Азотный цикл в аквариуме

Tekhi - Юр, как-то у тебя так просто получается, когда ты про азотный цикл рассказываешь – рыбки покушали, органика растворилась, нитрифицирующие бактерии ее до нитрата переработали, растения нитраты скушали, остатки мы с подменой вывели…

Ю.В. - Ну, ты ж просила “на пальцах” рассказать, как вроде ты совсем новичок, я и рассказал чтоб как попроще.  😀  А что, тебе подробностей захотелось?

Tekhi - Ну, в общем да. Расскажешь?

Ю.В. - Сходу… Тут не все так просто… Надо с мыслями собраться.

Tekhi - Ну, соберись. 🙄

Ю.В. - Знаешь что, давай-ка я попрошу Змию рассказать. Лучше нее точно никто не расскажет)) Я не раз ее лекцию слушал – там очень есть чему поучиться.

Tekhi - Ирину Зайцеву? Конечно! С радостью тоже у нее поучусь!

Ю.В. - Только учти, для того чтоб понять суть, нужно будет немножко напрячься. Там не все так просто, как на первый взгляд кажется.

Tekhi - Буду стараться. )) Приглашай! Она у нас всегда желанный гость.

Serpentarius - Дык я уже здесь. )) Конечно же, расскажу что знаю. Только сразу хочу предупредить, все, что я буду говорить, все основано на моем ЛИЧНОМ опыте. Кроме того, я по образованию не биолог, я – химик.

Ю.В. - Да не прибедняйся, твой опыт в аквариумистике помноженный на знания в химии дорогого стоят.

Serpentarius - Нет, я серьезно. Мой опыт может мне трактовать одни и те же процессы иначе, чем опыт другого человека. Я ни в коем случае не претендую на истину в последней инстанции. Кроме того, процессы в аквариуме настолько разнообразны, что то, что я сама могу понять и осмыслить, это лишь малая часть того, что там реально происходит.

Ю.В. - Малая не малая, но достаточно существенная, чтобы хоть приблизительно разобраться.

Serpentarius - Ну, в общем да. Так что, говорим?

Tekhi - Конечно!

Serpentarius - Ну, тогда с Богом. )) Спрашивайте, если что непонятно будет, лучше сразу, чтоб потом не забыть. Сразу хочу только обратить внимание, что при подготовке к этому разговору я пользовалась книгой, которую написала Диана Вальштадт «The Ecology of Planted Aquarium» (“экология растительного аквариума”). Данные я буду приводить оттуда. У меня к тебе просьба- будете публиковать нашу беседу, выдержки из книги мадам Дианы как-то выделите.

Ю.В. - Ок. Выделим другим шрифтом.

Serpentarius - Вы прекрасно знаете что такое биологическая фильтрация. В начале разговора Ирочка очень упрощенно (вероятно с твоих слов, Юра) ее обозначила – перевод органических веществ, растворенных в воде, в неорганические соединения.

Новый аквариум остро нуждается в колониях полезных бактерий, которые осуществляют биологическую фильтрацию. А потому должен быть запущен “цикл”. Это понятие включает в себя процесс установления и созревания биологических фильтров. Чтобы правильно установить систему мы должны обеспечить источник аммиака, чтобы бактерии Nitrosomonas могли размножаться и колонизировать систему. Дабы обеспечить аквариум аммиаком, лучше подсадить туда пару рыб, выносливых к присутствию в воде аммиака и нитритов. Однако, в некоторых магазинах продаются “живые бактерии”, которые помогут запустить аквариум. При покупке “выносливой” рыбы, попросите немного гравия из аквариума, где она раньше содержалась. Гравий будет заселен бактериями, что ускорит процесс. Как только рыба попадет в аквариум, они начинает питаться и обживаться, тем самым производя аммиак. Бактерии Nitrosomonas начнут поглощать этот аммиак и заселять аквариум. Наибольшее их содержание будет находиться около систем фильтрации у поверхности, где больше всего кислорода. Так как их количество ограничено и весь аммиак переработать бактерии не в состоянии, их колонии будут разрастаться.

Есть вариант добавления аммиака в виде нитрата аммония на первом этапе запуска системы.

Tekhi - Следующий этап нитриты?

Serpentarius - Да.

Нитриты образуются в результате поглощения аммиака бактериями Nitrosomonas. Чем больше бактерий, тем больше продуктов их жизнедеятельности, то есть нитритов. Бактерии Nitrobacter потребляют нитриты, а, следовательно, их колонии также будут расти, вслед за колониями Nitrosomonas. Уровень нитритов будет расти до тех пор, пока популяция Nitrobacter не достигнет таких размеров, что они будут поглощать нитриты быстрее, чем те будут образовываться. Таким образом, установится баланс в популяциях бактерий.Конечный продукт всего вышеизложенного – нитраты.

