Table of Contents

الدور الحاسم للأوكسجين المفصل في تقييم نوعية المياه

وتشكل اختبارات المياه ممارسة أساسية في العلوم البيئية، وحماية الصحة العامة، والإدارة المسؤولة لموارد المياه، ومن بين العناصر التي يقوم العلماء والمهنيون في مجال نوعية المياه بقياسها بصورة روتينية، تُحلّ نتائج الأكسجين باعتبارها أحد أكثر المؤشرات وضوحا لصحة النظام الإيكولوجي المائية، وبدون بيانات دقيقة، فإن الجهود الرامية إلى حماية إمدادات مياه الشرب، والحفاظ على مصائد الأسماك، ومكافحة التلوث تصبح أقل فعالية بكثير.

فهم مستويات وزارة الصحة ليس مجرد عملية أكاديمية؛ بل له عواقب مباشرة على بقاء الكائنات المائية، وسلامة المياه الترفيهية، وفعالية عمليات معالجة المياه المستعملة، وسواء كنت خبيراً استشارياً في البيئة، أو مشغلاً في المياه البلدية، أو طالباً في علم الأحياء المائية، أو مواطناً معنياً معنياً يشارك في رصد مستجمعات المياه المحلية، فإن استخلاص مبادئ قياس الأكسجين المذاب سيزيد من قدرتك على تقييم نوعية المياه بثقة.

ما هو (أوكسجين) المُحلّل؟

ويشير الأكسجين المنزوع إلى الأكسجين الجزيئي الموجود في الماء، وليس ذرات الأكسجين المربوطة كيميائياً بالهيدروجين في جزيء المياه نفسه، وهذا الأكسجين الحر متاح لاستنشاق السمك، واللافقاريات، والبكتيريا، والكائنات المائية الأخرى، ويُعبَّر عادة عن الـ ديم في الألفغرام لكل لتر (الغم/التر) أو كنسبة المئوية من كمية الأكسجين المقيسجين.

وينظم قانون هنري قابلية الازدحام في الماء، الذي ينص على أن تركيز الغاز في السائل متناسب مع الضغط الجزئي لذلك الغاز فوق السائل، وفي مستوى البحر و20 درجة مئوية، يبلغ تركيز التشبع في المياه العذبة حوالي 9.1 ملغم/لتر، غير أن هذه القيمة تتغير بدرجة كبيرة مع درجة الحرارة والملوحة والضغط الجوي، وهو السبب في أن التركيز المؤثر في الغالب هو أكثر من التركيز المطلق.

الكيمياء الفيزيائية لأوكسجين في الماء

ويدخل الأوكسجين الماء في المقام الأول من خلال آليتين: الانتشار من الغلاف الجوي وتقويم الصور بواسطة النباتات المائية والطحالب المائية، ويحدث الانتشار الجوي عند واجهة المياه الجوية، حيث تنتقل الجزيئات الأوكسجينية من الهواء إلى الماء إلى حين اقتراب التوازن، وهذه العملية بطيئة نسبياً في المياه التي لا تزال قائمة، ولكن يمكن تسريع وتيرة التركيز فيها مثل الريح، والموجات، والارتفاع.

ويستهلك الأوكسجين في الماء عن طريق الارتعاش من قبل الكائنات المائية وعن طريق التحلل الميكروبي للمواد العضوية، وعندما تستهلك كميات كبيرة من المواد العضوية المغذية؛ مثل مياه المجاري، أو المجرى الزراعي، أو تفكك الخلل في الأوكسجين؛ وتكدس جسماً مائياً، أو بكتيريا هوائية متعددة لتكسره، وتستهلك الأكسجين بمعدل يمكن أن يتجاوز معدل الأكسجين.

لماذا حل مسائل الأكسجين للحياة المائية والصحة البشرية

وتمتد أهمية الأكسجين المذاب من أصغر الكائنات المجهرية إلى أكبر أنواع الأسماك، وفي نهاية المطاف إلى البشر الذين يعتمدون على موارد المياه الصحية، وتقضي مستويات الأوكسجين التي يمكن أن تعيش في جسم مائي معين، وتؤثر على السلوك الكيميائي للملوثات، وتستخدم كمؤشر رئيسي على حمولة التلوث العضوي.

