کمبود اکسیژن محلول: خفگی نامرئی دریاچهها و رودخانهها
اکسیژن محلول چیست و چرا برای آبزیان حیاتی است؟
همانطور که ما انسانها برای تنفس به اکسیژن هوا نیاز داریم، بیشتر جانداران ساکن در آب مانند ماهیها، خرچنگها و حتی باکتریها نیز برای زنده ماندن به اکسیژنی نیاز دارند که در آب حل شده است. به این اکسیژن، «اکسیژن محلول»2 میگویند. ماهیها این اکسیژن را از طریق آبششهای خود از آب جدا کرده و وارد جریان خون خود میکنند.
میزان اکسیژنی که آب میتواند در خود نگه دارد، محدود است و به عواملی مانند دمای آب بستگی دارد. هرچه آب سردتر باشد، میتواند اکسیژن بیشتری را در خود حل کند. رابطهٔ کلی را میتوان اینگونه نشان داد:
این مقدار معمولاً بر حسب واحد میلیگرم در لیتر (mg/L) یا ppm اندازهگیری میشود. برای مثال، یک ماهی قزلآلا برای زندگی سالم به اکسیژن محلولی بیش از 6 mg/L نیاز دارد، در حالی که برخی موجودات مقاومتر مانند کپور معمولی میتوانند در سطوح پایینتری مثل 3 mg/L نیز زنده بمانند.
| نام آبزی | حداقل DO برای بقا (mg/L) | DO مطلوب برای سلامت (mg/L) | وضعیت نمونه |
|---|---|---|---|
| قزلآلای رنگینکمان | 5 | > 6 | حساس |
| کپور معمولی | 2 - 3 | 5 | مقاوم |
| میگوی آب شیرین | 1 | > 4 | بسیار حساس |
| باکتریهای هوازی3 | > 0.5 | > 2 | تجزیهکننده |
علل اصلی کاهش اکسیژن محلول در آب چه هستند؟
کاهش اکسیژن محلول میتواند به دلایل طبیعی یا انسانی رخ دهد. مهمترین این دلایل عبارتند از:
۱. افزایش دمای آب (گرمایش): همانطور که گفته شد، گرم شدن آب برخلاف نوشابهای است که گاز خود را از دست میدهد. با گرم شدن آب، ظرفیت نگهداری اکسیژن آن کم میشود. فعالیت نیروگاهها، تخلیهٔ آبهای صنعتی گرم و تغییرات اقلیمی4 جهانی از عوامل گرمایش آبها هستند.
۲. آلودگی مواد آلی (شکوفایی جلبکی5 و یوتروفیکاسیون6): این مورد یکی از مهمترین و رایجترین دلایل کاهش اکسیژن است. زمانی که فاضلاب خانگی یا کودهای کشاورزی (حاوی نیترات و فسفات) وارد آب میشوند، مانند یک غذای مقوی برای جلبکها و گیاهان آبزی عمل میکنند. در نتیجه، جمعیت آنها به سرعت افزایش یافته و «شکوفایی جلبکی» رخ میدهد. در نهایت، این جلبکها میمیرند. باکتریهای تجزیهکننده برای خوردن و تجزیهٔ این حجم عظیم جلبک مرده، اکسیژن محلول آب را به سرعت مصرف میکنند. این فرآیند میتواند منجر به ایجاد مناطق «هیپوکسیک»7 (کماکسیژن) یا حتی «آنوکسیک»8 (بیاکسیژن) شود که برای بیشتر آبزیان مرگبار است.
۳. کاهش اختلاط آب: در دریاچههای عمیق یا آبهای راکد، لایهبندی دمایی ایجاد میشود. لایهٔ سطحی گرم (اپیلیمنیون9) و لایهٔ عمقی سرد (هیپولیمنیون10) با هم مخلوط نمیشوند. در نتیجه، اکسیژن تازهٔ حاصل از هوا فقط به لایهٔ سطحی میرسد و اگر در لایهٔ عمقی، مصرف اکسیژن رخ دهد، جایگزینی صورت نمیگیرد و آن ناحیه تبدیل به یک «منطقهٔ مرده» میشود.
۴. تجزیهشیمیایی و تنفس: تنفس تمام موجودات زندهٔ آبزی و همچنین تجزیهشیمیایی برخی مواد، مستقیماً اکسیژن محلول را مصرف میکند.
