el cambio, aunque se asuman medidas para reducir las emisiones de CO2. Por ello, algunos expertos recomiendan prepararse para posibles impactos negativos que puedan afectar, por ejemplo, a las pesquerías.
Otras publicaciones se muestran más cautelosas y no atribuyen al ser humano toda la responsabilidad de la acidez oceánica, se describen que hay un gran afloramiento de agua más ácida proveniente de la profundidad. Las aguas del océano profundo son más frías que las aguas superficiales y contienen más carbono que se mezcla con el agua marina y forma ácido carbónico.
La acidificación oceánica es muy distinta del cambio climático. El cambio climático representa un conjunto mucho más amplio de consecuencias para las actividades humanas afectando a diferentes procesos cuya frecuencia, escala y efectos varían desde niveles predecibles hasta algún altamente incierto. Las implicaciones podrían llegar a ser tan importantes como las asociadas con el calentamiento global. De hecho mientras éste último resulta un tanto elusivo y es difícil de monitorizar, la acidificación oceánica puede ser cuantificada, es predecible y es progresiva
Hay factores que pueden influenciar de manera local las principales reacciones químicas del CO2 con el agua de mar y sumarse a los efectos de la acidificación oceánica. La figura 4 muestra las presiones impuestas por el hombre en las zonas costeras. Las aguas costeras se ven afectadas también por el exceso de aporte de nutrientes, principalmente nitrógeno, procedente de la agricultura, los fertilizantes y las aguas residuales. La eutrofización resultante promueve grandes proliferaciones de plancton, que cuando se colapsan y sedimentan al fondo del mar, estimulan la acción bacteriana sobre toda esta materia y provoca un descenso del oxigeno disuelto en el agua de mar y un incremento del CO2 (que reduce el pH) (Sommer M., 2010).

Cuando el CO2 emitido a la atmósfera se disuelve en el agua de mar, tienen lugar una serie de reacciones químicas que resultan ser conocidas por el proceso de la acidificación oceánica, también denominada el problema del CO2 (Fig.5-1). El ciclo del carbono en el océano, en sus formas orgánicas e inorgánicas está gobernado por procesos físicos y biológicos. Estos procesos son conocidos como bomba física (o de solubilidad) y bomba biológica. Ambas bombas actúan incrementando las concentraciones del CO2 dentro del océano (Takahashi, K., 1989).
Cabe destacar dos reacciones importantes.
Primeramente, la formación de ácido carbónico, con la consiguiente liberación de iones hidrógeno (Fig. 5-2,3).
En está reacción la liberación de iones hidrógeno incrementa la acidez, reduciendo el pH. Esta disolución de CO2 ha bajado el pH promedio de los océanos cerca de 0.1 unidades desde los tiempos pre-industriales (Caldeira, K. y Wickett, M. E., 2003.). Este valor puede parecer pequeño, pero debido a la forma en que se mide el pH, este cambio representa un aumento del 30% en la concentración de los iones de hidrógeno, lo cual es una considerable acidificación del océano. El aumento de la concentración atmosférica de CO2 conducirá a una mayor acidificación de los océanos (Barker y Elderfiel, 2002).
Es importante tener presente que cualquier cambio en los procesos biológicos en las aguas superficiales del océano también afectará a las aguas más profundas. Esto se debe a que los organismos y el hábitat que viven en los niveles más bajos de los océanos -lejos de la luz del sol- se basan principalmente en los productos creados por las diferentes formas de vida en las aguas superficiales. Posteriormente se produce una segunda reacción (Fig.5-3), entre los iones carbonatos el dióxido de carbonato y el agua que produce iones bicarbonato. El efecto combinado de estas reacciones no solamente aumenta la acidez sino que además reduce la disponibilidad de iones carbonato. Estos iones son necesarios para el proceso de calcificación, mediante el cual se produce las conchas y esqueletos calcáreos de muchos organismos. La Red Europea de Excelencia para el Análisis de los Ecosistemas Oceánicos (EUR-OCEANS, http://www.eur-oceans.eu/) recuerda que los océanos del Sur y el Ártico, más fríos y ácidos, podrían volverse totalmente inhóspitos a finales de este siglo para este tipo de organismos.

