Hipoxie (mediu)
epuizarea oxigenului este un fenomen care apare în mediile acvatice, deoarece oxigenul dizolvat (DO; oxigenul molecular dizolvat în apă) devine redus în concentrație până la un punct în care devine dăunător organismelor acvatice care trăiesc în sistem. Oxigenul dizolvat este de obicei exprimat ca procent din oxigenul care s-ar dizolva în apă la temperatura și salinitatea predominante (ambele afectând solubilitatea oxigenului în apă; vezi saturația oxigenului și sub apă). Un sistem acvatic lipsit de oxigen dizolvat (0% saturație) se numește anaerob, reducător sau anoxic; un sistem cu concentrație scăzută—în intervalul cuprins între 1 și 30% saturație—se numește hipoxic sau disoxic. Majoritatea peștilor nu pot trăi sub 30% saturație. Hipoxia duce la reproducerea afectată a peștilor rămași prin tulburări endocrine. Un mediu acvatic” sănătos ” ar trebui să aibă rareori mai puțin de 80%. Zona exaerobă se găsește la limita zonelor anoxice și hipoxice.
hipoxia poate apărea pe toată coloana de apă și, de asemenea, la altitudini mari, precum și în apropierea sedimentelor de pe fund. De obicei se extinde pe parcursul a 20-50% din coloana de apă, dar în funcție de adâncimea apei și locația picnoclinelor (modificări rapide ale densității apei cu adâncimea). Poate apărea în 10-80% din coloana de apă. De exemplu, într-o coloană de apă de 10 metri, poate ajunge până la 2 metri sub suprafață. Într-o coloană de apă de 20 de metri, se poate extinde până la 8 metri sub suprafață.
killEdit sezonier
epuizarea hipolimnetică a oxigenului poate duce atât la „ucideri”de vară, cât și de iarnă. În timpul stratificării de vară, intrările sau materia organică și sedimentarea producătorilor primari pot crește ratele de respirație în hipolimnion. Dacă epuizarea oxigenului devine atât de extremă, organismele aerobe, cum ar fi peștii, pot muri, rezultând ceea ce este cunoscut sub numele de „ucidere de vară”. Aceleași fenomene pot apărea în timpul iernii, dar din diferite motive. În timpul iernii, gheața și stratul de zăpadă pot atenua lumina și, prin urmare, pot reduce ratele de fotosinteză. Înghețarea lacului previne, de asemenea, interacțiunile aer-apă care permit schimbul de oxigen. Acest lucru creează o lipsă de oxigen în timp ce respirația continuă. Când oxigenul devine slab epuizat, organismele anaerobe pot muri, rezultând o „ucidere de iarnă”.
cauzele hipoxieimodificare
epuizarea oxigenului poate rezulta dintr-o serie de factori naturali, dar este cel mai adesea o preocupare ca o consecință a poluării și eutrofizării în care nutrienții plantelor intră într-un râu, lac sau ocean, iar florile de fitoplancton sunt încurajate. În timp ce fitoplanctonul, prin fotosinteză, va crește saturația DO în timpul zilei, populația densă a unei flori reduce saturația DO în timpul nopții prin respirație. Când celulele fitoplanctonului mor, acestea se scufundă spre fund și sunt descompuse de bacterii, un proces care reduce și mai mult DO în coloana de apă. Dacă epuizarea oxigenului progresează spre hipoxie, pot apărea ucideri ale peștilor și nevertebratele precum viermii și scoicile de pe fund pot fi ucise și ele.
hipoxia poate apărea și în absența poluanților. În estuare, de exemplu, deoarece apa dulce care curge dintr-un râu în mare este mai puțin densă decât apa sărată, poate rezulta stratificarea în coloana de apă. Prin urmare, amestecarea verticală între corpurile de apă este redusă, restricționând furnizarea de oxigen din apele de suprafață către apele de fund mai saline. Concentrația de oxigen din stratul inferior poate deveni suficient de scăzută pentru a apărea hipoxia. Zonele deosebit de predispuse la acest lucru includ apele puțin adânci ale corpurilor de apă semi-închise, cum ar fi Waddenzee sau Golful Mexic, unde scurgerea terenului este substanțială. În aceste zone se poate crea o așa-numită „zonă moartă”. Condițiile scăzute de oxigen dizolvat sunt adesea sezoniere, așa cum este cazul în canalul Hood și zonele din Puget Sound, în statul Washington. Institutul Mondial de Resurse a identificat 375 de zone de coastă hipoxice din întreaga lume, concentrate în zonele de coastă din Europa de Vest, coastele de Est și de Sud ale SUA și Asia de Est, în special în Japonia.
