Hypoxia (környezeti)
az oxigénhiány olyan jelenség, amely a vízi környezetben fordul elő oldott oxigén (DO; a vízben oldott molekuláris oxigén) koncentrációja olyan pontra csökken, ahol káros lesz a rendszerben élő vízi szervezetekre. Az oldott oxigént általában az oxigén százalékában fejezik ki, amely feloldódik a vízben az uralkodó hőmérsékleten és sótartalomban (mindkettő befolyásolja az oxigén vízben való oldhatóságát; lásd oxigéntelítettség és víz alatti). Az oldott oxigénhiányos (0% – os telítettség) vízi rendszert anaerobnak, redukálónak vagy anoxikusnak nevezik; az alacsony koncentrációjú rendszert—1-30%—os telítettség között-hipoxiának vagy diszoxikusnak nevezik. A legtöbb hal nem élhet 30% – os telítettség alatt. A hipoxia a fennmaradó halak reprodukciójának károsodásához vezet endokrin zavarok révén. Az” egészséges ” vízi környezetnek ritkán kell kevesebb, mint 80% – ot tapasztalnia. Az exaerob zóna az anoxikus és hipoxiás zónák határán található.
hipoxia előfordulhat az egész vízoszlopban, nagy magasságokban, valamint az alján lévő üledékek közelében. Általában a vízoszlop 20-50% – án terjed ki, de a víz mélységétől és a piknoklinek helyétől függően (a víz sűrűségének gyors változása a mélységgel). A vízoszlop 10-80% – ában fordulhat elő. Például egy 10 méteres vízoszlopban akár 2 métert is elérhet a felszín alatt. Egy 20 méteres vízoszlopban akár 8 méterrel is kiterjedhet a felszín alatt.
Szezonális killEdit
a Hipolimnetikus oxigénhiány mind a nyári, mind a téli “ölésekhez”vezethet. A nyári rétegződés során a bemenetek vagy a szerves anyagok, valamint az elsődleges termelők ülepedése növelheti a légzés sebességét a hipolimnionban. Ha az oxigénhiány olyan szélsőségessé válik, az aerob organizmusok, mint a halak, meghalhatnak, ami az úgynevezett “nyári ölést”eredményezi. Ugyanezek a jelenségek fordulhatnak elő télen, de különböző okokból. Télen a jég és a hótakaró gyengítheti a fényt, és ezáltal csökkentheti a fotoszintézis sebességét. A tó befagyása megakadályozza a levegő-víz kölcsönhatásokat is, amelyek lehetővé teszik az oxigén cseréjét. Ez oxigénhiányt okoz, miközben a légzés folytatódik. Amikor az oxigén súlyosan kimerül, az anaerob organizmusok meghalhatnak, ami “téli ölést”eredményez.
a hypoxia okai
az oxigénhiány számos természetes tényezőből eredhet, de leggyakrabban a szennyezés és az eutrofizáció következménye, amelyben a növényi tápanyagok belépnek a folyóba, a tóba vagy az óceánba, és a fitoplankton virágzását ösztönzik. Míg a fitoplankton fotoszintézis útján növeli a DO telítettségét nappali órákban, a virágzás sűrű populációja légzés útján csökkenti a DO telítettségét az éjszaka folyamán. Amikor a fitoplankton sejtek elpusztulnak, az alja felé süllyednek, és baktériumok bomlanak le, ami tovább csökkenti a Do-t a vízoszlopban. Ha az oxigénhiány hipoxiává válik, a halak elpusztulhatnak, és a gerinctelenek, mint a férgek és az alján lévő kagylók is elpusztulhatnak.
a hipoxia szennyező anyagok hiányában is előfordulhat. Például a torkolatokban, mivel a folyóból a tengerbe áramló édesvíz kevésbé sűrű, mint a sós víz, a vízoszlopban rétegződés következhet be. Ezért csökken a víztestek közötti függőleges keverés, korlátozva az oxigénellátást a felszíni vizektől a sósabb fenékvizekig. Az alsó réteg oxigénkoncentrációja ekkor elég alacsony lehet a hipoxia kialakulásához. Az erre különösen hajlamos területek közé tartoznak a félig zárt víztestek sekély vizei, például a Waddenzee vagy a Mexikói-öböl, ahol a szárazföldi lefolyás jelentős. Ezeken a területeken úgynevezett “halott zóna” hozható létre. Alacsony oldott oxigén feltételek gyakran szezonális, mint ez a helyzet a Hood Canal és területeken Puget Sound, Washington államban. A World Resources Institute 375 hipoxiás tengerparti zónát azonosított világszerte, amelyek Nyugat-Európa, az Egyesült Államok keleti és déli partjai, valamint Kelet-Ázsia, különösen Japán partvidékein koncentrálódnak.
