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上百万条鱼无辜死亡:是谁让河水“缺氧”?

时间:2019-02-02 16:43  来源:科普所   作者:张玥 编译   点击:
编者按:水华(Algal Blooms)指淡水水体中藻类大量繁殖的一种自然生态现象,是水体富营养化的一种特征,主要由于生活及工农业生产中含有大量氮、磷的废污水进入水体后,蓝藻、绿藻、硅藻等大量繁殖所引发。海水中出现的类似现象(一般呈红色)则称为赤潮。
 
近日,澳大利亚墨累达令河流域有上百万条鱼无辜死亡。据报道,死因是由于暴发的水华导致水中含氧量大幅下降。专家警示,近日惨剧将再度发生。

 
公众将此事归咎为长期干旱后的水资源管理不善,然而,1月14日,澳大利亚新南威尔士大学土木与环境工程系教授斯图尔特·可汗(Stuart Khan)指出,大量鱼类死亡也可能是由于洪水,甚至是未经处理的污水导致的。
 
那么,到底发生了什么,让氧气“被从水中抽走”?

 
可汗解释,这一现象对于水质量工程师而言再熟悉不过,这被称作“生化需氧量(BOD)”。为了便于公众理解,他进一步利用生物学和化学知识展开讲解。
 

当氧气见到水

 
氧气分子是可溶于水的,就像是糖可溶于水。一旦溶解,它就会在你眼前消失得无影无踪。而且氧气不像糖,不会有任何味道。

 
在水中能溶解的最大氧气量取决于一系列因素,包括水温、周围气压及盐度。但大体来讲,水中溶解氧的最高水平(即“饱和浓度”)通常是在7-10毫克/升。

 
溶解的氧在水中可供鱼儿呼吸。鱼将水吸入嘴中,进而通到鱼鳃。鱼鳃就像人类的肺,充满了血管。随着水通过鱼鳃的薄壁,溶解氧就会慢慢进入血液当中,传递到鱼的各个细胞。水中氧气浓度越高,这种传递就更加方便。

 
一旦进入细胞,氧气分子就可以发挥“有氧呼吸”的重要作用。氧气可以与能量丰富的有机物质发生反应,分解诸如糖类、碳水化合物与脂肪等有机物质,进而为细胞提供能量。在此过程中的主要废产物是二氧化碳。这也是为什么人类都需要吸入氧气、呼出二氧化碳。鱼类也是如此。
 
可汗给出了一种简单的表达:有机物质+氧气 → 二氧化碳+水+能量。


新南威尔士的亨特河在2016年遭遇“黑水事件”,洪水将有机物冲刷到河中。
 
何为生化需氧量?
 
正如鱼类和人一样,很多细菌也需要从有氧呼吸的过程中汲取能量。因此,如果水道中存在有机物质,在水道中生存的细菌就可以消耗这些有机物质。这是“生物降解”的重要过程,也是为什么数千年来地球没有被动物残骸所堆满的原因。但这种生物降解形式也会消耗氧气,即溶于水道中的氧气。
 
河流可以从与空气的接触中补充氧气。然而,这是一个相对较慢的过程,特别是当河水停滞不流动(流动会产生湍流,这可以搅入更多的氧气)的时候。因此,如果河水中出现很多有机物质,细菌开始大吃特吃,河水中的氧气浓度就会突然下降。
 
显然,“有机物质”可包括很多不同的类型,如糖类、脂肪和蛋白质。有些分子含有更多能量,有的则更易让细菌进行生物降解。因此,有氧呼吸量取决于有机物质的化学性质及其浓度。
 
因此,我们通常不会用“有机物质”的浓度进行衡量,而是真正起作用的东西:有机物质会触发多少有氧呼吸量,这将导致多少氧气消耗。这就是我们所说的“生化需氧量(BOD)”,我们通常按照每升水的氧气浓度(mg/L)来计算。
 
细菌就像人类一样,不会立即消耗掉面前所有的食物,它们会一点点吞噬食物。因此,生物降解的过程会长达数日甚至更久。因此,当我们测量污水样本的生化需氧量时,我们需要评估在具体一段时间内(每升水)的氧气消耗量。标准时间长度通常是五日,我们将这个值称作BOD5(mg/L)。


墨累河鳕鱼通过鱼鳃吸入水中氧气,并将其传递到血液当中。如果没有水中的氧气,它们就会死去。
 
正如可汗此前所言,清洁水可能只含有约7-10毫克/升浓度的可溶解氧气浓度。因此,如果我们将有机物质加入高于此浓度的BOD5值的水中,那么接下来五天就可能耗尽周围的溶解氧浓度。
 
这种现象是发明生物污水处理的主要原因。未处理的城市污水,其BOD5值含量高达300-500毫克/升。如果将其直接排入清洁的水道,通常7-10毫克/升的氧气水平就会被消耗殆尽,导致鱼类或其它水生生物缺氧。
 
因此,生物污水处理的目的是在大型污水池中培养大量细菌,并为它们提供大量用于有氧呼吸的氧气。为此,空气需要打气泡翻腾入水,有时,表面曝气机也用于搅拌下水道。
 
通过提供足够的氧气,可以确保在排到大自然之前,BOD5在污水池中可以得到有效消耗。处理好的污水BOD5值可以低至5毫克/升,而且会随着排放出去而进一步得到稀释。
 
在达令河的案例中,高BOD含量是由于大量繁殖的藻类,这些藻类在温度降低时大量死去。这为细菌提供了丰盛的大餐,造成氧气含量降低,反过来导致数以百万计的鱼类死亡。可汗指出,如今,除非我们清洁河道,否则那些死亡腐败的鱼类就会成为下一波细菌的饲料,继而引发第二轮脱氧事件。
 
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