Брошура за почетнике са циклусом азотиног циклуса
Представљамо вам брошуру коју смо посебно припремили за почетнике акваристике. Шарено је и укратко говори о тако важној компоненти биолошке равнотеже акваријума као што је циклус азота.
Брошура описује сам циклус, приказује разлоге појаве високих концентрација отрова, даје симптоме риба и упутства за уклањање амонијачних производа из акваријума. Поред тога, омогућене су везе за независно проучавање овог питања..
Да бисте погледали / преузели брошуру, кликните на слику испод:
За оне који желе детаљније проучити ово питање, препоручујемо материјал у наставку:
Биолошки третман воде
Биолошка обрада воде укључује најважније процесе који се дешавају у затвореним акваријумима. Биолошки третман подразумева минерализацију, нитрификацију и дисимилацију једињења која садрже азот, бактерије које живе у воденом стубу, шљунку и детритусу филтера. Организми који обављају ове функције су увек присутни у дебљини филтра. У процесу минерализације и нитрификације, супстанце које садрже азот прелазе из једног облика у други, али азот остаје у води. Уклањање азота из раствора дешава се само током процеса денитрификације (видети одељак 1.3).
Биолошка филтрација је један од четири начина прочишћавања воде у акваријумима. У наставку су размотрене три друге методе - механичка филтрација, физичка адсорпција и дезинфекција воде..
Схема третмана воде приказана је на Сл. 1.1., А циклус азота у акваријуму, укључујући процесе минерализације, нитрификације и денитрификације, приказан је на Сл. 1.2.
Сл. 1.1. Место биолошког третмана у процесу пречишћавања воде. Слева на десно - биолошко чишћење, механичка филтрација, физичко седиментација, дезинфекција.
Сл. 1.2. Циклус азота у системима акваријума затворених.
1.1.Минерализација.
Хетеротрофне и аутотрофне бактерије - главне групе микроорганизама које живе у акваријумима.
Напомена није из књиге аутора.
Хетеротрофи (други грчки - „различити“, „различити“ и „храна“) - организми који нису у стању да синтетишу органске материје из неорганских супстанци фотосинтезом или хемосинтезом. За синтезу органских материја неопходних за њихове виталне функције, потребне су им егзогене органске материје, односно оне које производе други организми. У процесу варења, дигестивни ензими разграђују полимере органских супстанци на мономере. У заједницама су хетеротрофи потрошачи различитих наруџбина и редуктора. Хетеротрофи су скоро све животиње и неке биљке. Према начину добијања хране, они се деле у две супротстављене групе: холозојске (животиње) и холофитне или осмотропне (бактерије, многи протетичари, гљивице, биљке).
Аутотрофи (други грчки - селф + храна) - организми који синтетишу органску материју из неорганских. Аутотрофи чине први ниво прехрамбене пирамиде (прве везе прехрамбених ланаца). Они су примарни произвођачи органских материја у биосфери, обезбеђујући храну за хетеротрофе. Треба напоменути да понекад оштра граница између аутотрофа и хетеротрофа не успева. На пример, зелена једноћелијска алга Еуглена је аутотроф на светлу, а хетеротроф у мраку.
Понекад су појмови „аутотрофи“ и „произвођачи“, као и „хетеротрофи“ и „потрошачи“ погрешно идентификовани, али се не подударају увек. На пример, цијанобактерије (Цианеа) су способне да сами производе органску материју користећи фотосинтезу и конзумирају је у свом готовом облику и разграђују је у неорганске материје. Стога су истовремено и произвођачи и редуктори..
Аутотрофични организми користе неорганске супстанце из земље, воде и ваздуха за изградњу свог тела. Штавише, угљендиоксид је готово увек извор угљеника. Истовремено, неки од њих (фототрофи) добијају потребну енергију од Сунца, други (хемотрофи) из хемијских реакција неорганских једињења.
Хетеротрофне врсте користе органске компоненте које садрже азот у излучивању водених животиња као извор енергије и претварају их у једноставна једињења, на пример амонијум (термин „амонијум“ односи се на збир амонијум јона (НХ4 +) и слободног амонијака (НХ3), аналитички одређених као НХ4-Н ) Минерализација ових органских супстанци је прва фаза биолошког третмана.
Минерализација органских једињења која садрже азот може почети распадом протеина и нуклеинских киселина и стварањем аминокиселина и органских база азота. Деаминација је процес минерализације у коме се амино група цепа да би се формирала амонијум. Предмет деаминације може бити цепање урее са стварањем слободног амонијака (НХ3).
