Гипоксия (экологическая)

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. ^[3]

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 обычное явление в запечатанных норах некоторых подземных животных, таких как блесмолы . ^[4] 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

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. ^[5]Многим организмам необходимы гипоксические условия. кислород ядовит для анаэробных бактерий . Например, ^[3]

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 . ^[6] «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. ^[7]

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 крайним, аэробные организмы, такие как рыбы, могут погибнуть, что приведет к так называемой «летней гибели». ^[8] 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». ^[8]

Причины гипоксии

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 переходит в гипоксию, гибель рыбы может произойти беспозвоночных, таких как черви и моллюски , а также 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 возникнуть ». Условия с низким содержанием растворенного кислорода часто носят сезонный характер, как в случае с каналом Худ и районами Пьюджет-Саунд в штате Вашингтон. ^[9] 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. ^[10]

Гипоксия также может быть объяснением периодических явлений, таких как юбилей залива Мобил , когда водная жизнь внезапно устремляется на мелководье, возможно, пытаясь спастись из воды, обедненной кислородом. Недавняя массовая гибель моллюсков у берегов Орегона и Вашингтона также объясняется циклической экологией мертвой зоны . ^[11]

Распад фитопланктона

Фитопланктон в основном состоит из лигнина и целлюлозы, которые расщепляются по окислительному механизму, потребляя кислород. ^[12]

Факторы окружающей среды

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. ^[15] 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. ^[16]

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 волны 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). ^[17]

По мере распада фитопланктона в окружающую среду поступают 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 вытеснения в эти водные системы большего количества минералов, таких как фосфор и азот, рост фитопланктона значительно увеличивается, а после его гибели образуются гипоксические зоны. ^[18]

См. также

Ссылки

^ Брейтбург, Д., Левин, Л.А., Ошлис, А., Грегуар, М., Чавес, Ф.П., и Конли, DJ (2018) «Уменьшение содержания кислорода в мировом океане и прибрежных водах». Наука , 359 : eaam7240. дои : 10.1126/science.aam7240 .
^ Бенвей, Х.М., Лоренцони, Л., Уайт, А.Е., Фидлер, Б., Левин, Н.М., Николсон, Д.П., ДеГрандпре, М.Д., Сосик, Х.М., Чёрч, М.Дж., О'Брайен, Т.Д. и Лейнен, М. ( 2019) «Наблюдения временных рядов океана за изменением морских экосистем: эпоха интеграции, синтеза и социальных приложений», Frontiers in Marine Science , 6 (393). два : 10.3389/fmars.2019.00393 .
^ Jump up to: ^а ^б Диас, Роберт Дж.; Розенберг, Рутгер (2008). «Распространение мертвых зон и последствия для морских экосистем». Наука . 321 (5891): 926–929. Бибкод : 2008Sci...321..926D . дои : 10.1126/science.1156401 . ПМИД 18703733 . S2CID 32818786 .
^ Ропер, Ти Джей; и др. (2001). «Условия окружающей среды в норах двух видов африканского землекопа Georychus capensis и Cryptomys damarensis ». Журнал зоологии . 254 (1): 101–07. дои : 10.1017/S0952836901000590 .
^ «Растворенный кислород» . Качество воды . Вода в сети. Архивировано из оригинала 13 декабря 2012 года . Проверено 21 декабря 2012 г.
^ Ву, Р. и др. 2003. Водная гипоксия нарушает работу эндокринной системы и ухудшает воспроизводство рыб.
^ Рабале, Нэнси; Тернер, Р. Юджин; Юстич, Дубравко; Дортч, Набережная; Уайзман, Уильям Дж. Младший. Характеристика гипоксии: отчет по теме 1 для комплексной оценки гипоксии в Мексиканском заливе. Ч. 3. Программа NOAA по прибрежным океанам, Серия анализа решений № 15. Май 1999 г. < http://oceanservice.noaa.gov/products/hypox_t1final.pdf >. Проверено 11 февраля 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология: Озерные и речные экосистемы . Сан-Диего: Академическая пресса.
^ Энциклопедия Пьюджет-Саунд: Гипоксия http://www.eopugetsound.org/science-review/section-4-dissolved-oxygen-hypoxia
^ Селман, Минди (2007) Эвтрофикация: обзор состояния, тенденций, политики и стратегий. Институт мировых ресурсов.
^ oregonstate.edu. Архивировано 1 сентября 2006 г. в Wayback Machine - Мертвая зона, вызвавшая волну смерти у побережья Орегона (9 августа 2006 г.).
^ Губернаторова, Т.Н.; Долгоносов, Б.М. (01.05.2010). «Моделирование биодеградации многокомпонентного органического вещества в водной среде: 3. Анализ механизмов деградации лигнина». Водные ресурсы . 37 (3): 332–346. Бибкод : 2010WRes...37..332G . дои : 10.1134/S0097807810030085 . ISSN 0097-8078 . S2CID 98068128 .
^ Чан Ф., Барт Дж. А., Крокер К. Дж., Любченко Дж. и Менге Б. А. (2019) «Динамика и влияние закисления океана и гипоксии». Океанография , 32 (3): 62–71. два : 10.5670/oceanog.2019.312 . Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
^ Гевин, В. (2010) «Океанография: Мертвые в воде». Природа , 466 (7308): 812. дои : 10.1038/466812а .
^ Харви, Х. Роджер (1995). «Кинетика распада фитопланктона при моделировании седиментации: изменения биохимического состава и микробной активности в кислородных и бескислородных условиях». Geochimica et Cosmochimica Acta . 59 (16): 3367–77. Бибкод : 1995GeCoA..59.3367H . дои : 10.1016/0016-7037(95)00217-н .
^ Джуэлл, Уильям Дж. (1971). «Распад водных сорняков: использование растворенного кислорода и регенерация азота и фосфора». Журнал . 43 (7). Федерация контроля загрязнения воды: 1457–67. ПМИД 5568364 .
^ Йоханнессен, София К.; Пенья, М. Анжелика; Кенневиль, Мелани Л. (2007). «Фотохимическое производство углекислого газа во время цветения прибрежного фитопланктона». Устьевые, прибрежные и шельфовые науки . 73 (1–2): 236–42. Бибкод : 2007ECSS...73..236J . дои : 10.1016/j.ecss.2007.01.006 .
^ Конли, Дэниел Дж.; Паерл, Ханс В.; Ховарт, Роберт В.; Бош, Дональд Ф.; Зейтцингер, Сибил П .; Хэвенс, Карл Э.; Ланселот, Кристиана; Ликенс, Джин Э. (20 февраля 2009 г.). «Контроль эвтрофикации: азот и фосфор». Наука . 323 (5917): 1014–15. дои : 10.1126/science.1167755 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19229022 . S2CID 28502866 .

