저산소증(환경)

Hypoxia (environmental)
2009년 전 세계 해양 저산소증
외양과 [1]연안의 산소 농도가 낮고 낮아지는 것을 나타내는 글로벌 지도.이 지도는 인공 영양소가 2mg/l(<63μmol/l)(빨간색 점) 미만으로 악화되거나 산소 감소를 일으킨 해안 사이트와 300m(파란색 음영 지역)[2]의 해양 산소 최소 구역을 나타낸다.
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저산소증은 낮은 산소 상태를 말한다.일반적으로 대기 중 가스의 20.9%가 산소입니다.대기 중 산소의 분압은 총 [3]기압의 20.9%이다.물에서는 산소 수준이 훨씬 낮아 질 좋은 물에서는 약 7ppm 또는 0.0007%이며 광합성 유기체의 존재와 표면과의 상대적 거리에 따라 국지적으로 변동한다(공기에 산소가 더 많으면 부분 압력 구배를 [4]통해 확산된다).

대기 저산소증

대기 저산소증은 높은 고도에서 자연적으로 발생한다.총 기압은 고도가 높아짐에 따라 감소하여 산소 부분 압력이 낮아지는데, 이는 저산소증으로 정의된다.산소는 전체 가스 혼합물의 20.9%에 머물러 공기(또는 혈액) 중 산소 비율이 감소하는 저산소성 저산소증과는 다릅니다.이것은 블레스몰과 [5]같은 일부 지하동물의 밀폐된 굴에서 흔히 볼 수 있습니다.대기 저산소증은 또한 엘리트 운동선수들의 훈련의 표준인 고도 훈련의 기본이다.몇몇 회사들은 노모바릭 인공 대기를 이용하여 저산소증을 모방하고 있다.

수생 저산소증

참고 항목: 해양 탈산소

산소 고갈은 수생환경에서 용존산소(DO, 물에 용해된 분자산소)의 농도가 낮아져 수생생물에게 해가 되는 현상이다.용존산소는 일반적으로 일반적인 온도와 염도(물 속 산소의 용해도에 영향을 준다. 산소 포화도와 수중 참조)에서 물에 용해되는 산소의 백분율로 표현됩니다.용존 산소(0% 포화)가 없는 수생 시스템을 혐기성, 환원성 또는 무산소라고 하며, 포화도가 1~30%인 저농도를 가진 시스템을 저산소 또는 디산소라고 한다.대부분의 물고기는 영양분으로부터 에너지를 얻기 위해 산소에 의존하기 때문에 포화도 30퍼센트 이하에서 살 수 없다.저산소증은 내분비 [6]교란으로 남은 물고기의 번식을 방해한다."건강한" 수중 환경은 80% 미만의 포화 상태를 경험하는 경우가 거의 없습니다.호기성 구역은 무산소 구역과 저산소 구역의 경계에서 발견됩니다.

저산소증은 물기둥 전체와 높은 고도에서 발생할 수 있고 바닥의 침전물 근처에서도 발생할 수 있습니다.보통 물기둥의 20-50%에 걸쳐 있지만, 물의 깊이와 피크노크라인의 위치(깊이에 따라 물의 밀도가 급격하게 변화)에 따라 달라집니다.물기둥의 10~80%에서 발생할 수 있습니다.예를 들어, 10미터의 물기둥에서는, 그것은 수면 아래 2미터까지 도달할 수 있다.20미터의 물기둥에서,[7] 그것은 수면 아래로 8미터까지 뻗어나갈 수 있다.

계절 킬

저임산소 고갈은 여름과 겨울의 "킬"로 이어질 수 있다.여름철 성층화 동안 1차 생산자의 투입물 또는 유기물 및 침전물은 하이폴리미온의 호흡 속도를 증가시킬 수 있다.만약 산소 고갈이 극심해지면, 물고기와 같은 호기성 유기체가 죽을 수도 있고, 이로 인해 "여름 살처분"[8]이라고 알려진 것이 생겨납니다.겨울에도 같은 현상이 일어날 수 있지만, 다른 이유 때문이다.겨울 동안, 얼음과 눈 덮개는 빛을 감쇠시킬 수 있고, 따라서 광합성 속도를 감소시킬 수 있습니다.호수의 빙하는 또한 산소를 교환할 수 있는 공기와 물의 상호작용을 막는다.이것은 호흡이 계속되는 동안 산소 부족을 일으킨다.산소가 심하게 고갈되면, 혐기성 유기체가 죽을 수 있고, 그 결과 "겨울 죽음"[8]이 발생할 수 있습니다.

