Гипоксия (экологическая)

Глобальная карта низкого и снижающегося уровня кислорода в открытом океане и прибрежных водах, 2009 г. На карте отмечены прибрежные участки, где антропогенные питательные вещества усугубили или вызвали снижение содержания кислорода до <2 мг/л (<63 мкмоль/л) (красные точки), а также зоны минимума кислорода в океане на высоте 300 м (области, заштрихованные синим).

Гипоксия ( гипо : «ниже», оксия : «насыщенный кислородом») относится к с низким содержанием кислорода условиям . Для организмов, дышащих воздухом, гипоксия представляет собой проблему, но для многих анаэробных организмов гипоксия необходима. Гипоксия применима ко многим ситуациям, но обычно относится к атмосфере и природным водам.

Атмосферная гипоксия

Атмосферная гипоксия естественным образом возникает на больших высотах . Общее атмосферное давление снижается с увеличением высоты, что приводит к снижению парциального давления кислорода, что определяется как гипобарическая гипоксия. Кислород остается на уровне 20,9% от общей газовой смеси, в отличие от гипоксической гипоксии , при которой процент кислорода в воздухе (или крови) снижается. Это часто встречается в запечатанных норах некоторых подземных животных, таких как блесмолы . Атмосферная гипоксия также лежит в основе высотной подготовки , которая является стандартной частью тренировок элитных спортсменов. Некоторые компании имитируют гипоксию, используя нормобарическую искусственную атмосферу .

Водная гипоксия

Смотрите также: дезоксигенация океана

Водная система, в которой отсутствует растворенный кислород (насыщение 0%), называется анаэробной, восстановительной или бескислородной .

В воде уровень кислорода составляет примерно 7 частей на миллион или 0,0007% в воде хорошего качества, но колеблется. Многим организмам необходимы гипоксические условия. кислород ядовит для анаэробных бактерий . Например,

Истощение кислорода обычно выражается в процентах от кислорода, который растворяется в воде при преобладающей температуре и солености. Система с низкой концентрацией — в диапазоне от 1 до 30% насыщения — называется гипоксической или дизоксической . Большинство рыб не могут жить при насыщении ниже 30%, поскольку они полагаются на кислород для получения энергии из питательных веществ. Гипоксия приводит к нарушению воспроизводства оставшихся рыб вследствие эндокринных нарушений . «Здоровая» водная среда редко должна иметь насыщенность ниже 80%. Экзаэробная . зона находится на границе аноксической и гипоксической зон

Гипоксия может возникать во всей толще воды, а также на больших высотах, а также вблизи отложений на дне. Обычно он простирается на 20-50% толщи воды, но зависит от глубины воды и расположения пикноклинов (быстрых изменений плотности воды с глубиной). Это может произойти в 10-80% толщи воды. Например, в 10-метровой толще воды она может достигать глубины до 2 метров. В толще воды 20 метров он может простираться на глубину до 8 метров.

Сезонное убийство

Гиполимнетическое истощение кислорода может привести как к летним, так и к зимним «убийствам». Во время летней стратификации поступления органических веществ и осаждение первичных продуцентов могут увеличить скорость дыхания в гиполимнионе . Если истощение кислорода станет экстремальным, аэробные организмы, такие как рыбы, могут погибнуть, что приведет к так называемой «летней гибели». Те же явления могут возникать и зимой, но по другим причинам. Зимой лед и снежный покров могут ослаблять свет и, следовательно, снижать скорость фотосинтеза. Замерзание озера также предотвращает взаимодействие воздуха и воды, которое обеспечивает обмен кислорода. Это создает недостаток кислорода при продолжающемся дыхании. Когда кислород сильно истощается, анаэробные организмы могут погибнуть, что приведет к «зимней гибели».

Причины гипоксии

Снижение насыщения кислородом до аноксии, измеренное ночью в Кильском фьорде , Германия. Глубина = 5 м

Истощение кислорода может быть результатом ряда природных факторов, но чаще всего вызывает беспокойство вследствие загрязнения и эвтрофикации , при которых питательные вещества растений попадают в реки, озера или океаны, что фитопланктона способствует цветению . В то время как фитопланктон посредством фотосинтеза повышает насыщение DO в дневное время, плотная популяция цветков снижает насыщение DO в ночное время за счет дыхания . Когда клетки фитопланктона умирают, они опускаются на дно и разлагаются бактериями — процесс, который еще больше снижает содержание DO в толще воды. Если истощение кислорода прогрессирует до гипоксии, может произойти гибель рыбы беспозвоночные, такие как черви и моллюски , а также могут погибнуть на дне.

Кадр из подводного видео морского дна. Пол покрыт крабами, рыбой и моллюсками, очевидно мертвыми или умирающими от истощения кислорода.

