Wody beztlenowe - Anoxic waters

Wody beztlenowe to obszary wody morskiej, słodkiej lub gruntowej, które są zubożone w rozpuszczony tlen i są stanami niedotlenienia . US Geological Survey definiuje beztlenowe wody gruntowe jako te o stężeniu rozpuszczonego tlenu poniżej 0,5 miligrama na litr. Ten stan występuje na ogół na obszarach o ograniczonej wymianie wody.

W większości przypadków dostęp tlenu do głębszych poziomów uniemożliwia bariera fizyczna, a także wyraźna stratyfikacja gęstości, w której na przykład cięższe wody nadsolone spoczywają na dnie basenu. Warunki beztlenowe wystąpią, jeśli tempo utleniania materii organicznej przez bakterie będzie większe niż podaż rozpuszczonego tlenu .

Wody beztlenowe są zjawiskiem naturalnym i występowały w historii geologicznej. W rzeczywistości niektórzy postulują, że wymieranie permsko-triasowe , masowe wymieranie gatunków z oceanów, było wynikiem szeroko rozpowszechnionych warunków beztlenowych. Obecnie baseny beztlenowe istnieją na przykład w Morzu Bałtyckim i gdzie indziej (patrz niżej). Ostatnio pojawiły się pewne oznaki, że eutrofizacja zwiększyła zasięg stref beztlenowych na obszarach takich jak Morze Bałtyckie, Zatoka Meksykańska i Kanał Hood w stanie Waszyngton.

Przyczyny i skutki

Warunki anoksyczne wynikają z kilku czynników; na przykład warunki stagnacji , stratyfikacja gęstości , nakłady materiału organicznego i silne termokliny . Przykładami są fiordy (gdzie płytkie progi u ich wejścia uniemożliwiają cyrkulację) i głębokie zachodnie granice oceanów, gdzie cyrkulacja jest szczególnie niska, podczas gdy produkcja na wyższych poziomach jest wyjątkowo wysoka. W oczyszczaniu ścieków , brak samego tlenu jest wskazywany jako beztlenowy, podczas gdy termin beztlenowy jest używany do wskazania braku jakiegokolwiek wspólnego akceptora elektronów, takiego jak azotan , siarczan lub tlen.

Po wyczerpaniu się tlenu w basenie bakterie najpierw zwracają się do drugiego najlepszego akceptora elektronów, którym w wodzie morskiej jest azotan . Następuje denitryfikacja , a azotan zostanie zużyty dość szybko. Po redukcji kilku innych drobnych pierwiastków bakterie przejdą na redukcję siarczanu . Powoduje to powstanie produktu ubocznego siarkowodoru (H 2 S), substancji chemicznej toksycznej dla większości organizmów żywych i odpowiedzialnej za charakterystyczny zapach „zgniłego jajka” i ciemnoczarny kolor osadu:

2 CH 2 O + SO 4 2- → 2 HCO 3 - + H 2 S + energia chemiczna

Te siarczki będą w większości utleniane do siarczanów (~90%) w wodzie o większej zawartości tlenu lub wytrącane i przekształcane w piryt (~10%), zgodnie z następującymi równaniami chemicznymi:

(1) H 2 S ⇌ HS - + H +

HS - + 2 O 2 → HS 4 -

(2) H 2 S ⇌ HS - + H +

Fe 2+ + HS -FeS + H +

FeS + H 2 S → FeS 2 + H 2

Niektóre chemolitotrofy mogą również ułatwiać utlenianie siarkowodoru do siarki elementarnej , zgodnie z następującym równaniem chemicznym:

H 2 S + O 2 → S 0 + H 2 O 2

Anoksja jest dość powszechna w mulistych dnach oceanów, gdzie występują zarówno duże ilości materii organicznej, jak i niski poziom napływu natlenionej wody przez osad. Poniżej kilku centymetrów od powierzchni woda międzywęzłowa (woda między osadami) jest pozbawiona tlenu.

Na anoksję dodatkowo wpływa biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT), czyli ilość tlenu zużywanego przez organizmy morskie w procesie rozkładu materii organicznej. BZT zależy od rodzaju obecnych organizmów, pH wody, temperatury i rodzaju materii organicznej obecnej na danym obszarze. BZT jest bezpośrednio związany z ilością dostępnego rozpuszczonego tlenu, zwłaszcza w mniejszych zbiornikach wodnych, takich jak rzeki i strumienie. Wraz ze wzrostem BZT zmniejsza się dostępny tlen. To powoduje stres u większych organizmów. BZT pochodzi ze źródeł naturalnych i antropogenicznych, w tym z martwych organizmów, obornika, ścieków i ścieków miejskich.

W Morzu Bałtyckim spowolnione tempo rozkładu w warunkach beztlenowych pozostawiło w Lagerstätten znakomicie zachowane skamieliny z odciskami miękkich części ciała .

