貧酸素水塊(環境)

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海洋低酸素症の世界的な地域2009
外洋および沿岸水域における低酸素レベルと低下酸素レベルの世界地図。[1]この地図は、人為的栄養素が悪化した、または酸素が2 mg / l未満(63μmol/ l未満)(赤い点)に低下した沿岸地域と、300 mの海洋酸素最小ゾーン(青い影付きの領域)を示しています。 。[2]

低酸素症は、低酸素状態を指します。通常、大気中のガスの20.9%は酸素です。分圧雰囲気中の酸素は、全気圧20.9%です。[3]水中では、酸素レベルははるかに低く、良質の水では約7 ppmまたは0.0007%であり、光合成生物の存在と表面までの相対距離に応じて局所的に変動します(空気中の酸素が多い場合は、分圧勾配全体に拡散します)。[4]

大気中の低酸素症

大気中の低酸素症は、高地で自然に発生します。高度が上がると大気圧が下がり、低圧酸素症として定義される酸素分圧が低くなります。酸素は、空気(または血液)中の酸素の割合が減少する低酸素低酸素症とは異なり、全ガス混合物の20.9%のままです。これは、デバネズミなどの一部の地下動物の密閉された巣穴で一般的です[5]大気中の低酸素症は、エリートアスリートのトレーニングの標準的な部分である高度トレーニングの基礎でもあります。いくつかの企業は、圧人工大を使用して低酸素症を模倣しています。

水生低酸素症

酸素の枯渇は、溶存酸素DO ;水に溶解した分子状酸素)の濃度が低下し、システム内に生息する水生生物に悪影響を与えるため、水生環境で発生する現象です。溶存酸素は通常、一般的な温度と塩分で水に溶解する酸素のパーセンテージとして表されます(どちらも水への酸素の溶解度に影響します。酸素飽和度水中を参照してください)。溶存酸素(飽和度0%)を欠く水系は、嫌気性、還元性、または無酸素性と呼ばれます。飽和度が1〜30%の範囲の低濃度のシステムは、低酸素またはdysoxic。ほとんどの魚は、化学エネルギーを酸素に依存しているため、飽和度が30%未満では生きられません。[6]低酸素症は、内分泌かく乱を介して残りの魚の繁殖障害を引き起こします。[7]「健康な」水生環境では、飽和度が80%未満になることはめったにありません。exaerobicゾーンは無酸素および低酸素ゾーンの境界で発見されました。

低酸素症は、水柱全体、高地、および底質の近くで発生する可能性があります。通常、水柱の20〜50%に広がりますが、水深と密度躍層の位置(水深に伴う水密度の急激な変化)によって異なります。水柱の10〜80%で発生する可能性があります。たとえば、10メートルの水柱では、水面下2メートルまで到達する可能性があります。20メートルの水柱では、水面下8メートルまで伸びることがあります。[8]

季節の殺害

酸素水塊の枯渇は、夏と冬の両方の「殺害」につながる可能性があります。夏の層化の間、投入または有機物と一次生産者の沈降下垂体呼吸速度を増加させる可能性があります。酸素の枯渇が極端になると、魚などの好気性生物が死んで、「サマーキル」と呼ばれるものが発生する可能性があります。[9]同じ現象が冬にも発生する可能性がありますが、理由は異なります。冬の間、氷と積雪は減衰する可能性があります光、したがって光合成の速度を低下させます。湖の凍結はまた、酸素の交換を可能にする空気と水の相互作用を防ぎます。これにより、呼吸が続く間、酸素が不足します。酸素がひどく枯渇すると、嫌気性生物が死に、「冬の殺害」を引き起こす可能性があります。[9]

低酸素症の原因

ドイツのキールフィヨルド夜間に測定された、無酸素に対する酸素飽和度の低下深さ= 5 m

酸素欠乏は、自然、多くの要因に起因するが、ほとんどの場合の結果として懸念されることができ、汚染富栄養化した植物栄養素は、川、湖、または海を入力し、植物プランクトン咲くが奨励されています。植物プランクトンは、光合成によって日中のDO飽和度を上昇させますが、花の密集した個体群は、呼吸によって夜間のDO飽和度を低下させます。植物プランクトンの細胞が死ぬと、それらは底に向かって沈み、バクテリアによって分解されます。これは、水柱のDOをさらに減らすプロセスです。酸素の枯渇が低酸素症に進行すると、魚は死ぬ発生する可能性があり、底のワームアサリなどの無脊椎動物も殺される可能性があります。

