低酸素症（環境性）

深水層の酸素欠乏は、夏と冬の両方で「大量死」を引き起こす可能性があります。夏の成層期には、有機物の流入や一次生産者の沈降により、深水層での呼吸速度が上昇することがあります。酸素欠乏が極端になると、魚などの好気性生物が死滅し、「夏季大量死」と呼ばれる現象が発生します。^{[ 8 ]}冬にも同じ現象が発生しますが、理由は異なります。冬には、氷や雪が光を弱め、光合成速度を低下させます。湖が凍結すると、酸素交換を可能にする空気と水の相互作用も妨げられます。これにより、呼吸が続く一方で酸素が不足します。酸素がひどく欠乏すると、嫌気性生物が死滅し、「冬季大量死」が発生します。^{[ 8 ]}

酸素欠乏は多くの自然要因によって引き起こされますが、最も頻繁に問題となるのは、植物栄養素が河川、湖、または海洋に流入し、植物プランクトンの異常増殖が促進される汚染と富栄養化の結果としてです。植物プランクトンは光合成によって日中の溶存酸素飽和度を高めますが、異常増殖したプランクトンの高密度な個体群は、夜間の呼吸によって溶存酸素飽和度を低下させます。植物プランクトン細胞が死ぬと、底に沈み、バクテリアによって分解されますが、この過程で水中の溶存酸素はさらに低下します。酸素欠乏が進行して低酸素状態になると、魚の大量死が発生する可能性があり、底に生息するミミズや二枚貝などの無脊椎動物も死滅する可能性があります。

汚染物質がない場合でも低酸素状態が発生することがあります。たとえば、河口では、川から海に流れ込む淡水は塩水よりも密度が低いため、水柱内で成層が生じることがあります。そのため、水域間の垂直混合が減少し、表層水から塩分濃度の高い底層水への酸素供給が制限されます。底層の酸素濃度は、低酸素状態が発生するほど低くなる可能性があります。特にこのような状況が発生しやすい地域としては、ワッデン海やメキシコ湾のような半閉鎖水域の浅瀬があり、陸からの流出水が相当量あります。これらの地域では、いわゆる「デッドゾーン」が形成されることがあります。溶存酸素濃度が低い状態は、ワシントン州のフッド運河やピュージェット湾の一部のように、季節的な場合が多いです。^{[ 9 ]}世界資源研究所は、西ヨーロッパ、米国東部および南部沿岸、東アジア、特に日本の沿岸地域に集中している、世界中で375の低酸素沿岸域を特定しています。^{[ 10 ]}

低酸素症は、モービル湾ジュビリーのような周期的な現象の説明にもなり得る。モービル湾ジュビリーでは、水生生物が突然浅瀬に殺到し、酸素が不足した水から逃れようとしているのかもしれない。オレゴン州とワシントン州の沿岸付近で最近広範囲に発生した貝類の大量死も、周期的なデッドゾーン生態系が原因とされている。^{[ 11 ]}

植物プランクトンの内訳

植物プランクトンは主にリグニンとセルロースで構成されており、これらは酸素を消費する酸化メカニズムによって分解される。^{[ 12 ]}

環境要因

環境中における植物プランクトンの分解は酸素の存在に依存しており、水中に酸素がなくなると、リグニンペルオキシダーゼはリグニンの分解を継続できなくなる。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160日にまで変化する。

植物プランクトンの分解速度は、次の式で表すことができます。

${\displaystyle G(t)=G(0)e^{-kt}}$

この式では、G(t) は、ある時点 t における粒子状有機炭素 (POC) の総量です。G(0) は、分解が始まる前の POC の濃度です。k は年⁻¹ 単位の速度定数で、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 96% 近くが分解されるのに約 28 日かかります。一方、無酸素システムでは、POC の分解には 125 日かかり、4 倍以上長くなります。^{[ 15 ]} 環境中で1 mg の POC を分解するには約 1 mg の酸素が必要であり 、そのため、POC の消化に酸素が急速に消費されるため、低酸素状態が急速に発生します。植物プランクトンの POC の約 9% は、18 °C で 1 日で分解されます 。したがって、植物プランクトンを完全に分解するには約 11 日かかります。^{[ 16 ]}

POCが分解されると、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換される可能性があります。植物プランクトンの最大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350 nmの紫外線と相互作用すると、溶存無機炭素が生成され、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 ⋅day) の速度で生成されます。 ^{[ 17 ]} 

植物プランクトンが分解されると、環境中に遊離リンと窒素が放出され、低酸素状態が促進されます。この植物プランクトンの分解が進むにつれて、リンはリン酸塩に、窒素は硝酸塩に変化します。これにより、環境中の酸素がさらに減少し、より多くの低酸素域が形成されます。リンや窒素などのミネラルがこれらの水系に流入すると、植物プランクトンの増殖が大幅に増加し、それらが死滅すると低酸素域が形成されます。^{[ 18 ]}

• Kils, U.、U. Waller、P. Fischer (1989)「1988年秋のキール湾における魚の大量死」国際海洋探査協議会CM 1989/L:14。{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
• Fischer P.; U. Kils (1990). "低酸素ストレス下におけるトゲウオGasterosteus aculeatusとウナギZoaraes viviparusの呼吸と行動に関する現場調査".国際海洋探査協議会. CM 1990/F:23.
• Fischer P.; K. Rademacher; U. Kils (1992). "短期低酸素状態下におけるウナギ類Zoarces viviparusの呼吸と行動に関する現場調査" . Mar Ecol Prog Ser . 88 : 181–84 . Bibcode : 1992MEPS...88..181F . doi : 10.3354/meps088181 .