последнее обновление 4 ноября, 2007 | amania v1.0 | © 2003-2009 naman
» amania
азотный цикл
Задача аквариумиста -
добиться баланса замкнутой экосистемы аквариума, чтобы весь Азот
(в виде аммиака [NH3]) и Фосфор поступающие с кормом для рыб потреблялись
растениями для роста, а остатки не окисленной органики и избыток образовавшихся
нитратов
[NO3] выводились
из аквариума
с подменой
воды¬ и стрижкой растений. При этом нужно достичь уровня
нитратов и фосфатов близкого к нулю. Неспособность экосистемы аквариума
переработать все поступающие
питательные вещества является причиной накопления их избытка, дисбаланса
пропорции N-P-K и роста водорослей.
Практически, для аквариума балансирование количества азота (т.е. аммиака
[NH3]) в течение недели выглядит так: число кормлений в нед. х содержание азота
в
корме
~= удаление азота подрезкой растений + (концентрация в воде х подмена воды).
Основными условиями удаления избытка аммиака [NH3] из аквариума является высокоэффективная
биологическая фильтрация¬ и
правильный субстрат¬ создающий оптимальные условия роста нитрифицирующих
бактерий. Понять как происходит разложение аммиака [NH3] и биологическая фильтрация
поможет
знание Азотного Цикла и Redfield ratio¬.
Круговорот Азота - важнейшая часть круговорота
веществ в живой природе. Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах,
в хлорофилле, в
рибонуклеиновых кислотах, витаминах. Без Азота невозможен фотосинтез, образование
хлорофилла,
белка и продолжение рода.
Азот в атмосфере находится в виде газа
[N2] и состоит из двух атомов азота так сильно связанных, что очень мало
живых организмов
имеют технику метаболизма позволяющую их разорвать чтобы использовать для
своей жизнедеятельности. Растворенный в воде азот как и все атмосферные
газы не участвует в обороте
питательных веществ. Вместо этого весь Азот входит в оборот веществ как
аммиак NH3.
Откуда берется Азот?
Мы постоянно поставляем Азот в аквариум с кормом для рыб*. Все что содержит
белки содержит и Азот. Белки в среднем содержат 16% Азота. Белка в корме
обычно 40-50%. Рыбы выделяют экскременты в которых содержится 20-50% аммиака
[NH3].
Аммиак [NH3] это побочный продукт всех аэробных метаболизмов, включая метаболизм
микроорганизмов. Он производится рыбами и выделяется через их жабры. Производится
он грибками и бактериями. Аммиак также производится при разложении. Вся разлагающаяся
живая материя - остатки корма, экскременты рыб, гниющие ткани растений, прочие
органические отложения содержат белки, которые разлагаются** в грунте
бактериями с образованием аммиака [NH3] окисляющегося далее (при pH<7)
до аммония [NH4+].
Круговорот Азота состоит из двух частей - нитрификации и денитрификации***.
Преобразование аммиак NH3 -> нитрит NO2 -> нитрат NO3 называется
процессом нитрификации.
Преобразование нитрат -> нитрит -> азот называется денитрификацией.
Эти процессы в основном происходят в грунте аквариума и биофильтре.
Рассмотрим первую часть процесса подробно:
Нитрификация.
Сначала гетеротрофные бактерии¬ (Bacterium coli, Bactrium proteus, Bacterium sublitis) переводят белки в пептиды и аминокислоты. Другие виды гетеротрофных бактерий переводят аминокислоты в амины, которые преобразуются в органические кислоты, и в конечном итоге в аммоний [NH4+]. Белки разлагаются гетеротрофами до аммония [NH4+] и нитрита, а затем автотрофами до нитрита [NO2-] по формуле:
Nitrosomonas
аммоний [NH4+] + [1.5O2] -----------> нитрит
[NO2-] + [2H+] + [H2O] + энергия
Это уникальное окисление возможно только бактериями. Они используют высвободившуюся энергию для своей жизнедеятельности. Как видно из уравнения для этого процесса нужно много кислорода. Чтобы один миллиграмм аммония [NH4+] окислить до нитритов нужно 2,6 мг кислорода. Для окисления 1 мг нитритов в нитраты нужно 0,35 мг кислорода, и эта реакция протекает гораздо легче.
Далее аэробные нитрифицирующие бактерии Nitrospira moscoviensis и Nitrospira marina¬ окисляют нитриты [NO2] до менее токсичных нитратов [NO3].
