اکسیژن (O) عنصری گازی، بی‌رنگ و بی‌بو است که در بهبود شرایط زندگی موجودات زنده آکواریوم نقشی کلیدی ایفا می‌کند. اکسیژن نافلزی واکنش‌پذیر، فعال و اکسیدکننده است که در صورت ترکیب با فلز، اکسید فلزی و با نافلز اکسید اسیدی تولید کرده و ۲۰٫۹۵ درصد از اتمسفر کره زمین را تشکیل می‌دهد.

نقش اکسیژن در زندگی موجودات زنده

بخش زیادی از بدن جانوران از آب تشکیل‌شده که عنصر اصلی آن اکسیژن است. مقدار زیادی از ترکیبات معدنی بدن جانوران، دندان‌ها و استخوان‌ها و همچنین مولکول‌های ترکیبات آلی موجود در پروتئین‌ها، نوکلئیک اسیدها، کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها حاوی اتم‌های اکسیژن است.

زندگی موجودات زنده به اکسیژن هوا وابسته بوده و افزایش مقدار آن باعث سلامت و شادابی آن‌ها می‌شود. ماهی‌ها، باکتری‌ها، گیاهان و بی‌مهرگان برای زندگی نیازمند تنفس و جذب اکسیژن در طبیعت بوده و بدون آن حیات بر روی زمین منقرض خواهد شد.

تنها بخش بسیار کوچکی از اکسیژن زمین در حدود یک‌صدم درصد به‌عنوان اکسیژن آزاد در زیست‌کره و حدود سی‌وشش صدم درصد در جو زمین وجود دارد. منبع اصلی اکسیژن اتمسفر، فرآیند فتوسنتز بوده که در آن گیاهان با جذب نور و دی‌اکسیدکربن، قند و اکسیژن تولید می‌کنند.

در صورت کاهش سطح اکسیژن، چگالی اتمسفر نیز کاهش‌یافته و تبخیر سطحی افزایش‌ خواهد یافت درنتیجه بارندگی و دمای هوا نیز افزایش خواهد یافت. با افزایش دما اکسیژن محلول در آب به سطح آمده (پدیده اوتروفیکاسیون) و میزان حلالیت اکسیژن کاهش خواهد یافت و اکسیژن کمتری برای تنفس موجودات زنده در دسترس آن‌ها خواهد بود.

در صورت ایجاد پدیده اوتروفیکاسیون، جلبک‌ها با رشد سریع و جذب حجم زیادی از اکسیژن آب، به‌مرور باعث خفگی سایر آبزیان خواهند شد.

کشف و تاریخچه اکسیژن

کشف اکسیژن یکی از مهم‌ترین دستاوردهای علمی در تاریخ بشر است. پیش از آن، تصور می‌شد که هوا ماده‌ای واحد و همگن بوده و نظریه «فلوژیستون» برای توضیح فرآیند سوختن استفاده می‌شد؛ اما در قرن هجدهم میلادی، سه دانشمند به‌طور مستقل اکسیژن را کشف کردند.

کارل ویلهلم شیله در سال‌های 1771-1772 گاز اکسیژن را تولید کرد، اما یافته‌هایش دیرتر منتشر شد. جوزف پریستلی در سال 1774 با گرم کردن اکسید جیوه، اکسیژن را استخراج کرد و آن را «هوای سالم» نامید.

سپس آنتوان لاووازیه نقش اکسیژن را در سوختن و تنفس تعریف کرد و نظریه فلوژیستون را کنار گذاشت. او همچنین نام «اکسیژن» را از کلمات یونانی به معنای «تولیدکننده اسید» انتخاب کرد.

کشف اکسیژن باعث تحول عظیمی در علم شیمی شد و آغازگر شیمی مدرن بود. این کشف به درک بهتر فرآیندهای سوختن، تنفس و واکنش‌های شیمیایی کمک کرد و تأثیرات گسترده‌ای بر زیست‌شناسی، پزشکی و محیط‌زیست داشت.

