Аноксические воды - это участки морской воды, пресной воды или грунтовых вод , которые обеднены растворенным кислородом и представляют собой более тяжелое состояние гипоксии . Геологическая служба США определяет бескислородные подземные воды как воды с концентрацией растворенного кислорода менее 0,5 миллиграмма на литр. [1] Это состояние обычно встречается в районах с ограниченным водообменом.
В большинстве случаев кислород не может достичь более глубоких уровней из-за физического барьера [2], а также из-за выраженной стратификации плотности, при которой, например, более тяжелые гиперсоленые воды находятся на дне бассейна. Аноксические условия возникнут, если скорость окисления органических веществ бактериями больше, чем поступление растворенного кислорода .
Аноксические воды - это природное явление [3] , которое происходило на протяжении всей геологической истории. Фактически, некоторые постулируют, что событие пермско-триасового вымирания , массовое вымирание видов из Мирового океана, было результатом широко распространенных аноксических условий. В настоящее существуют бескислородных бассейнов, например, в Балтийском море , [4] и в других местах (смотри ниже). В последнее время появились некоторые признаки того, что эвтрофикация увеличила протяженность бескислородных зон в таких областях, как Балтийское море, Мексиканский залив [5] и канал Худ в штате Вашингтон. [6]
Причины и последствия
Аноксические состояния возникают в результате нескольких факторов; например, застойные условия, стратификация плотности , [7] входы органического материала, и сильной термоклины . Примерами являются фьорды (где мелкие пороги на входе предотвращают циркуляцию) и глубокие западные границы океана, где циркуляция особенно низкая, а добыча на верхних уровнях исключительно высока. [ необходимая цитата ] При очистке сточных вод отсутствие одного кислорода обозначается как бескислородный, в то время как термин анаэробный используется для обозначения отсутствия любого общего акцептора электронов, такого как нитрат , сульфат или кислород.
Когда в бассейне заканчивается кислород, бактерии сначала превращаются во второй лучший акцептор электронов, которым в морской воде является нитрат . Происходит денитрификация , и нитрат расходуется довольно быстро. После восстановления некоторых других второстепенных элементов бактерии превратятся в восстанавливающий сульфат . Это приводит к образованию побочного продукта сероводорода (H 2 S), химического вещества, токсичного для большей части биоты и ответственного за характерный запах «тухлых яиц» и темно-черный цвет осадка. [8]
SO 4 −2 + H +1 → H 2 S + H 2 O + химическая энергия
Если бескислородная морская вода подвергнется повторной оксигенации, сульфиды будут окислены до сульфатов в соответствии с химическим уравнением: [ необходима цитата ]
HS - + 2 O 2 → HSO 4 -
или, точнее:
(CH 2 O) 106 (NH 3 ) 16 H 3 PO 4 + 53 SO 4 2- → 53 CO 2 + 53 HCO 3 - + 53 HS - +16 NH 3 + 53 H 2 O + H 3 PO 4
Аноксия довольно часто встречается на илистом дне океана, где присутствует как большое количество органических веществ, так и низкий уровень притока насыщенной кислородом воды через отложения. Ниже нескольких сантиметров от поверхности поровая вода (вода между отложениями) не содержит кислорода.
На аноксию также влияет биохимическая потребность в кислороде (БПК), которая представляет собой количество кислорода, используемого морскими организмами в процессе разложения органических веществ. БПК зависит от типа присутствующих организмов, pH воды, температуры и типа органических веществ, присутствующих в этом районе. БПК напрямую зависит от количества 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 естественных и антропогенных источников, включая мертвые организмы, навоз, сточные воды и городские стоки. [9]
В Балтийском море замедленная скорость разложения в бескислородных условиях оставила замечательно сохранившиеся окаменелости с отпечатками мягких частей тела в Лагерштеттене . [ необходима ссылка ] [10]
Аноксические состояния, вызванные человеком
Эвтрофикация , приток питательных веществ (фосфатов / нитратов), часто являющихся побочным продуктом сельскохозяйственных стоков и сточных вод, может привести к крупному, но недолговечному цветению водорослей. По завершении цветения мертвые водоросли опускаются на дно и разрушаются до тех пор, пока не будет израсходован весь кислород. Таким случаем является Мексиканский залив, где возникает сезонная мертвая зона, которая может нарушаться погодными условиями, такими как ураганы и тропическая конвекция. Сброс сточных вод, особенно концентрированных питательных веществ «ила», может нанести особый ущерб разнообразию экосистем. Виды, чувствительные к бескислородным условиям, заменяются меньшим количеством более выносливых видов, что снижает общую изменчивость пораженной территории. [8]
Постепенные изменения окружающей среды в результате эвтрофикации или глобального потепления могут вызвать серьезные сдвиги кислородно-бескислородного режима. Основываясь на модельных исследованиях, это может происходить внезапно, с переходом между кислородным состоянием, в котором преобладают цианобактерии , и бескислородным состоянием с сульфатредуцирующими бактериями и фототрофными серобактериями . [11]
Суточные и сезонные циклы
Температура воды напрямую влияет на количество растворенного кислорода, которое он может удерживать. Согласно закону Генри , когда вода становится теплее, кислород становится в ней менее растворимым. Это свойство приводит к суточным циклам аноксии в малых географических масштабах и сезонным циклам аноксии в больших масштабах. Таким образом, водоемы более уязвимы для аноксических условий в самый теплый период дня и в летние месяцы. Эта проблема может еще больше усугубиться в непосредственной близости от промышленных стоков, где теплая вода, используемая для охлаждения оборудования, менее способна удерживать кислород, чем резервуар, в который он попадает.
