Смеси слабых кислот и их солей называются буферами. В воде может присутствовать несколько буферных систем, в том числе связанные с фосфатами, боратами (которые имеют значение только в морской воде) и карбонатами. Последняя представляет собой наиболее важную буферную систему в природных водах и определяют величину рН в водных экосистемах.
Карбонатная буферная система участвует в ряде химических реакций. Одним из источников углерода для системы является диоксид углерода (которого в атмосфере содержится примерно 0,03%), другим — карбонат кальция, который входит в состав осадков и наружных скелетов некоторых беспозвоночных. Когда диоксид углерода вымывается из атмосферы дождем, он переходит в раствор с образованием угольной кислоты:

В воде происходит серия обратимых реакций, каждая с собственной константой диссоциации. В результате бикарбонатный ион (HCO3-) и карбонатный ион (СО3-2) оказываются в химическом равновесии:

Буферная система такого типа препятствует изменению рН. Если в систему добавляются водородные ионы Н+, карбонат кальция растворяется:

и ионы водорода выводятся из раствора. Вместе с тем равновесие, описываемое уравнением (9), предотвращает накопление ионов ОН-, так как в этом случае равновесие смещается влево и ионы Н+ образуют с ОН- воду. До тех пор, пока запас карбонатов и бикарбонатов не окажется исчерпанным, раствор будет препятствовать изменениям рН. Иногда буферная способность системы оказывается недостаточной и происходят значительные суточные изменения рН, что может вызвать смертность среди культивируемых животных.
В пресной воде рН, как правило, поддерживается равным 6,5—8,5 с помощью карбонатной буферной системы, в то время как высокое содержание карбоната кальция и других буферных веществ в морской воде поддерживает рН всегда несколько выше 8,0 (за исключением прибрежных вод в определенных условиях и в некоторых особых случаях).
Образование кислой среды в море привело бы к растворению раковин моллюсков, коралловых рифов и карбонатных осадков. Жизнь моря, такой как мы ее знаем, изменилась бы катастрофически.
И фотосинтез, и дыхание предъявляют определенные требования к карбонатной буферной системе и могут в некоторых случаях привести к значительным изменениям рН, если запас карбонат-бикарбонатов оказывается исчерпанным. В процессе фотосинтеза диоксид углерода извлекается из воды. Для каждых двух бикарбонатных ионов извлечение одной молекулы диоксида углерода означает образование одной молекулы воды и карбонатного иона. Кроме того, снова появляется молекула диоксида углерода:

---