Слична реакција се може извести на чисто хемијски начин, али деаминација аминокиселина и сродних једињења захтева учешће бактерија.
1.2. Нитрификација воде.
Након претварања органских једињења у неоргански облик од стране хетеротрофних бактерија, биолошко пречишћавање прелази у следећу фазу, која се назива "нитрификација". Под овим процесом подразумева се биолошка оксидација амонијума у нитрите (НО2-, дефинисана као НО2-Н) и нитрати (НО3, дефинисана као НО3-Н). Нитрификацију врше углавном аутотрофне бактерије. Аутотрофични организми су, за разлику од хетеротрофних, способни да асимилирају неоргански угљен (углавном ЦО2) да би изградили ћелије у свом телу.
Аутотрофичне нитрификујуће бактерије у слатководним, бочастим и морским акваријумима углавном су заступљени родови Нитросомонас и Нитробацтер. Нитросомонас оксидује амонијум у нитрите, а Нитробацтер оксидира нитрите у нитрате..
Обе реакције долазе са апсорпцијом енергије. Значење једнаџби (2) и (3) је претворити токсични амонијум у нитрате који су много мање токсични.Ефикасност процеса нитрификације зависи од следећих фактора: присуство токсиканата у води, температура, садржај кисеоника раствореног у води, сланост и површина филтера.
Токсичне материје. Под одређеним условима, многе хемикалије инхибирају нитрификацију. Када се додају у воду, ове супстанце или инхибирају раст и размножавање бактерија, или нарушавају унутарћелијски метаболизам бактерија, ускраћујући им способност оксидације..
Цоллинс и др. (Цоллинс ет ал., 1975, 1976), као и Левине и Меаде (1976) известили су да многи антибиотици и други лекови који се користе за лечење риба не утичу на процесе нитрификације у слатководним акваријумима, док су други били токсични у различитом степену. Паралелне студије о морској води нису проведене, а резултати се не би требали проширити на морске системе..
Подаци представљени у три наведена рада представљени су у табели. 1.1. Резултати истраживања нису баш упоредиви због разлика у коришћеним методама..
Табела 1.1. Утицај терапијских норми растворених антибиотика и лекова на нитрификацију у слатководним акваријумима (Цоллинс ет ал., 1975, 1976, Левине и Меаде, 1976).
Цоллинс и др. Проучавали су утицај лекова у узорцима воде узетим директно из радних базена са биофилтерима, где су задржане рибе. Левине и Меад су користили чисте бактеријске културе за експерименте. Примењене методе су, оцигледно, карактерисале вецу осетљивост у односу на конвенционалне. Тако су формалин, малахит зелено и нифурпиринол у својим експериментима имали умерену токсичност за нитрификујуће бактерије, док су Цоллинс и др. Показали безопасност истих лекова. Левине и Меад су веровали да су одступања повезана са већим садржајем аутотрофичних бактерија у чистим културама и да ће праг инактивације бити већи у присуству хетеротрофних бактерија и у већој концентрацији растворених органских супстанци.
Из табеле података. 1.1. види се да еритромицин, хлоротетрациклин, метилен плави и сулфаниламид имају изражену токсичност у слаткој води. Најотровнија од испитиваних супстанци била је метилен плава. Резултати добијени испитивањем хлорамфеникола и калијум перманганата су контрадикторни.
И Цоллинс и др., Левине и Меад слажу се да бакар сулфат не инхибира значајно нитрификацију. Можда је то резултат везивања слободних јона бакра на растворена органска једињења. Томлинсон и др. (Томлинсон ет ал., 1966) открили су да јони тешких метала (Цр, Цу, Хг) имају много јачи ефекат на Нитросомонас у чистој култури него у активном муљу. Они су сугерисали да је то због стварања хемијских комплекса између јона метала и органских супстанци. Дуготрајно излагање тешким металима је ефикасније од краткорочног, очигледно због чињенице да су адсорпционе везе органских молекула у потпуности искориштене..
Температура. Многе врсте бактерија могу поднијети значајна колебања температуре, мада је њихова активност привремено смањена. Период адаптације, зван привремена инактивација температуре (ВТИ), често се манифестује наглим променама температуре. Обично је ВТИ приметан током брзог хлађења воде - пораст температуре у правилу убрзава биохемијске процесе и самим тим период прилагођавања може проћи незапажено. Срна и Баггалеи (1975) проучавали су кинетику процеса нитрификације у морским акваријумима. Пораст температуре од само 4 степена Целзијуса довео је до убрзавања оксидације амонијума и нитрита за 50, односно 12%, у поређењу са почетним нивоом. С падом температуре за 1 степен Целзијуса, стопа оксидације амонијума смањена је за 30%, а са падом температуре за 1,5 степени Целзијуса, брзина оксидације нитрита смањена је за 8% у односу на почетне услове.