a hipoxia magyarázatot adhat olyan időszakos jelenségekre is, mint a Mobile Bay jubilee, ahol a vízi élet hirtelen a sekélyre rohan, talán megpróbál elmenekülni az oxigénhiányos vízből. Az Oregon és Washington partjai közelében a közelmúltban elterjedt kagylóöléseket szintén a ciklikus holt zóna ökológiájának tulajdonítják.
fitoplankton breakdownEdit
a tudósok megállapították, hogy a víztestekbe dobott ásványi anyagok magas koncentrációja a fitoplankton virágzásának jelentős növekedését okozza. Mivel ezeket a virágzásokat baktériumok és más taxonok bontják le, mint például a Phanerochaete chrysosporium, ezeknek az organizmusoknak az enzimjei kimerítik az oxigént.
lignin Lebontásaszerkesztés
a fitoplanktonok többnyire ligninből és cellulózból állnak, amelyeket olyan organizmusokban jelenlévő enzimek bontanak le, mint például a P. chrysosporium, amelyet fehérrothadásnak neveznek. A cellulóz lebontása nem csökkenti a víz oxigénkoncentrációját, de a lignin lebontása igen. A lignin lebontása oxidatív mechanizmust foglal magában, és oldott oxigén jelenlétét igényli olyan enzimek által, mint a ligninperoxidáz. Más gombák, mint például a barna rothadás, a lágy rothadás és a kék folt gombák szintén szükségesek a lignin transzformációhoz. Amint ez az oxidáció megtörténik, CO2 képződik a helyén
a Ligninperoxidáz (LiP) a leginkább importáló enzim, mert a legjobb a lignin lebontásában ezekben az organizmusokban. Az ajak megzavarja a C-C kötéseket és a C-O kötéseket a Lignin háromdimenziós struktúrájában, ami lebontja. Az ajak tíz alfa hélixből, két Ca-ból áll2+ szerkezeti ionok, valamint egy tetrapirrol gyűrűnek nevezett hem csoport. Az oxigén fontos szerepet játszik az ajak katalitikus ciklusában, hogy kettős kötést képezzen a Fe2 + ion a tetrapirrol gyűrűben. Kétatomos oxigén jelenléte nélkül a vízben ez a lebontás nem történhet meg, mert a Ferrin-ajak nem redukálódik Oxiferrohémává. Az oxigéngázt a Ferrin-ajak Oxyferroheme-Ajakká történő csökkentésére használják. Az Oxyferroheme és a veratrikus alkohol együttesen oxigéngyököt és Ferri-ajakot hoz létre, amelyek ma már felhasználhatók a lignin lebontására. Az oxigéngyökök nem használhatók a környezetben,és károsak a környezetben.
miután a Ferri-LiP jelen van a ligninperoxidázban, felhasználható a lignin molekulák lebontására azáltal, hogy egyszerre egy fenilpropáncsoportot távolít el az LRET mechanizmuson vagy a mediátor mechanizmuson keresztül. Az LRET mechanizmus (long range electron transfer mechanism) egy elektront visz át a tetrapirrol gyűrűből egy ligninben lévő fenilpropán molekulára. Ez az elektron egy C-C vagy C-O kötésre mozog, hogy megtörjön egy fenilpropán molekulát a ligninből, lebontva egy-egy fenilpropán eltávolításával.
a mediátor mechanizmusban az Ajakenzimet hidrogén-peroxid hozzáadásával aktiválják az Ajakgyök előállításához, és egy mediátort, például veratrikus alkoholt adnak hozzá, és aktiválják a veratrikus alkoholgyököt. A veratrikus alkoholgyök egy elektront visz át, hogy aktiválja a fenilpropánt a ligninen, az elektron pedig lebontja a C-C vagy C-O kötést, hogy egy fenilpropánt szabadítson fel a ligninből. Ahogy a lignin molekula mérete növekszik, annál nehezebb megszakítani ezeket a C-C vagy C-O kötéseket. A fenil-propán gyűrűk három típusa a tűlevelű alkohol, a szinapil-alkohol és a-kumaril-alkohol.
a LiP nagyon alacsony MolDock pontszámmal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy kevés energia szükséges az enzim kialakításához és stabilizálásához a reakciók végrehajtásához. Az ajak MolDock-pontszáma -156,03 kcal / mol. Ez negatív szabad energiaigénye miatt energetikailag kedvező, ezért ez a LiP által katalizált reakció valószínűleg spontán megy végbe. A propanol és a fenolok lebontása természetes módon történik a környezetben, mivel mindkettő vízben oldódik.
környezeti tényezőkszerkesztés
a fitoplankton lebontása a környezetben az oxigén jelenlététől függ, és ha az oxigén már nincs a víztestekben, a ligninperoxidázok nem tudják tovább lebontani a lignint. Ha az oxigén nincs jelen a vízben, a fitoplankton lebomlása 10,7 napról összesen 160 napra változik.