El impacto de la creciente concentración de CO2 y posteriormente la acidificación del océano, puede afectar en un mediano plazo a todas las formas de vida. Como un efecto indirecto sin embargo casi inmediato encontramos el impacto sobre los organismos marinos, dichos efectos son derivados de los cambios en la disponibilidad ó la composición de nutrientes como resultado del aumento de la acidez (Feely et al., 2004).
El ciclo del carbono en sus formas orgánicas e inorgánicas está gobernado por procesos físicos y biológicos. Estos procesos son conocidos como bomba física (o de solubilidad) y bomba biológica. Ambas bombas actúan incrementando las concentraciones de CO2 dentro del océano (Takahashi, K., 1989).

La bomba física (Fig.6) está conducida por el intercambio de CO2 en la interfase atmósfera océano y por el proceso físico que transporta CO2 al océano profundo. El CO2 atmosférico entra en el océano por intercambio gaseoso dependiendo de la velocidad del viento y de la diferencia de las presiones parciales entre la atmósfera y el océano. La solubilidad del CO2 en agua de mar es muchas veces mayor que la de otros gases como el nitrógeno o el oxígeno.
Esta diferencia es debida a la reacción con el carbonato:

Esta reacción tiene una constante de equilibrio muy grande que hace que la mayoría del CO2 que entra al océano se convierta rápidamente en bicarbonato.
Cuanto más fría es el agua de mar más CO2 se disuelve en ella. Mientras que en mares tropicales y subtropicales se desprende dióxido de carbono a la atmósfera.
Groenlandia y los océanos antárticos tienen una notable importancia para la bomba física, pues mediante el hundimiento de las aguas superficiales se va transportando el CO2 de la atmósfera a las aguas profundas, luego de años por surgerencia esas aguas vuelven a subir a la superficie.

Bomba biológica (Fig. 7) consiste en un transporte de CO2 desde la superficie del océano hacia el fondo mediante la producción fitoplanctónica. Las aguas superficiales oceánicas están habitualmente sobresaturadas debido al oxígeno liberado durante la fotosíntesis. Cerca del fondo de la zona fótica hay un balance entre la cantidad de carbono que el fitoplanctón fija por fotosíntesis y la cantidad que disipa por respiración. La profundidad a la que este balance tiene lugar se denomina profundidad de compensación, debajo de esta no hay crecimiento fitoplanctónico neto.
Parte del fitoplanctón entra en la cadena trófica y otra se muere. La materia orgánica en forma de desechos biogénicos es transportada a las capas más profundas de los océanos vía sedimentación gravitatoria donde se oxida y se descompone. La mayor parte de los desechos biogénicos están compuestos de carbono, tanto la materia orgánica blanda como los esqueletos calcáreos compuestos por carbonato cálcico, tales como las conchas de los moluscos. Una parte de la materia orgánica alcanza el lecho marino incorporándose a los sedimentos como consecuencia de la bomba biológica las aguas del fondo de los océanos contienen mucho más CO2 y están sobresaturadas. Este desequilibrio se mantiene gracias a la estratificación vertical de la densidad en la columna de agua. El CO2 queda atrapado en las aguas frías y profundas de los océanos.

