Hypoksia (ympäristö)
happikato on vesiympäristöissä ilmenevä ilmiö, kun liuennut happi (DO; veteen liuennut molekylaarinen happi) vähenee pitoisuudeltaan niin, että siitä tulee haitallista järjestelmässä eläville vesieliöille. Liuennut happi ilmaistaan tyypillisesti prosenttiosuutena siitä hapesta, joka liukenisi veteen vallitsevassa lämpötilassa ja suolapitoisuudessa (jotka molemmat vaikuttavat hapen liukoisuuteen vedessä; KS.hapen kylläisyys ja vedenalainen). Vesieliöstöä, josta puuttuu liuennut happi (0% saturaatio), kutsutaan anaerobiseksi, pelkistäväksi tai anoksiseksi; järjestelmää, jossa pitoisuus on pieni—välillä 1-30% kylläisyys—kutsutaan hypoksiseksi tai dysoksiseksi. Useimmat kalat eivät voi elää alle 30 prosentin kylläisyyden. Hypoksia johtaa heikentyneeseen lisääntymiseen jäljellä olevat kalat kautta hormonitoimintaa häiriöitä. ”Terveessä” vesiympäristössä tulisi harvoin olla alle 80 prosenttia. Eksaerobinen vyöhyke löytyy anoksisten ja hypoksisten vyöhykkeiden rajalta.
hypoksiaa voi esiintyä koko vesipatsaassa ja myös korkealla sekä lähellä pohjan sedimenttejä. Se ulottuu yleensä koko 20-50% vesipatsaasta, mutta riippuen veden syvyydestä ja pyknokliinien sijainnista (nopeat muutokset veden tiheydessä syvyyden kanssa). Sitä voi esiintyä 10-80 prosentissa vesipatsaista. Esimerkiksi 10 metrin vesipatsaassa se voi yltää jopa 2 metrin syvyyteen. 20 metrin vesipatsaassa se voi ulottua jopa 8 metriä pinnan alle.
kausittainen killEdit
Hypolimneettinen happikato voi johtaa sekä kesän että talven ”tappoihin”. Kesän kerrostumisen aikana alkutuottajien syötöt eli orgaaninen aines ja sedimentaatio voivat lisätä hypolimnion hengityksen nopeutta. Jos happikato yltyy niin rajuksi, aerobiset eliöt, kuten kalat, voivat kuolla, mikä johtaa niin sanottuun”kesäkuolemaan”. Sama ilmiö voi tapahtua talvella, mutta eri syistä. Talvella jää-ja lumipeite voivat vaimentaa valoa ja siten vähentää yhteyttämisnopeutta. Järven jäätyminen estää myös ilman ja veden välisiä vuorovaikutuksia, jotka mahdollistavat hapen vaihdon. Tämä aiheuttaa hapenpuutetta hengityksen jatkuessa. Kun happi ehtyy pahasti, anaerobiset eliöt voivat kuolla, mikä johtaa ”talvitappoon”.
hypoksiaeditin syyt
happikato voi johtua useista luonnollisista tekijöistä, mutta se aiheuttaa useimmiten huolta saastumisen ja rehevöitymisen seurauksena, jolloin kasvien ravinteet päätyvät jokeen, järveen tai valtamereen ja kasviplanktonin kukinta edistyy. Vaikka kasviplankton fotosynteesin avulla lisää kylläisyyttä päivänvalon aikana, kukinnon tiheä populaatio vähentää kylläisyyttä yön aikana hengittämällä. Kun kasviplanktonisolut kuolevat, ne vajoavat kohti pohjaa ja hajoavat bakteerien vaikutuksesta, mikä vähentää entisestään DO: ta vesipatsaassa. Jos happikato etenee hypoksiaksi, voi tapahtua kalatappoja ja myös selkärangattomia, kuten matoja ja pohjassa eläviä simpukoita, voidaan tappaa.
