Ipossia (ambientale)
La deplezione di ossigeno è un fenomeno che si verifica in ambienti acquatici come ossigeno disciolto (DO; ossigeno molecolare disciolto nell’acqua) si riduce in concentrazione ad un punto in cui diventa dannoso per gli organismi acquatici che vivono nel sistema. L’ossigeno disciolto è tipicamente espresso come percentuale dell’ossigeno che si dissolverebbe nell’acqua alla temperatura e alla salinità prevalenti (entrambi influenzano la solubilità dell’ossigeno nell’acqua; vedi saturazione di ossigeno e sott’acqua). Un sistema acquatico privo di ossigeno disciolto (saturazione 0%) è definito anaerobico, riducente o anossico; un sistema a bassa concentrazione—nell’intervallo tra 1 e 30% di saturazione—è chiamato ipossico o disossico. La maggior parte dei pesci non può vivere al di sotto del 30% di saturazione. L’ipossia porta alla riproduzione alterata dei pesci rimanenti attraverso l’interruzione endocrina. Un ambiente acquatico” sano “dovrebbe raramente sperimentare meno dell’ 80%. La zona exaerobica si trova al confine delle zone anossiche e ipossiche.
L’ipossia può verificarsi in tutta la colonna d’acqua e anche ad alta quota e vicino ai sedimenti sul fondo. Di solito si estende per tutto il 20-50% della colonna d’acqua, ma a seconda della profondità dell’acqua e della posizione delle picnocline (rapidi cambiamenti nella densità dell’acqua con la profondità). Può verificarsi nel 10-80% della colonna d’acqua. Ad esempio, in una colonna d’acqua di 10 metri, può raggiungere fino a 2 metri sotto la superficie. In una colonna d’acqua di 20 metri, può estendersi fino a 8 metri sotto la superficie.
Killed stagionale
L’esaurimento dell’ossigeno ipolimnetico può portare a “uccisioni”sia estive che invernali. Durante la stratificazione estiva, gli input o la materia organica e la sedimentazione dei produttori primari possono aumentare i tassi di respirazione nell’ipolimnione. Se l’esaurimento dell’ossigeno diventa così estremo, gli organismi aerobici, come i pesci, possono morire, causando ciò che è noto come “uccisione estiva”. Gli stessi fenomeni possono verificarsi in inverno, ma per motivi diversi. Durante l’inverno, il ghiaccio e la copertura nevosa possono attenuare la luce e quindi ridurre i tassi di fotosintesi. Il congelamento del lago impedisce anche le interazioni aria-acqua che consentono lo scambio di ossigeno. Questo crea una mancanza di ossigeno mentre la respirazione continua. Quando l’ossigeno si esaurisce gravemente, gli organismi anaerobici possono morire, causando una “uccisione invernale”.
Cause di ipossiamodifica
L’esaurimento dell’ossigeno può derivare da una serie di fattori naturali, ma è più spesso una preoccupazione come conseguenza dell’inquinamento e dell’eutrofizzazione in cui i nutrienti delle piante entrano in un fiume, in un lago o in un oceano e si incoraggiano le fioriture di fitoplancton. Mentre il fitoplancton, attraverso la fotosintesi, aumenterà la saturazione durante le ore diurne, la popolazione densa di una fioritura riduce la saturazione durante la notte per respirazione. Quando le cellule di fitoplancton muoiono, affondano verso il fondo e vengono decomposte dai batteri, un processo che riduce ulteriormente il DO nella colonna d’acqua. Se l’esaurimento dell’ossigeno progredisce all’ipossia, possono verificarsi uccisioni di pesci e anche invertebrati come vermi e vongole sul fondo possono essere uccisi.
L’ipossia può verificarsi anche in assenza di inquinanti. Negli estuari, ad esempio, poiché l’acqua dolce che scorre da un fiume nel mare è meno densa dell’acqua salata, può risultare la stratificazione nella colonna d’acqua. La miscelazione verticale tra i corpi idrici è quindi ridotta, limitando l’apporto di ossigeno dalle acque superficiali alle acque di fondo più saline. La concentrazione di ossigeno nello strato inferiore può quindi diventare abbastanza bassa per l’ipossia. Aree particolarmente soggette a questo includono acque poco profonde di corpi idrici semi-chiusi come il Waddenzee o il Golfo del Messico, dove il deflusso della terra è sostanziale. In queste aree è possibile creare una cosiddetta “zona morta”. Le condizioni di ossigeno disciolto sono spesso stagionali, come nel caso di Hood Canal e delle aree di Puget Sound, nello stato di Washington. Il World Resources Institute ha identificato 375 zone costiere ipossiche in tutto il mondo, concentrate nelle aree costiere dell’Europa occidentale, delle coste orientali e meridionali degli Stati Uniti e dell’Asia orientale, in particolare in Giappone.
