Hypoxi (miljö)
syreutarmning är ett fenomen som förekommer i vattenmiljöer eftersom upplöst syre (do; molekylärt syre upplöst i vattnet) reduceras i koncentration till en punkt där det blir skadligt för vattenlevande organismer som lever i systemet. Upplöst syre uttrycks vanligtvis som en procentandel av syret som skulle lösas upp i vattnet vid rådande temperatur och salthalt (som båda påverkar lösligheten av syre i vatten; se syremättnad och under vattnet). Ett vattensystem som saknar upplöst syre (0% mättnad) kallas anaerobt, reducerande eller anoxiskt; ett system med låg koncentration—i intervallet mellan 1 och 30% mättnad—kallas hypoxisk eller dysoxisk. De flesta fiskar kan inte leva under 30% mättnad. Hypoxi leder till försämrad reproduktion av kvarvarande fisk via endokrina störningar. En ”hälsosam” vattenmiljö bör sällan uppleva mindre än 80%. Den exaerobiska zonen finns vid gränsen för anoxiska och hypoxiska zoner.
hypoxi kan förekomma i hela vattenpelaren och även vid höga höjder samt nära sediment på botten. Det sträcker sig vanligtvis över 20-50% av vattenkolonnen, men beroende på vattendjupet och placeringen av pyknokliner (snabba förändringar i vattentäthet med djup). Det kan förekomma i 10-80% av vattenkolonnen. Till exempel, i en 10 meter vattenkolonn kan den nå upp till 2 meter under ytan. I en 20 meter vattenkolonn kan den sträcka sig upp till 8 meter under ytan.
Seasonal killEdit
Hypolimnetisk syreutarmning kan leda till både sommar och vinter ”dödar”. Under sommaren stratifiering, ingångar eller organiskt material och sedimentering av primära producenter kan öka andelen andning i hypolimnion. Om syreutarmningen blir så extrem kan aeroba organismer, som fisk, dö, vilket resulterar i det som kallas ”sommardöd”. Samma fenomen kan uppstå på vintern, men av olika skäl. Under vintern kan IS och snötäcke dämpa ljuset och därmed minska fotosyntesen. Frysningen över sjön förhindrar också interaktioner mellan luft och vatten som möjliggör utbyte av syre. Detta skapar brist på syre medan andningen fortsätter. När syret blir dåligt utarmat kan anaeroba organismer dö, vilket resulterar i en ”vinterdöd”.
orsaker till hypoxiredigera
syreutarmning kan bero på ett antal naturliga faktorer, men är oftast ett problem som en följd av förorening och övergödning där växtnäringsämnen kommer in i en flod, sjö eller hav, och fytoplanktonblomningar uppmuntras. Medan fytoplankton, genom fotosyntes, kommer att öka do-mättnad under dagsljus, minskar den täta populationen av en blom do-mättnad under natten genom andning. När fytoplanktonceller dör sjunker de mot botten och sönderdelas av bakterier, en process som ytterligare minskar DO i vattenspelaren. Om syreutarmningen fortskrider till hypoxi kan fiskdöd inträffa och ryggradslösa djur som maskar och musslor på botten kan också dödas.
hypoxi kan också uppstå i frånvaro av föroreningar. I flodmynningar, till exempel, eftersom sötvatten som strömmar från en flod i havet är mindre tät än saltvatten, kan stratifiering i vattenspelaren resultera. Vertikal blandning mellan vattenkropparna reduceras därför, vilket begränsar tillförseln av syre från ytvattnet till det mer saltlösa bottenvattnet. Syrekoncentrationen i bottenskiktet kan då bli tillräckligt låg för att hypoxi ska uppstå. Områden som är särskilt utsatta för detta inkluderar grunt vatten i halvslutna vattenkroppar som Waddenzee eller Mexikanska golfen, där landavrinningen är betydande. I dessa områden kan en så kallad ”Dödzon” skapas. Förhållanden med lågt upplöst syre är ofta säsongsbetonade, vilket är fallet i Hood Canal och områden i Puget Sound, i Staten Washington. World Resources Institute har identifierat 375 hypoxiska kustzoner runt om i världen, koncentrerade till kustområden i Västeuropa, de östra och södra kusterna i USA och Östasien, särskilt i Japan.