صحة النظام الإيكولوجي والتنوع البيولوجي

وتختلف الاحتياجات من الأكسجين في الأنواع المائية، وتحتاج الأسماك الملوّثة مثل سمك التروت والسالمون عادة إلى تركيزات من مادة دو فوق 6 ملغم/لتر، في حين أن أنواع المياه الدافئة مثل سمك البوص والسمك يمكن أن تتسامح مع مستويات منخفضة تصل إلى 3 إلى 4 ملغم/لتر.

فبعد قتل الأسماك، تؤدي ظروف الأكسجين المنخفضة إلى تغيير هيكل المجتمعات المائية بأكملها، كما أن أنواع النظافة التي تتسامح مع انخفاض الأكسجين، مثل بعض الديدان واللافينات المتوسطة، مع القضاء على الأنواع الحساسة، مما يقلل التنوع البيولوجي ويمكن أن يضعف وظائف النظم الإيكولوجية مثل التدوير المغذي وتجهيز المواد العضوية، وفي الحالات الشديدة، تسمح الظروف السمية بالإفراج عن المواد السمية مثل الكبريتيدية المائية المهينة.

الصحة البشرية والسلامة المائية

وفي حين أن الأكسجين المذاب ليس في حد ذاته ملوثا يسبب أمراضا بشرية مباشرة، فإنه يمثل مظلة حامضة لمشاكل نوعية المياه التي تؤثر على صحة الإنسان، وكثيرا ما تشير مستويات منخفضة من الجرعة إلى وجود تلوث عضوي من مياه الصرف الصحي أو المانح أو نفايات تجهيز الأغذية، وهو ما قد يحتوي على مسببات للأمراض مثل البكتيريا والفيروسات والبروتوزا، ويساعد رصد المواد الكيميائية على تحديد المناطق التي يحتمل أن تكون فيها هذه المخاطر قيد العلاج.

وعلاوة على ذلك، يؤدي الأكسجين دوراً في التحكم في قابلية الفلزات للذوبان والتوفر الأحيائي، وفي الماء المولد، والكيد والمنغنيزي الذي يشكل أوكسيدات حلية تهيمن على الحل، وتخفض تركيزها في عمود المياه، وفي ظروف منخفضة الأوكسجين، تصبح هذه المعادن قابلة للذوبان ويمكن أن تصل إلى مستويات ضارة، وينطبق نفس المبدأ على المواد الغذائية مثل الأوكسجين.

العوامل الرئيسية التي يُبطل فيها تأثيرها مستويات الأوكسجين

فالتركيزات التي تُجرى في المياه الطبيعية ليست ثابتة؛ فهي تختلف على مدى الزمن من ساعات إلى مواسم، ومن مختلف المستويات المكانية من السطح إلى الأسفل، فهم العوامل التي تدفع هذه التباينات أمر أساسي لتصميم برامج رصد فعالة وتفسير البيانات تفسيرا صحيحا.

درجة الحرارة

فالتدرج هو أهم عامل بدني واحد يتحكم في قابلية التحمل، ومع ارتفاع درجة حرارة المياه، فإن قابلية الازدهار في الأكسجين تتناقص، وهذه العلاقة موثقة جيدا ويمكن التنبؤ بها، فعلى سبيل المثال، عند درجة حرارة صفر، يمكن أن تحمل المياه العذبة النقية عند مستوى البحر حوالي 14.6 ملغم/لتر من الأوكسجين، ولكن عند درجة حرارة 30 درجة مئوية، تهبط قيمة التشبع إلى حوالي 7.5 ملغم/لتر.

الملح

وتخفض الملح المسيل من قابلية الذوبان من الأكسجين في المياه، فبالنسبة لكل زيادة تبلغ 10 أجزاء في الألف (صفر) في الملوحة، تنخفض نسبة الازدهار بالأكسجين بنسبة تتراوح بين 10 و 15 في المائة تقريبا، وفي بيئات الاستوار حيث تكون المياه العذبة ومياه البحر أكثر تعقيداً لأن ملوحة ودرجات الحرارة وخلط المد والجزر يتفاعل مع بعضها البعض، ويجب أن تُسِّر برامج الرصد في المناطق الساحلية تفسيراً للملوحة.

