ปล่องภูเขาไฟในอินโดนีเซียที่สูงกว่า 7,700 ฟุต (2,350 เมตร) เหนือระดับน้ำทะเล เป็นที่ตั้งของทะเลสาบที่เป็นกรดที่ใหญ่ที่สุดในโลก โดยมีน้ำคล้ายกรดแบตเตอรี่ ในข้อความที่ตัดตอนมาจาก "เหนือทะเล: ชีวิตที่ซ่อนอยู่ในทะเลสาบ ลำธาร และพื้นที่ชุ่มน้ำ" (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Johns Hopkins, 2024) ผู้แต่งเดวิด สเตรเยอร์สำรวจเคมีสุดขั้วของทะเลสาบธรรมชาติบางแห่งในโลกของเรา และชีวิตที่ทะเลสาบเหล่านั้นอาศัยอยู่
ฉันรู้จักคนที่ชอบเคมีของน้ำมาก พวกเขาใช้เวลาทั้งวันคิดถึงปฏิกิริยารีดอกซ์ ความสมดุลของมวล เวเลนซ์ และดัชนีความสามารถในการละลาย และตัวชี้วัดแบบหมุนวน และเมื่อหมดวันทำงาน พวกเขาก็ออกไปดื่มเบียร์กับเพื่อน ๆ และพูดคุยเกี่ยวกับปฏิกิริยารีดอกซ์และตัวชี้วัดแบบหมุนวน (จากประสบการณ์ของผม ผู้ชื่นชอบเคมีในน้ำมักจะเป็นนักเลงเบียร์เช่นกัน ซึ่งก็สมเหตุสมผลดีถ้าคุณคิดว่าเบียร์หนึ่งแก้วเป็นสารละลายน้ำชนิดพิเศษ)
คนเหล่านี้คือคนที่เมื่อถูกถามให้ตั้งชื่อองค์ประกอบทางเคมีที่พวกเขาชื่นชอบโดยพูดว่า "โอ้ ฉันขอสามอันได้ไหม" แล้วชื่อห้า ฉันเดาว่าคุณไม่ใช่คนเหล่านั้น
ดังนั้น แทนที่จะลงรายละเอียดให้มาก ทีละองค์ประกอบที่น่าเบื่อ เกี่ยวกับความแปรผันอย่างมากของปริมาณสารเคมีในน่านน้ำภายในประเทศ ผมจะพูดถึงสั้นๆ ว่า pH แปรผันตามน่านน้ำภายในประเทศมากน้อยเพียงใด ถือว่าเพียงพอแล้วที่จะอธิบายประเด็นของผม เกี่ยวกับความหลากหลายทางเคมีของน้ำภายในประเทศ และไปยังวิชาที่คุณชอบมากกว่าเคมีของน้ำ
คุณอาจจำได้จากวิชาเคมีในโรงเรียนมัธยมปลายว่า pH เป็นตัววัดว่าสารนั้นมีสภาพเป็นกรดหรือเบส (หรือ "ด่าง") วัสดุที่มีความเป็นกลาง (ไม่เป็นกรดหรือเป็นเบส) มีค่า pH 7 วัสดุที่เป็นกรดมีค่า pH น้อยกว่า 7 (น้ำส้มสายชูในครัวเรือนมีค่า pH ประมาณ 2.5) และวัสดุพื้นฐานมีค่า pH มากกว่า 7 (แอมโมเนียในครัวเรือนมีค่า pH ประมาณ 11.5) ระดับ pH เป็นลอการิทึม การเปลี่ยนแปลงค่า pH หนึ่งหน่วยแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงความเป็นกรด 10 เท่า (ในทางเทคนิค การเปลี่ยนแปลงในค่า pH 10 เท่ากิจกรรมของไฮโดรเจนไอออน) ดังนั้นน้ำส้มสายชูที่ pH 2.5 มีฤทธิ์ของไฮโดรเจนไอออนมากกว่าแอมโมเนียที่ pH 11.5 ประมาณพันล้านเท่า
มาตราส่วนลอการิทึมช่วยให้เราแสดงความแตกต่างอย่างมหาศาลในวิชาเคมีได้อย่างสะดวก แต่ทำให้ลืมได้ง่ายว่าความแตกต่างเล็กน้อยในระดับ pH อาจหมายถึงความแตกต่างอย่างมากในวิชาเคมี ซึ่งอาจส่งผลที่ตามมาอย่างใหญ่หลวง
ตัวอย่างเช่น มหาสมุทรทุกวันนี้มีค่า pH อยู่ที่ประมาณ 8.1 ซึ่งบอกเราว่ามันมีค่า pH เพียงเล็กน้อย ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศที่สูงขึ้นซึ่งเป็นผลมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลทำให้ค่า pH ของมหาสมุทรลดลง 0.1 หน่วยจากค่าก่อนยุคอุตสาหกรรมที่ 8.2 และแบบจำลองต่างๆ แนะนำว่าค่าดังกล่าวอาจลดลงเหลือ 7.8 ภายในปี 2100 สิ่งเหล่านี้ดูเหมือนการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ แทบจะไม่คุ้มเลย กังวลเกี่ยวกับ แต่การเปลี่ยนแปลงจาก 8.2 เป็น 8.1 แสดงถึงการเพิ่มขึ้นของไฮโดรเจนไอออน 26% และการเปลี่ยนแปลงจาก 8.2 เป็น 7.8 หมายความว่าเพิ่มขึ้น 150%
การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เพียงพอที่จะก่อให้เกิดปัญหาร้ายแรงต่อสิ่งมีชีวิตในทะเล สิ่งมีชีวิต เช่น หอยกาบและปะการังที่สร้างเปลือกของพวกมันออกมาจากแคลเซียมคาร์บอเนตพบว่าการสร้างและบำรุงรักษาเปลือกหอยนั้นยากขึ้นเรื่อยๆ หากค่า pH ลดลงเพียงไม่กี่ในสิบของจุด ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ด้านมหาสมุทรกำลังพยายามทำความเข้าใจและค้นหาวิธีป้องกันหรือจัดการการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ ก่อนที่เราจะสูญเสียส่วนสำคัญของระบบนิเวศในมหาสมุทรเนื่องจากค่า pH จะลดลง 0.3 หรือ 0.4 หน่วย
ช่วง pH ของน่านน้ำภายในประเทศนั้นมากกว่าสองสามในสิบของจุดที่มีความสำคัญมากในมหาสมุทร สิ่งนี้ทำให้สิ่งมีชีวิตในน้ำภายในประเทศ (และกระบวนการทางเคมี) ต้องเผชิญกับสภาวะทางเคมีที่หลากหลาย น่านน้ำภายในประเทศส่วนใหญ่มีค่า pH อยู่ระหว่าง 4 ถึง 9 ขอย้ำอีกครั้ง ช่วงนี้อาจฟังดูเล็กน้อย แต่ก็แสดงถึงช่วง 100,000 เท่าของกิจกรรมไฮโดรเจนไอออน และมีน้ำอยู่ด้านนอกแม้เป็นเทือกเขาอันกว้างใหญ่นี้
น้ำตามธรรมชาติที่มีความเป็นกรดมากที่สุดคือทะเลสาบที่อยู่ในปล่องภูเขาไฟ เช่น คาวาห์อิเจ็นในอินโดนีเซีย ทะเลสาบเหล่านี้อุดมไปด้วยกรดซัลฟิวริกมากจนอาจมี pH ต่ำถึง 0.1 เพื่อให้เข้าใจในบริบทนี้ กรดแบตเตอรี่ใหม่มีค่า pH ประมาณ 0.7 ฉลากบนกรดแบตเตอรี่ (ซึ่งจำได้ว่ามีความเข้มข้นประมาณหนึ่งในสี่ของน้ำในทะเลสาบ) เตือนว่าจะทำให้ผิวหนังไหม้อย่างรุนแรงและทำลายดวงตา และแนะนำให้ผู้บริโภคใช้อุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล ให้โทรติดต่อศูนย์ควบคุมพิษทันทีหากกลืนกิน และนำไปกำจัดในโรงกำจัดของเสียที่ได้รับอนุมัติ คุณอาจรู้สึกค่อนข้างมั่นใจเมื่อคาดเดาว่าไม่มีอะไรอาศัยอยู่ในทะเลสาบแห่งนี้
แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์สุ่มตัวอย่าง Kawah Ijen (กิจการที่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ อย่างที่คุณอาจจินตนาการได้ว่า อุปกรณ์ทั่วไปจำนวนมาก เช่น เรืออลูมิเนียม จะละลายในน้ำในทะเลสาบ) พวกเขาพบสาหร่ายสีเขียวและสัตว์จำพวกอาร์เคียนสามชนิดที่อาศัยอยู่ในทะเลสาบ
เห็นได้ชัดว่าไม่มีสัตว์อาศัยอยู่ในทะเลสาบ อย่างไรก็ตาม น้ำที่เป็นกรดในกระแสน้ำที่ไหลออกจะค่อยๆ ทำให้เป็นกลางในขณะที่ไหลไปทางท้ายน้ำ และนักวิจัยได้ค้นพบตัวอ่อนของแมลงวันที่เรียกว่าไคโรโนมิดที่อาศัยอยู่ในกระแสน้ำ ณ จุดที่กระแสน้ำที่ไหลออกมีค่า pH ประมาณ 2.5 (เช่น น้ำส้มสายชู จำได้ไหม?)
