缺氧水体

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缺氧水体（Anoxic waters）是指海水、淡水或地下水中的溶氧（英语：dissolved oxygen）已经不足，处在严重缺氧（英语：Hypoxia (environmental)）的情形下。美国地质调查局定义缺氧地下水是溶气量小于每升0.5毫克[1]。此情形常出现在水循环受限的地区。

大部分的情形下，由于物理性的阻隔[2]以及明显的密度分层（例如高盐分的水会停留在内陆高盐湖泊的底部），氧气很难溶到水深的地方。若水生生物或细菌耗氧的速度比氧气溶进水中的速度快，也会有缺氧的情形。

缺氧水体是自然现象[3]，常出现在地质学的历史中。例如有些学者推测造成大量海洋生物灭绝的二叠纪－三叠纪灭绝事件，可能就是因为广泛的水体缺氧造成。现今有些湖泊中的水是缺氧水体，例如波罗的海[4]。现来也有些指标指出富营养化已增加了水体缺氧的程度，地区包括波罗的海、墨西哥湾[5]和华盛顿州的胡德运河（英语：Hood Canal）[6]。

原因和影响[编辑]

水体缺氧的原因有许多种，例如死水、水的密度分层（英语：density stratification）[7]、有机物质的输入，以及强烈的温跃层。例子包括有峡湾（入口处较浅的湾底使水无法流通）。在水污染控制中，会用anoxic表示单纯的缺少氧气，而anaerobic一词会用来表示没有电子受体（例如硝酸盐、硫酸盐或氧气）。

若海盆地中的氧气耗尽时，细菌会先用海水中次好的电子受体硝酸盐，会出现反硝化反应，而硝酸盐会快速消耗。细菌接下来会还原硫酸盐，因此会产生副产物硫化氢（H2S)，这是对大多数生物都有毒的物质，其特征是有臭鸡蛋的臭味，颜色是深色的[8]。

SO4−2 + H+1 → H2S +H2O + 化学能

若缺氧的海水重新得到氧气，硫化物会再氧化形成硫酸盐：

HS− + 2 O2 → HSO4−

在泥泞的海底常会有缺氧的情形，因为其中有大量的有机物质，而且含氧水流流到沉积物中的很少。距离地表几公分的间隙水（沉积物之间的水）就是缺氧的了。

缺氧也会受到生物需氧量（BOD）影响，这是指生物在分解有机物质过程中需要的氧气量。BOD会受生物种类、水的酸碱度、温度以及水中的有机物质影响。BOD会直接和水中的溶氧量有关，尤其是一些较小的水体（例如河和溪流）。若BOD增加，水中的氧气量就会减少。这会影响水中的大型生物。BOD会因为天然原因及人工原因而产生，例如生物尸体、肥料、废水以及城市的径流[9]。

波罗的海中，因为缺氧条件下的低分解速度，留下了相当多仍保留软组织的化石（Lagerstätte（英语：Lagerstätte））[10]。

人工造成的水体缺氧[编辑]

富营养化是指营养物（磷酸盐或是硝酸盐）的流入，多半是农业径流或是污水排放的副产物。富营养化会造成大量但短暂的藻类繁殖。在藻华结束后，死去的藻类会沉积到水底，并且开始分解，并且消耗水中的氧气，直到氧气用尽为止。像墨西哥湾就会有季节性的死区，不过会受到飓风或热带低压等气象模式的干扰。污水排放（特别是有许多磷酸盐或是硝酸盐的污水），对生态多样性的破坏特别的大。有些对缺氧条件敏感的物种会被其他比较耐缺氧的物种取代，因此就减少了生态多样性[8]。

富营养化及全球变暖的渐进式环境变化会大幅的改变有氧—缺氧区域。根据模式研究，这种变化会突然出现，会在以蓝菌门为主的有氧状态，以及硫酸盐还原菌和光养着色菌目的缺氧状态之间变换[11]。

每天和每季的循环[编辑]

水体的温度会直接影响其溶氧量。依照亨利定律，当水温昇高时，其溶氧量会下降。因此在小型水体会有每天的有氧－缺氧循环，大型水体会有季节性的有氧－缺氧循环。水体在一天中温度最高的时候最容易有缺氧的问题，若以季节性来看，在夏季也容易出现缺氧。若水体有工业冷却用的废热水排放，其温度较水体的温度要高，此情形会更加严重。

