Hypoksi (miljø)
iltudtømning er et fænomen, der forekommer i vandmiljøer, da opløst ilt (do; molekylært ilt opløst i vandet) reduceres i koncentration til et punkt, hvor det bliver skadeligt for vandorganismer, der lever i systemet. Opløst ilt udtrykkes typisk som en procentdel af det ilt, der ville opløses i vandet ved den fremherskende temperatur og saltholdighed (som begge påvirker opløseligheden af ilt i vand; se iltmætning og under vand). Et vandsystem, der mangler opløst ilt (0% mætning) kaldes anaerob, reducerende eller anoksisk; et system med lav koncentration—i området mellem 1 og 30% mætning—kaldes hypoksisk eller dysoksisk. De fleste fisk kan ikke leve under 30% mætning. Hypoksi fører til nedsat reproduktion af resterende fisk via hormonforstyrrelser. Et” sundt ” vandmiljø bør sjældent opleve mindre end 80%. Det eksaerobe område findes ved grænsen mellem anoksiske og hypoksiske områder.
hypoksi kan forekomme i hele vandkolonnen og også i store højder såvel som nær sedimenter på bunden. Det strækker sig normalt over 20-50% af vandkolonnen, men afhængigt af vanddybden og placeringen af pycnoclines (hurtige ændringer i vandtæthed med dybde). Det kan forekomme i 10-80% af vandkolonnen. For eksempel kan den i en 10 meter vandsøjle nå op til 2 meter under overfladen. I en 20 meter vandsøjle kan den strække sig op til 8 meter under overfladen.
Seasonal killEdit
Hypolimnetisk iltudtømning kan føre til både sommer og vinter “dræber”. I løbet af sommeren stratificering, input eller organisk materiale og sedimentering af primære producenter kan øge respirationshastigheden i hypolimnion. Hvis iltudtømning bliver så ekstrem, kan aerobe organismer, som fisk, dø, hvilket resulterer i det, der er kendt som en “sommerdræb”. De samme fænomener kan forekomme om vinteren, men af forskellige grunde. Om vinteren kan Is og snedække dæmpe lyset og dermed reducere antallet af fotosyntese. Frysning af søen forhindrer også luft-vand-interaktioner, der tillader udveksling af ilt. Dette skaber mangel på ilt, mens respirationen fortsætter. Når iltet bliver dårligt udtømt, kan anaerobe organismer dø, hvilket resulterer i en “vinterdrab”.
årsager til hypoksirediger
iltudtømning kan skyldes en række naturlige faktorer, men er oftest et problem som følge af forurening og eutrofiering, hvor plantenæringsstoffer kommer ind i en flod, sø eller hav, og fytoplanktonblomster tilskyndes. Mens fytoplankton, gennem fotosyntese, vil hæve do-mætning i dagtimerne, den tætte population af en blomst reducerer do-mætning i løbet af natten ved åndedræt. Når fytoplanktonceller dør, synker de mod bunden og nedbrydes af bakterier, en proces, der yderligere reducerer DO i vandkolonnen. Hvis iltudtømning udvikler sig til hypoksi, kan fiskedrab forekomme, og hvirvelløse dyr som orme og muslinger i bunden kan også dræbes.
hypoksi kan også forekomme i fravær af forurenende stoffer. I flodmundinger, for eksempel fordi ferskvand, der strømmer fra en flod i havet, er mindre tæt end saltvand, kan stratificering i vandkolonnen resultere. Lodret blanding mellem vandlegemerne reduceres derfor, hvilket begrænser tilførslen af ilt fra overfladevandet til det mere saltholdige bundvand. Iltkoncentrationen i bundlaget kan derefter blive lav nok til, at hypoksi kan forekomme. Områder, der er særligt tilbøjelige til dette, inkluderer lavt vand i semi-lukkede vandområder såsom Vadehavet eller Golfen, hvor landafstrømning er betydelig. I disse områder kan der oprettes et såkaldt “dødt område”. Lavt opløst iltforhold er ofte sæsonbetonede, som det er tilfældet i Hood Canal og områder af Puget Sound. Verdensressourceinstituttet har identificeret 375 hypoksiske kystområder rundt om i verden, koncentreret i kystområder i Vesteuropa, de østlige og sydlige kyster i USA og Østasien, især i Japan.
hypoksi kan også være forklaringen på periodiske fænomener som Mobile Bay jubilee, hvor vandlevende liv pludselig siv til lavvandede, måske forsøger at undslippe ilt-udtømt vand. Nylige udbredte skaldyrsdrab nær kysten af Oregon og USA skyldes også cyklisk dødområdeøkologi.