اثرات فاجعهبار هیپوکسی و آنوکسی بر اکوسیستم آبی
هنگامی که اکسیژن محلول از حد بحرانی پایینتر میرود، اثرات زنجیرهای آن آغاز میشود:
۱. مرگ آبزیان (حوادث کشتار دستهجمعی ماهیها): ماهیها نخستین قربانیان هستند. آنها دچار «تنفسسطحی» میشوند، یعنی مجبورند به سطح آب بیایند تا از هوای تماسیافته با آب، اکسیژن بگیرند. اگر وضعیت بهبود نیابد، دچار خفگی شده و تلفات گسترده رخ میدهد. گونههای حساستر (مانند قزلآلا) پیش از گونههای مقاومتر (مانند کپور) از بین میروند. این اتفاق نهتنها جمعیت ماهیها را کاهش میدهد، بلکه تنوع زیستی11 را نیز نابود میکند.
۲. تغییر در ترکیب گونهها: با مرگ گونههای حساس، تنها موجودات مقاوم و فرصتطلب (مانند برخی کرمها و باکتریهای بیهوازی12) باقی میمانند. این موجودات غالباً برای انسان و سایر جانداران مطلوب نیستند.
۳. تولید گازهای سمی: در شرایط کاملاً بیاکسیژن (آنوکسی)، باکتریهای بیهوازی جایگزین باکتریهای هوازی میشوند. این باکتریها در حین تجزیهٔ مواد، به جای دیاکسید کربن، گازهای سمی مانند سولفید هیدروژن (H$_2$S) تولید میکنند که بویی شبیه تخممرغ گندیده دارد و برای تمام موجودات زنده، سمی و کشنده است.
۴. ایجاد «مناطق مرده»: این پدیده بهطور گسترده در مصب13 رودخانههای بزرگ که به دریا میریزند (مانند خلیج مکزیک) مشاهده میشود. این مناطق که گاهی هزاران کیلومتر مربع وسعت دارند، عملاً فاقد هرگونه زندگی جانوری بالاتر از باکتریها هستند و یک بحران اکولوژیک جدی ایجاد میکنند.
راههای اندازهگیری، پایش و بهبود اکسیژن محلول
دانشمندان و محیطبانان چگونه این مشکل را ردیابی و مدیریت میکنند؟
اندازهگیری: دو روش رایج وجود دارد: استفاده از کیتهای تست شیمیایی (مانند روش وینکلر14) که در مدارس نیز قابل آموزش است، و استفاده از دستگاههای اندازهگیری دیجیتالی (اکسیمتر) که یک پراب حسگر را در آب قرار داده و عدد DO را به صورت لحظهای نشان میدهند.
راههای بهبود و احیا:
- کاهش ورود آلایندهها: مهمترین راه حل، جلوگیری از ورود فاضلاب تصفیهنشده و رواناب15 کشاورزی به آبها است. ساخت تصفیهخانههای بهتر و استفادهٔ مسئولانه از کودها ضروری است.
- هوادهی16 مصنوعی: در استخرهای پرورش ماهی یا دریاچههای کوچک، از دستگاههای «هواده» استفاده میشود. این دستگاهها مانند یک همزن بزرگ، آب را به هم زده و آن را با هوا مخلوط میکنند تا اکسیژن بیشتری در آب حل شود.
- احیای جریان آب: در رودخانهها، جلوگیری از ایجاد موانع غیرضروری و احیای جریان طبیعی آب به اختلاط بهتر و اکسیژنرسانی کمک میکند.
- کاشت گیاهان آبزی مناسب: گیاهانی مانند نی و لوئی میتوانند بخشی از مواد مغذی اضافی آب را جذب کنند و از شکوفایی جلبکها جلوگیری نمایند. البته باید مدیریت شوند تا خود آنها پس از مرگ باعث کاهش اکسیژن نشوند.
یک آزمایش سادهٔ خانگی برای درک مفهوم حلشدگی گاز
برای درک بهتر اینکه چگونه دما بر حلشدگی گاز در آب اثر میگذارد، میتوانید این آزمایش بیخطر را در خانه انجام دهید:
وسایل مورد نیاز: دو لیوان شفاف، آب، یک بطری کوچک آب گازدار.