海底の水中ビデオからの静止フレーム。床はカニ、魚、アサリで覆われており、明らかに死んでいるか、酸素の枯渇で死んでいます。

低酸素症は、汚染物質がない場合にも発生する可能性があります。たとえば、河口では、川から海に流れる淡水は塩水よりも密度が低いため、水柱に成層が生じる可能性があります。したがって、水域間の垂直方向の混合が減少し、地表水からより塩分の多い底水への酸素の供給が制限されます。その場合、最下層の酸素濃度は、低酸素症が発生するのに十分なほど低くなる可能性があります。特にこの傾向が強い地域には、ワッデンジーメキシコ湾などの半閉鎖水域の浅瀬があり、土地の流出がかなりあります。これらの領域では、いわゆる「デッドゾーン」を作成できます。低溶存酸素状態は、多くの場合、季節的です。ワシントン州のフッド運河ピュージェット湾の地域[10]世界資源研究所は、西ヨーロッパの沿岸地域に集中し、特に日本では東部と南部の海岸米国の、そして東アジアを、世界中の375人の低酸素沿岸域を特定しました。[11]

低酸素症は、モビール湾のジュビリーのような周期的な現象の説明でもあるかもしれません。そこでは、水生生物が突然浅瀬に急行し、おそらく酸素が枯渇した水から逃げようとします。オレゴン州とワシントン州の海岸近くで最近広まった貝の殺害も、周期的な不感帯の生態系のせいにされています。[12]

植物プランクトンの内訳

科学者たちは、水域に投棄された高濃度のミネラルが植物プランクトンのアオコの著しい成長を引き起こすと判断しました。これらの花は、などの細菌および他の分類群によって分解されるファネロカエテのクリソスポリウム、酸素は、これらの生物の酵素によって空乏化されます。[13]

リグニンの内訳
リグニンペルオキシダーゼ酵素の活性部位であるテトラピロール環

植物プランクトンは、ほとんどのような生物に存在する酵素によって分解され、リグニンおよびセルロースで構成されたP.クリソスポリウム白色腐朽として知られていますセルロースの分解は水中の酸素濃度を枯渇させませんが、リグニンの分解は枯渇させます。このリグニンの分解には酸化メカニズムが含まれており、リグニンペルオキシダーゼなどの酵素によって溶存酸素が存在する必要があります。リグニン変換には、褐色腐敗菌、軟腐病菌、青染み菌などの他の菌も必要です。この酸化が行われると、CO 2は、その場所に形成されています。[13]

テトラピロール環結合酸素の活性部位
オキシフェロヘムは、ベラトリックアルコールの添加によりFerri-LiPに変換され、二原子酸素ラジカルを放出します。
これは、によるconfierylアルコールの内訳である水素イオンにするプロパノールとオルト-メトキシフェノール。

リグニンペルオキシダーゼ(LiP)は、これらの生物のリグニンを分解するのに最適であるため、最も重要な酵素として機能します。 LiPは、リグニンの3次元構造内のCC結合とCO結合を破壊し、分解させます。 LiPは、10個のアルファヘリックス、2個のCa 2+構造イオン、およびテトラピロール環と呼ばれるヘムグループで構成されています。酸素は、LiPの触媒サイクルで重要な役割を果たし、テトラピロール環のFe2 +イオンに二重結合を形成します。水中に二原子酸素が存在しないと、Ferrin-LiPがオキシフェロヘムに還元されないため、この分解は起こりません。酸素ガスは、フェリン-LiPをオキシフェロヘム-LiPに還元するために使用されます。オキシフェロヘムとベラトリックアルコールが組み合わさって酸素ラジカルとFerri-LiPが生成され、リグニンの分解に使用できるようになりました。[13]酸素ラジカルは環境中で使用することができず、環境中に高い存在下で有害です。[14]

Ferri-LiPがリグニンペルオキシダーゼに存在すると、LRETメカニズムまたはメディエーターメカニズムのいずれかを介して一度に1つのフェニルプロパン基を除去することにより、リグニン分子を分解するために使用できます。LRETメカニズム(長距離電子移動メカニズム)は、テトラピロール環からリグニン中のフェニルプロパンの分子に電子を転送します。この電子はCCまたはCO結合に移動して、リグニンから1つのフェニルプロパン分子を分解し、一度に1つのフェニルプロパンを除去することによって分解します。[13]

メディエーター機構では、過酸化水素の添加によりLiP酵素が活性化されてLiPラジカルが生成され、ベラトリックアルコールなどのメディエーターが添加されて活性化され、ベラトリックアルコールラジカルが生成されます。ベラトリックアルコールラジカルは、リグニン上のフェニルプロペンを活性化するために1つの電子を転送し、電子はリグニンから1つのフェニルプロペンを放出するためにCCまたはCO結合を解体します。リグニン分子のサイズが大きくなると、これらのCCまたはCO結合を切断するのが難しくなります。フェニルプロパン環には、コニフェリルアルコール、シナピルアルコール、および-クマリルアルコールの3種類があります。[13]

LiPのMolDockスコアは非常に低いため、この酵素を形成して安定化して反応を実行するために必要なエネルギーはほとんどありません。LiPのMolDockスコアは-156.03kcal / molです。これは、その負の自由エネルギー要件のためにエネルギー的に有利であり、したがって、LiPによって触媒されるこの反応は自発的に起こる可能性が高い。[15]の内訳プロパノール、それらが両方とも水溶性であるため、およびフェノールが環境中に天然に存在します。