저산소증의 원인

독일 키엘 피요르드에서 밤에 측정된 산소 포화도가 아녹시아로 감소.깊이 = 5 m

산소 고갈은 많은 자연적 요인에 의해 발생할 수 있지만, 대부분의 경우 식물 영양소가 강, 호수, 바다로 유입되고 식물성 플랑크톤이 꽃을 피우는 오염과 부영양화의 결과로 우려된다.식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 낮 시간 동안 DO 포화도를 높이는 반면, 꽃의 밀집된 개체군은 호흡에 의해 밤 동안 DO 포화도를 낮춥니다.식물성 플랑크톤 세포가 죽으면 바닥으로 가라앉아 박테리아에 의해 분해되는데, 이는 물기둥의 DO를 더욱 감소시키는 과정이다.산소 고갈이 저산소증으로 진행되면 물고기 떼죽음이 일어나고 바닥에 있는 벌레나 바지락 같은 무척추동물도 죽임을 당할 수 있다.

해저에 대한 수중 비디오의 스틸 프레임입니다.바닥은 산소가 고갈돼 죽거나 죽은 것으로 보이는 게, 물고기, 바지락으로 뒤덮여 있다.

저산소증은 또한 오염물질이 없을 때 발생할 수 있다.예를 들어 강 하구에서는 강에서 바다로 흐르는 담수가 소금물보다 밀도가 낮기 때문에 물기둥의 성층화가 발생할 수 있습니다.따라서 수역 간의 수직 혼합이 감소하여 지표수에서 염분이 많은 바닥수로의 산소 공급이 제한된다.그러면 저산소증이 발생할 수 있을 만큼 하단층의 산소 농도가 낮아질 수 있습니다.특히 이러한 현상이 발생하기 쉬운 지역에는 육지 유출이 상당한 바덴지 또는 멕시코만과 같은 반밀폐 수역의 얕은 물이 포함된다.이러한 영역에는 이른바 "데드 존"이 생성될 수 있습니다.워싱턴 주 [9]후드 운하와 푸젯 사운드 지역의 경우와 같이 낮은 용존 산소 조건은 종종 계절적입니다.세계자원연구소는 서유럽 연안지역, 미국 동부 및 남부 연안지역, 특히 [10]일본의 동아시아에 집중된 375개의 저산소 해안지대를 확인했다.

모바일 베이에서 찍은 주빌리 사진

저산소증은 또한 모바일 베이 주빌리와 같은 주기적인 현상에 대한 설명일 수도 있다.수생물이 갑자기 여울로 돌진하여 산소가 부족한 물을 피하려 할 수도 있다.최근 오레곤과 워싱턴 해안 근처에서 광범위하게 발생한 조개 떼죽음 사건도 주기적인 데드존 [11]생태의 원인으로 지목되고 있다.

식물성 플랑크톤 분해

과학자들은 수역에 버려지는 고농도의 미네랄이 식물성 플랑크톤의 현저한 성장을 일으킨다는 것을 밝혀냈다.이러한 꽃들이 박테리아와 Phanerochaete Cryosporium과 같은 다른 분류군에 의해 분해되면서, 산소는 이러한 [12]유기체의 효소에 의해 고갈된다.

리그닌의 분해
리그닌페르옥시다아제 효소의 활성 부위인 테트라피롤 고리

식물 플랑크톤은 대부분 리그닌과 셀룰로오스로 구성되어 있는데, 이것은 화이트 로트로 알려진 P. 크리소스포륨과 같은 유기체에 존재하는 효소에 의해 분해됩니다.셀룰로오스의 분해는 물의 산소 농도를 감소시키지 않지만 리그닌의 분해는 감소시킨다.리그닌의 이러한 분해는 산화 메커니즘을 포함하며, 리그닌페록시다아제와 같은 효소에 의해 일어나는 용존 산소의 존재를 필요로 합니다.갈색-rot, 연-rot, 그리고 파란색 얼룩 곰팡이와 같은 다른 곰팡이도 리그닌 변환에 필요합니다.이 산화가 일어나면 [12]그 자리에 CO가 형성된다2.

테트라피롤 고리 결합 산소 활성 부위
옥시페로헴은 베라트릭 알코올을 첨가하여 Ferri-LiP로 변환되어 2원자 산소 래디칼을 방출한다.
이것은 프로판올과 오르토메톡시페놀을 만들기 위해 컨피어릴 알코올을 수소 이온에 의해 분해하는 것입니다.

