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缺氧水體(Anoxic waters)是指海水、淡水或地下水中的溶氧英語dissolved oxygen已經不足,處在嚴重缺氧英語Hypoxia (environmental)的情形下。美國地質調查局定義缺氧地下水是溶氣量小於每升0.5毫克[1]。此情形常出現在水循環受限的地區。

大部份的情形下,由於物理性的阻隔[2]以及明顯的密度分層(例如高鹽份的水會停留在內陸高鹽湖泊的底部),氧氣很難溶到水深的地方。若水生生物或細菌耗氧的速度比氧氣溶進水中的速度快,也會有缺氧的情形。

缺氧水體是自然現象[3],常出現在地質學的歷史中。例如有些學者推測造成大量海洋生物滅絕的二疊紀-三疊紀滅絕事件,可能就是因為廣泛的水體缺氧造成。現今有些湖泊中的水是缺氧水體,例如波羅的海[4]。現來也有些指標指出富營養化已增加了水體缺氧的程度,地區包括波羅的海、墨西哥灣[5]和華盛頓州的胡德運河英語Hood Canal[6]

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原因和影響

水體缺氧的原因有許多種,例如死水、水的密度分層英語density stratification[7]、有機物質的輸入,以及強烈的溫躍層。例子包括有峽灣(入口處較淺的灣底使水無法流通)。在水污染控制中,會用anoxic表示單純的缺少氧氣,而anaerobic一詞會用來表示沒有電子受體(例如硝酸鹽硫酸鹽或氧氣)。

若海盆地中的氧氣耗盡時,細菌會先用海水中次好的電子受體硝酸鹽,會出現反硝化反應,而硝酸鹽會快速消耗。細菌接下來會還原硫酸鹽,因此會產生副產物硫化氫(H2S),這是對大多數生物都有毒的物質,其特徵是有臭雞蛋的臭味,顏色是深色的[8]

SO4−2 + H+1 → H2S +H2O + 化學能

若缺氧的海水重新得到氧氣,硫化物會再氧化形成硫酸鹽:

HS + 2 O2 → HSO4

在泥濘的海底常會有缺氧的情形,因為其中有大量的有機物質,而且含氧水流流到沈積物中的很少。距離地表幾公分的間隙水(沉積物之間的水)就是缺氧的了。

缺氧也會受到生物需氧量(BOD)影響,這是指生物在分解有機物質過程中需要的氧氣量。BOD會受生物種類、水的酸鹼度、溫度以及水中的有機物質影響。BOD會直接和水中的溶氧量有關,尤其是一些較小的水體(例如河和溪流)。若BOD增加,水中的氧氣量就會減少。這會影響水中的大型生物。BOD會因為天然原因及人工原因而產生,例如生物屍體、肥料、廢水以及城市的逕流[9]

波羅的海中,因為缺氧條件下的低分解速度,留下了相當多仍保留軟組織的化石Lagerstätte英語Lagerstätte[10]

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人工造成的水體缺氧

富營養化是指營養物(磷酸鹽或是硝酸鹽)的流入,多半是農業逕流或是污水排放的副產物。富營養化會造成大量但短暫的藻類繁殖。在藻華結束後,死去的藻類會沈積到水底,並且開始分解,並且消耗水中的氧氣,直到氧氣用盡為止。像墨西哥灣就會有季節性的死區,不過會受到颶風或熱帶低壓等氣象模式的干擾。污水排放(特別是有許多磷酸鹽或是硝酸鹽的污水),對生態多樣性的破壞特別的大。有些對缺氧條件敏感的物種會被其他比較耐缺氧的物種取代,因此就減少了生態多樣性[8]

富營養化及全球變暖的漸進式環境變化會大幅的改變有氧—缺氧區域。根據模式研究,這種變化會突然出現,會在以藍菌門為主的有氧狀態,以及硫酸鹽還原菌和光養着色菌目的缺氧狀態之間變換[11]

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每天和每季的循環

水體的溫度會直接影響其溶氧量。依照亨利定律,當水溫昇高時,其溶氧量會下降。因此在小型水體會有每天的有氧-缺氧循環,大型水體會有季節性的有氧-缺氧循環。水體在一天中溫度最高的時候最容易有缺氧的問題,若以季節性來看,在夏季也容易出現缺氧。若水體有工業冷卻用的廢熱水排放,其溫度較水體的溫度要高,此情形會更加嚴重。

每天的循環也會受到光合作用的影響。夜間沒有陽光,植物無法進行光合作用產生氧氣,因此也會有缺氧的情形,在夜間會出現,在日出後一段時間是最嚴重的時期[12]

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生物適應

生物體針對缺氧的沉積物,已發展出許多的適應機制。有些生物可以從較淺的水層中泵取氧氣,釋放到沉積物中,其他的適應方式包括可以在低氧環境下生存的特殊血紅蛋白,慢速活動以降低代謝率,以及與厭氧細菌的共生關係。多數的情形下,若該區域平常不是在缺氧狀態下,有毒H2S的出現都會降低生物的活動力,並且減少生態多樣性[8]

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參考資料

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