منابع اکسیژن در طبیعت

اکسیژن یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در طبیعت، از اتمسفر گرفته تا اعماق دریا و خاک بوده که نقش اساسی در چرخه‌های زیستی و شیمیایی زمین دارد. این عنصر به دلیل واکنش‌پذیری بالا، در اشکال گوناگون ترکیبات شده و نقشی بی‌بدیل در حفظ چرخه‌های حیات ایفا می‌کند.

اکسیژن در اتمسفر

حدود 21 درصد از ترکیب حجمی اتمسفر را اکسیژن هوا تشکیل می‌دهد، درحالی‌که بقیه عمدتاً از نیتروژن (78 درصد) و مقدار کمی گازهای دیگر است. اتمسفر منبع اصلی اکسیژن گازی است که بخش عمده‌ای از آن به‌صورت مولکول دواتمی (O₂) است.

اکسیژن در اتمسفر به شکل اوزون (O₃) نیز وجود دارد که لایه اوزون را تشکیل داده و از زمین در برابر اشعه‌ی مضر فرابنفش خورشید محافظت می‌کند. اکسیژن اتمسفر نقش حیاتی در فرآیندهای زیستی، ازجمله تنفس سلولی انسان، حیوانات و گیاهان دارد.

اکسیژن در آب

دریاها، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها حاوی اکسیژن محلول در آب هستند که از طریق تبادل گاز با اتمسفر و فعالیت فتوسنتزی گیاهان آبزی تولید می‌شود. اکسیژن به‌صورت ترکیب شیمیایی در مولکول آب (H₂O) وجود دارد که حدود 88.8 درصد جرم مولکولی آن را تشکیل می‌دهد.

اکسیژن در زمین

اکسیدهای سیلیسیم (مانند گرانیت و کوارتز) و سیلیکات‌های پیچیده موجود در سنگ پوسته زمین، بخشی از منابع اکسیژن کره زمین را تشکیل می‌دهد. گوشته زمین که جرم بسیار بیشتری نسبت به پوسته دارد در حدود نودونه ونیم درصد اکسیژن (سیلیکات‌ها و اکسید مواد معدنی) کره زمین را در خود ذخیره کرده است.

خاک حاوی مقادیر زیادی اکسیژن به‌صورت ترکیبات معدنی و آلی هستند. این عنصر در اکسیدهای فلزی، سیلیکات‌ها و کربنات‌ها موجود در خاک بوده و به همراه اکسیژن مولکولی، فرآیندهای زیستی مانند تنفس ریشه گیاهان و فعالیت میکروارگانیسم‌ها را پشتیبانی می‌کند.

وجود اکسیژن در خاک برای حفظ کیفیت و حاصلخیزی آن ضروری است و نبود آن می‌تواند منجر به شرایط نامساعد مانند بی‌هوازی شدن خاک شود.

خواص و ویژگی‌های اکسیژن

اکسیژن با نماد شیمیایی O و عدد اتمی ۸، یکی از مهم‌ترین و فراوان‌ترین عناصر در کره زمین است که در جدول تناوبی به گروه گازهای غیرفلزی تعلق دارد. اکسیدهای فلزی معمولاً بازی و اکسیدهای نافلزی معمولاً اسیدی هستند.

خواص فیزیکی اکسیژن

• حالت ماده: اکسیژن در شرایط استاندارد به شکل گاز دواتمی (O₂) وجود دارد و در دماهای بسیار پایین می‌تواند به مایع یا جامد تبدیل شود.
• رنگ و بو: اکسیژن گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است که در حالت مایع یا جامد، رنگ آن آبی کمرنگ است.
• نقطه ذوب و جوش اکسیژن: نقطه ذوب اکسیژن مایع حدود منفی 218.8 درجه سلسیوس و نقطه‌جوش آن منفی 183 درجه سلسیوس است.
• چگالی اکسیژن: اکسیژن در حالت گازی، سبک‌تر از هوا است و در شرایط استاندارد دارای چگالی حدود 1.429 گرم بر لیتر است.

