Een miljoen vissen zijn gestorven in het Murray Darling-bekken, als zuurstofniveaus kelderen als gevolg van grote algenbloei. Experts hebben gewaarschuwd dat we deze week meer massale sterfgevallen kunnen zien.

Er wordt met de vinger gewezen naar slecht waterbeheer na een lange periode van droogte. Echter, massale vissterfte kan ook worden veroorzaakt door overstromingen, en zelfs ongezuiverd afvalwater.

Dus wat gebeurt er als zuurstof "uit het water wordt gezogen"?

Het fenomeen is zeer bekend bij waterkwaliteitsingenieurs; we noemen het "biochemisch zuurstofverbruik". Om het te begrijpen, we moeten het hebben over een beetje biologie en een beetje scheikunde.

Wanneer zuurstof water ontmoet

Zuurstofmoleculen zijn oplosbaar in water op dezelfde manier als suiker oplosbaar is in water. Zodra het is opgelost, je kunt het niet zien (en, in tegenstelling tot suiker, zuurstof is smaakloos).

De maximale hoeveelheid zuurstof die je in water kunt oplossen is afhankelijk van een aantal factoren, inclusief de watertemperatuur, omgevingsluchtdruk, en zoutgehalte. Maar grofweg gesproken, de maximale hoeveelheid oplosbare zuurstof, bekend als de "verzadigingsconcentratie" is meestal ongeveer 7-10 milligram zuurstof per liter water (7-10 mg/L).

Deze opgeloste zuurstof is wat vissen gebruiken om te ademen. Vissen nemen water op via hun mond en persen het door hun kieuwgangen. Kieuwen, zoals onze longen, zitten vol met bloedvaten. Als water over de dunne wanden van de kieuwen stroomt, opgeloste zuurstof wordt overgebracht naar het bloed en vervolgens getransporteerd naar de cellen van de vissen. Hoe hoger de zuurstofconcentratie in het water, hoe gemakkelijker het is voor deze overdracht.

Eenmaal in de cellen, de zuurstofmoleculen spelen een sleutelrol in het proces van "aërobe ademhaling". De zuurstof reageert met energierijke organische stoffen, zoals suikers, koolhydraten en vetten om ze af te breken en energie vrij te maken voor de cellen. Het belangrijkste afvalproduct van dit proces is koolstofdioxide (CO₂). Daarom moeten we allemaal zuurstof inademen en koolstofdioxide uitademen. Vissen doen dat ook. Een eenvoudige manier om dit uit te drukken is:

Organische stoffen + Zuurstof → Kooldioxide + Water + Energie

Wat is het biochemische zuurstofverbruik?

Net als vissen en mensen, veel bacteriën halen energie uit processen van aerobe ademhaling, volgens de hierboven weergegeven vereenvoudigde chemische reactie. Daarom, als er organische stoffen in een waterweg zitten, de bacteriën die in die waterweg leven, kunnen ze consumeren. Dit is een belangrijk proces van "biologische afbraak" en is de reden dat onze planeet niet bezaaid is met karkassen van dieren die gedurende vele duizenden jaren zijn gestorven. Maar deze vorm van biologische afbraak verbruikt ook zuurstof, die afkomstig is van opgeloste zuurstof in de waterweg.

Rivieren kunnen hun zuurstof aanvullen door contact met de lucht. Dit is echter een relatief langzaam proces, vooral als het water stagneert (stromend zorgt voor turbulentie en mengt meer zuurstof). Dus als er veel organische stof aanwezig is en bacteriën smullen ervan, zuurstofconcentraties in de rivier kunnen plotseling dalen.

Blijkbaar, "organische stoffen" kunnen veel verschillende dingen omvatten, zoals suikers, vetten en eiwitten. Sommige moleculen bevatten meer energie dan andere, en sommige zijn gemakkelijker voor de bacteriën om biologisch af te breken. Dus de hoeveelheid aerobe ademhaling die zal optreden, hangt af van de exacte chemische aard van de organische stoffen, evenals hun concentratie.

Daarom, in plaats van te verwijzen naar de concentratie van "organische stoffen", we verwijzen vaker naar het ding dat er echt toe doet:hoeveel aërobe ademhaling de organische stoffen kunnen veroorzaken en hoeveel zuurstof dit zal veroorzaken om te worden verbruikt. Dit noemen we het biochemisch zuurstofverbruik (BZV) en meestal drukken we het uit als een concentratie in milligrammen zuurstof per liter water (mg/L).

Zoals wij, bacteriën consumeren niet al het voedsel dat voor hen beschikbaar is, ze grazen er na verloop van tijd op. Biologische afbraak kan daarom dagen duren, of langer. Dus als we de BZV van een besmet watermonster meten, we moeten inschatten hoeveel zuurstof er verbruikt wordt (per liter water) over een bepaalde periode. De standaardperiode is gewoonlijk vijf dagen en we noemen deze waarde de BOD5 (mg/L).

Zoals ik eerder zei, schoon water heeft mogelijk slechts een concentratie opgeloste zuurstof van ongeveer zeven tot 10 mg/L. Dus als we organisch materiaal toevoegen in een concentratie die een hogere BOD5 heeft dan dit, we kunnen verwachten dat het de omgevingsconcentratie van opgeloste zuurstof in de komende vijf dagen zal verminderen.

Dit fenomeen is de belangrijkste reden waarom biologische rioolwaterzuivering is uitgevonden. Ruw (onbehandeld) gemeentelijk afvalwater kan een BZV5 van 300-500 mg/L hebben. Als dit op een schoon vaarwater zou worden geloosd, het typische basisniveau van 7-10 mg/L zuurstof zou worden verbruikt, waardoor er geen beschikbaar is voor vissen of andere waterorganismen.

Het doel van biologische rioolwaterzuivering is dus om veel bacteriën in grote afvalwatertanks te laten groeien en ze te voorzien van voldoende zuurstof voor aerobe ademhaling. Om dit te doen, lucht kan worden geborreld door de riolering, of soms worden oppervlaktebeluchters gebruikt om het afvalwater te karnen.

Door veel zuurstof toe te voeren, we zorgen ervoor dat de BOD5 effectief wordt verbruikt terwijl het afvalwater nog in de tanks zit, voordat het in het milieu terechtkomt. Goed behandeld afvalwater kan een BOD5 hebben van slechts 5 mg/L, die vervolgens verder kan worden verdund als het in het milieu wordt geloosd.

In het geval van de Darling-rivier, de hoge BOD-belasting werd gecreëerd door algen, die stierf toen de temperatuur daalde. Dit was een feest voor bacteriën, zuurstof verlagen, die op hun beurt honderdduizenden vissen doodden. Nutsvoorzieningen, tenzij we de rivier schoonmaken, die rottende vissen kunnen voer worden voor een nieuwe ronde bacteriën, een tweede deoxygenatiegebeurtenis teweegbrengen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.