stringtranslate.com

Бескислородные воды

Аноксические воды — это области морской воды , пресной воды или грунтовых вод , в которых наблюдается дефицит растворенного кислорода . Геологическая служба США определяет аноксические грунтовые воды как те, в которых концентрация растворенного кислорода составляет менее 0,5 миллиграмма на литр. [1] Аноксические воды можно противопоставить гипоксическим водам , в которых растворенный кислород содержится в малых количествах (но не отсутствует). Это состояние обычно встречается в областях с ограниченным водообменом.

В большинстве случаев кислороду не позволяет достичь более глубоких уровней физический барьер [2] , а также выраженная стратификация плотности, при которой, например, более тяжелые гиперсоленые воды находятся на дне бассейна. Аноксические условия возникнут, если скорость окисления органического вещества бактериями будет больше, чем подача растворенного кислорода .

Аноксические воды являются естественным явлением [3] , и имели место на протяжении всей геологической истории. Пермско-триасовое вымирание , массовое вымирание видов из мировых океанов, могло быть результатом широко распространенных аноксических условий в сочетании с закислением океана, вызванным массовым выбросом углекислого газа в атмосферу Земли. [4] Во многих озерах есть постоянный или временный аноксический слой, созданный дыханием, истощающим кислород на глубине, и термической стратификацией, препятствующей его пополнению. [5]

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

Причины и следствия

Аноксические условия являются результатом сочетания условий окружающей среды, включая стратификацию плотности , [10] поступления органического материала или других восстановителей и физические барьеры для циркуляции воды. Во фьордах мелкие пороги у входа могут препятствовать циркуляции, в то время как на континентальных границах циркуляция может быть особенно низкой, в то время как поступление органического материала от производства на верхних уровнях исключительно велико. [11] При очистке сточных вод отсутствие кислорода само по себе указывается как аноксическое, в то время как термин анаэробный используется для указания на отсутствие любого общего акцептора электронов, такого как нитрат , сульфат или кислород.

Когда в бассейне истощается кислород, бактерии сначала обращаются ко второму по эффективности акцептору электронов, которым в морской воде является нитрат . Происходит денитрификация , и нитрат будет потребляться довольно быстро. После восстановления некоторых других второстепенных элементов бактерии перейдут к восстановлению сульфата . Это приводит к побочному продукту сероводорода (H2S ) , химическому веществу, токсичному для большинства биоты и ответственному за характерный запах «тухлых яиц» и темно-черный цвет осадка: [12] [13]

2 СН2О + SO2−
4→ 2 НСО−
3+ H 2 S + химическая энергия

Эти сульфиды в основном окисляются до сульфатов (~90%) в воде, более богатой кислородом, или выпадают в осадок и преобразуются в пирит (~10%), согласно следующим химическим уравнениям: [13]

  1. ЧАС 2 S ⇌ HS − + Ч +
    HS − + 2 О 2 → HSO−
    4
  2. H2S ⇌ HS− + H + Fe2 + + HS− → FeS + H + FeS + H2S → FeS2 + H2

Некоторые хемолитотрофы также могут способствовать окислению сероводорода в элементарную серу согласно следующему химическому уравнению: [14]

H2S + O2 → S + H2O2​

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

На аноксию дополнительно влияет биохимическая потребность в кислороде (БПК), которая представляет собой количество кислорода, используемого морскими организмами в процессе разложения органического вещества. БПК зависит от типа присутствующих организмов, pH воды, температуры и типа органического вещества, присутствующего в этой области. БПК напрямую связано с количеством доступного растворенного кислорода, особенно в небольших водоемах, таких как реки и ручьи. По мере увеличения БПК доступный кислород уменьшается. Это вызывает нагрузку на более крупные организмы. БПК поступает из природных и антропогенных источников, включая: мертвые организмы, навоз, сточные воды и городские стоки. [15]

Аноксические условия, вызванные деятельностью человека

Эвтрофикация , приток питательных веществ (фосфата/нитрата), часто побочный продукт сельскохозяйственных стоков и сброса сточных вод, может привести к большому, но кратковременному цветению водорослей. После завершения цветения мертвые водоросли опускаются на дно и разлагаются до тех пор, пока не будет израсходован весь кислород. Такой случай — Мексиканский залив, где возникает сезонная мертвая зона, которая может быть нарушена погодными условиями, такими как ураганы и тропическая конвекция. Сброс сточных вод, особенно концентрированного питательного «шлама», может быть особенно губительным для разнообразия экосистемы. Виды, чувствительные к бескислородным условиям, заменяются меньшим количеством более выносливых видов, что снижает общую изменчивость затронутой области. [12]

Постепенные изменения окружающей среды через эвтрофикацию или глобальное потепление могут вызвать значительные изменения оксичного-аноксичного режима. На основе модельных исследований это может произойти резко, с переходом между оксичным состоянием, в котором доминируют цианобактерии , и аноксичным состоянием с сульфатредуцирующими бактериями и фототрофными серными бактериями . [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 менее растворимым в ней. Это свойство приводит к ежедневным аноксическим циклам в небольших географических масштабах и сезонным циклам аноксии в более крупных масштабах. Таким образом, водоемы более уязвимы к аноксическим условиям в самый теплый период дня и в летние месяцы. Эта проблема может еще больше усугубляться вблизи промышленных сбросов, где теплая вода, используемая для охлаждения оборудования, менее способна удерживать кислород, чем бассейн, в который она сбрасывается.