hipoxia poate fi, de asemenea, explicația fenomenelor periodice, cum ar fi jubileul Mobile Bay, unde viața acvatică se grăbește brusc spre adâncuri, încercând probabil să scape de apa epuizată de oxigen. Recentele ucideri de crustacee răspândite în apropierea coastelor Oregonului și Washingtonului sunt, de asemenea, puse pe seama ecologiei ciclice a zonei moarte.
distrugerea fitoplanctonului
oamenii de știință au stabilit că concentrațiile mari de minerale aruncate în corpurile de apă determină o creștere semnificativă a florilor fitoplanctonului. Deoarece aceste flori sunt defalcate de bacterii și alți taxoni, cum ar fi Phanerochaete chrysosporium, oxigenul este epuizat de enzimele acestor organisme.
defalcarea ligninei
fitoplanctonul este alcătuit în mare parte din lignină și celuloză, care sunt defalcate de enzime prezente în organisme precum P. chrysosporium, cunoscut sub numele de putregai alb. Descompunerea celulozei nu diminuează concentrația de oxigen în apă, dar descompunerea ligninei o face. Această descompunere a ligninei include un mecanism oxidativ și necesită prezența oxigenului dizolvat pentru a avea loc de enzime precum ligninperoxidaza. Alte ciuperci, cum ar fi putregaiul brun, putregaiul moale și ciupercile cu pete albastre, sunt, de asemenea, necesare în transformarea ligninei. Pe măsură ce are loc această oxidare, CO2 se formează în locul său
Ligninperoxidaza (Buza) servește ca enzimă cea mai importantă, deoarece este cea mai bună la descompunerea ligninei în aceste organisme. Buza perturbă legăturile C-C și legăturile C-O în structura tridimensională a ligninei, determinând descompunerea acesteia. Buza este formată din zece helice alfa, doi ioni structurali Ca2+, precum și un grup heme numit inel tetrapirol. Oxigenul servește un rol important în ciclul catalitic al buzei pentru a forma o dublă legătură pe ionul Fe2+ din inelul tetrapirol. Fără prezența oxigenului diatomic în apă, această defalcare nu poate avea loc, deoarece Ferrin-LiP nu va fi redusă în Oxiferroheme. Gazul de oxigen este utilizat pentru a reduce Ferrin-LiP în Oxiferroheme-LiP. Oxiferroheme și alcoolul veratric se combină pentru a crea radicali de oxigen și Ferri-buze, care pot fi acum folosite pentru a degrada lignina. Radicalii de oxigen nu pot fi utilizați în mediu și sunt dăunători în prezența ridicată în mediu.
odată ce Ferilipsa este prezentă în ligninperoxidază, aceasta poate fi utilizată pentru a descompune moleculele de lignină prin eliminarea unei grupări fenilpropane la un moment dat, fie prin mecanismul LRET, fie prin mecanismul mediator. Mecanismul LRET (mecanismul de transfer de electroni cu rază lungă de acțiune) transferă un electron din inelul tetrapirol pe o moleculă de fenilpropan într-o lignină. Acest electron se deplasează pe o legătură C-C sau C-O pentru a rupe o moleculă de fenilpropan din lignină, descompunându-l prin îndepărtarea unui fenilpropan la un moment dat.
în mecanismul de mediator, enzima buzelor este activată prin adăugarea de peroxid de hidrogen pentru a face radicalul buzelor și se adaugă și se activează un mediator, cum ar fi alcoolul veratric, creând radicalul alcoolului veratric. Radicalul alcoolic Veratric transferă un electron pentru a activa fenilpropanul pe lignină, iar electronul demontează o legătură C-C sau C-O pentru a elibera un fenilpropan din lignină. Pe măsură ce mărimea unei molecule de lignină crește, cu atât este mai dificilă ruperea acestor legături C-C sau C-O. Trei tipuri de inele de fenil propan includ alcoolul coniferilic, alcoolul sinapilic și alcoolul-cumarilic.
LiP are un scor de mucegai foarte scăzut, ceea ce înseamnă că este necesară puțină energie pentru a forma această enzimă și a o stabiliza pentru a efectua reacții. LiP are un scor de mucegai de -156,03 kcal / mol. Acest lucru este favorabil din punct de vedere energetic datorită cerințelor sale negative de energie liberă și, prin urmare, această reacție catalizată de LiP este probabil să aibă loc spontan. Defalcarea propanolului și a fenolilor apare în mod natural în mediu, deoarece ambele sunt solubile în apă.
factorii de mediuModificare
descompunerea fitoplanctonului în mediu depinde de prezența oxigenului și, odată ce oxigenul nu mai este în corpurile de apă, ligninperoxidazele nu pot continua să descompună lignina. Când oxigenul nu este prezent în apă, descompunerea fitoplanctonului se schimbă de la 10,7 zile la un total de 160 de zile pentru ca acest lucru să aibă loc.