La contra-bomba de cal
La tercera, la contra-bomba de carbonato actúa en forma contraria a las otras dos bombas y lleva a la liberación de dióxido de carbono en la atmósfera. Comienza con la formación de capas de cal de organismos marinos, sobre todo de corales y algas de cal plancticas. Aunque parezca que las formaciones de cal enlacen grandes cantidades de dióxido de carbono, en realidad sucede lo contrario: con la formación de cal se produce CO2. La misma está condicionada por la reacción química, formándose de cada dos HCO3, una molécula de cal (CO2), agua y CO2 correspondientemente. Por tal motivo la formación de cal conduce a un aumento de la concentración de CO2 en el mar, que se nivela con la concentración atmosférica, mientras se libera dióxido de carbono. Cálculos recientes muestran que la formación de cal en arrecifes es aproximadamente cuatro veces más grande que en las algas de cal. Ya que los arrecifes se encuentran en mares cálidos pocos profundos, además que la solubilidad del dióxido de carbono es escasa en aguas cálidas y el gas abandona tanto más rápido el agua de mar.
Una de las implicaciones más importantes de la acidificación de los océanos se refiere al hecho de que muchos organismos marinos fotosintéticos y animales, tales como foraminíferos, cocolitofóridos, corales de agua cálida y fría, moluscos terópodos, equinodermos, algunos crustáceos y macro algas forman sus conchas y placas de carbonato de calcio (CaCO3) (Fig.9). Además de la calcificación, la acidificación podría provocar diversos efectos negativos directos en la fisiología y reproducción de los seres vivos, como por ejemplo hipercapnia (presencia excesiva de CO2 en los fluidos corporales). Otras consecuencias podrían ser más indirectas, pero no menos preocupantes, como el descenso de los recursos alimenticios o la destrucción del hábitat de ciertas especies, como las que viven en los arrecifes de coral.

Se ha observado en zonas tropicales o en el mar Mediterráneo, que la alteración del pH y la temperatura de los mares y océanos promoverán la proliferación de las especies con mayor capacidad de adaptación, mientras que las criaturas más especializadas, que han basado su estrategia evolutiva en su ajuste a las condiciones estables de los océanos durante millones de años, serán los principales perjudicados.
Como también ocurre con la vida en tierra firme, los ojos de la opinión pública se centran en el drama que se experimenta en los arrecifes de coral, olvidando otras criaturas igualmente valiosas para el mantenimiento de los ecosistemas marinos, en este caso el plancton microscópico, situado en la base de una compleja cadena alimentaría de la que dependen por igual criaturas marinas y millones de personas. Pero la reducción drástica de las principales especies de fitoplancton podría tener consecuencias no sólo sobre la vida marina, sino sobre el clima de la Tierra.
El proceso de calcificación, el cual para algunos organismos marinos es importante para su biología y supervivencia, se ve obstaculizado progresivamente a medida que el agua se acidifica (se vuelve menos alcalina). Este efecto negativo sobre la calcificación es uno de los más evidentes y, posiblemente, el más grave de los impactos ambientales del cambio climático (Barker y Elderfiel, 2002).
Los corales son uno de los indicadores confiables del cambio climático y el efecto antropogénico en el ciclo del CO2. Veron en su libro A Reef in Time (2010) se cuestiona el futuro de los arrecifes de coral del mundo y concluye que los arrecifes de coral no son más que los canarios de los océanos y su deplorable estado augura el empeoramiento de la salud de los ecosistemas marinos.
Veron recuerda que, en las últimas décadas, se han escrito decenas de artículos sobre las numerosas amenazas para los arrecifes de coral. En las décadas de los 60 y 70, el riesgo fue personalizado en la corona de espinas, una especia invasiva de estrella de mar que se alimenta de coral.
En los 80 y 90, pese a que la presencia de la corona de espinas continuaba multiplicándose, los artículos sobre el futuro de los arrecifes se centraron en nuevas amenazas, tales como la erosión y escorrentía de sedimentos, el empobrecimiento de los nutrientes, la sobrepesca y la destrucción del hábitat en general. Ahora, sin embargo, la amenaza es mucho mayor, según Veron. "Nada se acerca a la devastación que está a punto de ocurrir". En esta ocasión, no se trata de amenazas que minan poco a poco el futuro de zonas concretas de un ecosistema complejo.
El origen del coral comienza cuando la larva ciliada llamada plánula, abandona el medio planctónico y se fija en una superficie resistente para transformarse en pólipo. Cambia entonces el cilio o flagelo, que le servía para nadar, por una boca central rodeada por una corona de tentáculos (Fig. 10).