hypoxi kan också vara förklaringen till periodiska fenomen som Mobile Bay jubilee, där vattenlevande liv plötsligt rusar till grundarna, kanske försöker fly från syreutarmat vatten. Nyligen utbredda skaldjur dödar nära kusterna i Oregon och Washington skyllas också på cyklisk dödzonekologi.
fytoplankton breakdownEdit
forskare har fastställt att höga koncentrationer av mineraler som dumpas i vattendrag orsakar betydande tillväxt av fytoplanktonblomningar. Eftersom dessa blommor bryts ner av bakterier och andra taxa, såsom Phanerochaete chrysosporium, syre utarmas av enzymerna i dessa organismer.
uppdelning av ligninredigera
fytoplankton består mestadels av lignin och cellulosa, som bryts ner av enzymer som finns i organismer som P. chrysosporium, känd som vitrot. Nedbrytningen av cellulosa minskar inte syrekoncentrationen i vatten, men nedbrytningen av lignin gör det. Denna nedbrytning av lignin innefattar en oxidativ mekanism och kräver att närvaron av upplöst syre sker av enzymer som ligninperoxidas. Andra svampar som brunrot, mjukrot och blå fläcksvampar är också nödvändiga vid lignintransformation. När denna oxidation äger rum bildas CO2 på sin plats
Ligninperoxidas (LiP) fungerar som det viktigaste enzymet eftersom det är bäst att bryta ner lignin i dessa organismer. LiP stör C – C-bindningar och C-O-bindningar inom lignins tredimensionella struktur, vilket får den att bryta ner. LiP består av tio alfa-helixer, två Ca2+ strukturella joner, liksom en hemgrupp som kallas en tetrapyrrolring. Syre tjänar en viktig roll i den katalytiska cykeln av läpp för att bilda en dubbelbindning på Fe2+ – Jonen i tetrapyrrolringen. Utan närvaro av diatomiskt syre i vattnet kan denna nedbrytning inte ske eftersom Ferrin-Läpp inte kommer att reduceras till Oxyferroheme. Syrgas används för att reducera Ferrin-läpp till Oxyferroheme-Läpp. Oxyferroheme och veratric alcohol kombineras för att skapa syreradikal och Ferri-LiP, som nu kan användas för att bryta ner lignin. Syreradikaler kan inte användas i miljön och är skadliga i hög närvaro i miljön.
när Ferri-LiP finns i ligninperoxidas kan det användas för att bryta ner ligninmolekyler genom att ta bort en fenylpropangrupp åt gången genom antingen lret-mekanismen eller mediatormekanismen. Lret-mekanismen (long range electron transfer mechanism) överför en elektron från tetrapyrrolringen till en molekyl fenylpropan i ett lignin. Denna elektron rör sig på en C-C eller C-o-bindning för att bryta en fenylpropanmolekyl från ligninet och bryta ner den genom att ta bort en fenylpropan åt gången.
i mediatormekanismen aktiveras Läppenzym genom tillsats av väteperoxid för att göra Läppradikal, och en medlare såsom veratrisk alkohol tillsätts och aktiveras och skapar veratrisk alkoholradikal. Veratrisk alkoholradikal överför en elektron för att aktivera fenylpropan på lignin, och elektronen demonterar en C-C eller C-O-bindning för att frigöra en fenylpropan från lignin. När storleken på en ligninmolekyl ökar, desto svårare är det att bryta dessa C-C eller C-O-bindningar. Tre typer av fenylpropanringar inkluderar coniferylalkohol, sinapylalkohol och-kumarylalkohol.
LiP har en mycket låg MolDock-poäng, vilket innebär att det krävs lite energi för att bilda detta enzym och stabilisera det för att utföra reaktioner. LiP har en MolDock-poäng på -156,03 kcal / mol. Detta är energiskt gynnsamt på grund av dess negativa krav på fri energi, och därför kommer denna reaktion som katalyseras av LiP sannolikt att ske spontant. Nedbrytning av propanol och fenoler förekommer naturligt i miljön eftersom de båda är vattenlösliga.
miljöfaktorerredigera
nedbrytningen av fytoplankton i miljön beror på närvaron av syre, och när syre inte längre finns i vattenkropparna kan ligninperoxidaser inte fortsätta att bryta ner ligninet. När syre inte finns i vattnet förändras nedbrytningen av fytoplankton från 10, 7 dagar till totalt 160 dagar för att detta ska ske.