الضغط الجوي والغطاء الجوي

ويتناقص الضغط الجزئي للأكسجين في الغلاف الجوي مع ارتفاع متزايد، مما يقلل من قوة الدفع لنشر الأوكسجين في المياه، وفي ارتفاع أعلى، يقل تركيز دو في التشبع عن مستوى سطح البحر، وينبغي أن يتوقع محطة رصد عند ارتفاع 000 2 متر أن تكون قراءات دوقية أقل من موقع مماثل على مستوى البحر، حتى في ظل ظروف بريستية، وهذا سبب آخر هو أن نسبة التشبع غالبا ما تكون مفضلة على التركيز المطلق للأغراض المقارنة.

التدفق و التراب

وتعيد المياه المتنقلة بسرعة أكبر من المياه التي لا تزال ترتفع بسبب الاضطراب في المساحة السطحية المتاحة لتبادل الغازات، وتخلط بين المياه السطحية الغنية بالأكسجين وبين طبقات أعمق، حيث عادة ما تكون لتدفقات الجبال بسرعة تركيزات دو قرب التشبع، بينما تظهر البحيرات العميقة والمستودعات في كثير من الأحيان درجات عمودية واضحة في الأكسجين.

التليفزيون والتلخيص

وتنتج النباتات المائية والطحالب والسيانوبكتريا الأكسجين أثناء التليف الضوئي في وجود ضوء الشمس، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى دورات دوية (يومية) في دو، مع حدوث تركيزات في أواخر العصر، وتركّزات أدنى قبل الفجر مباشرة، وفي المياه التافهة التي ترتفع فيها الأوكسيدات الفلزية الكثيفة، يمكن أن تكون هذه التأرجحات شديدة، مع انخفاض قيم الليلية إلى ما دون 20 في المائة.

البت في المادة العضوية

إن الطلب على الأكسجين البيولوجي الذي تُفرضه النفايات العضوية هو أحد أهم أسباب استنفاد الأكسجين في المياه الملوثة، وعندما تدخل المادة العضوية جسماً مائياً، فإن البكتيريا الوبائية الحرارية تستهلك الأكسجين لتكسيد المواد لثاني أكسيد الكربون والماء، ويتوقف معدل استهلاك الأكسجين على نوع المواد العضوية وتركيبها، ودرجة حرارة المياه، ونسبة مياه الجاف المجهرية الموجودة.

Seasonal and Vertical Patterns in Dissolved Oxygen

وفي البحيرات العميقة والمستودعات التي تشهد تضخيم حراري، تتأثر ديناميات الدو تأثراً شديداً بدورات الخلط الموسمي، ففي الصيف، يُعزى ارتفاع حرارة وثروة الأوكسجين إلى انخفاض في معدل الراهبة، الذي يُستحوذ على تركيز محدود من الغلاف الجوي، وإذا أصبح النادر منعزلاً وتراكمت المادة العضوية في المياه الأعمق.

وتنجم المناطق الساحلية الميتة، مثل تلك التي تشكل فصليا في خليج المكسيك وبحر البلطيق وخليج تشيسابيك، عن نفس العملية الأساسية، وتلوث المغذيات الناجم عن الرصيف الزراعي يحفز على تذبذب الطحالب في المياه السطحية، وعندما يموت الطحالب ويغرقها، يستهلك التحلل الأكسجين في المياه السفلية، مما يخلق مناطق شاسعة حيث يكون الأوكسجين منخفضا جدا لدعم معظم الحياة البحرية.

أساليب قياس الأكسجين المذوب

ويعد القياس الدقيق للأكسجين المذوب أمرا أساسيا لجميع الأسباب التي نوقشت أعلاه، وتوجد عدة طرق، لكل منها قواه وحدوده وتطبيقاته المناسبة، ويعتمد اختيار الطريقة الصحيحة على أهداف الرصد، ونطاق دو المتوقع، ومصفوفة المياه، والميزانية المتاحة.

