• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  •  science >> Scienza >  >> Natura
    Come viene aspirato l'ossigeno dai nostri corsi d'acqua?

    Il fiume Hunter nel NSW ha subito un evento di "acque nere" nel 2016 quando le acque alluvionali hanno lavato materia organica nel fiume. Credito:Andrew S/Flickr, CC BY-SA

    Un milione di pesci sono morti nel bacino di Murray Darling, poiché i livelli di ossigeno precipitano a causa delle maggiori fioriture algali. Gli esperti hanno avvertito che potremmo vedere più morti di massa questa settimana.

    Si è puntato il dito sulla cattiva gestione dell'acqua dopo un lungo periodo di siccità. Però, la morte di massa dei pesci può essere causata anche da inondazioni, e persino liquami crudi.

    Quindi cosa succede quando l'ossigeno viene "risucchiato fuori dall'acqua"?

    Il fenomeno è molto noto agli ingegneri della qualità dell'acqua; la chiamiamo "domanda biochimica di ossigeno". Per capirlo, bisogna parlare un po' di biologia e un po' di chimica.

    Quando l'ossigeno incontra l'acqua

    Le molecole di ossigeno sono solubili in acqua allo stesso modo in cui lo zucchero è solubile in acqua. Una volta sciolto, non puoi vederlo (e, a differenza dello zucchero, l'ossigeno è insapore).

    La quantità massima di ossigeno che puoi sciogliere in acqua dipende da una serie di fattori, compresa la temperatura dell'acqua, pressione dell'aria ambiente, e salinità. Ma grosso modo, la quantità massima di ossigeno solubile, nota come "concentrazione di saturazione" è tipicamente di circa 7-10 milligrammi di ossigeno per litro d'acqua (7-10 mg/L).

    Questo ossigeno disciolto è ciò che i pesci usano per respirare. I pesci prendono l'acqua attraverso la bocca e la forzano attraverso i loro passaggi branchiali. Branchie, come i nostri polmoni, sono pieni di vasi sanguigni. Mentre l'acqua passa sulle sottili pareti delle branchie, l'ossigeno disciolto viene trasferito nel sangue e quindi trasportato alle cellule del pesce. Maggiore è la concentrazione di ossigeno nell'acqua, più è facile che avvenga questo trasferimento.

    Una volta nelle celle, le molecole di ossigeno svolgono un ruolo fondamentale nel processo di "respirazione aerobica". L'ossigeno reagisce con sostanze organiche ricche di energia, come gli zuccheri, carboidrati e grassi per abbatterli e rilasciare energia per le cellule. Il principale prodotto di scarto di questo processo è l'anidride carbonica (CO₂). Questo è il motivo per cui tutti abbiamo bisogno di inspirare ossigeno ed espiriamo anidride carbonica. Anche i pesci lo fanno. Un modo semplice per esprimere questo è:

    Sostanze organiche + Ossigeno Anidride carbonica + Acqua + Energia

    Il merluzzo di Murray tira l'acqua ossigenata attraverso le branchie, trasferendolo nel loro flusso sanguigno. Senza ossigeno nell'acqua, loro muoiono. Credito:Guo Chai Lim/Flickr, CC BY-NC-SA

    Qual è la domanda biochimica di ossigeno?

    Proprio come i pesci e le persone, molti batteri ottengono energia dai processi di respirazione aerobica, secondo la reazione chimica semplificata mostrata sopra. Perciò, se sono presenti sostanze organiche in un corso d'acqua, i batteri che vivono in quel corso d'acqua possono consumarli. Questo è un importante processo di "biodegradazione" ed è la ragione per cui il nostro pianeta non è disseminato di carcasse di animali morti nel corso di molte migliaia di anni. Ma questa forma di biodegradazione consuma anche ossigeno, che deriva dall'ossigeno disciolto nel corso d'acqua.

    I fiumi possono ricostituire il loro ossigeno dal contatto con l'aria. Tuttavia questo è un processo relativamente lento, soprattutto se l'acqua è stagnante (lo scorrere crea turbolenze e si mischia con più ossigeno). Quindi, se è presente molta materia organica e i batteri si nutrono di essa, le concentrazioni di ossigeno nel fiume possono diminuire improvvisamente.

    Ovviamente, "sostanze organiche" possono includere molte cose diverse, come gli zuccheri, grassi e proteine. Alcune molecole contengono più energia di altre, e alcuni sono più facili da biodegradare per i batteri. Quindi la quantità di respirazione aerobica che si verificherà dipende dall'esatta natura chimica delle sostanze organiche, così come la loro concentrazione.

    Perciò, invece di riferirsi alla concentrazione di "sostanze organiche", più comunemente ci riferiamo alla cosa che conta davvero:quanta respirazione aerobica possono innescare le sostanze organiche e quanto ossigeno questa farà consumare. Questo è ciò che chiamiamo la domanda biochimica di ossigeno (BOD) e di solito la esprimiamo come concentrazione in termini di milligrammi di ossigeno per litro di acqua (mg/L).

    Come noi, i batteri non consumano tutto il cibo a loro disposizione all'istante, ma ne pascolano nel tempo. La biodegradazione quindi può richiedere giorni, o più. Quindi, quando misuriamo il BOD di un campione di acqua contaminata, dobbiamo valutare quanto ossigeno viene consumato (per litro d'acqua) in un determinato periodo di tempo. Il periodo di tempo standard è solitamente di cinque giorni e ci riferiamo a questo valore come BOD5 (mg/L).

    Come ho accennato prima, l'acqua pulita potrebbe avere solo una concentrazione di ossigeno disciolto fino a circa 7-10 mg/L. Quindi se aggiungiamo materiale organico in una concentrazione che ha un BOD5 più alto di questo, possiamo aspettarci che riduca la concentrazione di ossigeno disciolto nell'ambiente durante i prossimi cinque giorni.

    Questo fenomeno è il motivo principale per cui è stato inventato il trattamento biologico delle acque reflue. I liquami urbani grezzi (non trattati) possono avere un BOD5 di 300-500 mg/L. Se questo fosse scaricato in un corso d'acqua pulito, il tipico livello base di 7-10 mg/L di ossigeno verrebbe consumato, lasciandone nessuno disponibile per pesci o altri organismi acquatici.

    Quindi lo scopo del trattamento biologico delle acque reflue è quello di far crescere molti batteri in grandi serbatoi di acque reflue e fornire loro abbondante ossigeno per la respirazione aerobica. Per fare questo, l'aria può essere fatta gorgogliare attraverso le acque reflue, o talvolta vengono utilizzati aeratori di superficie per smuovere le acque reflue.

    Fornendo molto ossigeno, assicuriamo che il BOD5 venga effettivamente consumato mentre le acque reflue sono ancora nei serbatoi, prima che venga rilasciato nell'ambiente. Le acque reflue ben trattate possono avere un BOD5 fino a 5 mg/L, che può poi essere ulteriormente diluito man mano che viene scaricato nell'ambiente.

    Nel caso del fiume Darling, l'alto carico di BOD è stato creato dalle alghe, che è morto quando le temperature sono scese. Questo ha fornito una festa per i batteri, abbassare l'ossigeno, che a sua volta ha ucciso centinaia di migliaia di pesci. Ora, a meno che non puliamo il fiume, quei pesci in decomposizione potrebbero diventare foraggio per un altro giro di batteri, innescando un secondo evento di deossigenazione.

    Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.




    © Scienza https://it.scienceaq.com