Tekhi - Ира, а нитраты сильно опасны для рыбок?

Serpentarius - При маленькой концентрации, нитраты не опасны для растений или рыбы.

Но с другой стороны, нитраты могут служить отличной пищей для растений, что может привести к неприятностям с водорослями. В то же время, анаэробные бактерии будут разлагать нитраты. Растения также будут потреблять нитраты, вот и неплохой натуральный способ контролировать уровень этого соединения. С другой стороны, уровень нитратов можно понизить подменами воды и специальными химическими реагентами.

Tekhi - И как много нужно времени, чтобы запустить аквариум?

Serpentarius - Время, которое уйдет на то, чтобы запустить аквариум зависит от многих факторов. Таких как содержание аммиака в воде, наличие живых камней (в морских аквариумах) и многих других. В среднем этот процесс занимает от трех до шести недель.

Пока понятно?

Ю.В. - Да.

Tekhi - Ну, тогда давайте к собственно азотному циклу подойдем.

З.

Азотный цикл

Азот имеет степени окисленности от -3 до +5. Таким образом, он может присутствовать в аквариуме в виде разных соединений, как сложных органических, так и минеральных.

Процессы метаболизма бактерий также приводят к преобразованию одних химических соединений в другие.

Начальные и конечные химические соединения при бактериальном метаболизме
Процесс Начальные соединения Конечные соединения
Нитрификация NH4 NO3
Окисление H2S H2S SO42-
Окисление метана CH4 CO2
Аэробное разложение органические соед. CO2, NH3, PO43-, H2S и др.
Анаэробное разложение органические соед. органические кислоты, этанол,  СО2
*Денитрификация NO3 N2O,  N2
*Нитратное дыхание NO3 NO2
*Восстановление марганца Mn4+, Mn3+ Mn2+ (растворимый марганец)
*Восстановление железа Fe3+ Fe2+ (растворимое железо)
*Восстановление сульфатов SO42- H2S
*Ферментация органические соед. органические кислоты, спирты, CO2 , Н2
*Метаногенез уксусная кислота, CO2, H2 CO2, CH4, Н2О

*Формы анаэробного разложения гетеротрофными бактериями.

Все процессы метаболизма, включая разложение органики, вырабатывают электроны. Например, сахарная глюкоза обеспечивает четыре электрона, когда бактерии разлагают ее до пировиноградной кислоты:

 

Для каждого электрона, полученного в процессе метаболизма, требуется акцептор электронов. В противном случае метаболизм (и жизнь) остановится.

Ю.В. - Ты кислород имеешь в виду?

Serpentarius - В аэробном процессе – да. Он потому и называется АЭРОБНЫЙ, что происходит только с участием кислорода.

Tekhi - А что, жизнь может существовать и без кислорода?

Serpentarius - Да. Но это уже будет АНАЭРОБНЫЙ метаболизм.

Анаэробный метаболизм отличается от аэробного метаболизма тем, что кислород уже не является акцептором электронов. В анаэробных условиях бактерии должны найти другие, менее редкие соединения. Вместо кислорода бактерии используют нитраты, марганец, железо, сульфаты и др. Поэтому, когда для приема электронов используются сульфаты, они преобразуются в сероводород.

Ю.В. - Ир, чуть подробнее про разложение органики гетеротрофами расскажешь?

Serpentarius - Конечно.

Разложение гетеротрофными бактериями

Разложение органических веществ обычными (т.е. гетеротрофными) бактериями важно для растительного аквариума. Органические вещества содержат все необходимые растениям элементы, но эти элементы «заблокированы» в больших органических соединениях. Гетеротрофные бактерии преобразуют органические вещества, представленные в виде рыбного корма, растительных остатков, мертвых бактерий и т.п., в питательные вещества, которые могут использовать растения. Вот некоторые из этих преобразований.

Так как органические вещества неизменно содержат углерод, при разложении всегда выделяется CO2. Кроме того, из органической формы в питательные вещества растений гетеротрофными бактериями преобразуются и другие элементы, а не только N, P, S и С
.

Tekhi - А в какой форме находится в воде эта пресловутая “органика”, про которую все так любят говорить?

Serpentarius - Ну, я бы сказала, что две основные формы.