리그닌페록시다아제(LiP)는 이러한 유기체에서 리그닌을 가장 잘 분해하기 때문에 가장 중요한 효소로 작용한다.LiP는 리그닌의 3차원 구조 내에서 C-C 결합과 C-O 결합을 파괴하여 분해한다.LiP는 10개의 알파 나선형, 2개의2+ Ca 구조 이온, 그리고 테트라피롤 고리라고 불리는 헴 그룹으로 구성됩니다.산소는 테트라피롤 고리의 Fe 이온에2+ 이중 결합을 형성하는 LiP의 촉매 사이클에서 중요한 역할을 합니다.물에 2원자 산소가 없으면 Ferin-LiP가 옥시페로헴으로 환원되지 않기 때문에 이러한 분해가 발생할 수 없습니다.산소가스는 페린-LiP를 옥시페로헴-LiP로 환원하기 위해 사용된다.옥시페로헴과 베라트릭 알코올은 결합되어 산소 래디칼과 페리-LiP를 생성하며, 이는 [12]리그닌을 분해하는 데 사용될 수 있습니다.산소 라디칼은 환경에서 사용할 수 없으며, 환경에 [13]많이 존재할 경우 유해합니다.

리그닌페록시다아제 내에 페리-LiP가 존재하면 LRET 기구 또는 중개기구를 통해 페닐프로판기를 한 번에 하나씩 제거함으로써 리그닌 분자를 분해하는 데 사용할 수 있다.LRET 메커니즘(장거리 전자 전달 메커니즘)은 테트라피롤 고리로부터 리그닌의 페닐프로판 분자로 전자를 전달합니다.이 전자는 C-C 또는 C-O 결합으로 이동하여 리그닌에서 페닐프로판 분자 하나를 분해하고,[12] 한 번에 페닐프로판 하나를 제거함으로써 분해합니다.

과산화수소의 첨가에 의해 LiP효소가 활성화되어 LiP라디칼이 되고, 또한 베라트릭알코올 등의 미디에이터가 첨가되어 활성화되어 베라트릭알코올라디칼이 생성된다.베라트릭알코올라디칼은 1개의 전자를 전달하여 리그닌 상에서 페닐프로판을 활성화하고, 전자는 C-C 또는 C-O 결합을 분해하여 리그닌에서 1개의 페닐프로판을 방출한다.리그닌 분자의 크기가 커질수록 이러한 C-C 또는 C-O 결합을 끊는 것이 더욱 어려워집니다.페닐프로판 고리에는 침엽수 알코올, 시나필 알코올 및 쿠마릴 [12]알코올의 3종류가 있습니다.

LiP는 MolDock 점수가 매우 낮기 때문에 이 효소를 형성하고 반응하기 위해 안정화하는 데 필요한 에너지가 거의 없습니다.LiP의 MolDock 점수는 -156.03kcal/mol입니다.이것은 음의 자유 에너지 요구 때문에 에너지적으로 유리하며, 따라서 LiP에 의해 촉매되는 이 반응은 자발적으로 [14]일어날 가능성이 높다.프로판올과 페놀의 분해는 둘 다 수용성이기 때문에 환경에서 자연적으로 발생합니다.

환경 요인
상승 선반 시스템의 저산소증 및 해양 산성화 강화 요인.적도 방향 바람은 산소 최소 영역 위에서 저용해 산소(DO), 고영양소 및 고용해 무기 탄소(DIC)의 물을 상승시킵니다.생산성과 저수 거주 시간의 교차 선반 구배는 물이 생산적인 [15][16]대륙붕을 통과함에 따라 DO(DIC)의 강도를 감소시킨다(증가).

환경에서의 식물성 플랑크톤의 분해는 산소의 존재에 따라 달라지며, 일단 산소가 물속에 존재하지 않게 되면 리그닌페록시다아제는 리그닌을 계속 분해할 수 없습니다.물에 산소가 없을 경우 식물성 플랑크톤 분해에 필요한 시간은 10.7일에서 총 160일로 변화한다.

식물성 플랑크톤 분해 속도는 다음 방정식을 사용하여 나타낼 수 있습니다.