Anoksyczność spowodowana przez człowieka

Eutrofizacja , napływ substancji odżywczych (fosforanów/azotanów), często produkt uboczny spływów rolniczych i odprowadzania ścieków, może powodować duże, ale krótkotrwałe zakwity glonów. Po zakończeniu kwitnienia martwe glony opadają na dno i rozkładają się, aż cały tlen zostanie zużyty. Takim przypadkiem jest Zatoka Meksykańska, gdzie występuje sezonowa martwa strefa, którą mogą zakłócać wzorce pogodowe, takie jak huragany i konwekcja tropikalna. Zrzut ścieków, w szczególności „szlamu” zawierającego składniki odżywcze, może być szczególnie szkodliwy dla różnorodności ekosystemów. Gatunki wrażliwe na warunki beztlenowe są zastępowane mniej odpornymi gatunkami, co zmniejsza ogólną zmienność dotkniętego obszaru.

Stopniowe zmiany środowiskowe w wyniku eutrofizacji lub globalnego ocieplenia mogą spowodować poważne zmiany reżimu tlenowo-beztlenowego. W oparciu o badania modelowe może to nastąpić nagle, z przejściem między stanem tlenowym zdominowanym przez sinice , a stanem beztlenowym z bakteriami redukującymi siarczany i fototroficznymi bakteriami siarkowymi .

Cykle dobowe i sezonowe

Temperatura akwenu bezpośrednio wpływa na ilość rozpuszczonego w nim tlenu. Zgodnie z prawem Henry'ego , gdy woda staje się cieplejsza, tlen staje się w niej mniej rozpuszczalny. Ta właściwość prowadzi do dobowych cykli anoksji w małych skalach geograficznych i sezonowych cykli anoksji w większej skali. Tym samym zbiorniki wodne są bardziej podatne na warunki beztlenowe w najcieplejszych porach dnia i miesiącach letnich. Problem ten może się dodatkowo nasilać w pobliżu zrzutu przemysłowego, gdzie ciepła woda używana do chłodzenia maszyn ma mniejszą zdolność zatrzymywania tlenu niż zbiornik, do którego jest uwalniany.

Na cykle dobowe ma również wpływ aktywność organizmów fotosyntetyzujących. Brak fotosyntezy w godzinach nocnych przy braku światła może skutkować intensyfikacją warunków beztlenowych w ciągu nocy z maksimum tuż po wschodzie słońca.

Adaptacja biologiczna

Organizmy przystosowały różne mechanizmy do życia w osadach beztlenowych. Podczas gdy niektóre są w stanie pompować tlen z wyższych poziomów wody do osadu, inne adaptacje obejmują specyficzne hemoglobiny dla środowisk o niskiej zawartości tlenu, powolny ruch w celu zmniejszenia tempa metabolizmu i symbiotyczne relacje z bakteriami beztlenowymi. We wszystkich przypadkach występowanie toksycznego H 2 S skutkuje niskim poziomem aktywności biologicznej i niższym poziomem różnorodności gatunkowej, jeśli obszar nie jest normalnie beztlenowy.

Umywalki anoksyczne

Zobacz też

Bibliografia

  • Gerlach, S. (1994). „Warunki tlenowe poprawiają się, gdy zmniejsza się zasolenie Morza Bałtyckiego”. Biuletyn Zanieczyszczeń Morskich . 28 (7): 413–416. doi : 10.1016/0025-326X(94)90126-0 .
  • Hallberg, RO (1974) „Warunki paleoredoksu we Wschodniej Kotlinie Gotlandii w ostatnich stuleciach”. Merentutkimuslait . Julk./Havsforskningsinstitutets Skrift, 238: 3-16.
  • Jerbo, A (1972). „Ęr Östersjöbottnens syreunderskott en modern företeelse?”. Vatten . 28 : 404–408.
  • Fenchel, Tom & Finlay, Bland J. (1995) Ecology and Evolution in Anoxic Worlds (Oxford Series in Ecology and Evolution) Oxford University Press. ISBN  0-19-854838-9
  • Richards, FA (1965) „Niedotlenione baseny i fiordy”, w Riley, JP i Skirrow, G. (red.) Chemical Oceanography , London, Academic Press, 611-643.
  • Sarmiento, JL; Herberta, TD; Toggweiler, JR (1988). „Przyczyny niedotlenienia oceanu na świecie”. Globalne cykle biogeochemiczne . 2 (2): 115. Kod bib : 1988GBioC...2..115S . doi : 10.1029/GB002i002p00115 .
  • Sarmiento, JA i in. (1988-B) „Dynamika obiegu węgla w oceanie i atmosferycznego pCO2”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, Mathematical and Physical Sciences , tom. 325, No. 1583, Tracers in the Ocean (25 maja 1988), s. 3-21.
  • Van Der Wieleń, PWJJ; Bolhuis, H.; Borin S.; Daffonchio, D.; Corselli, C.; Giuliano L.; d'Auria, G.; De Lange, GJ; Huebner, A.; Warnawas, SP; Thomson, J.; Tamburini, C.; Marty, D.; McGenity, TJ; Timmis, KN; Biodeep Scientific, P. (2005). „Zagadka życia prokariotycznego w głębokich basenach beztlenowych hipersolnych”. Nauka . 307 (5706): 121-123. Kod Bibcode : 2005Sci...307..121V . doi : 10.1126/science.1103569 . PMID  15637281 . S2CID  206507712 ..