Органические вещества, которыми питаются гетеротрофные бактерии, поступают в двух физических формах – гниющий органический углерод (ГОУ) и растворенный органический углерод (РОУ). ГОУ, включающий в себя рыбные фекалии и волокнистые растительные вещества, бактериям переварить труднее, чем намного более мелкий РОУ. (Именно здесь полезны грибки и улитки, потому что они уменьшают размер частиц, таким образом ускоряя процесс разложения перемешивание воды с воздухом и фотосинтез растений стимулирует разложение за счет добавления в воду кислорода

Ю.В. - А что у нас делается с рН? Какой можно считать оптимальным?

Serpentarius - Большинство бактерий требуют нейтрального pH, потому что такой pH значительно влияет на разложение.

В конечном счете, разложение в экосис­теме – это совокупность многих отдельных про­текающих метаболических процессов. Поэтому в устоявшемся аквариуме, разложение и выделение питатель­ных веществ растений обычно является устой­чивым, стабиль­ным и непрекращающимся процессом.

Разложение осадочной органики гетеро­трофными бактериями выделяет в воду CO2 и метан.

Выделение CO2 осадком зависит от количества и типа содержащейся в нем орга­ни­ки

Переработка органики в CO2 и питательные вещества, которые могут использоваться растениями – это не единственная польза от разложения. Неполное разложение растительной материи дает гуминовые вещества, которые накапливаются и в воде, и в субстрате

Гуминовые вещества приносят пользу в аквариумах двумя способами. Во-первых, они помогают удерживать микроэлементы в растворе, где они доступны растениям. (Без ГВ многие металлы, особенно железо и марганец, выпали бы из раствора в осадок и были бы недоступны для поглощения растениями.) Во-вторых, связывание и хелатирование металлов ГВ препятствует отравлению рыб и растений металлами .Оба этих эффекта проявляются и в субстрате, и в воде.

Ю.В. - Похоже, что мы вплотную подошли к нитрификации?

Serpentarius - Да.

Нитрификация

Нитрификация – это двушаговый процесс, при котором токсичный аммиак преобразуется в нетоксичные нитраты. Нитрификация является критическим компонен­том «биологической фильтрации» в аквариумах. Можно было бы ожидать, что ответствен­ные за нитрификацию бактерии колонизировали бы всю поверхность в устоявшемся аквариуме. Однако они накапливаются в аквариумном фильтре, где имеется большое количество участков для прикрепления и обильный кислород от перемещения воды. (В «wet-dry» или «тонкоструйных» фильтрах, в которых фильтрующий носитель непрерывно контактирует с воздушным кислородом, происходит еще более сильная нитрификация).

Нитрифицирующие бактерии пресноводных аквариумов, предположительно те же, что и обнаруженные в природе Nitrosomonas и Nitrobacter, до сих пор не идентифицирова­ны. Несмотря на то, что нитрифицирующие бактерии обнаружены почти во всех грунтах и натуральных водах, во многих натуральных экосистемах они играют вторую, не критичес­кую роль

Нитрифицирующие бактерии являются хемоавтотрофными и отличаются от гетеротрофных тем, что для получения энергии они окисляют неорганические соединения (аммоний и нитриты). (Другие хемоавтотрофные бактерии окисляют H2S.) Хемоавтотрофные бактерии отличаются от подавляющего большинства бактерий, являющихся гетеротроф­ными тем, что последние получают энергию за счет разложения органических соединений, таких как белки и сахара.

Так как требования нитрифицирующих бактерий настолько отличаются от обычных (т.е. гетеротрофных) бактерий, ученые поначалу не могли их вырастить в лабораторных условиях. Нитрифицирующие бактерии просто не росли в органической питательной среде, так хорошо работавшей для других бактерий.

Фактически, органические соединения подавляли бактерии. Так было до 1890 года, когда русский ученый Виноградский открыл, что при использовании простой неорганической среды, содержащей, в основном, аммоний и карбонат кальция, бактерии начинали расти. Виноградский правильно предположил, что бактериям требуется неорганический источник углерода, такой как бикарбонаты. Фактически, нитрифицирующие бактерии подобны растениям в том, что они синтезируют большие органические соединения, из которых сами состоят (белки, сахара и др.), из небольших неорганических соединений, таких как CO2, железо, фосфаты и др. Растения используют световую энергию для обеспечения своих процессов (фотосинтеза), а нитрифицирующие бактерии – химическую  (хемосинтез).

Ю.В. - И как это происходит пошагово?