خواص شیمیایی اکسیژن

• واکنش‌پذیری بالا: اکسیژن یکی از فعال‌ترین عناصر جدول تناوبی که به‌راحتی با فلزات و نافلزات واکنش داده و ترکیبات مختلفی مانند اکسیدها ایجاد می‌کند.
• حلالیت در آب: اکسیژن به میزان کمی در آب حل می‌شود که مقدار آن در زندگی موجودات آبی نقش تعیین‌کننده بر عهده دارد.
• پایداری مولکولی: گاز اکسیژن (O₂) به دلیل پیوند دوگانه قوی بین اتم‌هایش، از پایداری زیادی برخوردار است.
• نقش در احتراق: اکسیژن برای سوختن مواد ضروری است و بدون حضور آن، احتراق اتفاق نمی‌افتد.

چرخه اکسیژن در اتمسفر

از ۵۴۰ میلیون سال قبل تاکنون، مقدار اکسیژن اتمسفر به‌طور متوسط بین ۱۵ الی ۳۰ درصد متغیر بوده‌ و به‌مرور مقدار آن به ۳۵ درصد رسیده که باعث افزایش رشد و جثه حشرات و دوزیست‌های آن دوره شده است. بر اساس برخی تخمین‌ها، جلبک‌های سبز و سیانوباکتری‏های موجود در محیط‌های آبی، بیش از ۷۰ درصد اکسیژن اتمسفر زمین و مابقی نیز توسط گیاهان سطح زمین تولیدشده‌ است.

منابع اکسیژن بر روی کره زمین شامل اتمسفر، پوسته و گوشته زمین است. سنگ‌کره یا لیتوسفر، اکسیژن را در فرآیند هوازدگی (برای مثال اکسید آهن یا زنگ‌زدگی) و واکنش‌های شیمیایی سطحی مصرف می‌کند.

بیشتر آبزیان دریاها و اقیانوس‌ها برای ایجاد پوسته بر روی بدن خود کربنات کلسیم زیادی می‌سازند که سرشار از اکسیژن است. هنگامی این ارگانیسم‌ها می‌میرند در قسمت‌های کم‌عمق پخش و مدفون‌شده و درگذر زمان باعث ایجاد سنگ‌های رسوبی در سنگ‌کره می‌شوند که طی فرآیند هوازدگی باعث آزاد شدن اکسیژن موجود در آن‌ها می‌شود.

فتوسنتز عامل اصلی چرخه اکسیژن در اتمسفر بوده و منشأ زندگی کنونی بر روی زمین است. موجودات فتوسنتز کننده‌ای مانند فیتوپلانگتون‌های، سیانوباکتریوم پروکلوروکوس در اقیانوس‌ها ۵۰ درصد و گیاهان خشکی نیز بخشی از این اکسیژن را تولید می‌کنند.

گیاهان و حیوانات مواد مغذی و معدنی را از سنگ‌ها استخراج و باعث آزادسازی اکسیژن در اتمسفر می‌شوند. بیشترین حجم مصرف اکسیژن در فرآیند تنفس توسط موجودات زنده بوده که در آن اکسیژن را مصرف و دی‌اکسیدکربن آزاد می‌کنند.

اکسیژن همواره توسط حیوانات و گیاهان در حال مصرف بوده با این تفاوت که گیاهان در طول روز، طی فرآیند فتوسنتز حجم زیادی اکسیژن تولید کرده و در طول شب (به دلیل نبود نور کافی) برای جبران کمبود انرژی خود مقدار کمی اکسیژن مصرف می‌کنند. تبدیل اکسیژن به ترکیبات دیگر و بازگشت آن به هوا را چرخه اکسیژن گفته می‏شود.

چرخه اکسیژن در طبیعت

فتوسنتز و تولید اکسیژن توسط گیاهان: یکی از مهم‌ترین منابع تولید اکسیژن، فرایند فتوسنتز است که در گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها انجام می‌شود. در این فرایند، گیاهان دی‌اکسیدکربن و آب را با استفاده از نور خورشید به اکسیژن و گلوکز تبدیل می‌کنند.

تنفس و مصرف اکسیژن توسط جانداران: جانداران هوازی، ازجمله انسان‌ها و حیوانات، در فرآیند تنفس اکسیژن مصرف کرده و دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنند. دی‌اکسیدکربن تولیدشده مجدداً توسط گیاهان جذب می‌شود و چرخه اکسیژن و دی‌اکسیدکربن را در طبیعت تکمیل می‌کند؛ این چرخه باعث حفظ تعادل در اکوسیستم‌های زمین می‌شود.