ที่เกี่ยวข้อง:
และที่น่าสังเกตยิ่งกว่านั้นคือ สายพันธุ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่อยู่รอดได้ในน้ำที่มีความเป็นกรดสูงเท่านั้น แต่บางสายพันธุ์ยังชอบสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเหล่านี้ด้วยซ้ำ ชาวโบราณคดีคนหนึ่งที่อาศัยอยู่ในน้ำภูเขาไฟสามารถทนต่อค่า pH ได้ต่ำกว่า 0และเจริญเติบโตได้ดีที่สุดที่ pH 0.7 กล่าวคือกรดแบตเตอรี่มีค่า pH ที่เหมาะสม ส่วนน้ำส้มสายชูและน้ำมะนาวอ่อนเกินไปสำหรับรสชาติของมัน (หากคุณสงสัยว่าค่า pH ของน้ำที่ไม่ใช่น้ำตามธรรมชาติจะไปได้ต่ำแค่ไหน ค่า pH ต่ำถึง -3.6 ใช่แล้วลบ3.6 ได้รับการบันทึกไว้ในแหล่งน้ำบาดาลบางแห่งในรัฐแคลิฟอร์เนียที่มีการปนเปื้อนจากของเสียจากการขุด มันเป็นปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ต้องหาวิธีวัดค่า pH ที่ต่ำเช่นนี้)
ทะเลสาบอัลคาไลมักมีค่า pH อยู่ที่ 9.5 ถึง 11.5 ที่อีกด้านหนึ่งของสเปกตรัม ทะเลสาบอัลคาไลมักเกิดขึ้นในบริเวณที่แห้งมากจนน้ำที่ไหลลงสู่ทะเลสาบจะระเหยออกไปโดยการระเหยมากกว่าไหลออกทางน้ำ ช่วยให้แร่ธาตุที่ละลายในน้ำสามารถสร้างความเข้มข้นที่สูงมากได้ ทะเลสาบดังกล่าวอาจพัฒนาเป็นทะเลสาบเกลือ (เช่น Great Salt Lake ในยูทาห์) ที่เต็มไปด้วยโซเดียมคลอไรด์ (เกลือแกงธรรมดา) หรือทะเลสาบอัลคาไลที่มีโซเดียมคาร์บอเนตจำนวนมาก (โซดาซักผ้า) และแร่ธาตุอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับธรณีวิทยาโดยรอบ ที่ทำให้ทะเลสาบมีค่า pH และความเป็นด่างสูง
ทะเลสาบอัลคาไลและแฟลตเกลือที่เกิดขึ้นเมื่อทะเลสาบแห้งด้วยกันกลายเป็นข่าวเมื่อเร็ว ๆ นี้ เนื่องจากทะเลสาบและแฟลตอัลคาไลบางแห่งเป็นแหล่งลิเธียมที่สำคัญซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและมีประโยชน์อื่น ๆ ทะเลสาบอัลคาไลยังปรากฏอยู่ในพื้นที่ทางตะวันตกยุคเก่า นักเดินทางที่แห้งแล้งซึ่งขาดน้ำเมื่อสองวันก่อนบังเอิญไปเจอสระน้ำในทะเลทราย และกรีนฮอร์นในกลุ่มก็กระโดดลงไปในน้ำกร่อยและกลืนมันลงไปในอึกใหญ่ จากนั้นเขาก็สะดุดออกไปจากน้ำและพูดจาไม่ดีหลังจากนั้นผู้นำวงพูดน้อยว่า: "น้ำไม่ดี"
คุณอาจคิดว่าน้ำที่ไม่ดีเช่นนี้ไม่สามารถดำรงชีวิตได้ เช่นเดียวกับกรณีของทะเลสาบภูเขาไฟที่มีฤทธิ์กัดกร่อน มีเพียงไม่กี่สายพันธุ์นอกเหนือจากจุลินทรีย์ที่สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงในทะเลสาบอัลคาไลได้ แต่เพียงไม่กี่สายพันธุ์เหล่านี้สามารถให้ผลผลิตได้อย่างมหาศาล ในความเป็นจริง ทะเลสาบอัลคาไลสามารถเป็นหนึ่งในแหล่งน้ำภายในประเทศที่มีประสิทธิผลมากที่สุดในแง่ของปริมาณชีวมวลที่แท้จริงที่ปลูกในแต่ละปี
ดังนั้น ตรงกันข้ามกับค่า pH ของมหาสมุทรซึ่งอยู่ใกล้กับ 8.1 มาก ค่า pH ของน้ำภายในประเทศมีช่วงตั้งแต่ประมาณ 0.1 ถึง 11.5 ซึ่งคิดเป็นช่วง 250 พันล้านเท่าของกิจกรรมไฮโดรเจนไอออน ชีวิตดำรงอยู่และเจริญรุ่งเรืองในช่วงอันกว้างใหญ่นี้ ค่า pH ที่หลากหลายนี้นำเสนอทั้งความท้าทายและโอกาสในการวิวัฒนาการเพื่อผลิตสายพันธุ์ที่มีการปรับระบบนิเวศและสรีรวิทยาให้เข้ากับส่วนเฉพาะของมัน: สายพันธุ์ที่แตกต่างกันสำหรับน้ำที่เป็นกรดแก่ น้ำที่เป็นกรดอ่อน น้ำที่เป็นกลาง น้ำอัลคาไลน์อ่อนๆ และน้ำที่มีความเป็นกรดสูง น้ำอัลคาไลน์
ตัดตอนมาจาก"เหนือทะเล: ชีวิตที่ซ่อนอยู่ในทะเลสาบ ลำธาร และพื้นที่ชุ่มน้ำ" โดย เดวิด สเตรเยอร์ ลิขสิทธิ์ 2024 จัดพิมพ์โดยได้รับอนุญาตจากสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Johns Hopkins