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

[1] Брейтбург, Д., Левин, Л.А., Ошлис, А., Грегуар, М., Чавес, Ф.П., и Конли, DJ (2018) «Уменьшение содержания кислорода в мировом океане и прибрежных водах». Наука , 359 : eaam7240. дои : 10.1126/science.aam7240 .

[2] Бенвей, Х.М., Лоренцони, Л., Уайт, А.Е., Фидлер, Б., Левин, Н.М., Николсон, Д.П., ДеГрандпре, М.Д., Сосик, Х.М., Чёрч, М.Дж., О'Брайен, Т.Д. и Лейнен, М. ( 2019) «Наблюдения временных рядов океана за изменением морских экосистем: эпоха интеграции, синтеза и социальных приложений», Frontiers in Marine Science , 6 (393). два : 10.3389/fmars.2019.00393 .

[Diaz-3] Jump up to: ^а ^б Диас, Роберт Дж.; Розенберг, Рутгер (2008). «Распространение мертвых зон и последствия для морских экосистем». Наука . 321 (5891): 926–929. Бибкод : 2008Sci...321..926D . дои : 10.1126/science.1156401 . ПМИД 18703733 . S2CID 32818786 .

[Roper2001-4] Ропер, Ти Джей; и др. (2001). «Условия окружающей среды в норах двух видов африканского землекопа Georychus capensis и Cryptomys damarensis ». Журнал зоологии . 254 (1): 101–07. дои : 10.1017/S0952836901000590 .

[5] «Растворенный кислород» . Качество воды . Вода в сети. Архивировано из оригинала 13 декабря 2012 года . Проверено 21 декабря 2012 г.

[6] Ву, Р. и др. 2003. Водная гипоксия нарушает работу эндокринной системы и ухудшает воспроизводство рыб.

[7] Рабале, Нэнси; Тернер, Р. Юджин; Юстич, Дубравко; Дортч, Набережная; Уайзман, Уильям Дж. Младший. Характеристика гипоксии: отчет по теме 1 для комплексной оценки гипоксии в Мексиканском заливе. Ч. 3. Программа NOAA по прибрежным океанам, Серия анализа решений № 15. Май 1999 г. < http://oceanservice.noaa.gov/products/hypox_t1final.pdf >. Проверено 11 февраля 2009 г.

[Limnology-8] Jump up to: ^а ^б Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология: Озерные и речные экосистемы . Сан-Диего: Академическая пресса.

[9] Энциклопедия Пьюджет-Саунд: Гипоксия http://www.eopugetsound.org/science-review/section-4-dissolved-oxygen-hypoxia

[10] Селман, Минди (2007) Эвтрофикация: обзор состояния, тенденций, политики и стратегий. Институт мировых ресурсов.

[11] regonstate.edu. Архивировано 1 сентября 2006 г. в Wayback Machine - Мертвая зона, вызвавшая волну смерти у побережья Орегона (9 августа 2006 г.).

[:0-12] Губернаторова, Т.Н.; Долгоносов, Б.М. (01.05.2010). «Моделирование биодеградации многокомпонентного органического вещества в водной среде: 3. Анализ механизмов деградации лигнина». Водные ресурсы . 37 (3): 332–346. Бибкод : 2010WRes...37..332G . дои : 10.1134/S0097807810030085 . ISSN 0097-8078 . S2CID 98068128 .