L’ipossia può anche essere la spiegazione di fenomeni periodici come il giubileo della baia mobile, dove la vita acquatica si precipita improvvisamente alle secche, forse cercando di sfuggire all’acqua impoverita di ossigeno. Le recenti uccisioni di molluschi diffusi vicino alle coste dell’Oregon e di Washington sono anche imputate all’ecologia ciclica della zona morta.
Ripartizione del fitoplanctonomodifica
Gli scienziati hanno determinato che alte concentrazioni di minerali scaricati nei corpi idrici causano una crescita significativa delle fioriture di fitoplancton. Poiché queste fioriture sono suddivise da batteri e altri taxa, come il Phanerochaete chrysosporium, l’ossigeno viene esaurito dagli enzimi di questi organismi.
Ripartizione della ligninamodifica
Il fitoplancton è principalmente costituito da lignina e cellulosa, che sono suddivisi da enzimi presenti in organismi come P. chrysosporium, noto come marciume bianco. La ripartizione della cellulosa non esaurisce la concentrazione di ossigeno nell’acqua, ma la ripartizione della lignina lo fa. Questa ripartizione della lignina include un meccanismo ossidativo e richiede la presenza di ossigeno disciolto da parte di enzimi come la ligninperossidasi. Altri funghi come il marciume bruno, il marciume morbido e i funghi blu sono necessari anche nella trasformazione della lignina. Come questo avviene l’ossidazione, la CO2 è formata al suo posto
La ligninperossidasi (labbro) serve come l’enzima più importante perché è meglio abbattere la lignina in questi organismi. LiP interrompe i legami C-C e i legami C-O all’interno della struttura tridimensionale della Lignina, causandone la rottura. LiP è costituito da dieci alfa eliche, due ioni strutturali Ca2+, nonché un gruppo eme chiamato anello tetrapirrolo. L’ossigeno svolge un ruolo importante nel ciclo catalitico del labbro per formare un doppio legame sullo Fe Fe2 + nell’anello tetrapirrolo. Senza la presenza di ossigeno biatomico nell’acqua, questa ripartizione non può avvenire perché Ferrin-LiP non sarà ridotto in Oxyferroheme. Il gas dell’ossigeno è usato per ridurre il Ferrin-labbro in Oxyferroheme-labbro. Oxyferroheme e alcol veratric si combinano per creare radicali di ossigeno e Ferri-LiP, che ora possono essere utilizzati per degradare la lignina. I radicali dell’ossigeno non possono essere utilizzati nell’ambiente e sono dannosi in presenza elevata nell’ambiente.
Una volta che Ferri-LiP è presente nella ligninperossidasi, può essere utilizzato per abbattere le molecole di lignina rimuovendo un gruppo fenilpropano alla volta attraverso il meccanismo LRET o il meccanismo mediatore. Il meccanismo LRET (long range electron transfer mechanism) trasferisce un elettrone dall’anello tetrapirrolo su una molecola di fenilpropano in una lignina. Questo elettrone si muove su un legame C-C o C-O per rompere una molecola di fenilpropano dalla lignina, scomponendola rimuovendo un fenilpropano alla volta.
Nel meccanismo del mediatore, l’enzima del labbro è attivato dall’aggiunta di perossido di idrogeno per fare il radicale del labbro ed un mediatore quale l’alcool veratric è aggiunto ed attivato che crea l’alcool veratric radicale. Il radicale alcolico veratrico trasferisce un elettrone per attivare il fenilpropano sulla lignina e l’elettrone smantella un legame C-C o C-O per rilasciare un fenilpropano dalla lignina. Man mano che la dimensione di una molecola di lignina aumenta, più è difficile rompere questi legami C-C o C-O. Tre tipi di anelli di propano fenilico includono alcool coniferilico, alcool sinapilico e alcool cumarilico.
LiP ha un punteggio di MolDock molto basso, il che significa che c’è poca energia necessaria per formare questo enzima e stabilizzarlo per effettuare reazioni. LiP ha un punteggio di MolDock di -156,03 kcal / mol. Questo è energeticamente favorevole a causa del suo fabbisogno energetico libero negativo, e quindi questa reazione catalizzata da LiP è probabile che avvenga spontaneamente. La degradazione del propanolo e dei fenoli si verifica naturalmente nell’ambiente perché sono entrambi solubili in acqua.
Fattori ambientalimodifica
La ripartizione del fitoplancton nell’ambiente dipende dalla presenza di ossigeno e, una volta che l’ossigeno non è più nei corpi idrici, le ligninperossidasi non possono continuare a scomporre la lignina. Quando l’ossigeno non è presente nell’acqua, la ripartizione del fitoplancton cambia da 10,7 giorni a un totale di 160 giorni affinché ciò avvenga.