hypoksia voi esiintyä myös ilman epäpuhtauksia. Esimerkiksi jokisuistoissa, koska joesta mereen virtaava makea vesi on suolavettä tiheämpää, voi seurauksena olla kerrostuminen vesipatsaaseen. Näin ollen vesistöjen välinen pystysuuntainen sekoittuminen vähenee, mikä rajoittaa hapen saantia pintavesistä suolaisempiin pohjavesiin. Alimman kerroksen happipitoisuus voi tällöin laskea niin pieneksi, että hypoksia voi syntyä. Erityisen alttiita tälle ovat osittain suljettujen vesistöjen matalat vedet, kuten Waddenzee tai Meksikonlahdella, jossa maa valuu runsaasti. Näille alueille voidaan luoda niin sanottu” kuollut vyöhyke”. Alhainen liuennut happi on usein kausiluonteista, kuten Hood Canalissa ja Puget Soundin alueilla Washingtonin osavaltiossa. World Resources Institute on tunnistanut 375 hypoksista rannikkoaluetta ympäri maailmaa, jotka ovat keskittyneet Länsi-Euroopan rannikkoalueille, Yhdysvaltain Itä-ja Etelärannikoille sekä Itä-Aasiaan, erityisesti Japaniin.
hypoksia voi olla myös selitys jaksollisille ilmiöille, kuten liikkuvalle Lahden riemuvuodelle, jossa vesieliöstö syöksyy yhtäkkiä matalikolle ja yrittää ehkä paeta hapettomasta vedestä. Oregonin ja Washingtonin rannikoiden lähellä viime aikoina levinneitä simpukkakuolemia syytetään myös syklisen kuolleen vyöhykkeen ekologiasta.
kasviplanktonin katkeaminen
tutkijat ovat todenneet, että vesistöihin joutuneiden mineraalien suuret pitoisuudet lisäävät merkittävästi kasviplanktonin kukintoja. Kun bakteerit ja muut taksonit, kuten Phanerochaete chrysosporium, hajottavat nämä kukinnot, näiden eliöiden entsyymit kuluttavat happea.
ligniinimediitin jakautuminen
kasviplankton koostuu enimmäkseen ligniinistä ja selluloosasta, joita hajottavat eliöissä esiintyvät entsyymit kuten valkolahottaja P. chrysosporium. Selluloosan hajoaminen ei heikennä veden happipitoisuutta, mutta ligniinin hajoaminen heikentää. Tämä ligniinin hajoaminen sisältää oksidatiivisen mekanismin ja vaatii liuenneen hapen läsnäolon ligninperoksidaasin kaltaisten entsyymien toimesta. Ligniinimuunnoksessa tarvitaan myös muita sieniä, kuten ruskolaho -, pehmeälaho-ja sinilaho-sieniä. Kun tämä hapettuminen tapahtuu, hiilidioksidi muodostuu sen tilalle
ligninperoksidaasi (LiP) toimii eniten tuotavana entsyyminä, koska se on paras hajottamaan ligniiniä näissä eliöissä. LiP hajottaa ligniinin kolmiulotteisessa rakenteessa olevia C-C-sidoksia ja C-O-sidoksia, jolloin se hajoaa. Huuli koostuu kymmenestä alfa-kierteestä, kahdesta Ca2+ – rakenneionista sekä hemiryhmästä, jota kutsutaan tetrapyrrolirenkaaksi. Happi on tärkeä rooli Lipin katalyyttisessä syklissä kaksoissidoksen muodostamiseksi Tetrapyrrolin renkaan Fe2+ – Ionille. Ilman diatomisen hapen läsnäoloa vedessä tämä hajoaminen ei voi tapahtua, koska Ferriinihuuli ei pelkisty Oxyferroheemiksi. Happikaasua käytetään ferriinihuulen pelkistämiseen Oxyferroheme-huuleksi. Oxyferroheme ja veratric alcohol muodostavat yhdessä happiradikaalin ja Ferrihuulen, joita voidaan nyt käyttää ligniinin hajottamiseen. Happiradikaaleja ei voi käyttää ympäristössä,ja ne ovat haitallisia runsaasti ympäristössä.