روش کار:
۱. در هر دو لیوان به یک اندازه آب گازدار بریزید.
۲. یکی از لیوانها را برای 10 دقیقه در یخچال، و دیگری را در مجاورت یک منبع گرمای ملایم (مانند کنار رادیاتور) قرار دهید.
۳. پس از 10 دقیقه، آنها را بیرون آورده و مشاهده کنید.
مشاهده و نتیجهگیری: خواهید دید که در لیوان گرم، حبابهای بیشتری (دیاکسید کربن) از آب خارج میشوند. این نشان میدهد که آب گرم، گاز کمتری را در خود نگه میدارد. اکسیژن محلول در آبهای طبیعی نیز دقیقاً از همین قانون پیروی میکند. بنابراین، رودخانههای گرمشده ظرفیت کمتری برای نگهداری اکسیژن مورد نیاز ماهیها دارند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. ممکن است آب به دلیل عدم وجود جلبک، شفاف به نظر برسد، اما در اعماق همان آب، به دلیل تجزیهٔ مواد آلی در کف، اکسیژن بسیار کمی وجود داشته باشد. تنها راه مطمئن، اندازهگیری علمی میزان DO است.
پاسخ: گیاهان در طول روز و در حضور نور، طی فرآیند فتوسنتز17 اکسیژن تولید میکنند. اما در شب، آنها نیز مانند همهٔ موجودات زنده، برای تنفس مصرفکنندهٔ اکسیژن هستند. بنابراین، اگر تراکم گیاهان در یک برکه خیلی زیاد باشد، ممکن است در شب میزان اکسیژن به شدت کاهش یابد.
پاسخ: محتملترین توضیح، ترکیب دو عامل است: افزایش دمای آب (که ظرفیت نگهداری اکسیژن را کم میکند) و شکوفایی جلبکی ناشی از آلودگی. مرگ و تجزیهٔ جلبکها، باقیماندهٔ اکسیژن را مصرف کرده و منجر به هیپوکسی و خفگی ماهیها میشود.
پاورقی و واژهنامه
1 آلودگی (Pollution): ورود مواد مضر به محیط زیست.
2 اکسیژن محلول (Dissolved Oxygen - DO): میزان اکسیژن آزاد حلشده در آب.
3 باکتری هوازی (Aerobic Bacteria): باکتریهایی که برای زنده ماندن و فعالیت به اکسیژن نیاز دارند.
4 تغییرات اقلیمی (Climate Change): تغییرات بلندمدت در الگوهای آب و هوایی زمین.
5 شکوفایی جلبکی (Algal Bloom): رشد سریع و انبوه جلبکها در آب.
6 یوتروفیکاسیون (Eutrophication): غنیسازی آب توسط مواد مغذی که منجر به رشد زیاد گیاهان و کاهش اکسیژن میشود.
7 هیپوکسیک (Hypoxic): شرایطی که در آن سطح اکسیژن محلول بسیار پایین است.
8 آنوکسیک (Anoxic): شرایطی که در آن اکسیژن محلول عملاً صفر است.
9 اپیلیمنیون (Epilimnion): لایهٔ گرم و سطحی یک دریاچهٔ لایهبندیشده.
10 هیپولیمنیون (Hypolimnion): لایهٔ سرد و عمقی یک دریاچهٔ لایهبندیشده.
11 تنوع زیستی (Biodiversity): گوناگونی حیات در یک منطقه.
12 باکتری بیهوازی (Anaerobic Bacteria): باکتریهایی که بدون نیاز به اکسیژن زندگی میکنند.
13 مصب (Estuary): منطقهٔ تلاقی آب شیرین رودخانه و آب شور دریا.
14 روش وینکلر (Winkler Method): یک روش تیتراسیون شیمیایی دقیق برای اندازهگیری DO.
15 رواناب (Runoff): آبی که در سطح زمین جریان مییابد و ممکن است آلایندهها را با خود حمل کند.
16 هوادهی (Aeration): فرآیند افزودن هوا به آب برای افزایش اکسیژن محلول.
17 فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیندی که در آن گیاهان با استفاده از نور خورشید، دیاکسید کربن و آب، غذا و اکسیژن تولید میکنند.