На суточные циклы также влияет активность фотосинтезирующих организмов. Недостаток фотосинтеза в ночное время в отсутствие света может привести к усилению аноксических условий в течение ночи с максимумом вскоре после восхода солнца. [12]
Биологическая адаптация
Организмы адаптировали множество механизмов, чтобы жить в бескислородных осадках. В то время как некоторые из них способны перекачивать кислород из более высоких уровней воды в отложения, другие приспособления включают особые гемоглобины для условий с низким содержанием кислорода, медленное движение для снижения скорости метаболизма и симбиотические отношения с анаэробными бактериями. Во всех случаях преобладание токсичного H 2 S приводит к низким уровням биологической активности и более низкому уровню видового разнообразия, если территория обычно не является бескислородной. [8]
Аноксические бассейны
- Бассейн Баннок в Левантийском море , восточная часть Средиземного моря ;
- Бассейн Черного моря , у восточной Европы, ниже 50 метров (150 футов);
- Бассейн Каспийского моря , ниже 100 метров (300 футов);
- Бассейн Кариако , у северной части центральной Венесуэлы ;
- Готландская впадина в Балтийском море у берегов Швеции ;
- Бассейн Л'Аталанте , восточная часть Средиземного моря
- Мариагер-фьорд у берегов Дании ;
- Бассейн Орки , северо-восток Мексиканского залива ;
- Залив Саанич у острова Ванкувер , Канада ;
Смотрите также
- Аноксическое событие
- Мертвая зона (экология)
- Гипоксия (экологическая)
- Меромиктик
- Мортихния
- Деоксигенация океана
- Зоны минимума кислорода
Рекомендации
- ^ «Летучие органические соединения в подземных водах и колодцах питьевого водоснабжения страны: дополнительная информация: глоссарий» . Геологическая служба США . Проверено 3 декабря 2013 года .
- ^ Бьорк, Матс; Коротко, Фред; Маклеод, Элизабет; Пиво, 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). п. 24 . ISBN 978-2-8317-1089-1.
- ^ Ричардс, 1965; Сармьенто 1988-B
- ^ Джербо, 1972; Hallberg, 1974
- ^ «Сток и доставка питательных веществ в Мексиканский залив с октября 2009 г. по май 2010 г. (предварительная информация)» . Архивировано из оригинала на 2012-11-29 . Проверено 9 февраля 2011 .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2011 года . Проверено 5 марта 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ↑ Герлах, 1994.
- ^ а б в Кастро, Питер; Хубер, Майкл Э. (2005). Морская биология 5-е изд . Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-250934-2.
- ^ «5.2 Потребление растворенного кислорода и биохимическая потребность в кислороде» . Вода: мониторинг и оценка . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 3 декабря 2013 года .
- ^ Nudds, Джон; Селден, Пол (1 июля 2008 г.). «Ископаемое - Лагерштеттен» . Геология сегодня . 24 (4): 153–158. DOI : 10.1111 / j.1365-2451.2008.00679.x . ISSN 1365-2451 .
- ^ Куст; и другие. (2017). «Сдвиги кислородно-бескислородного режима опосредованы обратными связями между биогеохимическими процессами и динамикой микробного сообщества» . Nature Communications . 8 (1): 789. Bibcode : 2017NatCo ... 8..789B . DOI : 10.1038 / s41467-017-00912-х . PMC 5630580 . PMID 28986518 .
- ^ «Истощение растворенного кислорода в озере Эри» . Мониторинг Великих озер . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 3 декабря 2013 года .
- Герлах, С. (1994). «Кислородные условия улучшаются, когда соленость в Балтийском море уменьшается». Бюллетень загрязнения морской среды . 28 (7): 413–416. DOI : 10.1016 / 0025-326X (94) 90126-0 .
- Халлберг, Р.О. (1974) "Палеоредоксовые условия в бассейне Восточного Готланда в последние столетия". Merentutkimuslait . Julk./Havsforskningsinstitutets Skrift, 238: 3-16.
- Джербо, А (1972). "Är Östersjöbottnens syreunderskott en modern företeelse?". Ваттен . 28 : 404–408.
- Фенчел, Том и Финлей, Блэнд Дж. (1995) Экология и эволюция в бескислородных мирах (Оксфордская серия по экологии и эволюции) Oxford University Press. ISBN 0-19-854838-9
- Ричардс, Ф.А. (1965) «Аноксические бассейны и фьорды», в Райли, Дж. П., и Скирроу, Г. (редакторы), Химическая океанография , Лондон, Academic Press, 611-643.
- Sarmiento, JL; Герберт, Т. Д.; Тоггвейлер, младший (1988). «Причины аноксии в мировом океане». Глобальные биогеохимические циклы . 2 (2): 115. Bibcode : 1988GBioC ... 2..115S . DOI : 10.1029 / GB002i002p00115 .
- Sarmiento, JA et al. (1988-B) "Динамика углеродного цикла океана и атмосферный pCO2". Философские труды Лондонского королевского общества, серия A, Математические и физические науки , Vol. 325, No. 1583, Tracers in the Ocean (25 мая 1988 г.), стр. 3–21.
- Ван дер Вилен, PWJJ; Bolhuis, H .; Борин, С .; Daffonchio, D .; Corselli, C .; Giuliano, L .; d'Auria, G .; De Lange, GJ; Huebner, A .; Варнавас, ИП; Thomson, J .; Tamburini, C .; Марти, Д .; McGenity, TJ; Тиммис, кн; Biodeep Scientific, P. (2005). «Загадка прокариотической жизни в глубоких гиперсоленых аноксических бассейнах». Наука . 307 (5706): 121–123. Bibcode : 2005Sci ... 307..121V . DOI : 10.1126 / science.1103569 . PMID 15637281 . S2CID 206507712 ..