a fitoplankton lebontásának sebessége ezen egyenlet segítségével ábrázolható:
G ( t) = G ( 0 ) e-k t {\displaystyle G (t)=G (0)e^{- kt}}
ebben az egyenletben G (t) a részecske mennyisége szerves szén (POC) összességében egy adott időpontban, t. G(0) a POC koncentrációja a lebontás előtt. k a sebességállandó az 1. évben, t pedig az idő években. A fitoplankton legtöbb POC esetében a k körülbelül 12,8 év-1, vagyis körülbelül 28 nap, amikor a szén közel 96% – a lebomlik ezekben a rendszerekben. Míg az anoxikus rendszerek esetében a POC lebontása 125 napot vesz igénybe, több mint négyszer hosszabb ideig. Körülbelül 1 mg oxigén szükséges 1 mg POC lebontásához a környezetben, ezért a hipoxia gyorsan bekövetkezik, mivel az oxigént gyorsan felhasználják a POC emésztésére. A fitoplanktonban lévő POC körülbelül 9% – a lebontható egyetlen nap alatt 18cc-nél, ezért körülbelül tizenegy napig tart a teljes fitoplankton teljes lebontása.
a POC lebontása után ez a részecske más oldott szerves szénné alakítható, például szén-dioxiddá, bikarbonát-ionokká és karbonáttá. A fitoplankton 30% – a oldott szerves szénre bontható. Amikor ez a szemcsés szerves szén kölcsönhatásba lép a 350 nm-es ultraibolya fénnyel, oldott szerves szén képződik, amely még több oxigént távolít el a környezetből szén-dioxid, bikarbonát-ionok és karbonát formájában. Az oldott szervetlen szén 2,3–6,5 mg/(m^3)nap sebességgel készül.
a fitoplankton lebontásával szabad foszfor és nitrogén válik elérhetővé a környezetben, ami szintén elősegíti a hipoxiás állapotokat. Amint ezeknek a fitoplanktonoknak a lebontása megtörténik, annál több foszfor válik foszfátokká, a nitrogének pedig nitrátokká. Ez még inkább kimeríti az oxigént a környezetben, tovább növelve a hipoxiás zónákat nagyobb mennyiségben. Mivel több ásványi anyag, például foszfor és nitrogén kerül át ezekbe a vízi rendszerekbe, a fitoplankton növekedése nagymértékben megnő, és haláluk után hipoxiás zónák alakulnak ki.
Megoldásokszerkesztés
a hipoxia leküzdése érdekében elengedhetetlen a folyókba jutó szárazföldi eredetű tápanyagok mennyiségének csökkentése. Ezt a szennyvízkezelés javításával és a folyókba kimosódó műtrágyák mennyiségének csökkentésével lehet elérni. Alternatív megoldásként ezt meg lehet tenni a természetes környezet helyreállításával a folyó mentén; a mocsarak különösen hatékonyan csökkentik a foszfor és a nitrogén (tápanyagok) mennyiségét a vízben. Egyéb természetes élőhelyen alapuló megoldások közé tartozik a kagylópopulációk, például az osztriga helyreállítása. Az osztriga zátonyok eltávolítják a nitrogént a vízoszlopból, és kiszűrik a szuszpendált szilárd anyagokat, ezáltal csökkentve a káros algavirágzás vagy az anoxikus körülmények valószínűségét vagy mértékét. Odd Lindahl et al., kagyló használata Svédországban. Az egyetlen fajú kagylótermesztésnél jobban részt vevő integrált multi-trofikus akvakultúra utánozza a természetes tengeri ökoszisztémákat, támaszkodva polikultúra a tengervíz minőségének javítása érdekében.
technológiai megoldások is lehetségesek, mint például a Manchesteri hajócsatorna újjáépített Salford Docks területén Angliában, ahol a csatornákból és utakból származó évek lefolyása felhalmozódott a lassan folyó vizekben. 2001-ben bevezették a sűrített levegő befecskendező rendszert, amely akár 300% – kal emelte a víz oxigénszintjét. A vízminőség ebből eredő javulása a gerinctelen fajok, például az édesvízi garnélarák számának több mint 30-ra történő növekedéséhez vezetett. Az olyan halfajok ívási és növekedési rátája, mint a csótány és a sügér, szintén olyan mértékben nőtt, hogy ma Angliában a legmagasabbak közé tartoznak.
nagyon rövid idő alatt az oxigéntelítettség nullára csökkenhet, amikor a tengeri szél fújja a felszíni vizet, és az anoxikus mélységű víz felemelkedik. Ugyanakkor a hőmérséklet csökkenése és a sótartalom emelkedése figyelhető meg (a németországi kiel-fjordban található longterm ecological observatory in the seas-ban). Az óceánok oxigénrendszerének hosszú távú megfigyelésére szolgáló új megközelítések online megfigyelik a halak és a zooplankton viselkedését, amely drasztikusan változik a csökkentett oxigéntelítettség (ecoSCOPE) és már nagyon alacsony vízszennyezés mellett.