المياه الخالية من الأكسجين

المياه اللاهوائية هي مسطحات أو مناطق من مياه البحر أو المياه العذبة أو المياه الجوفية التي تفتقر إلى الأكسجين المذاب . ويمكن تمييز المياه اللاهوائية عن المياه ناقصة الأكسجين ، التي تتميز بانخفاض تركيز الأكسجين المذاب فيها، ولكنها لا تخلو منه تمامًا، وغالبًا ما تُعرَّف بأنها ذات تركيز أكسجين أقل من 2  ملليغرام لكل لتر. ^{[ 1 ]} وتوجد هذه الحالة عمومًا في المناطق التي تشهد ركودًا للمياه و/أو طبقات ميتة . وتُعرّف هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية المياه الجوفية اللاهوائية بأنها تلك التي يقل تركيز الأكسجين المذاب فيها عن 0.5 ملليغرام لكل لتر. ^{[ 2 ]}

في معظم الحالات، يُمنع انتشار الأكسجين من المنطقة الضوئية الضحلة إلى المستويات الأعمق بفعل حاجز مادي، ^{[ 3 ]} بالإضافة إلى التطبق الملحوظ الناتج عن درجة الحرارة أو الملوحة ، حيث تستقر المياه الأكثر كثافة أو برودة أو شديدة الملوحة ، على سبيل المثال، في قاع الحوض. وتحدث ظروف نقص الأكسجين إذا كان معدل التحلل التأكسدي ( الهضم الهوائي ) للمواد العضوية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة الهوائية (وخاصة الفطريات والبكتيريا الهوائية ) أكبر من معدل إمداد الأكسجين المذاب.

تُعدّ المياه الخالية من الأكسجين ظاهرة طبيعية ^{[ 4 ]} ، وقد حدثت عبر التاريخ الجيولوجي للأرض . ويُعتقد أن انقراض العصر البرمي-الترياسي ، وهو انقراض جماعي قضى على معظم أنواع الكائنات الحية في محيطات العالم، قد نتج عن ظروف نقص الأكسجين واسعة النطاق، بالإضافة إلى تحمض المحيطات الناجم عن انبعاث كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون البركاني في الغلاف الجوي للأرض بسبب ثوران بركان سيبيريا الهائل ^{[ 5 ]} ، والذي أدى في الوقت نفسه إلى تدمير الغطاء النباتي الأرضي المسؤول عن امتصاص الكربون من الغلاف الجوي من خلال عملية التمثيل الضوئي . وتحتوي العديد من البحيرات على طبقة خالية من الأكسجين، دائمة أو مؤقتة، ناتجة عن التنفس الهوائي الحيوي الذي يستنفد الأكسجين في الأعماق، والتقسيم الحراري الذي يمنع تجديده في الأعماق ^{[ 6 ] .}

توجد أحواض خالية من الأكسجين في بحر البلطيق ، ^{[ 7 ]} والبحر الأسود ، وخندق كارياكو ، والعديد من وديان المضائق البحرية ، وغيرها. ^{[ 8 ]} ومن المرجح أن التخثث قد زاد من امتداد المناطق الخالية من الأكسجين في مناطق تشمل بحر البلطيق، وخليج المكسيك ، ^{[ 9 ]} وقناة هود في ولاية واشنطن . ^{[ 10 ]}

تنتج الظروف اللاهوائية عن مجموعة من العوامل البيئية، بما في ذلك التدرج الكثافي ، ^{[ 11 ]} وتدفق المواد العضوية أو عوامل الاختزال الأخرى ، والحواجز المادية التي تعيق دوران المياه. في المضائق البحرية، قد تمنع العتبات الضحلة عند المدخل دوران المياه. في المقابل، عند الحدود القارية، قد يكون دوران المياه منخفضًا للغاية، بينما يكون تدفق المواد العضوية الناتج عن الإنتاج في المستويات العليا مرتفعًا بشكل استثنائي. ^{[ 12 ]} في معالجة مياه الصرف الصحي ، يُشير غياب الأكسجين وحده إلى حالة لاهوائية، بينما يُستخدم مصطلح "لاهوائي" للدلالة على غياب أي مستقبل إلكتروني شائع مثل النترات أو الكبريتات أو الأكسجين.

عند استنفاد الأكسجين في حوض مائي، تلجأ البكتيريا أولًا إلى ثاني أفضل مستقبل للإلكترونات، وهو النترات في مياه البحر . تحدث عملية نزع النتروجين ، وتُستهلك النترات بسرعة نسبية. بعد اختزال بعض العناصر الثانوية الأخرى، تلجأ البكتيريا إلى اختزال الكبريتات . ينتج عن ذلك كبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ ، وهو مادة كيميائية سامة لمعظم الكائنات الحية، ومسؤولة عن رائحة "البيض الفاسد" المميزة ولون الرواسب الأسود الداكن: ^{[ 13 ] [ 14 ]}