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

Биологическая адаптация

Реакции отдельных видов на эвтрофикацию могут сильно различаться. Например, некоторые организмы, такие как первичные производители, 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 дышащий организм испытывает недостаток или отсутствие кислорода, его шансы на выживание уменьшатся. Таким образом, эвтрофикация и бескислородные условия в воде приводят к снижению биоразнообразия.

Например, мягкий коралл Xenia umbellata может противостоять некоторым аноксическим условиям в течение коротких периодов времени, но примерно через 3 недели средняя выживаемость снижается примерно до 81%, а около 40% выживших видов испытывают уменьшение размера, ослабление окраски и нарушение перистых структур (Simancas-Giraldo et al., 2021). Другой пример восприимчивого организма наблюдается у сиднейской сердцевидки Anadara trapezia . Обогащенные отложения оказывают летальное и сублетальное воздействие на эту сердцевидку, и, как указано в [Vadillo Gonzalez et al., 2021], «перемещение сердцевидок было снижено в обогащенных отложениях по сравнению с естественной обработкой». Это всего лишь несколько примеров из сотен тысяч существующих водных видов, но эти и другие примеры показывают важные результаты.

Исследование, в котором собраны более 850 опубликованных экспериментов, «сообщающих о пороговых значениях кислорода и/или времени летального исхода для 206 видов, охватывающих весь таксономический диапазон бентосных метазоа». [18]

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

Аноксические бассейны

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Летучие органические соединения в грунтовых водах страны и скважинах питьевого водоснабжения: дополнительная информация: глоссарий". Геологическая служба США . Получено 3 декабря 2013 г.
  2. ^ Бьорк, Матс; Шорт, Фред; Маклеод, Элизабет; Бир, Свен (2008). Управление морскими травами для устойчивости к изменению климата . Том 3 Рабочих документов научной группы МСОП по устойчивости. Гланд, Швейцария: Международный союз охраны природы (МСОП). стр. 24. ISBN 978-2-8317-1089-1.
  3. ^ Ричардс, 1965; Сармьенто 1988-B
  4. ^ МакЭлвейн, Дженнифер К.; Уэйд-Мерфи, Джессика; Хессельбо, Стивен П. (2005). «Изменения в углекислом газе во время океанического аноксического события, связанного с вторжением в угли Гондваны». Nature . 435 (7041): 479–482. Bibcode :2005Natur.435..479M. doi :10.1038/nature03618. ISSN  0028-0836. PMID  15917805. S2CID  4339259.
  5. ^ Wetzel, Robert G. (2001). Лимнология: экосистемы озер и рек (3-е изд.). Сан-Диего: Academic Press. ISBN 0-12-744760-1. OCLC  46393244.
  6. ^ Джербо, 1972; Холлберг, 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. ^ "Сток реки и поступление питательных веществ в Мексиканский залив с октября 2009 г. по май 2010 г. (предварительные данные)". Архивировано из оригинала 29.11.2012 . Получено 09.02.2011 .
  9. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-09-27 . Получено 2013-03-05 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  10. ^ Герлах, 1994
  11. ^ Хелли, Джон Дж.; Левин, Лиза А. (2004). «Глобальное распределение естественной морской гипоксии на континентальных окраинах». Deep Sea Research Часть I: Oceanographic Research Papers . 51 (9): 1159–1168. Bibcode : 2004DSRI...51.1159H. doi : 10.1016/j.dsr.2004.03.009.
  12. ^ abc Кастро, Питер; Хубер, Майкл Э. (2005). Морская биология (5-е изд.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-250934-2.
  13. ^ ab Рикард, Дэвид (2012), «Осадочные сульфиды», Сульфидные осадки и осадочные породы , Развитие седиментологии, т. 65, Elsevier, стр. 543–604, doi :10.1016/B978-0-444-52989-3.00014-3, ISBN 9780444529893, получено 2021-09-18
  14. ^ Лютер, Джордж У.; Финдли, Алисса Дж.; Макдональд, Дэниел Дж.; Оуингс, Шеннон М.; Хансон, Томас Э.; Бейнарт, Роксанна А.; Жиргис, Питер Р. (2011). «Термодинамика и кинетика окисления сульфида кислородом: взгляд на неорганически контролируемые реакции и биологически опосредованные процессы в окружающей среде». Frontiers in Microbiology . 2 : 62. doi : 10.3389/fmicb.2011.00062 . ISSN  1664-302X. PMC 3153037. PMID 21833317  . 
  15. ^ "5.2 Растворенный кислород и биохимическая потребность в кислороде". Вода: мониторинг и оценка . Агентство по охране окружающей среды США . Получено 3 декабря 2013 г.
  16. ^ Буш и др. (2017). «Сдвиги оксично-аноксичного режима, опосредованные обратными связями между биогеохимическими процессами и динамикой микробного сообщества». Nature Communications . 8 (1): 789. Bibcode :2017NatCo...8..789B. doi :10.1038/s41467-017-00912-x. PMC 5630580 . PMID  28986518. 
  17. ^ "Истощение растворенного кислорода в озере Эри". Мониторинг Великих озер . Агентство по охране окружающей среды США . Получено 3 декабря 2013 г.
  18. ^ Vaquer-Sunyer, Raquel; Duarte, Carlos M. (2008). «Пороги гипоксии для морского биоразнообразия». PNAS . 105 (40): 15452–15457. Bibcode : 2008PNAS..10515452V. doi : 10.1073/pnas.0803833105 . PMC 2556360. PMID  18824689 .