Serpentarius - Ну, несколько формул я вам напишу. ))

На первом шаге нитрификации одна группа бактерий преобразует аммоний в нитриты:

На втором шаге другая группа бактерий преобразует нитриты в нитраты:

Полная реакция нитрификации ( NH4+  +  2 O2   =   NO3  +  H2O  +  2 H+ ) вырабатывает кислоту и потребляет кислород. Действительно, нитрифицирующие бактерии требуют больше кислорода, чем обычные, до 100 атомов кислорода на зафиксированный атом углерода. Поэтому, нитрифицирующие бактерии могут капризно реагировать на очистку городской воды; при обработке сточных вод, если уровень аммония достигает 2 мг/л, нитрификация может потреблять весь кислород. Нитрифицирующие бактерии полезны, но не необходимы, в аквариумах без растений. Однако в растительных аквариумах они конкурируют за аммоний с растениями. Энергия, которую получают нитрифицирующие бактерии от окисления аммония до нитратов, эквивалентна энергии, теряемой растениями

Tekhi - Очень даже все понятно пока. )) Но ведь и обратный процесс происходит? Ты раньше про денитрификацию упоминала?

Serpentarius - Да.

Денитрификация – это распространенный процесс, протекающий в грунтах и осадках, который преобразует нитраты в газ N2:

Многие обычные бактерии (Pseudomonas, Achromobacter, Escherichia, Bacillus, Micrococcus и др.) могут денитрифицировать Наиболее распространенными организмами являются различные штаммы Pseudomonas, Flavobacterium и Alcaligenes.

Хотя денитрификация происходит в любом месте, в котором есть нитраты, органика и анаэробные условия, она часто привязана к нитрификации. Нитрификация обеспечивает нитраты, и, за счет потребления кислорода, обеспечивает анаэробную окружающую среду. Для аквариумистов денитри­фикация является безвредным бактериаль­ным процессом, который помогает предот­вратить накопление нитратов

Нитрификация-денитрификация может привести к значительным потерям N в водных экосистемах.

И.  Да ну?

Serpentarius -  Ну да! Вот, например, результаты одного исследования.

Восстановление азотных удобрений в аквариумных системах спустя 27 дней (или «Куда попадает N, добавленный в аквариумы?»)   И нитраты, и аммоний (0.010 мг/л N каждого) были добавлены во все аквариумы. В первом наборе из 4 аквариумов только аммоний был помечен 15N (радиоактивным азотом), в то время как во втором наборе из 4 аквариумов – только нитраты. Путем измерения радиоактивности в воде, грунте и растениях, исследователь смог отследить судьбу добавок. Каждый эксперимент дублировался. Я привела значения для различных незначительно отличавшихся аквариумов в виде диапазонов значений.

Источник N Система аквариумов N в воде N в осадке N в растениях (или водорослях) Потери N
NH4+ Щитолистник 0-3 % 8-9 % 67% 24%
Водяной гиацинт 0-3 8-9 41-44 47-54
Элодея 0-3 8-9 41-44 47-54
Контрольный (водоросли) 21 21 5 47-54
NO3 Щитолистник 0-0.1 6 13 81
Водяной гиацинт 12 6 39 43-48
Элодея 0-0.1 29-31 24 43-48
Контрольный (водоросли) 36 29-31 4 29

Ю.В. - Приличные потери… Кто бы мог подумать… Но азот ведь и накапливаться может? В нитратной форме?

Serpentarius - Не только.

Накопление нитритов

Довольно токсичные для рыб нитриты могут накапливаться в нескольких различных бактериальных процессах, а не только в одном. Наиболее вероятные кандида­ты, приводящие к накоплению нитритов – это нитратное дыхание и неполная нитрификация. Однако два других бактериальных процесса (ДВА и денитрификация) также могут выде­лять нитриты. Все эти отдельные бактериаль­ные процессы могут вносить свой вклад в накопление нитритов в аквариумах.

  1. Нитратное дыхание

Нитратное дыхание – это распростра­ненный бактериальный процесс, выполняемый множеством обычных бактерий в анаэробных условиях. Реакция, посредством которой бакте­рии используют для дыхания нитраты (NO3), выглядит таким образом:

В отличие от денитрификации, при которой нитриты в дальнейшем преобразуются в газы (N2O и N2), нитриты являются конечным продуктом этой реакции. Нитратное дыхание – это наиболее важный анаэробный процесс, выполняемый обширным множеством бактерий. Поэтому из осадочных и грунтовых бактерий около 80% бактерий, способных расти в анаэробных условиях, являлись нитрат-дышащими бактериями (когда бактерии изолировано выращи­вались, они вырабатывали нитриты). Оставшиеся 20% анаэробных бактерий являлись денитрифицирующими бактериями (т.е., когда бактерии изолировано выращивались на нитратах, они вырабатывали N2, а не нитриты).