کاربردهای اکسیژن

اکسیژن، به‌عنوان یکی از فراوان‌ترین و حیاتی‌ترین عناصر روی زمین، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف، پزشکی و زندگی روزمره دارد. این عنصر شیمیایی نقش کلیدی در حیات موجودات زنده ایفا کرده و علاوه بر آن، در بسیاری از فرایندهای صنعتی و علمی مورداستفاده قرار می‌گیرد.

کاربردهای پزشکی اکسیژن

• اکسیژن درمانی: در پزشکی، اکسیژن برای کمک به بیماران با مشکلات تنفسی مانند آسم، نارسایی ریوی یا آپنه خواب استفاده می‌شود. کپسول‌های اکسیژن و دستگاه‌های اکسیژن‌رسانی در بیمارستان‌ها بسیار رایج هستند.
• عملیات جراحی: در اتاق‌های جراحی و بیهوشی از اکسیژن به همراه گازهای دیگر برای اطمینان از تنفس کافی بیمار استفاده می‌شود.
• درمان هیپوکسی: اکسیژن برای درمان هیپوکسی (کمبود اکسیژن در بافت‌ها) در شرایطی مانند مسمومیت با مونوکسید کربن یا حضور در ارتفاعات بالا استفاده می‌شود.

کاربردهای صنعتی اکسیژن

• صنایع فولاد و فلزات: اکسیژن در تولید فولاد و آهن مورداستفاده قرار می‌گیرد. در این فرایندها، اکسیژن با سوخت ترکیب‌شده و حرارت بالایی تولید می‌کند که برای ذوب فلزات ضروری است.
• صنایع شیشه و سرامیک: اکسیژن برای افزایش حرارت کوره‌ها در تولید شیشه و سرامیک استفاده می‌شود.
• سوخت و احتراق: در صنایع مختلف برای افزایش کارایی سوخت در موتورهای جت و موشک‌ها از اکسیژن مایع استفاده می‌شود.

کاربردهای زیست‌محیطی اکسیژن

• تصفیه آب: اکسیژن در تصفیه فاضلاب و آب آشامیدنی نقش مهمی دارد. تزریق اکسیژن به آب و افزایش سطح اکسیژن در آب به تجزیه مواد آلی و حذف آلاینده‌ها کمک می‌کند.
• حفظ سلامت اکوسیستم‌های آبی: در استخرهای پرورش ماهی یا دریاچه‌های مصنوعی، اکسیژن برای حفظ حیات آبزیان و جلوگیری از بروز مشکلات زیست‌محیطی استفاده می‌شود.

کاربردهای اکسیژن در امور فضایی و هوایی

• فضانوردی: در مأموریت‌های فضایی، اکسیژن مایع به‌عنوان منبع اصلی تنفس فضانوردان و سوخت موشک استفاده می‌شود.
• هواپیماها: در پروازهای ارتفاع بالا که فشار هوا کم است، اکسیژن برای تأمین تنفس خلبانان و مسافران استفاده می‌شود.

کاربردهای روزمره اکسیژن

• دمای بالا برای جوشکاری و برش فلزات: اکسیژن در ترکیب با گازهایی مانند استیلن برای برش و جوش فلزات مورداستفاده قرار می‌گیرد.
• تأمین اکسیژن آکواریوم‌ها: در آکواریوم‌ها برای حفظ سلامت ماهی‌ها و موجودات زنده آبزی، برای افزایش سطح اکسیژن در آب، اکسیژن به آب تزریق می‌شود.

اکسیژن نه‌تنها برای بقای موجودات زنده ضروری است، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف دارد. از درمان بیماری‌ها گرفته تا تولید فلزات و حتی سفرهای فضایی، این عنصر ارزشمند نقش انکارناپذیری در زندگی ما ایفا می‌کند.

