低酸素症（環境性）

低酸素症（hypoxia :「以下」、oxia :「酸素化された」）は、酸素が少ない状態を指します。低酸素症は空気呼吸生物にとっては問題ですが、多くの嫌気性生物にとっては不可欠です。低酸素症は多くの状況に当てはまりますが、通常は大気と自然水を指します。^[3]

大気中の低酸素状態

大気の低酸素状態は高地で自然に発生します。高度が上がるにつれて大気圧全体が下がり、酸素分圧が低下します。この状態は低圧性低酸素症と定義されます。酸素は全ガス混合物の20.9%のままであり、空気中（または血液中）の酸素の割合が減少する低酸素性低酸素症とは異なります。これは、ブレズモルスなどの一部の地下動物の密閉された巣穴でよく見られます。^{[4]大気の低酸素状態は、エリートアスリートの標準的なトレーニングである}高地トレーニングの基礎でもあります。いくつかの企業は、常圧人工大気を使用して低酸素症を模倣しています。

水中低酸素症

溶存酸素が欠乏している（飽和度 0%）水生システムは、嫌気性、還元性、または無酸素性と呼ばれます。

水中の酸素濃度は良質の水では約7 ppm（0.0007%）ですが、変動します。^[5] 多くの生物は低酸素状態を必要とします。例えば、酸素は嫌気性細菌にとって有毒です。 ^[3]

酸素の減少は、 通常、その時点の温度と塩分濃度で水中に溶解する酸素の割合として表されます。濃度が低い（飽和度が 1 ～ 30% の範囲）システムは、低酸素状態または酸素欠乏状態と呼ばれます。ほとんどの魚は、栄養素からエネルギーを得るために酸素を必要とするため、飽和度が 30% 未満では生存できません。低酸素状態は、内分泌を乱し、生き残った魚の繁殖を阻害します。^[6]「健康な」水生環境では、飽和度が 80% 未満になることはほとんどありません。好気性ゾーンは、無酸素ゾーンと低酸素ゾーンの境界にあります。

低酸素症は水柱全体、また高地や底の堆積物の近くでも発生する可能性があります。通常は水柱の20～50%に広がりますが、水深や密度躍層（水深による水の密度の急激な変化）の位置によって異なります。水柱の10～80%に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メートルまで広がる可能性があります。^[7]

季節ごとの殺処分

深層水の酸素欠乏は、夏と冬の両方の「死滅」につながる可能性がある。夏の成層化の間、一次生産者の有機物や堆積物の流入は、深層水の呼吸速度を上昇させる可能性がある。酸素欠乏が極端になると、魚などの好気性生物が死滅し、「夏滅滅」と呼ばれる状態になる可能性がある。^[8]同じ現象は冬にも発生する可能性があるが、理由は異なる。冬には、氷や雪が光を弱め、光合成速度を低下させる可能性がある。湖が凍結すると、酸素の交換を可能にする空気と水の相互作用も妨げられる。これにより、呼吸が続く間、酸素が不足する。酸素がひどく減少すると、嫌気性生物が死滅し、「冬滅滅」となる可能性がある。^[8]

低酸素症の原因

酸素の減少は、さまざまな自然要因によって起こりますが、汚染や富栄養化の結果として懸念されることが最も多く、その結果、植物の栄養素が川や湖、海に流れ込み、植物プランクトンが大量発生するようになります。植物プランクトンは、光合成によって日中のDO飽和度を上げますが、夜間の密集した植物プランクトンによる呼吸によってDO飽和度は低下します。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。このプロセスによって、水柱内のDOがさらに低下します。酸素の減少が進行して低酸素症になると、魚が死ぬ可能性があり、底にいるミミズやハマグリなどの無脊椎動物も死ぬことがあります。

海底の水中ビデオの静止画。海底はカニ、魚、ハマグリで覆われており、酸素不足で死んでいるか瀕死状態にあるようです。

低酸素症は汚染物質がない場合でも発生することがある。例えば河口では、川から海に流れ込む淡水は塩水よりも密度が低いため、水柱の成層化が起こる可能性がある。そのため、水体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の供給が制限される。すると、底層の酸素濃度が低酸素症が発生するほど低くなる可能性がある。特にこの傾向が強い地域には、ワッデン海やメキシコ湾などの半閉鎖水域の浅瀬があり、陸地からの流出が著しい。これらの地域では、いわゆる「デッドゾーン」が形成される可能性がある。低溶存酸素状態は、ワシントン州のフッド運河やピュージェット湾の地域の場合のように、季節的なものであることが多い。 ^[9]世界資源研究所は、世界中で375の低酸素沿岸地域を特定しており、西ヨーロッパ、米国の東海岸と南海岸、東アジア、特に日本の沿岸地域に集中している。^[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も説明できるかもしれない。この現象では、水生生物が突然浅瀬に殺到し、おそらく酸素の枯渇した水から逃れようとしている。オレゴン州とワシントン州の海岸近く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の生態学によるものとされている。^[11]

植物プランクトンの分解

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、酸素を消費する酸化メカニズムによって分解されます。 ^[12]

環境要因

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 日に変わります。

植物プランクトンの分解率は次の式で表すことができます。

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

この式で、G(t) は、特定の時間 t における粒子状有機炭素 (POC) の総量です。G(0) は、分解が起こる前の POC の濃度です。k は年単位の速度定数で、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 年単位、つまりこれらのシステムで炭素の約 96% が分解されるのに約 28 日かかります。一方、無酸素システムの場合、POC の分解には 125 日かかり、4 倍以上長くなります。^[15]環境中の 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、酸素が POC を消化するために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には約 11 日かかります。^[16]

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換されます。植物プランクトンの30％が溶存炭素に分解されます。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）の速度で生成されます。^[17]

植物プランクトンの分解に伴い、遊離リンと窒素が環境中に存在し、これもまた低酸素状態を助長する。植物プランクトンの分解が進むにつれ、より多くのリンがリン酸塩に、窒素が硝酸塩に変化する。これにより環境中の酸素がさらに減少し、さらに大量の低酸素地帯が形成される。リンや窒素などのミネラルがこれらの水生系に流入するにつれ、植物プランクトンの成長が大幅に増加し、植物プランクトンが死滅すると低酸素地帯が形成される。^[18]

参照

参考文献

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出典

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外部リンク

メキシコ湾の低酸素症
米国沿岸水域における低酸素症の科学的評価環境品質評議会
アトランティックシティ前のデッドゾーン
オレゴン州の海域における低酸素症

[1] ^ Breitburg, D., Levin, LA, Oschlies, A., Gregoire, M., Chavez, FP, and Conley, DJ (2018 )「世界の海洋と沿岸水域の酸素減少」。サイエンス、359：eaam7240。doi ：10.1126/science.aam7240。

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