  1. Неполная нитрификация

Когда аквариумы запускаются впервые, в течение нескольких недель в воде могут накапливаться нитриты. Это связано с тем, что бактерии, преобразующие аммоний в нитриты, обустраиваются в аквариуме первыми. Дополнительные 4 недели могут потребоваться для бактерий, преобразующих нитриты в нитраты. (Нитрификация не является полнофункциональной, пока не пройдет приблизительно 8 недель). Нитрификация не всегда доходит до завершения. Это часто случается, когда стрессы окружающей среды (кислотность, низкая температура и др.) подавляют бактерии, ответственные за окисление нитритов, больше, чем бактерии, ответственные за окисление аммиака. Накопление нитритов происходит, когда второй шаг нитрификации

больше не обрабатывает нитриты, производимые на первом шаге

  1. Неполная ДВА и неполная денитрификация

Бактерии используют нитраты еще одним способом помимо денитрификации и нитратного дыхания. Очевидно, многочисленные бактерии преобразуют нитраты в аммоний способом, называемым «диссимиляторная выработка аммония» или ДВА. Этот способ связан с ферментацией и выработкой энергии; поэтому он происходит даже когда имеется адекватное количество аммония.

Ю.В. - ДВА вроде очень существенно влияет на накопление нитритов?

Serpentarius - Да.

Токсичность разных элементов азотного цикла сильно различается. Реакция для ДВА выглядит таким образом:

 

ДВА вырабатывает значительное количество аммония в некоторых осадках, и в пресноводных, и в морских. Исследователи, отслеживая судьбу добавленных нитратов, обнаружили, что ДВА часто соперничает с денитрификацией в обработке нитратов. Хотя большое количество аммония, выработанного в процессе ДВА, перерабатывается обратно в нитраты (посредством нитрификации), ДВА представляется самым важным бактериальным процессом в азотном цикле.

Иногда ДВА не доходит до завершения; когда это случается, могут накапливаться нитриты. Так, одна грунтовая бактерия (Citrobacter sp) в определенных условиях преобразовывала 97% добавленных нитратов в нитриты (В других условиях она вырабатывала N2O и NH4+.)

Подобным образом и денитрификация не всегда доходит до завершения. Неполная денитрификация может привести к временному накоплению нитритов . Предположительно, в соответствующих условиях и ДВА, и денитрификация могут вносить свой вклад в накопление нитритов в аквариумах

Tekhi - И они все токсичны?

Serpentarius - По-разному.

Самый ядовитый это аммиак, но к счастью в воде рН около 7 его практически не содержится, при таких значениях рН аммиак переходит в форму существенно менее ядовитого аммония. Но уже при рН 7.5 опасность резко возрастает и аммония становится 0.5%, при рН=8 – 5%, а при рН=8.4 уже 10%. Так что если у вас в аквариуме живут африканские цихлиды, то аммиак становится реальной опасностью.

Следующие по токсичности нитриты NO2. При отравлении нитритами жабры у рыб становятся  коричневого цвета, у рыб наблюдается удушье, угнетенное состояние. Предельная концентрация нитритов в пресноводном аквариуме считается порядка 0.1мг/л. Токсичность нитритов снижается в морской и соленой воде благодаря наличию в воде ионов кальция и хлора.

Наименее токсичны в аквариуме нитраты. Их предельное содержание может быть очень высоким, если их уровень растет медленно, то нередки ситуации когда рыбы годами живут при уровне нитратов порядка 200мг/л. Но безопасным уровнем для нормального аквариума считается до 50мг/л, для морского до 20мг/л ( в соленой воде нитраты токсичнее).

Ю.В. - Ир, у тебя схема была азотного цикла. Покажешь?

Serpentarius - Конечно.

Схематично азотный цикл можно изобразить так:

Ю.В. - Ир, но ведь в азотном цикле еще и другие элементы участвуют? Не только азот с кислородом и водородом?

З. Не корректно сказал)) Все остальное, кроме азота – это уже не азотный цикл. Это совершенно другие процессы, протекающие при жизнедеятельности совершенно других микроорганизмов.  Я говорила, и еще раз подчеркну, что кроме азотного цикла в аквариуме параллельно протекают много других процессов, которые тоже влияют на состояние системы в целом, но с азотным циклом никак не связаны

Восстановление железа и марганца

Когда кислород и нитраты заканчиваются, многие бактерии в субстрате могут использовать железо (Fe) или марганец (Mn) для того чтобы принимать электроны, вырабатываемые в процессе метаболизма. Такое «химическое восстановление» Fe и Mn растворяет эти два металла, давая корням растений возможность их поглотить. Поэтому, анаэробные бактерии являются критическими в обеспечении растений Fe и Mn.