이 식에서 G(t)는 주어진 시간에 전체 미립자 유기탄소(POC)의 양이며, t(0)는 분해되기 전의 POC 농도이다.k는 year-1의 속도 상수, t는 years의 시간 단위입니다.식물성 플랑크톤의 대부분의 POC에서 k는 약 12.8년-1년, 즉 이러한 시스템에서 약 96%의 탄소가 분해되는 데 약 28일이다.무독성 시스템의 경우 POC 분해에는 125일이 소요되며,[17] 이는 4배 이상 길어집니다.환경 내 1mg의 POC를 분해하는 데는 약 1mg의 산소가 필요하기 때문에 POC를 소화하기 위해 산소가 빠르게 소모되기 때문에 저산소증이 빠르게 발생한다.식물성 플랑크톤 내 POC의 약 9%는 18°C에서 하루에 분해될 수 있다.따라서 식물성 플랑크톤을 [18]완전히 분해하는 데는 약 11일이 걸린다.

POC가 분해된 후, 이 입자 물질은 이산화탄소, 중탄산 이온, 탄산염과 같은 다른 용해된 탄소로 바뀔 수 있습니다.식물성 플랑크톤의 30%가 용해된 탄소로 분해될 수 있다.이 미립자 유기 탄소가 350 nm의 자외선과 상호작용할 때 용해된 무기 탄소가 형성되어 이산화탄소, 중탄산 이온, 탄산염의 형태로 환경에서 더 많은 산소를 제거한다.용해된 무기탄소는 2.3~6.5mg/(mµday)[19]의3 속도로 만들어진다.

식물성 플랑크톤 분해로 인해 환경에서 활성 인과 질소를 사용할 수 있게 되고, 이는 또한 저산소 상태를 조장한다.이 식물성 플랑크톤의 분해가 일어나면, 더 많은 인이 인산염으로 바뀌고, 니트로겐이 질산염으로 바뀝니다.이것은 환경에서 산소를 더 많이 고갈시켜 더 많은 양의 저산소 구역을 만듭니다.인과 질소 같은 더 많은 미네랄이 이 수생계로 대체되면서 식물성 플랑크톤의 성장이 크게 증가하고, 죽은 후에는 저산소대가 [20]형성된다.

솔루션

1998년 키엘 피오르드의 산소 및 염도 그래프

저산소증을 퇴치하기 위해서는 육지에서 유래한 영양소가 유출되는 하천에 도달하는 유출되는 양을 줄이는 것이 필수적이다.이것은 하수 처리를 개선하고 강으로 침출되는 비료의 양을 줄임으로써 이루어질 수 있다.또는, 이것은 강을 따라 자연 환경을 복원함으로써 이루어질 수 있습니다; 습지는 특히 물 속의 인과 질소(영양소)의 양을 줄이는데 효과적입니다.다른 자연 서식지에 기반한 해결책으로는 굴과 같은 조개 개체군의 복원을 포함한다.굴초는 물기둥에서 질소를 제거하고 부유 고형물을 걸러내 유해 녹조 발생 가능성이나 범위를 감소시킨다.[21]조개 양식업을 통한 해양 수질 개선을 위한 기초 작업은 스웨덴의 [22]홍합을 이용하여 Odd Lindahl 등에 의해 수행되었습니다.단일종 조개 양식보다 통합된 다영양 양식업은 해양 수질을 개선하기 위해 다양식에 의존하여 자연 해양 생태계를 모방합니다.

영국 맨체스터 운하의 재개발된 샐포드 도크 지역에서 사용된 것과 같은 기술적 해결책도 가능하다. 이 지역은 수년간 하수구와 도로의 유출물이 천천히 흐르는 물에 축적되어 왔다.2001년 압축 공기 주입 시스템이 도입되어 물 속 산소 농도가 최대 300%까지 향상되었습니다.그 결과 수질이 개선됨에 따라 민물 새우와 같은 무척추동물의 수가 30종 이상으로 늘어났다.바퀴벌레와 홰 같은 어종의 산란과 성장률도 영국에서 [23]가장 높은 어종에 속할 정도로 증가했다.양식장과 같은 소규모 수역의 경우 펌프 에어레이션이 [24]표준이다.

해상 바람이 지표수를 몰아내고 무독성 수심이 상승하면 산소 포화도가 0으로 떨어질 수 있습니다.동시에 기온의 저하와 염도의 상승이 관찰된다(독일 키엘 피요르드에 있는 바다의 장기 생태 관측소에서).해양의 산소 상태를 장기간 모니터링하는 새로운 접근법은 물고기 및 동물성 플랑크톤의 행동을 온라인에서 관찰한다. 이는 산소 포화도 감소(에코스코프) 하에서 급격하게 변화하고 이미 수질 오염의 매우 낮은 수준에서 변화한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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원천

외부 링크