Гипоксия может возникать и в отсутствие загрязняющих веществ. Например, в эстуариях пресная вода, текущая из реки в море, менее плотная, чем соленая, что может привести к расслоению водной толщи. Таким образом, вертикальное перемешивание между водоемами уменьшается, что ограничивает поступление кислорода из поверхностных вод в более соленые придонные воды. Концентрация кислорода в придонном слое может тогда стать достаточно низкой, чтобы возникла гипоксия. Районы, особенно склонные к этому, включают мелководье полузамкнутых водоемов, таких как Ваддензее или Мексиканский залив , где сток с суши значителен. так называемая « мертвая зона На этих территориях может быть создана ». Условия с низким содержанием растворенного кислорода часто носят сезонный характер, как в случае с каналом Худ и районами Пьюджет-Саунд в штате Вашингтон. Институт мировых ресурсов выявил 375 гипоксических прибрежных зон по всему миру, сконцентрированных в прибрежных районах Западной Европы, восточного и южного побережья США и Восточной Азии, особенно в Японии.

Юбилейное фото из Мобил Бэй

Гипоксия также может быть объяснением периодических явлений, таких как юбилей залива Мобил , когда водная жизнь внезапно устремляется на мелководье, возможно, пытаясь спастись из обедненной кислородом воды. Недавняя массовая гибель моллюсков у берегов Орегона и Вашингтона также объясняется циклической экологией мертвой зоны .

Распад фитопланктона

Фитопланктон в основном состоит из лигнина и целлюлозы, которые расщепляются по окислительному механизму, потребляя кислород.

Факторы окружающей среды

Факторы усиления гипоксии и закисления океана в апвеллинговых шельфовых системах. Экваториальные ветры вызывают подъем воды с низким содержанием растворенного кислорода (DO), высоким содержанием питательных веществ и воды с высоким содержанием растворенного неорганического углерода (DIC) из зоны минимума кислорода . Межшельфовые градиенты продуктивности и времени пребывания придонной воды приводят к снижению (увеличению) силы DO (DIC) по мере прохождения воды через продуктивный континентальный шельф .

Распад фитопланктона в окружающей среде зависит от присутствия кислорода, и как только кислорода больше нет в водоемах, лигнинпероксидазы не могут продолжать расщеплять лигнин. При отсутствии кислорода в воде время, необходимое для распада фитопланктона, изменяется от 10,7 дней до 160 дней.

Скорость распада фитопланктона можно представить с помощью этого уравнения:

$G(t)=G(0)e^{-kt}$

В этом уравнении G(t) представляет собой общее количество твердых частиц органического углерода (POC) в данный момент времени, t. G(0) — концентрация ПОУ до того, как произойдет пробой. k — константа скорости в году-1, а t — время в годах. Для большинства POC фитопланктона k составляет около 12,8 лет-1, или около 28 дней, в течение которых в этих системах расщепляется почти 96% углерода. В то время как для бескислородных систем разрушение POC занимает 125 дней, что более чем в четыре раза дольше. Для расщепления 1 мг ПОУ в окружающей среде требуется примерно 1 мг кислорода, поэтому быстро возникает гипоксия, поскольку кислород быстро расходуется на переваривание ПОУ. Около 9% ПОУ в фитопланктоне может быть расщеплено за один день при температуре 18 °C. Следовательно, для полного расщепления фитопланктона требуется около одиннадцати дней.

После расщепления ПОУ эти твердые частицы можно превратить в другой растворенный углерод, такой как диоксид углерода, ионы бикарбоната и карбонат. До 30% фитопланктона может быть расщеплено на растворенный углерод. Когда эти частицы органического углерода взаимодействуют с ультрафиолетовым светом длиной 350 нм, образуется растворенный неорганический углерод, удаляющий еще больше кислорода из окружающей среды в форме диоксида углерода, ионов бикарбоната и карбоната. Растворенный неорганический углерод вносится из расчета 2,3–6,5 мг/(м3). ³ ⋅day).

По мере распада фитопланктона в окружающую среду становятся доступными свободный фосфор и азот, что также способствует возникновению гипоксических состояний. По мере распада этого фитопланктона большее количество фосфора превращается в фосфаты, а азота — в нитраты. Это еще больше истощает кислород в окружающей среде, создавая еще большие гипоксические зоны. По мере перемещения в эти водные системы большего количества минералов, таких как фосфор и азот, рост фитопланктона значительно увеличивается, а после его гибели образуются гипоксические зоны.

См. также

• Цветение водорослей
• Аноксическое событие
• Мертвая зона (экология)
• Цианобактериальное цветение
• Денитрификация
• Эвтрофикация
• Гипоксия у рыб
• Минимальная зона кислорода

Ссылки

Источники

• Килс У., У. Уоллер и П. Фишер (1989). «Забой рыбы осенью 1988 года в Кильском заливе». Международный совет по исследованию моря . СМ 1989/Л:14. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Фишер П.; У. Килс (1990). « Исследования in situ дыхания и поведения колюшки Gasterosteus aculeatus и бельдюга Zoaraes viviparus при низком кислородном стрессе». Международный совет по исследованию моря . СМ 1990/Ф:23.
• Фишер П.; К. Радемахер; У. Килс (1992). « Исследование in situ дыхания и поведения бельдюги Zoarces viviparus в условиях кратковременной гипоксии» . Мар Экол Прог Сер . 88 : 181–84. Бибкод : 1992MEPS...88..181F . дои : 10.3354/meps088181 .

Внешние ссылки

• Гипоксия в Мексиканском заливе
• Научная оценка гипоксии в Совете прибрежных вод США по качеству окружающей среды
• Мертвая зона перед Атлантик-Сити
• Гипоксия в водах штата Орегон