Хотя в грунтах меньше Mn, чем Fe, окисленный Mn является лучшим акцептором электронов, чем окисленное Fe Поэтому, если Mn в наличии имеется, он будет использован до Fe. Следующая реакция описывает восстановление Mn электронами, выработанными в процессе метаболизма бактерий:

В этой реакции Mn переходит из выпавшей в осадок окиси (MnO2) в растворимый катион (Mn2+), который затем может попасть в корни растений. Очевидно, использовать MnO2 в качестве акцептора электронов может широкий диапазон бактерий и микрогрибков.

Когда заканчивается MnO2, бактерии используют железо для приема электронов:

Как и для Mn, нерастворимая выпавшая в осадок окись, в данном случае Fe(OH)3, преобразуется в растворимый ион (Fe2+). Корни растений быстро поглощают железо в форме Fe2+

Tekhi - Ира, а то что из грязного грунта иногда идут пузыри с запахом тухлых яиц, это тоже как-то с бактериальными процессами связано?

Serpentarius - Да. Запах тухлых яиц – это сереводород.

Выработка сероводорода

Сероводород (H2S), легко образуемый в аквариумных субстратах – омерзительно воняющий чрезвычайно токсичный газ Действительно, обнаружено, что для мелких млекопитающих он более токсичен, чем аммиак

Имеется два источника H2S. Первым источником является обычное разложение белков гетеротрофными бактериями, во время которого белковая SH-группа выделяется в виде H2S:

Вторым источником H2S является специализированное восстановление сульфатов бактериями Desulfovibrio и Desulfotomaculm. При анаэробном разложении органики эти бактерии используют сульфаты в качестве акцептора электронов:

Сульфатвосстанавливающие бактерии строго анаэробны  Их деятельность связана с сильно анаэробными условиями (осадочный редокс от -120 мвольт до -300 мвольт)  Комбинация обильного количества сульфатов и органики в субстрате поддерживает этих бактерий и выработку H2S.

Разрушение сероводорода

В присутствии кислорода различные бактерии быстро окисляют сероводород (H2S) до сульфатов. (Эта реакция является аналогом реакции нитрификации, в которой крайне токсичная молекула преобразуется в безвредную соль.) Полная реакция окисления H2S выглядит так:

 

Окисление H2S выполняется аэробно хемоавтотрофными бактериями, такими как Thiobacillus, Thiothrix и Beggiatoa, или анаэробно в присутствии света фотосинтезирующими бактериями (Chlorobacteriaceae и Thiorhodaceae

Хемоавтотрофные бактерии – одни из самых полезных в аквариумах. Во-первых, они защищают корни растений, уничтожая в субстрате токсичный H2S.

Во-вторых, они защищают рыб. Газ H2S, вырабатываемый в субстрате или в любом другом скоплении анаэробных остатков, быстро окисляется H2S-окисляющими бактериями. Эти бактерии населяют поверхностный слой субстрата и, вероятно, окисляют всякий вырабатываемый снизу H2S.

Ю.В. - Ириш, на ферментации остановишься? Там ведь еще и метан образуется?

Serpentarius - Да. Давайте поговорим о ферментации и метаногенезе.

Ферментация и метаногенез

В сильно анаэробных условиях органика только частично перерабатывается бактериями, что приводит к накоплению этанола и различных органических кислот. (В противоположность этому, в присутствии кислорода бактерии перерабатывают органику в CO2 и воду.) В озерных осадках большое количество органики портится связанными процессами ферментации и метаногенеза Это происходит, когда неорганические акцепторы электронов (NO3, Fe3+, Mn4+, SO42-) больше недоступны. После истощения запасов кислорода и неорганических акцепторов электронов, органика сама по себе освобождает и принимает электроны. (Одна часть органической молекулы окисляется, в то время как другая часть той же молекулы восстанавливается.)