kun Ligniiniperoksidaasissa on Ferrihuulia, sitä voidaan käyttää hajottamaan ligniinimolekyylejä poistamalla yksi fenyylipropaaniryhmä kerrallaan joko LRET-mekanismin tai välittäjämekanismin kautta. Lret-mekanismi (long range electron transfer mechanism) siirtää elektronin tetrapyrrolirenkaasta fenyylipropaanimolekyylille ligniinissä. Tämä elektroni siirtyy C-C – tai C-O-sidokseen, jolloin ligniinistä katkeaa yksi fenyylipropaanimolekyyli, joka hajoaa poistamalla yhden fenyylipropaanin kerrallaan.
välittäjämekanismissa Huulientsyymi aktivoituu lisäämällä vetyperoksidia Huuliradikaaliksi, ja välittäjäaine kuten veratrinen alkoholi lisätään ja aktivoidaan muodostaen veratrisen alkoholiradikaalin. Veratrinen alkoholiradikaali siirtää yhden elektronin aktivoidakseen ligniinin fenyylipropaania, ja elektroni purkaa C-C-tai C-O-sidoksen vapauttaen yhden fenyylipropaanin ligniinistä. Ligniinimolekyylin koon kasvaessa näitä C-C-tai C-O-sidoksia on sitä vaikeampi murtaa. Kolmenlaisia fenyylipropaanirenkaita ovat koniferyylialkoholi, sinapyylialkoholi ja-kumaryylialkoholi.
Lipillä on hyvin alhainen MolDock-arvo, eli tämän entsyymin muodostamiseen ja stabilointiin tarvitaan vain vähän energiaa reaktioiden suorittamiseksi. Huulen MolDock-pistemäärä on -156,03 kcal/mol. Tämä on energeettisesti suotuisa johtuen sen negatiivisesta vapaasta energiantarpeesta, ja siksi tämä Lipin katalysoima reaktio tapahtuu todennäköisesti spontaanisti. Propanoli ja fenolit hajoavat luonnossa, koska ne molemmat ovat vesiliukoisia.
ympäristötekijät
kasviplanktonin hajoaminen ympäristössä riippuu hapen läsnäolosta, ja kun happea ei enää ole vesistöissä, ligninperoksidaasit eivät voi jatkaa ligniinin hajottamista. Kun vedessä ei ole happea, kasviplanktonin hajoaminen muuttuu 10,7 vuorokaudesta yhteensä 160 vuorokauteen.
kasviplanktonin hajoamisnopeus voidaan esittää tämän yhtälön avulla:
G ( T) = G(0) e − k t {\displaystyle G(t)=G (0) e^{-kt}}
tässä yhtälössä G (t) on hiukkasmaisen orgaanisen hiilen(POC) määrä tiettynä ajankohtana, t. G (0) on POC: n pitoisuus ennen hajoamista. k on nopeusvakio vuonna-1, ja t on aika vuosina. Useimpien kasviplanktonin POC: n k-arvo on noin 12,8 vuotta-1 eli noin 28 päivää, kun lähes 96% hiilestä hajoaa näissä järjestelmissä. Kun taas anoksisissa järjestelmissä POC-erittely kestää 125 päivää, yli neljä kertaa kauemmin. Se vie noin 1 mg happea hajottaa 1 mg POC ympäristössä, ja siksi, hypoksia tapahtuu nopeasti, kun happea käytetään ylös nopeasti sulattaa POC. Noin 9% kasviplanktonin POC: sta voi hajota yhden päivän aikana 18 °C: n lämpötilassa, joten kokonaisen kasviplanktonin täydellinen hajoaminen kestää noin yksitoista päivää.