Nitrospira moscoviensis и Nitrospira marina
нитрит [NO2-] + [0.5O2] --------------> нитрат
[NO3-]
Из двух последних уравнений видно, что процесс нитрификации протекает только в среде (воде) богатой кислородом. Но это только одна - аэробная часть круговорота Азота. В обычных условиях аквариума цикл метаболизма на этом заканчивается. Большинство нитрата потребляется растениями для своего роста, а часть выводится с еженедельными подменами воды¬. Но есть и вторая часть процесса: анаэробная (без растворенного в воде кислорода) называемая денитрификацией. В здоровом аквариуме при правильном грунте¬ и достаточном количестве хорошо растущих растений полная анаэробность для образования цикла денитрификации возможна только на очень небольших участках глубоко в субстрате или внутри частиц грунта самого нижнего слоя из пористого материала (лава, Gravelit®, керамзит и т.п.).
"Денитрификация: Микробное преобразование (видами Pseudomonas spp.) нитрата [NO3] до газообразного азота [N2], и в меньшей степени оксида азота [N2O], которые уходят в атмосферу. Высвобождение оксида азота [N2O] вызывает беспокойство по причине влияния на слой озона атмосферы. Денитрификация происходит только в анаэробных, с недостатком кислорода участках грунта которые обычно существуют под его поверхностью." (Nitrogen Cycling in Wetlands by William F. DeBusk, University of Florida, Gainesville)
Образовавшиеся в первой части азотного цикла нитраты [NO3] вовсе не являются конечным продуктом разложения аммиака [NH3]. Они используются анаэробными, денитрифицирующими бактериями для извлечения кислорода. Часть нитратов преобразуется анаэробными обратно в нитриты, а они используются де-нитрифицирующими анаэробными бактериями, окисляясь до азота.
анаэробные бактерии
нитраты [NO3]--> нитриты [NO2] -----------> газообразный азот [N2]
В верхнем слое грунта аквариума, где много
кислорода, поселяются аэробные бактерии перерабатывающие аммоний [NH4+] до
нитрата [NO3. Но уже на
глубине нескольких сантиметров в грунте уже НЕдостаточно кислорода для протекания
нитрификации. Здесь начинает развиваться другой вид бактерий - анаэробные,
те что живут без кислорода.
В обычных канистровых и внутренних фильтрах денитрификация на данный момент
невозможна. Этот процесс возможен только при
отсутствии кислорода в специальных фильтрах - денитрификаторах,
например производства Energy Savers Unlimited, Summit Aquatics, Marine Technical
Concepts, Thiel*Aqua*Tech или Sera Biodenitartor.
Баланс
разных культур бактерий в грунте.
В грунте живут культуры множества бактерий. Есть бактерии анаэробные, а есть
и те что в зависимости от содержания кислорода в воде становятся или аэробными,
или анаэробными. Аэробные бактерии не только поставляют нитрат для анаэробных,
но и благодаря большому потреблению кислорода создают умеренно анаэробные
условия. Возникает взаимно выгодный обмен между двумя типами бактерий живущих
в нескольких
сантиметрах
верхнего слоя грунта (поэтому беспокоить субстрат в Nature Aquarium чисткой
грунта сифоном крайне нежелательно). Анаэробные бактерии разлагают
нитрат до газообразного оксида азота [NO] - безвредного газа. Он растворится
в воде и
выветрится в атмосферу, завершая круговорот азота.
Часть нитрата превращается анаэробными бактериями обратно в нитрит и аммоний.
Если азот в этом случае не будет употреблен корнями растений, он превращается
бактериями в газ азот [N2], химически инертный и безвредный газ, который
растворится в воде и выветрится в обратно в атмосферу. Со временем процессы
сбалансируются и денитрификация будет протекать одновременно с нитрификацией
в грунте и фильтре в анаэробных зонах. Управлять процессом денитрификации
в аквариуме практически невозможно.
Корни растений способны доставлять кислород в грунт предотвращая его от полной анаэробности. В субстрате из крупного гравия вообще не будет анаэробных условий. В субстрате составленном из гравия разного размера¬ вероятнее всего будут образовываться локальные безкислородные (анаэробные) зоны денитрификации, что наверное будет идеальным случаем для аквариума с растениями - Nature Aquarium.
Конкуренция за аммоний.