пХ воде. Каваи и др. (Каваи ет ал., 1965) открили су да се при пХ мањој од 9 нитрификација у морској води јаче сузбија него у слаткој води. То су приписали нижем природном пХ у слаткој води. Према Сеекију (Саеки, 1958), оксидација амонијака у слатководним акваријумима сузбија се са смањењем пХ. Оптимални пХ за оксидацију амонијума је 7,8 за оксидацију нитрита 7.1. Секи је сматрао да је 7,1-7,8 оптимални пХ опсег за процес нитрификације. Срна и Баггали показали су да су морске бактерије за нитрификацију најактивније на пХ 7,45 (распон 7-8,2).
Кисеоник растворен у води. Биолошки филтер се може упоредити са огромним организмом који дише. Ако се правилно користи, троши значајну количину кисеоника. Потребе за кисеоником у воденим организмима мере се у јединицама БПК (биолошка потреба за кисеоником). БПК биолошког филтера делимично зависи од нитрификације, али углавном настаје због деловања хетеротрофних бактерија. Хараиама (Хираиама, 1965) показао је да је уз велику биолошку потрошњу кисеоника активна велика популација нитрификујућих агенаса. Прошао је морску воду кроз слој песка активног биолошког филтра. Пре филтрирања, садржај кисеоника у води био је 6,48 мг / Л, након што је прешао слој песка дебљине 48 цм. смањила се на 5,26 мг / л. У исто време, садржај амонијака је смањен са 238 на еквивалент 140 мг / л, а нитрит - са 183 на 112 мг еквивалент / литар..
И аеробне (О2 је потребан за живот) и анаеробне бактерије (не користе О2) присутне су у филтрирајућем слоју, али аеробни облици преовлађују у добро прозраченим акваријумима. У присуству кисеоника, раст и активност анаеробних бактерија се сузбијају, тако да нормална циркулација воде кроз филтер инхибира њихов развој. Ако се садржај кисеоника у акваријуму смањи, долази до повећања броја анаеробних бактерија или преласка са аеробног дисања на анаеробно. Многи производи анаеробног метаболизма су токсични. Минерализација се може догодити са смањеним садржајем кисеоника, али механизам и крајњи производи су у овом случају различити. У анаеробним условима, овај процес је вероватнији ензимски него оксидативни, са стварањем органских киселина, угљен-диоксида и амонијума уместо азотних база. Ове супстанце заједно са водоник-сулфидом, метаном и неким другим једињењима дају угушујућем филтру гнојни мирис.
Сланост. Многе врсте бактерија су способне да живе у водама, чији јонски састав значајно варира, под условом да се промене салинитета појављују постепено. ЗоБелл и Мицхенер (1938) открили су да се већина бактерија изолираних из морске воде у њиховој лабораторији може узгајати и у слаткој води. Многе бактерије су чак претрпеле директну трансплантацију. Свих 12 врста бактерија, које се сматрају искључиво морским, успешно су пребачене у слатку воду постепеним разблаживањем морском водом (5% свеже воде се додаје сваки пут).
Бактерије биолошког филтра су врло отпорне на флуктуације сланости, мада су ове промене значајне и нагле, активност бактерија је потиснута. Срна и Баггалеи (1975) показали су да смањење салинитета од 8% и пораст од 5% није утицало на брзину нитрификације у морским акваријумима. При нормалној сланости воде у системима морских акваријума, нитрификациона активност бактерија била је максимална (Каваи ет ал., 1965). Интензитет нитрификације се смањио и разблаживањем и повећањем концентрације раствора, мада је нека активност настала и након удвостручења сланости воде. У слатководним акваријумима активност бактерија била је максимална пре додавања натријум хлорида. Одмах након што је салинитет изједначен са сланошћу морске воде, нитрификација је престала.
Постоје докази да сланост утиче на стопу нитрификације, па чак и на количину крајњих производа. Кухл и Манн (1962) показали су да се нитрификација одвијала брже у системима слатководних акваријума него у морским системима, мада су у потоњем више нитрита и нитрата. Каваи и др. (Каваи ет ал., 1964) добили су сличне резултате, који су представљени на Сл. 1.3.