POC: n hajottua tämä hiukkanen voi muuttua muuksi liuenneeksi orgaaniseksi hiileksi, kuten hiilidioksidiksi, bikarbonaatti-ioneiksi ja karbonaatiksi. Jopa 30 prosenttia kasviplanktonista voi hajota liuenneeksi orgaaniseksi hiileksi. Kun tämä hiukkasmainen Orgaaninen hiili vuorovaikuttaa 350 nm: n ultraviolettivalon kanssa, muodostuu liuennutta orgaanista hiiltä, joka poistaa vielä enemmän happea ympäristöstä hiilidioksidin, bikarbonaatti-ionien ja karbonaatin muodossa. Liuennutta epäorgaanista hiiltä syntyy nopeudella 2,3-6,5 mg/(m^3)vrk.
kasviplanktonin hajotessa ympäristöön tulee vapaata fosforia ja typpeä, mikä edistää myös hypoksisia olosuhteita. Näiden kasviplanktonien hajotessa fosfori muuttuu sitä enemmän fosfaateiksi ja typpioksidit nitraateiksi. Tämä kuluttaa happea entistä enemmän ympäristössä, luoden edelleen hypoksisia alueita suurempia määriä. Kun näihin vesistöihin siirtyy enemmän mineraaleja, kuten fosforia ja typpeä, kasviplanktonin kasvu lisääntyy huomattavasti, ja niiden kuoltua muodostuu hypoksisia vyöhykkeitä.
Ratkaisujasedit
hypoksian torjumiseksi on välttämätöntä vähentää vesistöihin valumavesinä päätyvien maa-ainesten määrää. Tämä voidaan tehdä tehostamalla jätevesien käsittelyä ja vähentämällä jokiin huuhtoutuvien lannoitteiden määrää. Vuorotellen tämä voidaan tehdä kunnostamalla luonnonympäristöjä joen varrella; suot ovat erityisen tehokkaita vähentämään fosforin ja typen (ravinteiden) määrää vedessä. Muita luontaisia elinympäristöön perustuvia ratkaisuja ovat äyriäispopulaatioiden, kuten ostereiden, ennallistaminen. Osteririutat poistavat typpeä vesipatsaasta ja suodattavat kiintoaineet pois, mikä vähentää haitallisten leväkukintojen tai anoksisten olosuhteiden todennäköisyyttä tai laajuutta. Odd Lindahl et al., käyttäen simpukoita Ruotsissa. Yksilajisia simpukoita enemmän mukana oleva integroitu moniviljelyala jäljittelee meriekosysteemejä luottaen moniviljelyyn meriveden laadun parantamiseksi.
myös teknologiset ratkaisut ovat mahdollisia, kuten Manchester Ship Canalin saneeratun Salfordin satama-alueen saneeraus Englannissa, jossa vuosia viemäreistä ja teistä valuneet vedet olivat kasaantuneet hitaasti juokseviin vesiin. Vuonna 2001 otettiin käyttöön paineilmaruiskutusjärjestelmä, joka nosti veden happipitoisuutta jopa 300%. Tästä seurannut veden laadun paraneminen johti selkärangattomien lajien, kuten makean veden katkarapujen, määrän kasvuun yli 30: een. Myös kalalajien, kuten särjen ja ahvenen, kutu-ja kasvuvauhti kasvoi siinä määrin, että ne ovat nykyisin Englannin korkeimpia.
hyvin lyhyessä ajassa hapen kylläisyys voi laskea nollaan, kun merellä puhaltavat tuulet ajavat pintaveden ulos ja anoksinen syvyysvesi nousee ylös. Samalla on havaittu lämpötilan laskua ja suolapitoisuuden nousua (Kielin vuonossa Saksassa sijaitsevasta long term ecological observatory in the seas). Uusia lähestymistapoja pitkän aikavälin seuranta hapen järjestelmän meressä tarkkailla verkossa käyttäytymistä kalojen ja eläinplankton, joka muuttuu rajusti alle vähentää hapen kyllästyminen (ecoSCOPE) ja jo hyvin alhainen veden saastuminen.