تطريز وينكلر (الأسلوب الكيميائي)

أما طريقة وينكلر التي وضعت في عام 1888، فتظل المعيار المرجعي لقياس الجرعة في العديد من التطبيقات التنظيمية والبحثية، وفي هذا الإجراء المتعلق بالكيمياء الرطبة، يتم جمع عينة من المياه دون التعرض للهواء، وتعالج بمجموعة من المواد التي تحدد الاكسجين المذوب كمركب ملوّن، ثم يتم ربط العينة بحل ثابت من مادة ثيوسلفات لتحديد تركيز الأوكسجين(50).

أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي (Clark-Type Probes)

وكانت أجهزة الاستشعار القطبية من نوع كلارك هي مجموعة قياسات الميدان دو لعدة عقود، وتتألف هذه الاختبارات من كتلة من البلازمين ومزخرفة فضية مستخرجة في حل الكهروليت وفصلت عن العينة بواسطة جهاز قياس دقيق من الأوكسجين، وعندما يتم تطبيق قياس الفولط، يخفض انتشار الأوكسجين من خلال الكمبرانيين المغناطيسي بصورة نسبية عند الكمود التراكمي.

Optical Dissolved Oxygen Sensors

وقد أصبحت أجهزة الاستشعار الضوئية للدماغ، التي يشار إليها في كثير من الأحيان بأجهزة استشعار الأكسجين المذوبة، شائعة بصورة متزايدة في السنوات الأخيرة، حيث تستخدم هذه أجهزة الاستشعار صبغة الفلورسنت التي تُحل في وجود الأكسجين، وتُستحوذ على الصبغة الكهروائية الخفيفة على الصبغة، وتُقيس أجهزة الاستشعار معدل التآكل في الفلورية، الذي يُحدث تركيزاً عكسياً.

اعتبارات أخذ العينات في الميدان

وبصرف النظر عن طريقة القياس، فإن التقنيات الميدانية المناسبة لها أهمية حاسمة للحصول على بيانات دقيقة عن الجرعة، وينبغي جمع العينات من عمق الاهتمام دون إدخال فقاعات يمكن أن تزيد بصورة مصطنعة من الجرعة المقيسة. وفي المياه المتدفقة، ينبغي وضع زجاجة الاختبار أو العينة في موقع أعلى. وينبغي أن تُجرى المعايرة عند درجة حرارة القياس، وينبغي تطبيق تصحيحات الملوحة عند العمل في المياه الجاهزة أو البحرية.

ترجمة شفوية

أرقام تركيزات (رو دو) لا تعني شيئاً بدون سياق تفسير بيانات (دو) يتطلب معرفة بظروف خط الأساس المعتادة لجسد الماء، درجة الحرارة والملوحة وقت القياس، وقت النهار والفصل، والمعايير التنظيمية المنطبقة أو معايير جودة المياه.

قيم دو نموذجية في مختلف هيئات المياه

وكثيرا ما تكون لتدفقات الجبال البكرتين تركيزات من الجرعة تتراوح بين 8 و12 ملغم/لتر، قريبة من التشبع، وتتراوح الأنهار الكبيرة في المناخات المتزايدة عادة بين 5 و10 ملغم/لتر تبعا لظروف الموسم والتدفق، وتظهر البحيرات تفاوتا أكبر مع العمق والموسم؛ وقد تكون المياه السطحية قريبة من التشبع بينما تتراوح المياه الجوفية بين 5 ملغم/لتر في نظم المياه الجوفية المغذية على نطاق واسع.

الحواجز لحماية الحياة المائية

وتختلف معايير جودة المياه بالنسبة للأدوية حسب الولاية القضائية وتصنيف الحياة المائية، وتوصي وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة بالحد الأدنى من الجرعة بمقدار 4 ملغم/لتر لمصائد المياه الدافئ، و 6.5 ملغم/لتر لمصائد المياه الباردة، رغم أن هذه القيم تخضع لتسويات خاصة بكل دولة، ويقتضي التوجيه الإطاري للمياه الصادر عن الاتحاد الأوروبي من الدول الأعضاء وضع معايير تحمي الوضع الإيكولوجي، مع اختلاف الظروف المرجعية حسب نوع الجسم المائي، وهو مستوى إجهاد يقل عن 4 مليترات.