نقش اکسیژن در حیات

اکسیژن یکی از عناصر اصلی و حیاتی در کره زمین است که بدون آن، ادامه حیات برای انسان، حیوانات و گیاهان غیرممکن خواهد بود. این عنصر به‌عنوان یکی از اجزای کلیدی در فرایندهای زیستی، ازجمله تنفس و سوخت‌وساز بدن، نقشی اساسی ایفا می‌کند؛ در ادامه، به بررسی نقش اکسیژن در فرایندهای تنفس، سوخت‌وساز و تأثیر آن بر حیات موجودات زنده خواهیم پرداخت.

نقش اکسیژن در تنفس و سوخت‌وساز بدن

اکسیژن و تنفس سلولی که در بدن تمامی موجودات زنده هوازی رخ می‌دهد، نقش اساسی در تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی قابل‌استفاده برای سلول‌ها دارد. در این فرایند، اکسیژن وارد سلول‌ها شده و با ترکیب شدن با گلوکز، مولکول‌های انرژی (ATP) تولید می‌کند.

این انرژی برای انجام فعالیت‌های روزمره بدن، ازجمله حرکت، تولیدمثل و رشد، مورداستفاده قرارگرفته و بدون آن، فرایند تولید انرژی در بدن مختل می‌شود. این امر می‌تواند به توقف عملکرد سلول‌ها و درنهایت مرگ موجود زنده منجر شود؛ به همین دلیل، اکسیژن به‌عنوان پایه‌ای‌ترین نیاز زیستی برای تمامی جانداران هوازی شناخته می‌شود.

تأثیر اکسیژن بر زندگی انسان، حیوانات و گیاهان

انسان‌ها و حیوانات برای تنفس به اکسیژن نیاز داشته و با مصرف آن دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنند که این دی‌اکسیدکربن توسط گیاهان از طریق فرآیند فتوسنتز، به اکسیژن تبدیل می‌شود. اکسیژن یک عنصر حیاتی برای زیست و حفظ تعادل اکولوژیکی بوده و کاهش اکسیژن در محیط، می‌تواند به مشکلات زیست‌محیطی جدی و کاهش کیفیت زندگی منجر شود.

اثرات کمبود اکسیژن بر بدن

هیپوکسی و علائم آن: هیپوکسی وضعیتی است که در آن میزان اکسیژن‌رسانی به بافت‌های بدن کاهش‌ می‌یابد که با علائمی ازجمله سردرد، سرگیجه، خستگی، تنگی نفس و در موارد شدید، از دست دادن هوشیاری همراه است. این وضعیت می‌تواند به دلایل مختلفی مانند ارتفاع زیاد، مشکلات ریوی یا اختلال در سیستم گردش خون رخ دهد.

روش‌های درمان کمبود اکسیژن: برای درمان کمبود اکسیژن، ابتدا باید علت آن شناسایی شود. کاهش فعالیت بدنی، تنظیم ارتفاع، استفاده از کپسول‌ اکسیژن، دستگاه‌های اکسیژن‌رسانی یا درمان بیماری‌های زمینه‌ای مانند آسم و نارسایی‌های ریوی ازجمله راهکارهای متداول برای رفع هیپوکسی است.

تأثیر کیفیت آب روی اکسیژن محلول در آب

افزایش مواد آلی (اجزاء و فضولات موجودات زنده) در آب علاوه بر تغییر طعم و بوی آن، باعث افزایش سرعت تکثیر و رشد ارگانیسم‌های تجزیه‌کننده این مواد خواهد شد. این ارگانیسم‌های شامل قارچ و باکتری‌ها برای تجزیه ترکیبات آلی (بافت و اندام موجودات زنده) نیازمند جذب اکسیژن بوده و هر چه مقدار آن‌ها افزایش یابد؛ اکسیژن بیشتری توسط آن‌ها جذب خواهد شد.

صمغ و اسید هیومیک ترشح‌شده از مواد آلی با تیره کردن رنگ آب مانع نفوذ نور به عمق آب‌ و کاهش سرعت فتوسنتز و تولید اکسیژن توسط گیاهان آبزی شده درنتیجه سطح اکسیژن کاهش می‌یابد. گیاهان و فیتوپلانگتون‌ها در صورت کمبود نور از انرژی کافی برای فتوسنتز برخوردار نبوده به همین دلیل از اکسیژن برای تنفس و تولید انرژی استفاده می‌کنند که همین امر باعث کاهش شدید آن در آب خواهد شد.

