印尼的一個火山口海拔超過 7,700 英尺（2,350 公尺），是地球上最大的酸性湖的所在地，其水質類似於電池酸液。在這段摘錄中“海洋之外：湖泊、溪流和濕地中隱藏的生命」（約翰霍普金斯大學出版社，2024 年），作者大衛·斯特雷耶研究了地球上一些天然湖泊的極端化學成分以及它們所蘊藏的生命。
我認識一些真正喜歡水化學的人。他們整天思考氧化還原反應、質量平衡、化合價、溶解度指數和螺旋指標，當工作日結束時，他們和朋友出去喝啤酒，談論氧化還原反應和螺旋指標。 （根據我的經驗，水化學愛好者通常也是啤酒鑑賞家，如果您將一杯啤酒視為一種特殊的水溶液，那麼這就會以一種奇怪的方式存在。）
當被問及他們最喜歡的化學元素時，這些人會說“哦，哦，我可以要三個嗎？”然後說出五個。我猜你不是那些人中的一員。
因此，我不會逐一乏味地詳細介紹內陸水域化學成分的巨大變化，而是簡單地談談內陸水域的 pH 值變化有多大，假設這足以闡明我的觀點關於內陸水域的化學多樣性，然後繼續學習比水化學更喜歡的科目。
您可能還記得高中化學中的 pH 值是衡量物質是酸性還是鹼性（或「鹼性」）的指標。中性（既不是酸性也不是鹼性）材料的pH值為7，酸性材料的pH值小於7（家用醋的pH值約為2.5），鹼性材料的pH值大於7（家用氨的pH值）約11.5）。 pH 值是對數的 — pH 值變化 1 單位代表酸度變化 10 倍（從技術上講，酸度變化 10 倍）活動氫離子）。因此，pH 值為 2.5 的醋的氫離子活性大約是 pH 值為 11.5 的氨的十億倍。
對數標度使我們能夠輕鬆表達化學上的巨大差異，但很容易忘記 pH 標度上的微小差異可能意味著化學上的巨大差異，從而產生巨大的後果。
例如，今天海洋的 pH 值約為 8.1，這告訴我們它有點鹼性。化石燃料燃燒導致空氣中二氧化碳濃度升高，導致海洋 pH 值從工業化前的 8.2 下降了 0.1 個單位，模型顯示到 2100 年可能會下降到 7.8。擔心。但從8.2變成8.1意味著氫離子增加了26%，從8.2變成7.8意味著增加了150%。
這些變化足以對海洋生物造成嚴重問題。蛤和珊瑚等用碳酸鈣製造外殼的生物發現，如果 pH 值只下降零點幾個點，它們的外殼就會變得越來越難以建造和維護。海洋科學家現在正忙於了解並找到預防或管理這些變化的方法，以免我們因 pH 值下降 0.3 或 0.4 個單位而失去海洋生態系統的重要部分。
內陸水域的 pH 值範圍遠大於海洋中非常重要的零點幾個點。這使內陸水域生物（和化學過程）暴露於各種各樣的化學條件下。大多數內陸水域的 pH 值在 4 到 9 之間。甚至在如此廣闊的範圍之外也有水域。
酸性最強的天然內陸水域是位於火山口的湖泊，例如印尼的卡瓦伊真火山。這些湖泊富含硫酸，pH 值可能低至 0.1。結合上下文來看，新鮮電池酸的 pH 值約為 0.7。電池酸的標籤（記得大約是湖水的四分之一）警告說，它會導致嚴重的皮膚燒傷和眼睛損傷，並建議消費者使用個人防護裝備，如果被吞下，請立即致電毒物控制中心，並在經核准的廢棄物處理廠進行處置。您可能非常有信心猜測這個湖裡沒有任何生物。
但當科學家對卡瓦伊真火山（Kawah Ijen）（一項需要特殊裝備的任務；正如你想像的那樣，許多像鋁船這樣的常規裝備會溶解在湖水中）進行採樣時，他們發現了一種綠藻和三種生活在湖中的古細菌。
顯然，湖裡沒有動物居住。然而，出口水流中的酸性水在向下游流動時逐漸被中和，研究人員發現，當出口水流的pH 值達到約2.5 時，稱為搖蚊的蠅幼蟲生活在溪流中（像醋，還記得嗎？
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更值得注意的是，這些物種不僅能在高酸性水中生存，而且其中一些甚至更喜歡這些惡劣的條件。生活在火山水中的一種古生菌可以耐受 pH 值低於 0pH值0.7時生長最佳。也就是說，電池酸是其理想的 pH 值，而醋和檸檬汁對其味道來說太溫和了。 （如果您想知道非天然水的 pH 值可以低至-3.6，是的，那就是減3.6，已在加州一些被採礦廢棄物污染的地下水中記錄到。對於科學家來說，弄清楚如何測量如此低的 pH 值也是一個重大技術問題。
另一方面，鹼湖的 pH 值通常為 9.5 至 11.5。鹼湖通常發生在非常乾燥的地區，任何流入湖中的水都會通過蒸發而不是通過出口流離開。這使得溶解在水中的礦物質達到非常高的濃度。根據周圍的地質情況，此類湖泊可能會發展成充滿氯化鈉（普通食鹽）的鹽湖（如猶他州的大鹽湖）或含有大量碳酸鈉（洗滌蘇打）和其他礦物質的鹼湖這使得湖泊具有如此高的pH值和鹼度。
鹼湖和湖泊完全乾燥時形成的鹽灘最近成為新聞，因為一些鹼湖和鹽灘是鋰的主要來源，鋰是製造電動車電池所需的，還有其他用途。鹼性湖泊也出現在舊西部片中——兩天前缺水的乾渴旅行者遇到了一個沙漠水池，隊伍中的新手跳進微鹹的水中，大口吞下它。然後他跌跌撞撞地離開水邊，嘔吐，之後樂隊領隊簡潔地說：“水很糟糕。”
同樣，您可能會認為如此劣質的水無法維持生命。與腐蝕性酸性火山湖的情況一樣，除了微生物之外，很少有物種能夠忍受鹼湖中的惡劣條件，但這些少數物種卻可以產生巨大的生產力。事實上，就每年生長的生物量而言，鹼湖可能是內陸水域生產力最高的湖泊之一。
因此，與非常接近 8.1 的海洋 pH 值相比，內陸水域的 pH 值範圍約為 0.1 至 11.5，代表氫離子活性的 2500 億倍範圍。生命在這個巨大的範圍內存在甚至繁衍生息。這種巨大的pH 範圍對於進化產生生態和生理學適應其某些特定部分的物種既是一個挑戰，也是一個機會：強酸性水、弱酸性水、中性水、弱鹼性水和強酸性水的不同物種。
摘自《海洋之外：湖泊、溪流與濕地中隱藏的生命》 作者：大衛‧斯特雷耶。版權所有 2024。