Ферментация включает в себя разрушение органики ферментирующими бактериями до различных жирных кислот, спиртов, уксусной кислоты, газа водорода и CO2. Некоторые органические кислоты и спирты умеренно угнетают корни растений

Метаногенез выполняется четырьмя основными родами: Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus и Methanosarcina. Эти строго анаэробные бактерии используют уксусную кислоту, газ водород и CO2, выработанные во время ферментации, для того чтобы произвести метан, CO2 и воду. Эти две используемые бактериями реакции выглядят так:

 

В аквариуме метаногенез и ферментация происходят преимущественно в субстрате. В то время как эти два процесса могут оказывать некоторое отрицательное влияние на рост растений, в целом они, вероятно, приносят пользу аквариумной экосистеме тем, что в субстрате перерабатывают органику в питательные вещества, которые могут использоваться растениями. Метан выделяется из субстрата в воду, как посредством диффузии, так и в виде пузырьков газа

Tekhi - Это тот самый метан, который в газовой плите? и разу е слышала характерного запаха возле аквариума.

Serpentarius - Метан не имеет запаха. То что он в газовых сетях имеет запах, это потому что в него добавляют специальное вещество, индикатор, для контроля утечек.

Tekhi - И что, весь метан, который вырабатывается, выходит в итоге в атмосферу?

Serpentarius - Нет, не весь. Частично он окисляется.

Окисление метана

Метан-окисляющие бактерии, такие как представители видов Methanomonas methanica, Pseudomonas methanica и Thioploca, распространены широко и повсеместно.  Они находятся в поверхностном слое осадков и быстро преобразуют выделяющийся из анаэробных осадков метан в CO2. Полная реакция окисления метана выглядит таким образом:

Окисление метана в аквариумах гарантирует, что выработанный в суб­страте метан будет доступен для расте­ний. Метан, который растения не могут использовать, преобразуется в CO2, который растения могут использо­вать. Поскольку в аквариумах углерод часто бывает лимитирующим питатель­ным веществом для растений, метан-окисля­ющие бактерии являются полезными.

Ю.В. - Насколько опасны газы, образующиеся в грунте?

Serpentarius - Они называются “субстратные газы”.

Субстратные газы могут содержать CO2, H2, N2, N2O, CH4 и H2S. Только если бы корни расте­ний выглядели чахлыми, кашеобразны­ми и черными, а/или рыбы потеряли аппетит, следует задуматься. Выделение пузырьков из суб­страта полезно, потому что оно дает возмож­ность насыщенной кислородом воде попасть в субстрат и удерживать его, чтобы он не стал слишком анаэробным. Пузырьки являются индикатором того, что субстрат «живой».

Tekhi - Это приятная новость. ))

Serpentarius - Попробую подвести коротенький итог относительно бактериальных процессов.

Бактериальные процессы в аквариуме

Бактерии влияют на переработку питательных веществ и вырабатывание (и разрушение) ингибирующих соединений, таких как аммиак, нитриты, уксусная кислота и сероводород. Тот факт, что бактерии нельзя увидеть, не должен уменьшать их важность в аквариумах.

Вероятно, наиболее важными бактериальными процессами в растительном аквариуме является разложение органики. Постепенное разложение органики гетеротрофными бактериями в питательные вещества растений – это естественные и непрерывный процесс. В то время как CO2 и другие питательные вещества для получения хорошего роста растений можно добавить искусственно, контролируемое разложение гетеротрофными бактериями преобразует излишек рыбного корма и растительные остатки в питательные вещества, которые могут использоваться растениями. Без переработки гетеротрофными бактериями органика просто накапливалась бы и была бы недоступна для растений.

В аквариумах, содержащих землю, разложение грунтовой органики бактериями может обеспечить растения богатым начальным запасом CO2. Действительно, я рассчитала, что «средний» грунтовый субстрат обеспечивает растения достаточным количеством CO2 приблизительно на 11 месяцев

В таблице перечислены некоторые из основных эффектов, которые оказывают на растительный аквариум описанные в нашей беседе бактериальные процессы.

Эффекты бактериальных процессов в аквариумной экосистеме.

Бактериальный процесс Где обнаружен Полезное действие Недостаток
Нитрификация поверхность фильтра, субстрата, растений, и др. устраняет влияние ядовитого аммиака конкурирует с растениями за аммоний, может приво­дить к понижению pH, на­капливанию нитратов или нитритов
Окисление H2S поверхность субстрата устраняет влияние ядовитого H2S
Окисление метана поверхность субстрата преобразует метан в CO2, который растения могут использовать
Аэробное разложение поверхность фильтра, субстрата, растений, и др. преобразует органику в питательные вещества растений
Анаэробное разложение субстрат и фильтр преобразует органику в питательные вещества растений и гумус
*Нитратное дыхание субстрат и фильтр вырабатывает нитриты
*Денитрификация субстрат и фильтр удаляет из аквариума нитраты
*Восстановление марганца анаэробный грунтовый субстрат обеспечивает растения марганцем
*Восстановление железа анаэробный грунтовый субстрат обеспечивает растения железом
*Восстановление сульфатов сильно анаэробный субстрат вырабатывает ядовитый H2S
*Ферментация сильно анаэробный субстрат обеспечивает растения CO2 вырабатывает уксусную кис­лоту и другие угнетающие органические соединения
*Метаногенез сильно анаэробный субстрат удаляет угнетающую уксусную кислоту