2 _CH₂O + SO₂⁻ _→ 2 HCO₃⁻ ⁺ _H₂S + طاقة _{كيميائية}^​

ستتأكسد هذه الكبريتيدات في الغالب إما إلى كبريتات (~90٪) في الماء الغني بالأكسجين أو تترسب وتتحول إلى بيريت (~10٪)، وفقًا للمعادلات الكيميائية التالية: ^{[ 14 ]}

يمكن لبعض الكائنات الكيميائية ذاتية التغذية أيضًا أن تسهل أكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت عنصري ، وفقًا للمعادلة الكيميائية التالية: ^{[ 15 ]}

H₂S + _{O₂ →} S + _H₂O₂​

يُعدّ نقص الأكسجين شائعًا في قيعان المحيطات الطينية حيث توجد كميات كبيرة من المواد العضوية ومستويات منخفضة من تدفق المياه المؤكسجة عبر الرواسب. وعلى عمق بضعة سنتيمترات من السطح، تكون المياه البينية (المياه الموجودة بين حبيبات الرواسب) خالية من الأكسجين.

يتأثر نقص الأكسجين أيضًا بالطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD)، الذي يمثل كمية الأكسجين التي تستهلكها الكائنات البحرية أثناء عملية تحلل المواد العضوية. ويتأثر الطلب البيولوجي على الأكسجين بنوع الكائنات الحية الموجودة، ودرجة حموضة الماء، ودرجة الحرارة، ونوع المواد العضوية الموجودة في المنطقة. ويرتبط الطلب البيولوجي على الأكسجين ارتباطًا مباشرًا بكمية الأكسجين المذاب المتاحة، لا سيما في المسطحات المائية الصغيرة كالأنهار والجداول. ومع ازدياد الطلب البيولوجي على الأكسجين، يقل الأكسجين المتاح، مما يُسبب ضغطًا على الكائنات الحية الأكبر حجمًا. وينتج الطلب البيولوجي على الأكسجين عن مصادر طبيعية وبشرية، تشمل: الكائنات الميتة، والسماد، ومياه الصرف الصحي، ومياه الجريان السطحي في المناطق الحضرية. ^{[ 16 ]}

التخثث ، وهو نوع من التلوث الغذائي (عادةً الفوسفات والنترات ) الذي ينتج غالبًا عن جريان المياه الزراعية ومياه الصرف الصحي ، قد يؤدي إلى ازدهار طحلبي واسع النطاق ولكنه قصير الأمد . على الرغم من أن الطحالب كائنات ذاتية التغذية تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، إلا أن استهلاك الأكسجين في تجمعات الطحالب سريعة التكاثر ضمن مساحة مائية صغيرة نسبيًا سيتجاوز بسرعة أي إنتاج للأكسجين ، كما أن تحلل الكتلة الحيوية للطحالب الميتة التي تغرق إلى القاع يستهلك المزيد من الأكسجين، مما يخلق مناطق متزايدة من نقص الأكسجين . عندما ينخفض ​​تشبع الأكسجين المحلي إلى مستوى لا يكفي لتلبية الاحتياجات الأيضية للكائنات المائية الأخرى، غالبًا ما تحدث نفوق جماعي ، خاصة بين الحيوانات المائية السابحة الأكثر نشاطًا أيضيًا مثل الأسماك . ومن الأمثلة البارزة على هذا الازدهار الطحلبي الضار خليج المكسيك ، حيث تتشكل منطقة ميتة موسمية ، والتي يمكن أن تتأثر بأنماط الطقس مثل الأعاصير والحمل الحراري الاستوائي. يمكن أن يكون تصريف مياه الصرف الصحي، وخاصة الحمأة المركزة بالمغذيات، ضارًا بشكل خاص بتنوع النظام البيئي. غالبًا ما تحدث نفوقات كبيرة للأسماك من الأنواع الحساسة لنقص الأكسجين، والتي يتم استبدالها بأنواع أقل تنوعًا وأكثر تحملاً، وستنتشر هذه التغيرات في المواطن البيئية صعودًا وهبوطًا في الشبكة الغذائية ، مما يقلل من التنوع البيولوجي الإجمالي للنظام البيئي المائي المتضرر . ^{[ 13 ]}

يمكن أن تؤدي التغيرات البيئية التدريجية الناتجة عن التخثث أو الاحتباس الحراري إلى تحولات كبيرة في النظام البيئي بين حالتي الأكسدة واللاأكسدة. وبناءً على الدراسات النموذجية، يمكن أن يحدث هذا التحول فجأة، مع انتقال من حالة أكسدة تهيمن عليها البكتيريا الزرقاء الحاملة للكلوروفيل ، إلى حالة لاأكسدة تهيمن عليها البكتيريا الأرجوانية والعتائق اللاأكسدة المختزلة للكبريتات . ^{[ 17 ]}

تؤثر درجة حرارة المسطحات المائية بشكل مباشر على كمية الأكسجين المذاب التي يمكنها استيعابها. ووفقًا لقانون هنري ، كلما ارتفعت درجة حرارة الماء، انخفضت ذوبانية الأكسجين . وتؤدي هذه الخاصية إلى دورات نقص الأكسجين اليومية على نطاق جغرافي صغير، ودورات نقص الأكسجين الموسمية على نطاق أوسع. وبالتالي، تكون المسطحات المائية أكثر عرضة لنقص الأكسجين خلال أشد فترات اليوم حرارةً وخلال أشهر الصيف. وقد تتفاقم هذه المشكلة في محيط مخلفات المصانع، حيث تكون المياه الدافئة المستخدمة لتبريد الآلات أقل قدرة على استيعاب الأكسجين من المياه التي تُصرف إليها.