لازم به ذکر است همان‌گونه که کاهش اکسیژن آب باعث به خطر افتادن حیات و سلامت آبزیان می‌شود؛ مقدار زیاد آن نیز باعث خوردگی و پوسیدگی تجهیزات صنعتی خواهد شد.

اهمیت سطح اکسیژن در آکواریوم

اگرچه مولکول‌ آب از یک اتم اکسیژن تشکیل‌شده‌، اما موجودات زنده آبزی توانایی تجزیه آن را نداشته به همین دلیل نیاز خود را از طریق جذب اکسیژن محلول در آب (نسبت مولکول اکسیژن به آب یک‌صد هزارم) تأمین می‌کنند. ماهی‌ و سخت‌پوستان برای تنفس و زنده ماندن، اکسیژن محلول در آب را به‌وسیله آب‌شش خود جذب کرده و برای ادامه حیات به آن وابسته هستند.

توانایی حل شدن اکسیژن در آب بسیار کمتر از هوا بوده، به همین دلیل مقدار آن در آب کمتر است. افزایش سطح اکسیژن در آب علاوه بر بهبود کیفیت آب باعث بهبود شرایط زندگی موجودات آبزی شده و سرعت رشد و تکثیر آن‌ها را افزایش می‌دهد.

موجودات مختلف به مقادیر متفاوتی از اکسیژن محلول در آب نیاز دارند، به‌عنوان‌مثال کرم‌ها، خرچنگ‌ها و صدف‌ها تنها به حدود یک الی شش میلی‌گرم در لیتر اکسیژن نیاز دارند درحالی‌که ماهی‌های زینتی در آب‌های کم‌عمق به چهار الی پانزده میلی‌گرم در لیتر اکسیژن نیاز دارند. افزایش اکسیژن آکواریوم علاوه بر بهبود کیفیت آب آکواریوم باعث بهبود شرایط زندگی موجودات آبزی خواهد شد.

ماهی‌ها و سایر موجودات زنده آکواریوم در صورت کمبود اکسیژن علائمی مانند بی‌حالی، کم‌اشتهایی و تغییر رفتار را از خود بروز می‌دهند که در صورت کم‌توجهی باعث مرگ آن‌ها خواهد شد. مقدار اکسیژن محلول در آب به عوامل متعددی ازجمله تراکم ماهی، سیفون و نظافت دوره‌ای، فیلتراسیون آکواریوم، دمای آب و استفاده از تجهیزات Co2 وابسته بوده که در صورت کمبود آن می‌توان با استفاده از روش‌های مختلفی کمبود آن را جبران نمود.

در صورت کمبود اکسیژن در آکواریوم پس از گذشت زمان کوتاهی، موجودات زنده آبزی برای جذب اکسیژن به سطح آب آمده و به‌مرور به دلیل شنا در سطح آب خسته شده و در آب غرق خواهند شد.

نتیجه‌گیری

اکسیژن، عنصری حیاتی و اساسی برای زندگی موجودات زنده، ازجمله آبزیان است که نقشی کلیدی در حفظ تعادل زیستی و کیفیت محیط‌های طبیعی و مصنوعی ایفا می‌کند. در آکواریوم‌ها، اکسیژن نه‌تنها تضمین‌کننده سلامت ماهی‌ها و گیاهان آبزی است، بلکه با بهبود کیفیت آب، زیبایی و شادابی محیط را دوچندان می‌کند.

برای بهره‌گیری از مزایای اکسیژن و پیشگیری از مشکلات ناشی از کمبود آن، باید به عواملی مانند تراکم جمعیت آبزیان، دمای آب، نظافت دوره‌ای و استفاده از تجهیزات مناسب توجه ویژه داشت. مدیریت صحیح اکسیژن محلول در آب، نه‌تنها حیات آبزیان را تضمین می‌کند، بلکه به صاحبان آکواریوم امکان می‌دهد از یک محیط زیبا، پویا و سالم لذت ببرند.

منابع:

• https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%DA%98%D9%86

با سپاس از اینکه سایت تنگیتو را برای مطالعه این مقاله انتخاب کردید