Il tasso di disgregazione del fitoplancton può essere rappresentato usando questa equazione:
G ( t ) = G ( 0 ) e − k t {\displaystyle G(t)=G(0)e^{-kt}}
In questa equazione G(t) è la quantità di al carbonio organico particellato (POC) complessivamente, in un dato momento, t. G(0) è la concentrazione di POC prima di rottura avviene. k è una costante di tasso in anno-1, e t è il tempo in anni. Per la maggior parte POC di fitoplancton, il k è di circa 12,8 anni-1, o circa 28 giorni per quasi il 96% di carbonio da abbattere in questi sistemi. Mentre per i sistemi anossici, la ripartizione POC richiede 125 giorni, oltre quattro volte di più. Ci vuole circa 1 mg di ossigeno per abbattere 1 mg di POC nell’ambiente, e quindi, ipossia avviene rapidamente come ossigeno viene utilizzato rapidamente per digerire POC. Circa il 9% del POC nel fitoplancton può essere scomposto in un solo giorno a 18 °C, quindi ci vogliono circa undici giorni per abbattere completamente un fitoplancton completo.
Dopo POC è ripartito, questo particolato può essere trasformato in altro carbonio organico disciolto, quali l’anidride carbonica, gli ioni del bicarbonato ed il carbonato. Fino al 30% del fitoplancton può essere suddiviso in carbonio organico disciolto. Quando questo carbonio organico particolato interagisce con la luce ultravioletta a 350 nm, si forma carbonio organico disciolto, rimuovendo ancora più ossigeno dall’ambiente sotto forma di anidride carbonica, ioni bicarbonato e carbonato. Il carbonio inorganico disciolto viene prodotto ad una velocità di 2,3-6,5 mg/(m^3)giorno.
Con la degradazione del fitoplancton, il fosforo e l’azoto liberi diventano disponibili nell’ambiente, il che favorisce anche le condizioni ipossiche. Quando avviene la rottura di questi fitoplancton, più il fosforo si trasforma in fosfati e i nitrogeni si trasformano in nitrati. Questo esaurisce l’ossigeno ancora di più nell’ambiente, creando ulteriormente zone ipossiche in quantità maggiori. Poiché più minerali come fosforo e azoto vengono spostati in questi sistemi acquatici, la crescita del fitoplancton aumenta notevolmente e, dopo la loro morte, si formano zone ipossiche.
Soluzionimodifica
Per combattere l’ipossia, è essenziale ridurre la quantità di nutrienti derivati dalla terra che raggiungono i fiumi nel deflusso. Questo può essere fatto migliorando il trattamento delle acque reflue e riducendo la quantità di fertilizzanti che lisciviano nei fiumi. In alternativa, questo può essere fatto ripristinando gli ambienti naturali lungo un fiume; le paludi sono particolarmente efficaci nel ridurre la quantità di fosforo e azoto (nutrienti) nell’acqua. Altre soluzioni basate sull’habitat naturale includono il ripristino delle popolazioni di molluschi, come le ostriche. Le barriere di ostriche rimuovono l’azoto dalla colonna d’acqua e filtrano i solidi sospesi, riducendo successivamente la probabilità o l’entità di fioriture algali dannose o condizioni anossiche. Il lavoro fondamentale verso l’idea di migliorare la qualità dell’acqua marina attraverso la coltivazione di molluschi è stato condotto da Odd Lindahl et al., usando cozze in Svezia. Più coinvolta della coltivazione di molluschi a singola specie, l’acquacoltura multitrofica integrata imita gli ecosistemi marini naturali, facendo affidamento sulla policoltura per migliorare la qualità dell’acqua marina.
Sono possibili anche soluzioni tecnologiche, come quella utilizzata nell’area riqualificata di Salford Docks del Manchester Ship Canal in Inghilterra, dove anni di deflusso da fognature e strade si erano accumulati nelle acque lente. Nel 2001 è stato introdotto un sistema di iniezione di aria compressa, che ha aumentato i livelli di ossigeno nell’acqua fino al 300%. Il conseguente miglioramento della qualità dell’acqua ha portato ad un aumento del numero di specie di invertebrati, come i gamberetti d’acqua dolce, a più di 30. Anche i tassi di riproduzione e crescita di specie ittiche come lo scarafaggio e il pesce persico sono aumentati a tal punto che ora sono tra i più alti in Inghilterra.
In un tempo molto breve la saturazione di ossigeno può scendere a zero quando i venti che soffiano in mare aperto espellono l’acqua superficiale e l’acqua di profondità anossica sale. Allo stesso tempo si osserva un calo della temperatura e un aumento della salinità (dall’osservatorio ecologico a lungo termine nei mari di Kiel Fjord, Germania). Nuovi approcci di monitoraggio a lungo termine del regime di ossigeno nell’oceano osservano online il comportamento dei pesci e dello zooplancton, che cambia drasticamente sotto saturazioni di ossigeno ridotte (ecoSCOPE) e già a livelli molto bassi di inquinamento delle acque.