Лабораторные тесты показали, что растения и водоросли НЕ потребляют нитрат
в заметных количествах пока есть аммоний (0,02мг/л). Не стоит беспокоиться
о полной нитрификации потому что в аквариуме с большим количеством растений,
каким является Nature Aquarium, любая дополнительная конкуренция за азот
(в составе аммония) будет ухудшать рост растений. Слишком активное преобразование
бактериями аммония [NH4+] в нитрит [NO2] отнимает основной источник азота
для
питания растений.
Уровень pH играет решающую роль в нитрификации: интенсивнее этот процесс
протекает при pH более 7,2 и достигает своего максимума при pH=8,3. При pH
менее 7,0
интенсивность нитрификации составляет 50%, при pH=6,5 только 30%. Таким образом
в Nature Aquarium, в котором pH=6.8-7.2,
создаются благоприятные
условия
для потребления аммония [NH4+] именно растениями,
а не нитрифицирующими
бактериями в грунте и фильтре.
Нитрифицирующие бактерии плохо конкурируют за кислород с гетеротрофными бактериями разлагающими органику в грунте - теми, что образуют "биологическую потребность в кислороде" (biological oxygen demand - BOD) что при еще больше увеличивает шансы растений употребить весь доступный аммиак [NH3] раньше нитрифицирующих бактерий.
В Nature Aquarium с большим количеством растений при pH=6.8-7.2 почти весь образовавшийся аммоний будет потреблен растениями до того, как его успеют переработать нитрифицирующие бактерии, особенно учитывая хелатирующее действие смеси лавы и торфа¬. Этим растения способствуют снижению уровня нитратов. Позднее при подрезке растений азот (нитраты) выведется из аквариума. Подробнее о конкуренции за аммоний смотри в разделе чрезмерная биологическая фильтрация¬.
Баланс
аммиак NH3/аммоний NH4+.
Основной источник азота в аквариуме это аммоний [NH4+]. Но он может существовать
и в форме аммиака [NH3].
Аммиак (ammonia) [NH3] ОЧЕНЬ токсичен для рыб, уже при содержании аммиака
[NH3] всего около 0,05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Со
временем оно становится
необратимым. Но есть во много раз менее токсичная его форма - аммоний (ammonium)
[NH4+]. В кислой воде при pH менее 7,0, к аммиаку [NH3] присоединяется еще
один водородный ион H+: NH3 + H2O ---> NH4+ + OH- .
Эта гораздо менее токсичная позитивно заряженная, или
ионизированная,
форма аммиака [NH3] называется аммоний (ammonium) [NH4+]. С падением pH все
больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний [NH4+] - при понижении
pH на один градус токсичного аммиака [NH3] становится в десять
раз меньше. В
нормальных условиях аквариума с pH=6.5-7.2 почти весь токсичный аммиак [NH3]
ионизируется до нетоксичного аммония [NH4+]. При pH=7.0 аммиака [NH3] примерно
0,33%,
при pH=6.0 - только 0,03%.
На деятельность нитрифицирующих бактерий
которые окисляют аммиак влияют также температура и концентрация кислорода
в воде. Чем
выше температура - тем больше доля токсичного аммиака [NH3]. При
28 градусах вдвое больше токсичного аммиака [NH3] чем при 20 градусах (при
равном pH). Для протекания нитрификации содержание
кислорода должно
быть
не менее 1 мг/л. Нитрифицирующие бактерии требуют много кислорода. Именно
поэтому фильтры типа EHEIM
Professional INTERVALL¬ (Wet/Dry), Hydor
BRAVO, KENT
MARINE BioRocker, и Marineland
BIO-Wheel неприменимы - они сильно выветривают CO2¬ из воды.
^
*чтобы посчитать сколько Азота вы вносите в аквариум
с кормом для рыб, посмотрите содержание белка в корме, посчитайте его массу
и умножьте на 0,16 - получите количество азота в данном корме. (например
в банка хлопьев Sera Vipan массой 60 грамм содержит 48% белка, это 60 х 0,48
= 28,8 гр белка, который содержит 16% азота: 28,8 х 0,16 = 4,6 гр)
** разложение органики происходит путем минерализации осуществляемой гетеротрофными бактериями¬. Минерализация это разрушение органической субстанции до неорганических
веществ.
При этом образуются неорганические вещества - азот, фосфор, углерод и их соединения.
The cycle of nitrogen by Marco Pagni (microbiologist), Version 2.0 of the 01/03/98
Cycling Your New Aquarium (особенно про гетеротрофные бактерии работающие в Hamburger Mattenfilter)
The Nitrogen Cycle, by Marc Elieson
Различные типы анаэробной денитрификации и азотный цикл - Aquaculture
nitrogen waste removal.