El pólipo absorbe los iones de calcio y carbonato disueltos en el agua, con los que construye su propio esqueleto, un resistente abrigo de piedra caliza. Este esqueleto de carbonato de calcio conforma generalmente una estructura hexameralmente simétrica. Por lo tanto un coral es una construcción biológica conformada por los esqueletos calcáreos de madréporas, agrupadas en colonias de pólipos y algas a lo largo de las costas tropicales de aguas cálidas y poco profundas. Las partes vivas forman una biocenosis compleja en la que encontramos vegetales y animales, la parte animal que son los pólipos, viven fijos por uno de sus extremos al sustrato, y en el otro extremo tienen la boca, rodeada de tentáculos (Ginsburn, 1994).
El coral hospeda dentro de sus células diminutas algas unicelulares llamadas zooxantelas que, mediante su fotosíntesis, son una fuente importante de carbono para el coral y para su calcificación (estructuración del esqueleto). Los experimentos indican que en la mayoría de los casos hay una disminución de la tasa de calcificación del coral cuando los niveles de CO2 aumentan; por tanto es evidente que la subida de CO2, en lugar de protegerlas, en realidad disminuye la capacidad de los corales para construir sus esqueletos y, por lo tanto, su capacidad para soportar tormentas. Esto indica que, tarde o temprano, el crecimiento será menor que la erosión natural y por tanto esos arrecifes terminarán desapareciendo (Langdon, C et al., 2003). Se estima que el 25 por ciento de las especies del océano pasan al menos una parte de sus ciclos de vida en los arrecifes.
Entre las especies amenazadas por la acidificación del océano se encuentran los corales tropicales y profundos, el plancton calcáreo y los pterópodos de vida libre, debido a una mayor dificultad a la hora de construir y mantener sus esqueletos y caparazón. Estas especies juegan un papel clave en el océano, ya sea porque construyen estructuras tridimensionales, como arrecifes de coral, que hospedan una diversidad biológica considerable y actúan como protección costera o bien por ser componentes clave de las cadenas tróficas y los ciclos biogeoquímicos marinos (p.ej. plancton, calcáreo, pterópodos).
La vida en el océano se ha recuperado de numerosos episodios de extinción repentinos gracias a la adaptación y evolución de nuevas especies, pero las escalas de tiempo necesarias para la extinción y la repoblación son de millones de años, no de unos pocos siglos. La acidificación oceánica producida por el hombre está afectando al océano de manera mucho más rápida que el ritmo de recuperación natural de la tierra. La tasa actual de acidificación es 10 veces más rápida que cualquier otra experimentada desde la era de los dinosaurios hace 65 millones de a años (Takahashi et al., 2009). Es un complicado proceso de retroacción entre el presupuesto de carbono del mar y el clima. En el caso del calentamiento por el efecto invernadero, podría disolverse menos CO2 en el océano. La “bomba física” seguirá debilitándose porque por medio del calentamiento del agua y la reducción del contenido de sal producida por el deshielo de los glaciares y de las capas polares, disminuyen la formación de aguas profundas en aguas cercanas a las zonas polares; es decir que el agua superficial se volverá muy caliente y muy liviana para hundirse. Según publicaciones paleooceanograficas, existen incluso evidencias de que extinciones masivas ocurridas en la historia de la Tierra, como la ocurrida hace 251 millones de años, fueron acompañadas de eventos pretéritos de acidificación oceánica, que habría contribuido en causar la mortalidad de especies que no pudieron resistir el cambio. Los estudios de estos períodos del pasado proporcionan información muy valiosa sobre lo que podría ocurrir en el futuro si continuamos empujando la acidificación de los océanos hacia límites todavía más extremos.
El concepto de Desarrollo Sustentable ofrece una mirada distinta en la búsqueda de un desarrollo equilibrado entre economía, sociedad y ambiente. La oceanología tiene mucho que aportar para comprender el pasado y rediseñar el futuro. www.ecoportal.net
Sommer M. (2011). Océanos su acidificación es una amenaza real y grave de nuestra existencia. Pesca Worldwide Circulation Magazine N.119 W-05/1
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