Axit hóa là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Axit hóa là gì?

Axit hóa là hiện tượng giảm giá trị pH trong một hệ dung dịch, biểu thị sự gia tăng nồng độ ion hydro (H⁺). Trong bối cảnh môi trường, axit hóa thường được dùng để chỉ sự gia tăng độ axit trong các hệ sinh thái như đại dương, sông hồ, đất, và nước mưa. Quá trình này thường gắn liền với tác động từ các hoạt động của con người, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ khí CO₂ trong khí quyển do đốt nhiên liệu hóa thạch.

Axit hóa đại dương là một chủ đề đặc biệt được quan tâm trong cộng đồng khoa học vì hậu quả lan rộng và tiềm ẩn của nó. Khi khí CO₂ từ khí quyển tan vào nước biển, nó phản ứng với nước tạo thành axit carbonic, làm giảm độ pH của đại dương. Kết quả là môi trường biển trở nên ít kiềm hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều quá trình sinh học và hóa học trong nước biển, đặc biệt là quá trình hình thành vỏ và khung xương của các sinh vật biển.

Trong khi axit hóa đất có thể làm suy giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất của cây trồng, axit hóa nước mưa (mưa axit) làm hỏng lá cây và ăn mòn công trình, thì axit hóa đại dương đang diễn ra với tốc độ cao nhất trong lịch sử hiện đại, đe dọa nghiêm trọng đến chuỗi thức ăn biển và an ninh sinh học toàn cầu.

Quá trình hóa học cơ bản

CO₂ hòa tan trong nước biển trải qua một chuỗi phản ứng hóa học dẫn đến sản sinh các ion hydro (H⁺), làm giảm pH môi trường nước. Cụ thể, quá trình này bao gồm:

• $CO_{2} + H_{2}O \rightarrow H_{2}CO_{3}$ (Hình thành axit carbonic)
• $H_{2}CO_{3} \rightleftharpoons H^{+} + HCO_{3}^{-}$ (Tách thành ion hydro và bicarbonat)
• $HCO_{3}^{-} \rightleftharpoons H^{+} + CO_{3}^{2-}$ (Bicarbonat tiếp tục phân ly)

Tổng cộng, mỗi phân tử CO₂ khi hoà tan có thể tạo ra tới hai ion H⁺, làm tăng đáng kể độ axit của nước biển. Việc gia tăng H⁺ đồng nghĩa với việc làm giảm nồng độ ion carbonat (CO₃²⁻), thành phần cần thiết cho quá trình kết tinh canxi carbonat (CaCO₃) – vật liệu chủ yếu tạo nên vỏ và khung của nhiều loài sinh vật biển như san hô, ốc, trai và sinh vật phù du có vỏ.

Bảng sau tóm tắt ảnh hưởng của CO₂ đến hệ cân bằng carbonate trong nước biển:

Thành phần	Ảnh hưởng khi CO₂ tăng
pH	Giảm
[H⁺]	Tăng
[CO₃²⁻]	Giảm
Khả năng tạo CaCO₃	Giảm mạnh

Cách đo và xu hướng hiện nay

Độ axit của nước được đo thông qua chỉ số pH, với giá trị thấp hơn 7 thể hiện môi trường axit. Nước biển tự nhiên có tính kiềm nhẹ, với pH khoảng 8.2 trước thời kỳ công nghiệp. Tuy nhiên, dữ liệu quan trắc dài hạn đã chỉ ra rằng pH nước biển bề mặt hiện nay đã giảm xuống còn khoảng 8.1 – tương đương tăng khoảng 30% độ axit kể từ thời kỳ tiền công nghiệp.

Theo IPCC, tốc độ axit hóa đại dương hiện đang nhanh hơn khoảng 100 lần so với bất kỳ giai đoạn nào trong vòng 55 triệu năm qua. Đây là một hiện tượng chưa từng có trong lịch sử địa chất gần đây, và đang làm thay đổi sâu sắc hóa học đại dương.

• Trước năm 1800: pH ≈ 8.2
• Năm 2024: pH ≈ 8.05 – 8.1
• Dự báo đến 2100 (kịch bản CO₂ cao): pH có thể xuống dưới 7.8

Sự thay đổi nhỏ về pH trong môi trường đại dương có thể gây ra hậu quả lớn, vì hệ sinh thái biển đã tiến hóa trong môi trường có tính ổn định hóa học rất cao suốt hàng triệu năm. Ngay cả khi giảm chỉ 0.1 đơn vị pH, nồng độ ion H⁺ đã tăng 26%, làm thay đổi cân bằng sinh học ở mức tế bào và phân tử.