graden av fytoplanktonfördelning kan representeras med hjälp av denna ekvation:
G (t) = G (0) e-k t {\displaystyle G (t)=G (0) e^{- kt}}
i denna ekvation är G (t) mängden partikelformigt organiskt kol (POC) totalt vid en given tidpunkt, t. g(0) är koncentrationen av POC innan nedbrytning sker. k är en hastighetskonstant i år-1, och t är tid i år. För de flesta POC av fytoplankton är k cirka 12,8 år-1, eller cirka 28 dagar för nästan 96% kol att brytas ner i dessa system. För anoxiska system tar POC-uppdelning 125 dagar, över fyra gånger längre. Det tar ungefär 1 mg syre att bryta ner 1 mg POC i miljön, och därför sker hypoxi snabbt eftersom syre används snabbt för att smälta POC. Cirka 9% av POC i fytoplankton kan brytas ner på en enda dag vid 18 kcal C, därför tar det ungefär elva dagar att helt bryta ner en full fytoplankton.
efter att POC har brutits ner kan detta partiklar omvandlas till annat upplöst organiskt kol, såsom koldioxid, bikarbonatjoner och karbonat. Så mycket som 30% av fytoplankton kan delas upp i upplöst organiskt kol. När detta partikelformiga organiska kol interagerar med 350 nm ultraviolett ljus bildas upplöst organiskt kol, vilket tar bort ännu mer syre från miljön i form av koldioxid, bikarbonatjoner och karbonat. Upplöst oorganiskt kol tillverkas med en hastighet av 2,3-6,5 mg/(m^3)dag.
som fytoplanktonnedbrytning blir fri fosfor och kväve tillgänglig i miljön, vilket också främjar hypoxiska förhållanden. När nedbrytningen av dessa fytoplankton äger rum, blir desto mer fosfor till fosfater och nitrogener blir till nitrater. Detta tömmer syret ännu mer i miljön, vilket ytterligare skapar hypoxiska zoner i högre mängder. Eftersom fler mineraler som fosfor och kväve förskjuts i dessa vattensystem ökar tillväxten av fytoplankton kraftigt, och efter deras död bildas hypoxiska zoner.
Lösningarredigera
för att bekämpa hypoxi är det viktigt att minska mängden landbaserade näringsämnen som når floder i avrinning. Detta kan göras genom att förbättra avloppsreningen och genom att minska mängden gödselmedel som läcker ut i floderna. Alternativt kan detta göras genom att återställa naturliga miljöer längs en flod; myrar är särskilt effektiva för att minska mängden fosfor och kväve (näringsämnen) i vatten. Andra naturliga livsmiljöbaserade lösningar inkluderar restaurering av skaldjurspopulationer, såsom ostron. Ostronrev tar bort kväve från vattenspelaren och filtrerar bort suspenderade fasta ämnen, vilket därefter minskar sannolikheten eller omfattningen av skadliga algblomningar eller anoxiska förhållanden. Grundarbetet mot tanken på att förbättra havsvattenkvaliteten genom skaldjursodling genomfördes av Odd Lindahl et al., med musslor i Sverige. Mer involverat än enarts skaldjursodling, integrerat multitrofiskt vattenbruk efterliknar naturliga marina ekosystem och förlitar sig på polykultur för att förbättra havsvattenkvaliteten.
tekniska lösningar är också möjliga, som de som används i det ombyggda Salford Docks-området i Manchester Ship Canal i England, där år av avrinning från avlopp och vägar hade samlats i det långsamma rinnande vattnet. År 2001 infördes ett tryckluftsinsprutningssystem som höjde syrenivåerna i vattnet med upp till 300%. Den resulterande förbättringen av vattenkvaliteten ledde till en ökning av antalet ryggradslösa arter, såsom sötvattensräka, till mer än 30. Lek och tillväxthastigheter för fiskarter som mört och abborre ökade också i en sådan utsträckning att de nu är bland de högsta i England.
på mycket kort tid kan syremättnaden sjunka till noll när offshore blåser vindar Driver ytvatten ut och anoxiskt djupvatten stiger upp. Samtidigt observeras en temperaturminskning och en ökning av salthalten (från longterm ecological observatory I haven vid Kiel Fjord, Tyskland). Nya metoder för långsiktig övervakning av syreregimen i havet observerar online beteendet hos fisk och zooplankton, vilket förändras drastiskt under reducerade syremättnader (ecoSCOPE) och redan vid mycket låga nivåer av vattenföroreningar.