[Chan2019-13] Чан Ф., Барт Дж. А., Крокер К. Дж., Любченко Дж. и Менге Б. А. (2019) «Динамика и влияние закисления океана и гипоксии». Океанография , 32 (3): 62–71. два : 10.5670/oceanog.2019.312 . Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .

[14] Гевин, В. (2010) «Океанография: Мертвые в воде». Природа , 466 (7308): 812. дои : 10.1038/466812а .

[15] Харви, Х. Роджер (1995). «Кинетика распада фитопланктона при моделировании седиментации: изменения биохимического состава и микробной активности в кислородных и бескислородных условиях». Geochimica et Cosmochimica Acta . 59 (16): 3367–77. Бибкод : 1995GeCoA..59.3367H . дои : 10.1016/0016-7037(95)00217-н .

[16] Джуэлл, Уильям Дж. (1971). «Распад водных сорняков: использование растворенного кислорода и регенерация азота и фосфора». Журнал . 43 (7). Федерация контроля загрязнения воды: 1457–67. ПМИД 5568364 .

[17] Йоханнессен, София К.; Пенья, М. Анжелика; Кенневиль, Мелани Л. (2007). «Фотохимическое производство углекислого газа во время цветения прибрежного фитопланктона». Устьевые, прибрежные и шельфовые науки . 73 (1–2): 236–42. Бибкод : 2007ECSS...73..236J . дои : 10.1016/j.ecss.2007.01.006 .

[18] Конли, Дэниел Дж.; Паерл, Ханс В.; Ховарт, Роберт В.; Бош, Дональд Ф.; Зейтцингер, Сибил П .; Хэвенс, Карл Э.; Ланселот, Кристиана; Ликенс, Джин Э. (20 февраля 2009 г.). «Контроль эвтрофикации: азот и фосфор». Наука . 323 (5917): 1014–15. дои : 10.1126/science.1167755 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19229022 . S2CID 28502866 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

v т и Загрязнение
История
Воздух	Кислотный дождь Индекс качества воздуха Моделирование атмосферной дисперсии Хлорфторуглерод Горение Биотопливо Биомасса бумага Джосса Открытое сжигание отходов Строительство Ремонт Снос Выхлопной газ Дизельный выхлоп Туман Дым Качество воздуха в помещении Двигатель внутреннего сгорания Глобальное затемнение Глобальная дистилляция Горное дело Разрушение озона Частицы Асбест Металлообработка Нефтепереработка Древесная пыль Сварка Стойкие органические загрязнители Плавка Smog Аэрозоль Сажа Черный углерод Летучее органическое соединение Напрасно тратить
Биологический	Биологическая опасность Генетическое загрязнение Интродуцированные виды Инвазивные виды
Цифровой	Информационное загрязнение
Electromagnetic	Light Ecological light pollution Overillumination Radio spectrum pollution
Natural	Ozone Radium and radon in the environment Volcanic ash Wildfire
Noise	Transportation Land Water Air Rail Sustainable transport Urban Sonar Marine mammals and sonar Industrial Military Abstract Noise control
Radiation	Actinides Bioremediation Nuclear fission Nuclear fallout Plutonium Poisoning Radioactivity Uranium Electromagnetic radiation and health Radioactive waste
Soil	Agricultural pollution Herbicides Manure waste Pesticides Land degradation Bioremediation Open defecation Electrical resistance heating Soil guideline values Phytoremediation
Solid waste	Advertising mail Biodegradable waste Brown waste Electronic waste Battery recycling Foam food container Food waste Green waste Hazardous waste Biomedical waste Chemical waste Construction waste Lead poisoning Mercury poisoning Toxic waste Industrial waste Lead smelting Litter Mining Coal mining Gold mining Surface mining Deep sea mining Mining waste Uranium mining Municipal solid waste Garbage Nanomaterials Plastic pollution Microplastics Packaging waste Post-consumer waste Waste management Landfill Thermal treatment
Space	Satellite
Visual	Air travel Clutter (advertising) Traffic signs Overhead power lines Vandalism
War	Chemical warfare Herbicidal warfare (Agent Orange) Nuclear holocaust (Nuclear fallout - nuclear famine - nuclear winter) Scorched earth Unexploded ordnance War and environmental law
Water	Agricultural wastewater Biological pollution Diseases Eutrophication Firewater Freshwater Groundwater Hypoxia Industrial wastewater Marine debris Monitoring Nonpoint source pollution Nutrient pollution Ocean acidification Oil exploitation Oil exploration Oil spill Pharmaceuticals Sewage Septic tanks Pit latrine Shipping Stagnation Sulfur water Surface runoff Thermal Turbidity Urban runoff Water quality
Topics	Pollutants Heavy metals Paint Brain health and pollution
Misc	Area source Debris Dust Garbology Legacy pollution Midden Point source Waste
Responses	Cleaner production Industrial ecology Pollution haven hypothesis Pollutant release and transfer register Polluter pays principle Pollution control Waste minimisation Zero waste
Lists	Diseases Law by country Most polluted cities Least polluted cities by PM_2.5 Most polluted countries Treaties
Categories (by country) Commons WikiProject Environment WikiProject Ecology Environment portal Ecology portal