*Процессы, которые происходят во время анаэробного разложения гетеротрофными бактериями

Ю.В. - Ир, упомяни пожалуйста вкратце еще роль других элементов на бактериальные процессы в аквариуме. И, если можно, сразу и расскажи как тебе с позиции твоего опыта видится влияние различных химических веществ, которые мы вносим в аквариум, например, для лечения рыбы и т.д.

Serpentarius - Попробую.

Влияние некоторых элементов на процесс нитрификации

Есть и еще один компонент потенциального воздействия на эффективность нитрификации в аквариуме – удобрения и микроэлементы. Разные химические элементы и вещества по разному, причем далеко не всегда отрицательно, воздействуют на микрофлору аквариума и это тоже желательно учитывать. Кальций. Высокое содержание кальция важно для обмена веществ Nitrosomonas, при недостатке кальция эффективность нитрификации снижается.

Магний. Содержание магния важно для бактерий группы Nitrobakter. Однако слишком высокие дозы (более 75мг/л) уменьшает и окисление аммония и нитритов.

Сульфат. Сульфаты блокируют нитрификацию обеих групп бактерий  – и Nitrosomonas и Nitrobacter.

Железо. Железо при концентрации 10мг/л может замедлить превращение нитрита в нитрат, в то же время окисление аммония в нитрит поддерживать.

Калий. Калий положительно влияет на процесс окисления аммония в нитриты.

Фосфат. Добавка фосфат-ионов оказывает положительное влияние на процесс окисления аммония в нитриты.

Марганец. Марганец положительно влияет на процесс окисления как аммония, так и нитритов.

Хлорид. Хлорид положительно влияет на окисление аммония и нитритов.

Молибден. Молибден положительно влияет на окисление аммония и нитритов.

Кобальт. Кобальт отрицательно влияет на окисление нитритов до нитратов.

Медь. Медь отрицательно влияет на окисление нитритов до нитратов.

Цинк. Концентрация цинка от 0,48мг/л оказывает отрицательное влияние на окисление нитритов до нитратов.

Таким образом такие элементы и вещества как фосфор, магний, кальций и калий, а также, особо фосфаты – играют большую положительную роль для нормальной нитрификации в аквариуме.

С медицинскими препаратами все сложнее. Фактически все препараты так или иначе подавляют процесс нитрификации, те которые подавляют незначительно не так опасны, но некоторые воздействуют очень сильно, вплоть до полной остановки процесса нитрификации. К сожалению, различные источники могут приводить разную степень воздействия для одного и того же препарата, вероятно это может объясняться разными химическими параметрами воды, в частности рН. Данные по некоторым препаратам сведены в таблицу.

Препарат Концентрация Вода пресная\морская Влияние на нитрификацию
Хлортетрациклины 10 Пресная вода сильное
Сульфат меди 1.2 Морская вода (иск) сильное
Сульфат меди 1 Пресная вода слабое
Сульфат меди 0.2-0.8 Морская вода (природная) сильное
Сульфат меди 5 Пресная вода слабое
Эритромицин 50 Пресная вода сильное
Формалин 25 Пресная вода слабое
Формалин + Бриллиантовая зелень 25+0.1 Пресная вода слабое
Сульфат гентомицина 5.3 Морская вода (иск) слабое
Бриллиантовая зелень 0.1 Пресная вода слабое
Метиленовый синий 8 Морская вода (иск) сильное
Метиленовый синий 5 Пресная вода сильное
Метиленовый синий 1 Пресная вода сильное
Неомицинсульфат 66.7 Морская вода (иск) сильное
Окситетрациклин 50 Пресная вода слабое
Перманганат калия 4 Пресная вода слабое
Сульфаниламид 25 Пресная вода сильное

Ю.В. - Спасибо! Сколько говорю с тобой на эту тему, столько узнаю что-то новое и интересное)) Ир, тебе-то все было понятно?

Tekhi - Почти… В общем, теперь хоть не вслепую буду аквариумы запускать. А что не разобралась- у меня ведь есть у кого спросить))

Ю.В. - Конечно. Ир, а про собственно баланс поговорим?

Serpentarius - Не устали?

Tekhi - Нет!

Serpentarius - Тогда без проблем 😉 Спрашивайте