Сл. 1.3. Број бактерија у слоју филтрације у малим слатководним и морским акваријум системима после 134 дана (Каваи етал., 1964).
Површина филтра. Каваи и др. Открили су да је концентрација нитрификационих бактерија у филтеру 100 пута већа него у води која кроз њу тече. Ово доказује важност величине контактне површине филтера за процесе нитрификације, јер пружа могућност везивања бактерија. Највећу површину филтрирајућег слоја у акваријумима чине честице шљунка (тла), а процес нитрификације одвија се углавном у горњем делу шљунчаног филтра, као што је приказано на Сл. 1.4. Каваи и др. (1965.) утврдили су да 1 грам песка из горњег слоја филтера у морским акваријумима садржи 10 до 5 степени бактерија - 10 оксиданса амонијака до шестог степена - оксиданти нитрата. На дубини од само 5 цм, број микроорганизама обе врсте се смањио за 90%.
Сл. 1.4. Концентрација (а) и активност (б) нитрификационих бактерија на различитим дубинама филтера у морском акваријуму (Иосхида, 1967).
Облик и величина честица шљунка су такође важни: ситна зрна имају већу површину за бактерију од исте количине по тежини грубог шљунка, мада је врло ситан шљунак непожељан јер отежава филтрирање воде. Веза између димензија и њихове површине лако је демонстрирати примерима. Шест коцкица тежине 1 г. Имају укупно 36 површинских јединица, а једна коцка тежина 6 г. Има само 6 површина, од којих је свака већа од засебне површине мале коцке. Укупна површина шест кубика од једног куба је 3,3 пута већа од површине једне коцке од 6 грама. Према Секију (Саеки, 1958), оптимална величина честица шљунка (тла) за филтере је 2-5 мм.
Угаоне честице имају већу површину од округлих.. Кугла има минималну површину по јединици запремине у поређењу са свим осталим геометријским облицима.
Акумулација детритуса (Израз "детритус" (од лат. Детритус - истрошен) има неколико значења: 1. Мртва органска материја, привремено искључена из биолошког циклуса хранљивих материја, која се састоји од остатака бескраљежњака, излучевина и костију кичмењака, итд. - 2. сет ситне неодложене честице биљних и животињских организама или њихове секреције суспендоване у води или одложене на дну рибњака) у филтеру дају додатну површину и побољшавају нитрификацију. Према Секи, 25% нитрификације у акваријумским системима отпада на бактерије које настањују детритус..
1.3. Диссимилација
Процес нитрификације доводи до високог степена оксидације неорганског азота. Диссимилација, „дисање душика“, или процес опоравка, развија се у супротном смеру, враћајући коначне производе нитрификације у стање ниске оксидације. У погледу укупне активности, оксидација неорганског азота значајно прелази његову редукцију, а нитрати се акумулирају. Поред дисимилације, која обезбеђује ослобађање дела слободног азота у атмосферу, неоргански азот се може уклонити из раствора редовно замењивањем дела воде у систему, абсорпцијом у вишим биљкама или смолама за измену јона. Последњи начин уклањања слободног азота из раствора примењив је само у слаткој води (видети одељак 3.3).
Дисимилација је претежно анаеробни процес који се одвија у филтрирним слојевима са недостатком кисеоника. Бактерије - Денитрификатори, који поседују регенеративну способност, обично било пуни (облигациони) анаероб, или аероби који могу прећи на анаеробно дисање у окружењу без кисеоника. То су по правилу хетеротрофни организми, на пример, неке врсте Псеудомонас могу да смање нитратне јоне (НО3-) у условима недостатка кисеоника (Паинтер, 1970).
За време анаеробног дисања, дисимилаторне бактерије уместо кисеоника асимилирају азотни оксид (НО3-), редукујући азот у једињење са малим бројем оксидације: нитрит, амонијум, азотни диоксид (Н20) или слободни азот. Састав коначних производа се одређује према врсти бактерија које учествују у процесу опоравка. Ако се неоргански азот потпуно обнови, то значи да Н2О или Н2, процес дисимилације назива се денитрификација. У потпуно редукованом облику, азот се може уклонити из воде и пустити у атмосферу ако његов парцијални притисак у раствору премаши парцијални притисак у атмосфери. Дакле, денитрификација, за разлику од минерализације и нитрификације, смањује ниво неорганског азота у води.
1.4. Уравнотежен акваријум.