fytoplanktonudbruddet
forskere har fastslået, at høje koncentrationer af mineraler dumpet i vandområder forårsager betydelig vækst af fytoplanktonblomster. Da disse blomster nedbrydes af bakterier og andre taksaer, såsom Phanerochaete chrysosporium, udtømmes ilt af disse organismers egenskaber.
fordeling af ligninrediger
fytoplankton består for det meste af lignin og cellulose, som nedbrydes af organismer som P. chrysosporium, kendt som hvidrot. Nedbrydningen af cellulose nedbryder ikke iltkoncentrationen i vand, men nedbrydningen af lignin gør det. Denne nedbrydning af lignin indbefatter en iltningsmekanisme og kræver, at tilstedeværelsen af opløst ilt finder sted ved hjælp af f.eks. Andre svampe såsom brunrot, blødrot og blå pletsvampe er også nødvendige i lignintransformation. Da denne iltning finder sted, dannes CO2 på sin plads
lignin virker som det vigtigste middel, fordi det er bedst at nedbryde lignin i disse organismer. LiP forstyrrer C – C-bindinger og C-O-bindinger inden for Lignins tredimensionelle struktur, hvilket får det til at bryde ned. LiP består af ti alfa helices, to Ca2+ strukturelle ioner, samt en hæm gruppe kaldet en tetrapyrrol ring. Ilt tjener en vigtig rolle i den katalytiske cyklus af læbe for at danne en dobbeltbinding på Fe2+ ion i tetrapyrrolringen. Uden tilstedeværelsen af diatomisk ilt i vandet kan denne nedbrydning ikke finde sted, fordi Ferrin-LiP ikke reduceres til Iltrroheme. Iltgas bruges til at reducere Ferrin-LiP til Iltrroheme-LiP. Iltferoheme og veratrisk alkohol kombineres for at skabe iltradikal og Ferri-læbe, som nu kan bruges til at nedbryde lignin. Iltradikaler kan ikke bruges i miljøet og er skadelige i høj tilstedeværelse i miljøet.
når Ferri-LiP er til stede i ligninperoksidasen, kan den bruges til at nedbryde ligninmolekyler ved at fjerne en phenylpropangruppe ad gangen gennem enten LRET-mekanismen eller mediatormekanismen. LRET-mekanismen (long range electron transfer mechanism) overfører en elektron fra tetrapyrrolringen til et molekyle phenylpropan i et lignin. Denne elektron bevæger sig på en C – C-eller C-O-binding for at bryde et phenylpropanmolekyle fra ligninet og nedbryde det ved at fjerne en phenylpropan ad gangen.
i mediatormekanismen aktiveres LiP ved tilsætning af brintoverilte for at gøre Læberadikal, og en mediator såsom veratrisk alkohol tilsættes og aktiveres, hvilket skaber veratrisk alkoholradikal. Veratrisk alkoholradikal overfører en elektron for at aktivere phenylpropan på lignin, og elektronen demonterer en C-C-eller C-O-binding for at frigive en phenylpropan fra ligninet. Da størrelsen af et ligninmolekyle stiger, jo vanskeligere er det at bryde disse C-C-eller C-O-bindinger. Tre typer phenylpropanringe inkluderer coniferylalkohol, sinapylalkohol og-coumarylalkohol.
LiP har en meget lav MolDock score, hvilket betyder, at der er lidt energi, der kræves for at danne dette ferment og stabilisere det for at udføre reaktioner. LiP har en MolDock score på -156,03 kcal/mol. Dette er energisk gunstigt på grund af dets negative frie energibehov, og derfor vil denne reaktion katalyseret af LiP sandsynligvis finde sted spontant. Nedbrydning af propanol og phenoler forekommer naturligt i miljøet, fordi de begge er vandopløselige.