يؤثر نشاط الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي أيضاً على الدورات اليومية. فغياب عملية التمثيل الضوئي خلال ساعات الليل في غياب الضوء قد يؤدي إلى تفاقم ظروف نقص الأكسجين طوال الليل، لتصل إلى ذروتها بعد شروق الشمس بقليل. ^{[ 18 ]}

تتباين استجابات الأنواع المختلفة للتخثث بشكل كبير. فبعض الكائنات، مثل المنتجين الأوليين، قادرة على التكيف بسرعة، بل والازدهار في ظل ظروف نقص الأكسجين. مع ذلك، فإن معظم الكائنات شديدة الحساسية للتغيرات الطفيفة في مستويات الأكسجين في الماء. فعندما يتعرض الكائن الحي المتنفس لنقص الأكسجين أو انعدامه، تتضاءل فرص بقائه. لذا، يؤدي التخثث ونقص الأكسجين في الماء إلى انخفاض التنوع البيولوجي .

على سبيل المثال، يستطيع المرجان الرخو زينيا أومبيلاتا مقاومة بعض الظروف اللاهوائية لفترات قصيرة. ومع ذلك، بعد حوالي ثلاثة أسابيع، ينخفض ​​متوسط ​​معدل البقاء على قيد الحياة إلى حوالي 81%، ويعاني حوالي 40% من الأنواع الناجية من انخفاض في الحجم، وتراجع في اللون، وضعف في البنية الريشية. ^{[ 19 ]} ومن الأمثلة الأخرى على الكائنات الحية المعرضة للخطر محار سيدني ، أنادارا ترابيزيا . تُحدث الرواسب الغنية تأثيرات مميتة وغير مميتة على هذا المحار، وكما ورد في فاديلو غونزاليس وآخرون (2021)، "انخفضت حركة المحار في الرواسب الغنية مقارنةً بالمعالجات الطبيعية". ^{[ 20 ]}

دراسة جمعت أكثر من 850 تجربة منشورة "تبلغ عن عتبات الأكسجين و/أو الأوقات المميتة لما مجموعه 206 نوعًا تغطي النطاق التصنيفي الكامل للحيوانات القاعية متعددة الخلايا ." ^{[ 21 ]}

تُظهر الأنواع المختلفة استجابات تكيفية متباينة لظروف نقص الأكسجين، وذلك تبعًا لتكوينها البيولوجي وحالة بيئتها. فبينما تستطيع بعضها ضخ الأكسجين من المياه الجوفية إلى الرواسب، تشمل التكيفات الأخرى أنواعًا محددة من الهيموجلوبين تناسب بيئات نقص الأكسجين، وبطء الحركة لتقليل معدل الأيض ، وعلاقات تكافلية مع البكتيريا اللاهوائية . وفي جميع الأحوال، يؤدي وفرة المغذيات إلى انخفاض النشاط البيولوجي وتنوع الأنواع، إلا إذا كانت المنطقة تعاني من نقص الأكسجين في الظروف الطبيعية. ^{[ 13 ]}

• حوض بانووك في بحر الشام ، شرق البحر الأبيض المتوسط ؛
• حوض البحر الأسود ، قبالة شرق أوروبا، على عمق أقل من 50 متراً (150 قدماً)؛
• حوض بحر قزوين ، على عمق أقل من 100 متر (300 قدم)؛
• حوض كارياكو ، قبالة شمال وسط فنزويلا ؛
• غوتلاند ديب ، في بحر البلطيق قبالة سواحل السويد ؛
• حوض لاتلانتي ، شرق البحر الأبيض المتوسط
• مضيق مارياجر ، قبالة الدنمارك ؛
• حوض أوركا ، شمال شرق خليج المكسيك ؛
• خليج سانيك ، قبالة جزيرة فانكوفر ، كندا ؛

• حدث نقص الأكسجين – أحداث تاريخية لنقص الأكسجين في محيطات الأرض 
• المنطقة الميتة (علم البيئة) - مناطق منخفضة الأكسجين في المناطق الساحلية والبحيرات ناتجة عن التخثث 
• نقص الأكسجة (البيئي) - انخفاض مستويات الأكسجين أو ظروفه 
• ميروميكت - بحيرة ذات طبقات مائية دائمة لا تختلط. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه 
• مورتشنيا - الخطوات الأخيرة المتحجرة لكائن حي 
• نقص الأكسجين في المحيطات – انخفاض محتوى الأكسجين في المحيطات 
• منطقة الحد الأدنى للأكسجين – المنطقة التي يكون فيها تشبع الأكسجين في مياه البحر في المحيط عند أدنى مستوياته 
• ركود المياه – المياه التي لا تتدفق