rata de defalcare a fitoplanctonului poate fi reprezentată folosind această ecuație:
G ( t) = G ( 0) e − k t {\displaystyle G (t) = G (0)e^{- kt}}
în această ecuație, G (t) este cantitatea de particule carbon organic(POC) global la un moment dat, t. G (0) este concentrația de POC înainte de a avea loc defalcarea. k este o constantă a ratei în anul 1, iar t este timpul în ani. Pentru majoritatea POC de fitoplancton, k este în jur de 12,8 ani-1 sau aproximativ 28 de zile pentru ca aproape 96% din carbon să fie descompus în aceste sisteme. În timp ce pentru sistemele anoxice, defalcarea POC durează 125 de zile, de peste patru ori mai mult. Este nevoie de aproximativ 1 mg de oxigen pentru a descompune 1 mg de POC în mediu și, prin urmare, hipoxia are loc rapid, deoarece oxigenul este consumat rapid pentru a digera POC. Aproximativ 9% din POC în fitoplancton pot fi defalcate într-o singură zi la 18 C, prin urmare, este nevoie de aproximativ unsprezece zile pentru a descompune complet un fitoplancton complet.
după descompunerea POC, această particulă poate fi transformată în alt carbon organic dizolvat, cum ar fi dioxidul de carbon, ionii de bicarbonat și carbonatul. Până la 30% din fitoplancton poate fi descompus în carbon organic dizolvat. Când acest carbon organic în particule interacționează cu lumina ultravioletă de 350 nm, se formează carbon organic dizolvat, eliminând și mai mult oxigen din mediu sub formă de dioxid de carbon, ioni de bicarbonat și carbonat. Carbonul anorganic dizolvat se face la o rată de 2,3-6,5 mg/(m^3)zi.
pe măsură ce fitoplanctonul se descompune, fosforul și azotul liber devin disponibile în mediu, ceea ce favorizează și condițiile hipoxice. Pe măsură ce are loc descompunerea acestor fitoplancton, cu atât mai mult fosforul se transformă în fosfați, iar nitrogenii se transformă în nitrați. Acest lucru epuizează oxigenul și mai mult în mediu, creând în continuare zone hipoxice în cantități mai mari. Pe măsură ce mai multe minerale, cum ar fi fosforul și azotul, sunt deplasate în aceste sisteme acvatice, creșterea fitoplanctonului crește foarte mult, iar după moartea lor se formează zone hipoxice.
soluții
pentru a combate hipoxia, este esențial să se reducă cantitatea de nutrienți derivați de teren care ajung în râuri în scurgere. Acest lucru se poate face prin îmbunătățirea tratării apelor uzate și prin reducerea cantității de îngrășăminte care se scurge în râuri. Alternativ, acest lucru se poate face prin refacerea mediilor naturale de-a lungul unui râu; mlaștinile sunt deosebit de eficiente în reducerea cantității de fosfor și azot (nutrienți) din apă. Alte soluții bazate pe habitat natural includ restaurarea populațiilor de crustacee, cum ar fi stridiile. Recifele de stridii elimină azotul din coloana de apă și filtrează solidele suspendate, reducând ulterior Probabilitatea sau amploarea înfloririi dăunătoare a algelor sau a condițiilor anoxice. Lucrările fundamentale pentru ideea îmbunătățirii calității apei marine prin cultivarea crustaceelor au fost efectuate de Odd Lindahl și colab., folosind midii în Suedia. Mai implicată decât cultivarea crustaceelor dintr-o singură specie, acvacultura multi-trofică integrată imită ecosistemele marine naturale, bazându-se pe policultură pentru a îmbunătăți calitatea apei marine.
sunt posibile și soluții tehnologice, cum ar fi cea utilizată în zona Salford Docks reamenajată a canalului navei Manchester din Anglia, unde s-au acumulat ani de scurgere din canalizare și drumuri în apele curgătoare lente. În 2001 a fost introdus un sistem de injecție cu aer comprimat, care a ridicat nivelul de oxigen din apă cu până la 300%. Îmbunătățirea rezultată a calității apei a dus la o creștere a numărului de specii de nevertebrate, cum ar fi creveții de apă dulce, la peste 30. Ratele de reproducere și de creștere a speciilor de pești, cum ar fi roach și biban, au crescut, de asemenea, într-o asemenea măsură încât sunt acum printre cele mai ridicate din Anglia.
într-un timp foarte scurt, saturația oxigenului poate scădea la zero atunci când vânturile care suflă în larg scot apa de suprafață și apa de adâncime anoxică se ridică. În același timp, se observă o scădere a temperaturii și o creștere a salinității (de la Observatorul ecologic pe termen lung din mări la Fiordul Kiel, Germania). Noi abordări ale monitorizării pe termen lung a regimului de oxigen din ocean observă online comportamentul peștilor și zooplanctonului, care se schimbă drastic sub saturații reduse de oxigen (ecoscop) și deja la niveluri foarte scăzute de poluare a apei.