Miljøfaktorerrediger
fordelingen af fytoplankton i miljøet afhænger af tilstedeværelsen af ilt, og når ilt ikke længere er i vandmasserne, kan ligninperoksidaser ikke fortsætte med at nedbryde ligninet. Når ilt ikke er til stede i vandet, ændres nedbrydningen af fytoplankton fra 10, 7 dage til i alt 160 dage for at dette kan finde sted.
hastigheden af fytoplanktonfordeling kan repræsenteres ved hjælp af denne ligning:
G (t ) = G (0) e – k t {\displaystyle G (t)=G (0) e^{- kt}}
i denne ligning er G (t) mængden af partikelformet organisk kulstof(POC) samlet på et givet tidspunkt, t. G (0) er koncentrationen af POC, før nedbrydning finder sted. k er en hastighedskonstant i år-1, og t er tid i år. For de fleste POC af fytoplankton er k omkring 12,8 år-1 eller omkring 28 dage for næsten 96% af kulstof, der skal nedbrydes i disse systemer. Mens der for anoksiske systemer tager POC-nedbrydning 125 dage, over fire gange længere. Det tager cirka 1 mg ilt at nedbryde 1 mg POC i miljøet, og derfor finder hypoksi sted hurtigt, da ilt hurtigt bruges op til at fordøje POC. Cirka 9% af POC i fytoplankton kan nedbrydes på en enkelt dag ved 18 kg C, derfor tager det cirka elleve dage at nedbryde et fuldt fytoplankton fuldstændigt.
efter at POC er nedbrudt, kan dette partikler omdannes til andet opløst organisk kulstof, såsom kulsyre, bicarbonationer og carbonat. Så meget som 30% af fytoplankton kan opdeles i opløst organisk kulstof. Når dette partikelformede organiske kulstof interagerer med 350 nm ultraviolet lys, dannes opløst organisk kulstof, hvilket fjerner endnu mere ilt fra miljøet i form af kulsyre, bicarbonationer og carbonat. Opløst uorganisk kulstof fremstilles med en hastighed på 2,3–6,5 mg/(m^3)dag.
efterhånden som fytoplanktonnedbrydning bliver frit fosfor og nitrogen tilgængeligt i miljøet, hvilket også fremmer hypoksiske forhold. Da nedbrydningen af disse fytoplankton finder sted, bliver jo mere fosfor til fosfater, og nitrogener bliver til nitrater. Dette udtømmer iltet endnu mere i miljøet, hvilket yderligere skaber hypoksiske områder i større mængder. Da flere mineraler som fosfor og nitrogen forskydes i disse akvatiske systemer, øges væksten af fytoplankton kraftigt, og efter deres død dannes hypoksiske områder.
Løsningerrediger
for at bekæmpe hypoksi er det vigtigt at reducere mængden af jordafledte næringsstoffer, der når floder i afstrømning. Dette kan gøres ved at forbedre spildevandsbehandlingen og ved at reducere mængden af gødning, der udvaskes i floderne. Alternativt kan dette gøres ved at genoprette naturlige miljøer langs en flod; sump er særligt effektive til at reducere mængden af fosfor og nitrogen (næringsstoffer) i vand. Andre naturlige habitatbaserede løsninger inkluderer restaurering af skaldyrspopulationer, såsom østers. Østersrev fjerner kvælstof fra vandsøjlen og filtrerer suspenderede faste stoffer ud, hvilket efterfølgende reducerer sandsynligheden eller omfanget af skadelige algeblomstringer eller anoksiske forhold. Grundlæggende arbejde mod ideen om at forbedre havvandskvaliteten gennem skaldyrdyrkning blev udført af Odd Lindahl et al., ved hjælp af muslinger i Sverige. Mere involveret end dyrkning af skaldyr med en art, integreret multitrofisk akvakultur efterligner naturlige marine økosystemer og stoler på polykultur for at forbedre havvandskvaliteten.
teknologiske løsninger er også mulige, såsom dem, der blev brugt i det ombyggede Salford Docks-område i Manchester Ship Canal i England, hvor år med afstrømning fra kloakker og veje var ophobet i det langsomt løbende vand. I 2001 blev der indført et trykluftindsprøjtningssystem, der hævede iltniveauerne i vandet med op til 300%. Den resulterende forbedring af vandkvaliteten førte til en stigning i antallet af hvirvelløse arter, såsom ferskvandsrejer, til mere end 30. Gydning og vækstrater for fiskearter som roach og aborre steg også i en sådan grad, at de nu er blandt de højeste i England.
på meget kort tid kan iltmætningen falde til nul, når offshore blæsende vinde driver overfladevand ud og anoksisk dybdevand stiger op. Samtidig observeres et fald i temperatur og en stigning i saltholdigheden (fra det langsigtede økologiske observatorium i havene ved Kiel Fjord, Tyskland). Nye tilgange til langsigtet overvågning af iltregime i havet observerer online opførsel af fisk og dyreplankton, som ændrer sig drastisk under reducerede iltmætninger (ecoSCOPE) og allerede ved meget lave niveauer af vandforurening.