وتتوفر لدى عينات السحب الوحيدة قدرة تفسيرية محدودة، ويشمل النهج الأكثر حساسية لتقييم ظروف التشغيل الرصد الروتيني مع مرور الوقت لالتقاط التقلبات في الديونية والموسمية، ويمكن للرصد الطويل الأجل على امتداد نهر أو مقصود أن يحدد مصادر التلوث ومناطق التعافي. المبادئ التوجيهية لمنظمة الصحة العالمية بشأن نوعية مياه الشرب ] أن تؤكد أهمية رصد الاتجاهات بالنسبة لبارامترات تؤثر على معالجة المياه وعلى سلامة نظام التوزيع.

إدارة وتحسين مستويات الأكسجين المعزولة

وعندما يتم تحديد مشاكل الجرعة، يمكن نشر مجموعة من استراتيجيات الإدارة تبعاً للسبب وحجم المشكلة، وبالنسبة للتلوث من مصادر محددة، فإن الحد من تصريف النفايات العضوية عن طريق تحسين المعالجة غالباً ما يكون الحل الأكثر فعالية، وبالنسبة للمصادر غير المحددة مثل الجري الزراعي، وأفضل الممارسات الإدارية بما في ذلك حراثة الحفظ، والغطاء على المحاصيل، وخطط إدارة المغذيات يمكن أن تساعد على خفض الطلب على الأكسجين الذي يدخل المياه المستقبِلة.

التدخلات الهندسية

وفي الحالات التي تكون فيها إعادة الإرسال الطبيعية غير كافية، يمكن تركيب نظم للزراعة الهندسية لتكملة الأكسجين، وتشمل هذه النظم أجهزة للأشعة السطحية، ونظم الإشعال الموزعة، ومعدات حقن الأكسجين، وتستخدم هذه النظم عادة في محطات معالجة المياه المستعملة، وأحواض تربية الأحياء المائية، وبعض البحيرات والمستودعات التي تعاني من النقصان المزمن، ويجب أن يحسب تصميم نظم الإرساليات لحجم المياه بحيث تكون معالجتها.

النهج المتبعة في مجال المياه - السكك الحديدية

وتعالج أكثر الحلول دواماً الأسباب الجذرية لحجم مستجمعات المياه، وتسهم استراتيجيات خفض المغذيات ومشاريع ترميم المجرى التي تعزز إعادة التطاول الطبيعي، وحماية العوازل المشاطئة التي ترشّح الملوثات وتوفر الظل للحفاظ على درجات حرارة المياه المبردة في تحسين نظم الدو.

المواضيع المتقدمة: الطلب على الأوكسجين الكيميائي الحيوي والطلب على الأوكسجين الكيميائي

ويرتبط قياس الأكسجين المفصل ارتباطاً مباشراً بارامترين هامين ذوي صلة هما: الطلب على الأكسجين الكيميائي الأحيائي والطلب على الأكسجين الكيميائي (COD). ويقيّم البيوت مقدار الأكسجين الذي ستستهلكه الكائنات المجهرية بينما يزيل المادة العضوية في عينة على مدى فترة احتضان محددة، ويستخدم الـ دي دي دي دي دي دي ديوكسي عامل لتحلل المادة الكيميائية.

خاتمة

إن الأكسجين المذاب هو أكثر بكثير من رقم واحد في تقرير عن نوعية المياه؛ وهو مؤشر دينامي ومتكامل يعكس الصحة المادية والكيميائية والبيولوجية للنظم المائية، إذ إن فهم العوامل التي تتحكم فيها هي، وأساليب قياسها بدقة، والآثار المترتبة على مختلف مستويات التركيز، يمكن العلماء، والمنظمين، ومديري المياه من اتخاذ قرارات مستنيرة تحمي الصحة البشرية والبيئة على السواء، مع زيادة الضغوط على الموارد المائية في جميع أنحاء العالم.