БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ Задереев Егор Сергеевич Ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН канд.биол.наук Тел Эл.почта

Кислород

1. Газы – один из типов химических примесей в воде: они могут быть необходимыми для жизни, инертными, токсичными. 2. Свойства газов определяются физическими и химическими законами. 3. Газы стремятся к равновесию между концентрациями в атмосфере и растворенной в воде. Растворенные газы

4. Равновесное (насыщение) количество растворенного газа зависит от: Давления (рост давления – рост растворимости) Солености (рост солености – уменьшение растворимости) Температуры (рост температуры – уменьшение растворимости). 5. Растворимость газа не зависит от концентрации других газов в растворе Растворенные газы

При постоянной температуре количество газа поглощаемое объемом воды пропорционально парциальному давлению газа: [gas] = K H r gas K H - константа Генри (для чистой воды при 20 o C = 1.39 (ммольО 2 /кгН 2 О*атм) r O2 – парциальное давление кислорода (в атмосфере~20.3% О 2 = atm) Количество кислорода который растворится в воде при 20 0 С

Растворимость кислорода падает с ростом температуры. Многие биохимические реакции, включая и те, что приводят к поглощения кислорода, ускоряются при повышении температуры. В результате повышение температуры может приводить к кислородному стрессу в водных экосистемах.

1.Диффузия из атмосферы. Действия волн (растет с усилением волнения) Атмосферного давления (растет с ростом атмосферного давления) Насыщения воды кислородом (уменьшается с ростом насыщения) Солености (уменьшается с ростом солености) Влажности воздуха (уменьшается с ростом влажности) Факторы воздействующие на концентрацию кислорода

2. Фотосинтез (часто более важен чем атмосферная диффузия). Вносит более 50% кислорода в воде. Фотосинтез может давать до 5мг O 2 /см 2 /день Факторы воздействующие на концентрацию кислорода

1. Фотосинтез и дыхание часто приводят к суточным колебаниям концентрации O 2 в поверхностных водах. a. Может достигать 200% насыщения в полдень b. Может падать до 50% насыщения при закате Потери кислорода и его колебания Суточные флуктуации кислорода и углекислого газа в эпилимнионе

2. Потери кислорода: a. Дыхание b. Разложение с. Химические или биохимические реакции окисления (редокс - реакции). 3. Кислород распределяется по водной толще в основном течениями. 4. Летняя стратификация может приводить к лимитирующим концентрациям кислорода в гиполимнионе. Потери кислорода и его колебания

О2О2 О2О2 ? Истощение кислорода в гиполимнионе Свет

Зоны с низким содержанием кислорода в океане За последние годы площадь зон с низким содержанием кислорода существенно выросла возможно из-за изменений в циркуляции и биологической продуктивности, что может быть связано с изменением климата.

Низкое содержание кислорода убивает рыб и других животных Предполагается, что низкое содержание кислорода могло быть причиной массовых вымираний видов в прошлом.

Редокс реакции Восстановление – захват электронов, восстановитель – вещество которое отдает электрон Окисление – потеря электронов, окислитель – вещество которое теряет электрон. Редокс потенциал Eh – поток электронов по отношению к водородному стандарту (электронный потенциал). С уменьшением Еh раствор более восстановлен (больше свободных электронов), с ростом Eh раствор более окислен (будет принимать электроны). Среднее значение в озерах ~ mV

Редокс реакции 1.Аэробное дыхание (окисление органического вещества) 2. Азот a) Денитрификация b) Потребление азота организмами c) Нитрификация – образование нитрата 3. Железо (окисление и восстановление) 4. Сера (окисление и восстановление) 5. Метан (окисление и метаногенез)

2. Клиноград Более продуктивные озера Интенсивное поглощение кислорода в гимолинионе Летние профили кислорода 1. Ортоград Олиготрофные озера – низкая продуктивность, мало дыхания Более высокая растворимость кислорода при низких температурах Ортоград Клиноград

4. Отрицательный гетероград Высокая скорость дыхания или разложения в металимнионе (дыхание водорослей ночью или зоопланктона) Градиент плотности замедляет оседание детрита (морской снег) около термоклина, что приводит к повышенному потреблению кислорода 3. Положительный гетероград Увеличенная растворимость в металимнионе при более низкой температуре Повышенная концентрация водорослей в металимнионе ('deep chlorophyll layer) Фотосинтез в термоклине, в случае проникновения туда света, где нет перемешивания и весь кислород остается и накапливается Положительный гетероград Отрицательный гетероград

A. Весеннее перемешивание Зимой лед изолировал от обмена с атмосферой За зиму происходит снижение концентрации за счет дыхания и разложения Концентрация кислорода растет до 100% насыщения Летний дефицит кислорода – если стратификация произошла до насыщения озера кислородом Сезонный цикл кислорода в димиктичном озере

B. Весенняя и летняя стратификация Влияние зависимости 100% насыщения от температуры Действие биоты: дыхание и фотосинтез Сезонный цикл кислорода в димиктичном озере кислород в эпилимнионе колеблется в результате баланса фотосинтеза, дыхания и перемешивания кислород в гиполинионе падает за счет дыхания

C. Распад стратификации концентрация кислорода в эпилимнионе немного падает из-за перемешивания с глубинными водами концентрация кислорода в гиполимнионе продолжает падать

D. Перемешивание Температура >4 0 C кислород стремится к 100% благодаря ветровому перемешиванию НО, если озеро рано замерзает, озеро может не достичь 100% насыщения кислородом и это «зимний дефицит кислорода» E. Зима Обратная стратификация наиболее интенсивное дыхание в осадках и около дна возможность зимних заморов