Mức độ lan rộng và tiến triển

Khoảng 25–30% lượng CO₂ do con người phát thải vào khí quyển được đại dương hấp thụ mỗi năm. Dù điều này giúp làm chậm lại hiện tượng nóng lên toàn cầu, nhưng lại dẫn đến tác dụng phụ nghiêm trọng là axit hóa. Khu vực chịu ảnh hưởng rõ nhất là các vùng biển lạnh ở cực, nơi CO₂ dễ hòa tan hơn do nhiệt độ thấp.

Nhiều vùng biển đã chứng kiến độ bão hòa aragonite – một dạng của canxi carbonat – giảm xuống dưới ngưỡng cần thiết cho việc hình thành vỏ động vật. Ở vùng Bắc Thái Bình Dương, một nghiên cứu cho thấy độ sâu mà tại đó nước trở nên không bão hòa với aragonite đã tiến gần mặt biển hơn 50–100 m chỉ trong vòng 40 năm.

Dưới đây là bảng so sánh các vùng đại dương theo độ nhạy với axit hóa:

Khu vực	Độ nhạy axit hóa	Lý do chính
Vùng cực	Cao	Nhiệt độ thấp → CO₂ hòa tan cao
Vùng nhiệt đới	Trung bình	Cường độ sinh học cao → tạm thời hấp thụ CO₂
Vùng nước sâu	Rất cao	Áp suất cao + ít ánh sáng + thời gian lưu CO₂ dài

Sự lan rộng nhanh chóng và có hệ thống của axit hóa đại dương đang khiến nhiều nhà khoa học kêu gọi xếp hiện tượng này vào danh sách "giới hạn hành tinh" (planetary boundaries) đã bị vượt qua, cảnh báo mức độ khẩn cấp và tính không thể đảo ngược nếu không hành động kịp thời.

Tác động sinh học và hệ sinh thái

Axit hóa đại dương ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều loài sinh vật biển, đặc biệt là những loài phụ thuộc vào canxi carbonat (CaCO₃) để xây dựng vỏ hoặc bộ xương. Khi nồng độ ion carbonat (CO₃²⁻) giảm, các sinh vật như san hô, ốc, trai, sò, nhuyễn thể và sinh vật phù du có vỏ (ví dụ pteropods) gặp khó khăn trong việc duy trì cấu trúc cơ thể.

San hô là nhóm bị ảnh hưởng nặng nhất. Axit hóa làm giảm tốc độ tạo xương (calcification), khiến các rạn san hô dễ bị xói mòn, gãy đổ và tổn thương bởi dòng chảy hoặc bão. Khi mức bão hòa aragonite – dạng CaCO₃ mà san hô sử dụng – giảm xuống dưới ngưỡng 3.5, quá trình hình thành rạn bị suy giảm rõ rệt.

• Aragonite saturation ≥ 3.5: điều kiện thuận lợi cho san hô phát triển
• Aragonite saturation 2.5–3.5: tốc độ phát triển chậm, dễ tổn thương
• Aragonite saturation ≤ 2.0: san hô có thể ngừng phát triển hoặc hòa tan

Đối với pteropods – sinh vật phù du có vỏ mỏng sống gần mặt nước – chỉ cần giảm nhẹ pH cũng có thể khiến vỏ của chúng bắt đầu bị hòa tan trong vòng 24–48 giờ. Những sinh vật này đóng vai trò quan trọng trong chuỗi thức ăn, là nguồn dinh dưỡng chính cho cá, chim biển, và động vật có vú biển.

Bên cạnh tác động cơ học lên vỏ, axit hóa còn ảnh hưởng đến sinh lý tế bào, như:

• Khả năng điều chỉnh ion nội bào
• Chức năng hô hấp và tuần hoàn
• Hiệu suất sinh sản và ấu trùng

Nghiên cứu cho thấy một số loài cá như clownfish và snapper có thể bị rối loạn định hướng và hành vi trong môi trường có pH thấp. Ấu trùng cá gặp khó khăn trong việc phân biệt âm thanh, tránh kẻ thù hoặc tìm nơi cư trú, làm tăng tỷ lệ tử vong ở giai đoạn đầu đời.

Hệ quả kinh tế xã hội

Ngành thủy sản và nuôi trồng hải sản toàn cầu chịu ảnh hưởng trực tiếp từ axit hóa. Những loài có giá trị kinh tế cao như hàu, vẹm, cua, sò điệp đang đối mặt với nguy cơ suy giảm sản lượng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sinh kế của hàng triệu người.

Tại vùng Tây Bắc nước Mỹ, một loạt đợt suy sụp sản lượng hàu non vào cuối thập niên 2000 đã buộc các trang trại phải thay đổi công nghệ, đầu tư hàng triệu USD vào hệ thống quan trắc pH và bơm nước có tính kiềm để trung hòa môi trường nuôi. Các cộng đồng phụ thuộc vào khai thác ven biển như ở Maine (Mỹ), British Columbia (Canada), hoặc Đông Nam Á cũng đang gặp thách thức tương tự.