„Уравнотежен акваријум“ је систем у коме је активност бактерија које настањују филтер избалансирана са количином органске енергије која улази у раствор. По нивоу нитрификације може се судити о „равнотежи“ и погодности новог акваријумског система за одржавање водених организама - водених организама. У почетку је ограничавајући фактор висок садржај амонијума. Обично се у акваријумским системима са топлом водом (изнад 15 степени Целзијуса) смањује после две недеље, а у хладној води (испод 15 степени) током дужег периода. Акваријум ће можда бити спреман за животиње у прве две недеље, али није сасвим избалансиран, јер се многе важне групе бактерија још нису стабилизовале. Каваи и др. Опишите састав популације бактерија у систему морског акваријума.
1. Аеробиц. Њихов број у 2 недеље након слетања риба повећао се 10 пута. Максимални број је 10 у осмом степену организама у 1 г. Филтер за песак - обележен две недеље касније. Три месеца касније, популација бактерија се стабилизовала на 10 у седмом степену узорака по 1 г. Филтер за песак.
2. Бактерије које разграђују протеин (амонификатори). Почетна густина (10 до 3 степена инд. / Г) повећала се 100 пута у 4 недеље. Након три месеца, популација се стабилизовала на 10 до 4 степена инд./г. Тако оштар пораст броја ове класе бактерија проузрокован је уношењем хране богате протеинима (свежа риба).
3. Бактерије које разграђују скроб (угљене хидрате). Почетно обиље било је 10% од укупног броја бактерија у систему. Затим се постепено повећавао, а после четири недеље почео је да опада. Популација се након три месеца стабилизовала на 1% од укупног броја бактерија.
4. Бактерије-нитрификатори. Максималан број бактерија оксидирајући нитритима примећен је након 4 недеље, а "нитратни" облик - после осам недеља. Након 2 недеље, било је више „нитритних“ облика од „нитратних“. Број се стабилизовао на 10 до 5 степени и 10 до 6 степени инд. према томе. Постоји временска разлика између смањења садржаја амонијака у води и оксидације на почетку нитрификације, због чињенице да је раст нитробактера сузбијен присуством амонијум јона. Ефикасна оксидација нитрита могућа је тек након што се већина јона претвара у Нитросомонас. Слично томе, максимални нитрит у раствору треба да се појави пре почетка накупљања нитрата..
Висок садржај амонијака у новом акваријумском систему може бити узрокован нестабилношћу броја аутотрофичних и хетеротрофних бактерија. На почетку новог система раст хетеротрофних организама превазилази раст аутотрофичних облика. Много амонијака формираног током процеса минерализације апсорбује неке хетеротрофе. Другим речима, немогуће је јасно разликовати хетеротрофну и аутотрофичну обраду амонијака. Активна оксидација нитрификационим бактеријама појављује се тек након смањења и стабилизације броја хетеротрофних бактерија (Куастел и Сцхолефиелд, 1951).
Број бактерија у новом акваријуму важан је само док се не стабилише за сваку врсту. Након тога, флуктуације уноса енергетских материја надокнађују се повећањем активности метаболичких процеса у појединим ћелијама без повећања њиховог укупног броја.
Студије Куастел и Сцхолефилд (1951) и Срне и Баггалиа показале су да је густина насељености нитрификационих бактерија које настањују филтер одређеног подручја релативно константна и не зависи од концентрације улазећих енергетских супстанци..
Укупна оксидациона способност бактерија у уравнотеженом акваријуму је уско повезана са дневним уносом супстрата који оксидира. Нагли пораст броја узгајаних животиња, њихове масе, унесене количине хране доводи до приметног повећања садржаја амонијума и нитрита у води. Ова ситуација траје све док се бактерије не прилагоде на нове услове..
Трајање периода повећаног садржаја амонијума и нитрита зависи од количине додатног оптерећења на делу у водном систему. Ако је у оквиру максималне продуктивности биолошког система, равнотежа у новим условима у топлој води обично се опоравља након три дана, а у хладној води много касније. Ако додатно оптерећење превазиђе могућности система, садржај амонијума и нитрита ће се стално повећавати..
Минерализација, нитрификација и денитрификација - Процеси који се одвијају у новом акваријуму мање-више узастопно. У стабилном и стабилном систему они иду готово истовремено. У уравнотеженом систему, садржај амонијака (НХ4-Н) је мањи од 0,1 мг / л, а сви нитрити се хватају - резултат денитрификације. Поменути процеси су координирани, без застоја, јер се све улазне енергетске материје брзо апсорбују..
Овај материјал је одломак из књиге Скот-а, „Држање рибе у затвореним системима“, у целости је овде представљен:.