每天的循环也会受到光合作用的影响。夜间没有阳光，植物无法进行光合作用产生氧气，因此也会有缺氧的情形，在夜间会出现，在日出后一段时间是最严重的时期[12]。

生物适应[编辑]

生物体针对缺氧的沉积物，已发展出许多的适应机制。有些生物可以从较浅的水层中泵取氧气，释放到沉积物中，其他的适应方式包括可以在低氧环境下生存的特殊血红蛋白，慢速活动以降低代谢率，以及与厌氧细菌的共生关系。多数的情形下，若该区域平常不是在缺氧状态下，有毒H2S的出现都会降低生物的活动力，并且减少生态多样性[8]。

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Volatile Organic Compounds in the Nation's Ground Water and Drinking-Water Supply Wells: Supporting Information: Glossary. US Geological Survey. [3 December 2013]. （原始内容存档于2017-05-18）. 
  2. ^ Bjork, Mats; Short, Fred; McLeod, Elizabeth; Beer, Sven. Managing Sea-grasses for Resilience to Climate Change. Volume 3 of IUCN Resilience Science Group Working Papers. Gland, Switzerland: 国际自然保护联盟 (IUCN). 2008: 24. ISBN 978-2-8317-1089-1. 
  3. ^ Richards, 1965; Sarmiento 1988-B
  4. ^ Jerbo, 1972;Hallberg, 1974
  5. ^ Streamflow and Nutrient Delivery to the Gulf of Mexico for October 2009 to May 2010 (Preliminary). [2011-02-09]. （原始内容存档于2012-11-29）. 
  6. ^ Archived copy (PDF). [2013-03-05]. （原始内容 (PDF)存档于2011-09-27）. 
  7. ^ Gerlach, 1994
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Castro, Peter; Huber, Michael E. Marine Biology 5th ed.需要免费注册. McGraw Hill. 2005. ISBN 978-0-07-250934-2. 
  9. ^ 5.2 Dissolved Oxygen and Biochemical Oxygen Demand. Water: Monitoring & Assessment. US Environmental Protection Agency. [3 December 2013]. （原始内容存档于2014-02-20）. 
  10. ^ Nudds, John; Selden, Paul. Fossil–Lagerstätten. Geology Today. 2008-07-01, 24 (4): 153–158. ISSN 1365-2451. doi:10.1111/j.1365-2451.2008.00679.x 可免费查阅 （英语）. 
  11. ^ Bush; et al. Oxic-anoxic regime shifts mediated by feedbacks between biogeochemical processes and microbial community dynamics. Nature Communications. 2017, 8 (1): 789. Bibcode:2017NatCo...8..789B. PMC 5630580 可免费查阅. PMID 28986518. doi:10.1038/s41467-017-00912-x. 
  12. ^ Dissolved Oxygen Depletion in Lake Erie. Great Lakes Monitoring. US Environmental Protection Agency. [3 December 2013]. （原始内容存档于2015-08-26）. 
  • Gerlach, S. Oxygen conditions improve when the salinity in the Baltic Sea decreases. Marine Pollution Bulletin. 1994, 28 (7): 413–416. doi:10.1016/0025-326X(94)90126-0. 
  • Hallberg, R.O. (1974) "Paleoredox conditions in the Eastern Gotland Basin during the recent centuries". Merentutkimuslait. Julk./Havsforskningsinstitutets Skrift, 238: 3-16.
  • Jerbo, A. Är Östersjöbottnens syreunderskott en modern företeelse?. Vatten. 1972, 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, F.A. (1965) "Anoxic basins and fjords", in Riley, J.P., and Skirrow, G. (eds) Chemical Oceanography, London, Academic Press, 611-643.
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  • Sarmiento, J.A. et al. (1988-B) "Ocean Carbon-Cycle Dynamics and Atmospheric pCO2". Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 325, No. 1583, Tracers in the Ocean (May 25, 1988), pp. 3–21.
  • Van Der Wielen, P. W. J. J.; Bolhuis, H.; Borin, S.; Daffonchio, D.; Corselli, C.; Giuliano, L.; d'Auria, G.; De Lange, G. J.; Huebner, A.; Varnavas, S. P.; Thomson, J.; Tamburini, C.; Marty, D.; McGenity, T. J.; Timmis, K. N.; Biodeep Scientific, P. The Enigma of Prokaryotic Life in Deep Hypersaline Anoxic Basins. Science. 2005, 307 (5706): 121–123. Bibcode:2005Sci...307..121V. PMID 15637281. S2CID 206507712. doi:10.1126/science.1103569. .
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