Ngành hải sản	Ảnh hưởng do axit hóa	Hệ quả xã hội
Nuôi hàu, vẹm	Giảm tỷ lệ sống ấu trùng, hòa tan vỏ	Mất việc làm, thiệt hại kinh tế vùng ven biển
Đánh bắt sò điệp	Giảm tăng trưởng, dị dạng vỏ	Giảm sản lượng, tăng chi phí sản xuất
Ngành cá biển	Rối loạn hành vi, giảm khả năng sinh tồn	Ảnh hưởng chuỗi cung ứng thực phẩm

Ngoài kinh tế, sự biến đổi sinh thái do axit hóa còn đe dọa di sản văn hóa, du lịch biển, và thực phẩm truyền thống của các cộng đồng bản địa, đặc biệt là tại các quốc đảo nhỏ và khu vực ven biển đang phát triển.

Các biện pháp giảm thiểu và ứng phó

Giải pháp hiệu quả duy nhất về lâu dài để ngăn chặn axit hóa là giảm phát thải CO₂ toàn cầu. Điều này bao gồm:

1. Chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, thủy điện)
2. Gia tăng hiệu suất sử dụng năng lượng
3. Bảo vệ và phục hồi rừng, đất ngập nước, rạn san hô – các bể hấp thụ CO₂ tự nhiên

Bên cạnh đó, các biện pháp thích nghi cấp địa phương cũng được nghiên cứu và áp dụng, ví dụ như:

• Bơm nước kiềm vào khu vực nuôi trồng hải sản để ổn định pH
• Chọn lọc giống sinh vật có khả năng chịu axit tốt hơn
• Phát triển hệ thống giám sát pH và bão hòa carbonate theo thời gian thực

Một số giải pháp can thiệp kỹ thuật – gọi là geoengineering – đang được xem xét như tăng độ kiềm nhân tạo của đại dương (bổ sung Ca(OH)₂ hoặc Mg(OH)₂), tuy nhiên chúng mang theo nhiều rủi ro chưa được đánh giá đầy đủ như thay đổi cấu trúc sinh học, tảo nở hoa, hoặc tác động ngoài ý muốn lên hệ vi sinh vật biển.

Chính sách và hợp tác quốc tế

Liên Hợp Quốc thông qua Chương trình Mục tiêu Phát triển Bền vững (SDG 14.3) đã kêu gọi “giảm thiểu và đối phó axit hóa đại dương, bao gồm thúc đẩy hợp tác khoa học đa cấp.” Nhiều tổ chức quốc tế và khu vực đã bắt đầu hành động.

Ví dụ:

• NOAA (Mỹ): thiết lập mạng lưới cảm biến pH tại các bờ biển trọng yếu
• OA-ICC (IAEA): trung tâm điều phối nghiên cứu axit hóa toàn cầu
• Liên minh OA Alliance: tập hợp các chính phủ, tổ chức và doanh nghiệp cam kết hành động

Chính sách cấp quốc gia đang hướng tới tích hợp axit hóa vào kế hoạch ứng phó biến đổi khí hậu, đồng thời đầu tư vào nghiên cứu sinh thái và khả năng phục hồi của sinh vật biển. Việc liên kết dữ liệu, mô hình hóa và hành động xuyên biên giới là thiết yếu, vì đại dương không có ranh giới chính trị rõ ràng.

Triển vọng tương lai & ngưỡng nguy hiểm

Nhiều nghiên cứu gần đây cảnh báo rằng axit hóa đã vượt ngưỡng an toàn sinh học – hay còn gọi là “giới hạn hành tinh” – vào khoảng năm 2020. Điều này có nghĩa là nếu xu hướng hiện nay tiếp diễn, hệ sinh thái biển có thể bước vào trạng thái mất cân bằng không thể đảo ngược.

Hiện tượng cộng hưởng giữa axit hóa, tăng nhiệt độ và giảm oxy hòa tan đang khiến một số khu vực biển trở thành “vùng chết” (dead zones), nơi hầu như không thể duy trì sự sống đa dạng. Những thay đổi này có thể kéo dài hàng thiên niên kỷ để phục hồi, ngay cả khi nhân loại ngừng phát thải CO₂ hoàn toàn trong thế kỷ này.

Triển vọng lâu dài phụ thuộc vào tốc độ hành động toàn cầu trong vài thập kỷ tới. Nếu nhân loại chuyển đổi nhanh sang mô hình phát triển phát thải thấp, nguy cơ cao nhất có thể được kiềm chế. Ngược lại, nếu phát thải tiếp tục tăng, đại dương có thể chuyển sang trạng thái hóa học mới, khác biệt cơ bản với bất kỳ thời kỳ nào trong lịch sử loài người.

Tham khảo thêm:

• NOAA: What is Ocean Acidification?
• EPA: Ocean and Coastal Acidification
• IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere
• IAEA: Ocean Acidification