環境要因
湧昇棚システムにおける低酸素症と海洋酸性化強化の推進力。赤道方向の風は、低溶存酸素(DO)、高栄養素、および高溶存無機炭素(DIC)の水の湧昇を酸素最小ゾーンの上から駆動します。生産性と底水の滞留時間の棚間の勾配は、水が生産的な大陸棚を通過するときにDO(DIC)の強度を減少(増加)させます[16] [17]

環境中の植物プランクトンの分解は酸素の存在に依存し、酸素が水域に存在しなくなると、リグニンペルオキシダーゼはリグニンを分解し続けることができなくなります。水中に酸素が存在しない場合、植物プランクトンの分解に必要な時間は10。7日から合計160日に変化します。

植物プランクトンの分解率は、次の式を使用して表すことができます。

この式では、G(t)は、特定の時間tにおける全体的な粒子状有機炭素(POC)の量です。 G(0)は、分解が発生する前のPOCの濃度です。 kは1年目の速度定数、tは年単位の時間です。植物プランクトンのほとんどのPOCの場合、kは約12。8年-1、つまりこれらのシステムで炭素のほぼ96%が分解されるのに約28日です。一方、無酸素システムの場合、POCの故障には125日かかり、4倍以上長くなります。[18]環境中の1mgのPOCを分解するには約1mgの酸素が必要です。したがって、POCを消化するために酸素がすぐに使い果たされると、低酸素症がすぐに発生します。植物プランクトンのPOCの約9%は、18°Cで1日で分解できます。したがって、植物プランクトンを完全に分解するのに約11日かかります。[19]

POCが分解された後、この粒子状物質は、二酸化炭素、重炭酸イオン、炭酸塩などの他の溶存炭素に変わる可能性があります。植物プランクトンの30%が溶存炭素に分解される可能性があります。この粒子状有機炭素が350nmの紫外線と相互作用すると、溶存無機炭素が形成され、二酸化炭素、重炭酸イオン、炭酸塩の形で環境からさらに多くの酸素が除去されます。溶存無機炭素は2.3〜6.5 mg /(m ^ 3)日の割合で作られます。[20]

植物プランクトンが分解すると、遊離のリンと窒素が環境で利用できるようになり、これも低酸素状態を助長します。この植物プランクトンの分解が起こると、より多くのリンがリン酸塩に変わり、窒素が硝酸塩に変わります。これにより、環境内の酸素がさらに枯渇し、さらに大量の低酸素ゾーンが作成されます。リンや窒素などのミネラルがこれらの水系に移動するにつれて、植物プランクトンの成長が大幅に増加し、それらの死後、低酸素ゾーンが形成されます。[21]

ソリューション

1998年のキールフィヨルドでの酸素と塩分のレベルのグラフ

低酸素症と戦うためには、流出時に河川に到達する土地由来の栄養素の量を減らすことが不可欠です。これは、下水処理を改善し、河川に浸出する肥料の量を減らすことによって行うことができます。あるいは、これは川沿いの自然環境を回復することによって行うことができます。湿地は、水中のリンと窒素(栄養素)の量を減らすのに特に効果的です。他の自然生息地ベースの解決策には、カキなどの貝類の個体数の回復が含まれます。カキは水柱から窒素取り除き、浮遊物質をろ過して取り除き、その後、有害なアオコや無酸素状態の可能性や程度を減らします。[22]貝類の養殖によって海洋の水質を改善するというアイデアに向けた基礎的な作業は、スウェーデンでムール貝を使用してOdd Lindahl etal。によって実施されました。[23]より、単一種貝類養殖より関与マルチ栄養養殖統合に依存する、模倣する天然の海洋生態系をpolyculture海洋水の品質を向上させます。

英国のマンチェスターシップ運河の再開発されたサルフォードドック地域で使用されているような技術的解決策も可能です。そこでは、下水道や道路からの流出がゆっくりと流れる水域に何年も蓄積されていました。 2001年に圧縮空気噴射システムが導入され、水中の酸素レベルが最大300%上昇しました。その結果、水質が改善され、淡水エビなどの無脊椎動物の数が30以上に増加しました。またローチパーチなどの魚種の産卵率と成長率も、現在ではその中に入るほどに増加しています。イギリスで最も高い。[24]

非常に短い時間で、沖合の吹く風が地表水を追い出し、無酸素深度の水が上昇すると酸素飽和度がゼロに低下する可能性があります。同時に、気温の低下と塩分の上昇が観察されます(ドイツのキールフィヨルド海にある長期の生態学的観測所から)。海洋の酸素レジームの長期モニタリングの新しいアプローチは動物プランクトンの行動オンラインで観察します。これは、酸素飽和度の低下ecoSCOPE)の下で、すでに非常に低いレベルの水質汚染で劇的に変化します。

も参照してください

参考文献

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ソース

外部リンク

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