stringtranslate.com

Бескислородные воды

Бескислородные воды – это участки морской воды , пресной воды или грунтовых вод , обедненные растворенным кислородом . Геологическая служба США определяет бескислородные грунтовые воды как воды с концентрацией растворенного кислорода менее 0,5 миллиграммов на литр. [1] Бескислородные воды можно противопоставить гипоксическим водам , в которых мало (но не отсутствует) растворенного кислорода. Это состояние обычно встречается в районах с ограниченным водообменом.

В большинстве случаев попаданию кислорода на более глубокие уровни препятствует физический барьер [2] , а также выраженная плотностная стратификация, при которой, например, более тяжелые гиперсоленые воды покоятся на дне бассейна. Аноксические условия возникнут, если скорость окисления органических веществ бактериями превышает поступление растворенного кислорода .

Бескислородные воды являются природным явлением [3] и наблюдались на протяжении всей геологической истории. Пермско -триасовое вымирание , массовое вымирание видов в Мировом океане, возможно, было результатом широко распространенных бескислородных условий в сочетании с закислением океана, вызванным массовым выбросом углекислого газа в атмосферу Земли. [4] Многие озера имеют постоянный или временный бескислородный слой, созданный в результате дыхания, истощающего кислород на глубине, и термической стратификации, препятствующей его пополнению. [5]

Бескислородные бассейны существуют в Балтийском море , [6] Черном море , желобе Кариако , различных долинах фьордов и в других местах. [7] Эвтрофикация , вероятно, увеличила протяженность бескислородных зон в таких районах, как Балтийское море, Мексиканский залив , [8] и канал Худ в штате Вашингтон. [9]

Причины и последствия

Бескислородные условия возникают в результате сочетания условий окружающей среды, включая расслоение по плотности , [10] попадание органических материалов или других восстановителей , а также физические барьеры для циркуляции воды. Во фьордах неглубокие пороги у входа могут препятствовать циркуляции, тогда как на границах континентов циркуляция может быть особенно низкой, тогда как поступление органического материала в результате производства на верхних уровнях исключительно велико. [11] При очистке сточных вод отсутствие кислорода само по себе обозначается как бескислородное , в то время как термин анаэробный используется для обозначения отсутствия какого-либо общего акцептора электронов, такого как нитрат , сульфат или кислород.

Когда кислород в бассейне истощается, бактерии сначала обращаются к второму лучшему акцептору электронов, которым в морской воде является нитрат . Происходит денитрификация , и нитраты расходуются довольно быстро. После восстановления некоторых других второстепенных элементов бактерии перейдут к восстановлению сульфата . В результате образуется побочный продукт сероводорода (H 2 S), химического вещества, токсичного для большинства биоты и ответственного за характерный запах «тухлого яйца» и темно-черный цвет осадка: [12] [13]

2 СН 2 О + ТАК2−
4→ 2 ОЗ−
3+ H 2 S + химическая энергия

Эти сульфиды в основном окисляются либо до сульфатов (~90%) в более богатой кислородом воде, либо выпадают в осадок и превращаются в пирит (~10%) в соответствии со следующими химическими уравнениями: [13]

  1. ЧАС 2 S ⇌ HS − + Ч +
    HS − + 2 О 2 → HSO−
    4
  2. H 2 S ⇌ HS − + H +
    Fe 2+ + HS − → FeS + H +
    FeS + H 2 S → FeS 2 + H 2

Некоторые хемолитотрофы также могут способствовать окислению сероводорода в элементарную серу в соответствии со следующим химическим уравнением: [14]

Ч 2 С + О 2 → С + Ч 2 О 2

Аноксия довольно распространена на илистом дне океана, где имеется как большое количество органического вещества, так и низкий уровень притока насыщенной кислородом воды через осадки. Ниже нескольких сантиметров от поверхности поровая вода (вода между отложениями) не содержит кислорода.

