Практически, для аквариума балансирование количества азота (т.е. аммиака [NH3]) в течение недели выглядит так:
число кормлений в неделю 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.
Круговорот азота – важнейшая часть круговорота веществ в живой природе. Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, хлорофилле, 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 круговороте питательных веществ. Вместо этого весь азот входит в круговорот веществ как аммиак NH3.
Откуда берется азот?
Мы постоянно поставляем азот в аквариум с кормом для рыб[1]. 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 метаболизма всех аэробных организмов, включая микроорганизмы. 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[2] в грунте бактериями с образованием аммиака [NH3], окисляющегося далее (при pH<7) до аммония [NH4+].
Круговорот азота состоит из двух частей – нитрификации и денитрификации[3].
 Круговорот азота в аквариуме: (1) Корм, (2) Аммиак NH3, (3) Нитриты NO2, (4) нитраты NO3, (5) Вода H2O, (6) Освещение, (7) Удобрения, (8) Кислород O2, (9) Углекислый газ CO2
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:
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].
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
«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 денитрифицирующими анаэробными бактериями, окисляясь до азота.
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 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 Biodenitrator. 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 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. Баланс аммиак NH3/аммоний NH4+
Основной источник азота в аквариуме – это аммоний [NH4+]. Но он может существовать и в форме аммиака [NH3]. Аммиак [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.
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 [NH4+]. С падением pH все больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний [NH4+] – при понижении pH на один градус токсичного аммиака [NH3] становится в 10 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 280С вдвое больше токсичного аммиака [NH3], чем при 200С (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.
[1] 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).
[2] 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.
[3] 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.
|