На аноксию также влияет биохимическая потребность в кислороде (БПК), то есть количество кислорода, используемое морскими организмами в процессе расщепления органических веществ. На БПК влияют тип присутствующих организмов, pH воды, температура и тип органических веществ, присутствующих в данной местности. БПК напрямую связан с количеством доступного растворенного кислорода, особенно в небольших водоемах, таких как реки и ручьи. По мере увеличения БПК доступный кислород уменьшается. Это вызывает стресс у более крупных организмов. БПК поступает из природных и антропогенных источников, включая мертвые организмы, навоз, сточные воды и городские стоки. [15]

Аноксические состояния, вызванные человеком

Эвтрофикация , приток питательных веществ (фосфатов/нитратов), часто являющийся побочным продуктом сельскохозяйственных стоков и сточных вод, может привести к обильному, но кратковременному цветению водорослей. По завершении цветения мертвые водоросли опускаются на дно и разлагаются до тех пор, пока не будет израсходован весь кислород. Таким примером является Мексиканский залив, где возникает сезонная мертвая зона, которую могут нарушать такие погодные условия, как ураганы и тропическая конвекция. Сброс сточных вод, особенно «осадка», концентрированного в питательных веществах, может нанести особенно вред разнообразию экосистем. Виды, чувствительные к бескислородным условиям, заменяются меньшим количеством более выносливых видов, что снижает общую изменчивость пострадавшей территории. [12]

Постепенные изменения окружающей среды в результате эвтрофикации или глобального потепления могут вызвать серьезные сдвиги кислородно-бескислородного режима. Согласно модельным исследованиям, это может произойти внезапно, с переходом между кислородным состоянием, в котором доминируют цианобактерии , и бескислородным состоянием, в котором присутствуют сульфатредуцирующие бактерии и фототрофные серобактерии . [16]

Суточные и сезонные циклы

Температура водоема напрямую влияет на количество растворенного кислорода, которое он может удерживать. Согласно закону Генри , по мере того, как вода становится теплее, кислород становится в ней менее растворимым. Это свойство приводит к ежедневным циклам аноксии в небольших географических масштабах и сезонным циклам аноксии в более крупных масштабах. Таким образом, водоемы более уязвимы к бескислородным условиям в самый теплый период дня и в летние месяцы. Эта проблема может еще больше усугубляться вблизи промышленных сточных вод, где теплая вода, используемая для охлаждения оборудования, менее способна удерживать кислород, чем бассейн, в который он сбрасывается.

На суточные циклы также влияет активность фотосинтезирующих организмов. Отсутствие фотосинтеза в ночные часы при отсутствии света может привести к усилению бескислородных условий в течение ночи с максимумом вскоре после восхода солнца. [17]

Биологическая адаптация

Реакция отдельных видов на эвтрофикацию может сильно различаться. Например, некоторые организмы, например первичные продуценты, могут очень быстро адаптироваться и даже процветать в бескислородных условиях. Однако большинство организмов чрезвычайно восприимчивы к небольшим изменениям уровня кислорода в воде. Проще говоря, если дышащему организму будет предоставлено мало кислорода или он будет отсутствовать вообще, его шансы на выживание уменьшатся. Таким образом, эвтрофикация и бескислородные условия в воде приводят к уменьшению биоразнообразия.

Например, мягкий коралл Xenia umbellata может противостоять некоторым бескислородным условиям в течение коротких периодов времени, но примерно через 3 недели средняя выживаемость снижается примерно до 81%, и около 40% выживших видов испытывают уменьшение размеров, ухудшение окраски и нарушение перистого состояния. структуры (Simancas-Giraldo et al., 2021). Другой пример восприимчивого организма наблюдается у сиднейской куколки, Anadara трапеции . Обогащенные отложения оказывают летальное и сублетальное воздействие на этого моллюска, и, как указано в [Vadillo Gonzalez et al., 2021], «движение моллюсков в обогащенных отложениях было уменьшено по сравнению с естественными обработками». Это всего лишь несколько примеров из сотен тысяч существующих водных видов, но эти и другие примеры показывают важные результаты.

Исследование, в котором собрано более 850 опубликованных экспериментов, «сообщающих о кислородных порогах и / или летальном времени в общей сложности для 206 видов, охватывающих полный таксономический диапазон донных многоклеточных животных». [18]

Отдельные виды будут иметь разные адаптивные реакции на бескислородные условия в зависимости от их биологической структуры и условий их среды обитания. В то время как некоторые из них способны перекачивать кислород из более высоких уровней воды в осадок, другие адаптации включают специфические гемоглобины для среды с низким содержанием кислорода, медленное движение для снижения скорости метаболизма и симбиотические отношения с анаэробными бактериями. Во всех случаях преобладание избытка питательных веществ приводит к низкому уровню биологической активности и более низкому уровню видового разнообразия, если территория обычно не является бескислородной. [12]

Бескислородные бассейны

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Летучие органические соединения в национальных колодцах грунтовых и питьевых вод: вспомогательная информация: глоссарий» . Геологическая служба США . Проверено 3 декабря 2013 г.
  2. ^ Бьорк, Матс; Коротко, Фред; Маклеод, Элизабет; Пиво, Свен (2008). Управление морскими травами для обеспечения устойчивости к изменению климата . Том 3 рабочих документов научной группы МСОП по устойчивости. Гланд, Швейцария: Международный союз охраны природы (МСОП). п. 24. ISBN 978-2-8317-1089-1.
  3. ^ Ричардс, 1965; Сармьенто 1988-Б
  4. ^ МакЭлвейн, Дженнифер С.; Уэйд-Мерфи, Джессика; Хессельбо, Стивен П. (2005). «Изменения содержания углекислого газа во время бескислородного явления в океане, связанного с проникновением в угли Гондваны». Природа . 435 (7041): 479–482. Бибкод : 2005Natur.435..479M. дои : 10.1038/nature03618. ISSN  0028-0836. PMID  15917805. S2CID  4339259.
  5. ^ Ветцель, Роберт Г. (2001). Лимнология: озерные и речные экосистемы (3-е изд.). Сан-Диего: Академическая пресса. ISBN 0-12-744760-1. ОСЛК  46393244.
  6. ^ Джербо, 1972; Халлберг, 1974
  7. ^ Скей, Дж. М. (1983). «Постоянно бескислородные морские бассейны: обмен веществ через границы». Экологические бюллетени (35): 419–429. ISSN  0346-6868. JSTOR  20112877.
  8. ^ «Ручной сток и доставка питательных веществ в Мексиканский залив с октября 2009 г. по май 2010 г. (предварительно)» . Архивировано из оригинала 29 ноября 2012 г. Проверено 9 февраля 2011 г.
  9. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2011 г. Проверено 5 марта 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  10. ^ Герлах, 1994 г.
  11. ^ Хелли, Джон Дж; Левин, Лиза А. (2004). «Глобальное распространение естественной морской гипоксии на окраинах континентов». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 51 (9): 1159–1168. Бибкод : 2004DSRI...51.1159H. дои : 10.1016/j.dsr.2004.03.009.
  12. ^ abc Кастро, Питер; Хубер, Майкл Э. (2005). Морская биология (5-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN 978-0-07-250934-2.
  13. ^ ab Рикард, Дэвид (2012), «Осадочные сульфиды», Сульфидные отложения и осадочные породы , Развитие седиментологии, том. 65, Elsevier, стр. 543–604, номер документа : 10.1016/B978-0-444-52989-3.00014-3, ISBN. 9780444529893, получено 18 сентября 2021 г.
  14. ^ Лютер, Джордж В.; Финдли, Алисса Дж.; Макдональд, Дэниел Дж.; Оуингс, Шеннон М.; Хэнсон, Томас Э.; Бейнарт, Роксана А.; Гиргис, Питер Р. (2011). «Термодинамика и кинетика окисления сульфидов кислородом: взгляд на неорганически контролируемые реакции и биологически опосредованные процессы в окружающей среде». Границы микробиологии . 2 : 62. дои : 10.3389/fmicb.2011.00062 . ISSN  1664-302X. ПМК 3153037 . ПМИД  21833317. 
  15. ^ «5.2 Растворенный кислород и биохимическая потребность в кислороде» . Вода: мониторинг и оценка . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 3 декабря 2013 г.
  16. ^ Буш; и другие. (2017). «Сдвиги кислородно-бескислородного режима опосредованы обратными связями между биогеохимическими процессами и динамикой микробного сообщества». Природные коммуникации . 8 (1): 789. Бибкод : 2017NatCo...8..789B. дои : 10.1038/s41467-017-00912-x. ПМК 5630580 . ПМИД  28986518. 
  17. ^ «Истощение растворенного кислорода в озере Эри». Мониторинг Великих озер . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 3 декабря 2013 г.
  18. ^ Вакер-Суньер, Ракель; Дуарте, Карлос М. (2008). «Пороги гипоксии морского биоразнообразия». ПНАС . 105 (40): 15452–15457. Бибкод : 2008PNAS..10515452V. дои : 10.1073/pnas.0803833105 . ПМК 2556360 . ПМИД  18824689.