Brožura pro začátečníky s cyklem dusíku v akváriu
Představujeme vám vaši brožuru, kterou jsme speciálně připravili pro začínající akvaristy. Barevně a krátce hovoří o tak důležité složce biologické rovnováhy akvária, jako je cyklus dusíku.
Brožura popisuje samotný cyklus, uvádí důvody výskytu vysokých koncentrací jedů, uvádí příznaky ryb a pokyny pro odstraňování produktů amoniaku z akvária. Kromě toho jsou uvedeny odkazy pro nezávislé studium této problematiky..
Chcete-li zobrazit / stáhnout brožuru, klikněte na obrázek níže:
Pro ty, kteří si chtějí tento problém prohloubit, doporučujeme níže uvedený materiál:
Biologická úprava vody
Biologické čištění vody zahrnuje nejdůležitější procesy, které se vyskytují v uzavřených akváriových systémech: Biologickým čištěním se rozumí mineralizace, nitrifikace a disimilace sloučenin obsahujících dusík bakteriemi žijícími ve vodním sloupci, štěrku a detektoru filtru. Organismy provádějící tyto funkce jsou vždy přítomny v tloušťce filtru. Při procesu mineralizace a nitrifikace přecházejí látky obsahující dusík z jedné formy do druhé, ale dusík zůstává ve vodě. K odstranění dusíku z roztoku dochází pouze během denitrifikačního procesu (viz oddíl 1.3).
Biologická filtrace je jedním ze čtyř způsobů čištění vody v akváriích. Níže jsou diskutovány tři další metody - mechanická filtrace, fyzikální adsorpce a dezinfekce vody..
Schéma úpravy vody je znázorněno na Obr. 1.1. A cyklus dusíku v akváriu, včetně procesů mineralizace, nitrifikace a denitrifikace, je znázorněn na obr. 1.2.
Obr. 1.1. Místo biologického čištění v procesu čištění vody. Zleva doprava - biologické čištění, mechanická filtrace, fyzická sedimentace, dezinfekce.
Obr. 1.2. Cyklus dusíku v uzavřených akváriových systémech.
1.1.Mineralizace.
Heterotropní a autotrofní bakterie - hlavní skupiny mikroorganismů, které žijí v akváriích.
Poznámka ne z knihy autora.
Heterotrofy (jiné řecké - „různé“, „různé“ a „jídlo“) - organismy, které nejsou schopné syntetizovat organické látky z anorganických látek fotosyntézou nebo chemosyntézou. K syntéze organických látek nezbytných pro jejich životně důležité funkce potřebují exogenní organické látky, tj. Látky produkované jinými organismy. Při trávení trávicí enzymy štěpí polymery organických látek na monomery. V komunitách jsou heterotrofy spotřebiteli různých objednávek a reduktorů. Heterotrofy jsou téměř všechna zvířata a některé rostliny. Podle způsobu získávání potravy se dělí na dvě protilehlé skupiny: holozoické (zvířata) a holofytické nebo osmotrofické (bakterie, mnoho protistů, houby, rostliny).
Autotrofy (jiné řecké - vlastní + jídlo) - organismy, které syntetizují organickou hmotu z anorganických. Autotrofy tvoří první vrstvu potravinářské pyramidy (první články potravinových řetězců). Jsou primárními producenty organické hmoty v biosféře a poskytují jídlo pro heterotrofy. Je třeba poznamenat, že někdy dojde k selhání ostré hranice mezi autotrofy a heterotrofy. Například zelená jednobuněčná řasa Euglena je autotrof ve světle a heterotrof ve tmě.
Někdy jsou pojmy „autotrofy“ a „producenti“, jakož i „heterotrofy“ a „spotřebitelé“ omylem identifikovány, ale ne vždy se shodují. Například cyanobakterie (Cyanea) jsou schopny samy produkovat organickou hmotu pomocí fotosyntézy a spotřebovat ji v její konečné formě a rozložit ji na anorganické látky. Proto jsou zároveň výrobci i reduktory..
Autotrofní organismy používají k budování svých těl anorganické látky z půdy, vody a vzduchu. Oxid uhličitý je navíc téměř vždy zdrojem uhlíku. Současně některé z nich (fototrofy) dostávají potřebnou energii od Slunce, jiné (chemotrofy) z chemických reakcí anorganických sloučenin.
Heterotrofní druhy využívají organické zdroje obsahující exkreci vodních živočichů jako zdroj energie a přeměňují je v jednoduché sloučeniny, například amoniak (termín „amonium“ označuje součet amonných iontů (NH4 +) a volný amoniak (NH3), analyticky stanovený jako NH4-N ) Mineralizace těchto organických látek je první fází biologického čištění.
Mineralizace organických sloučenin obsahujících dusík může začít rozpadem proteinů a nukleových kyselin a tvorbou aminokyselin a organických dusíkatých bází. Deaminace je mineralizační proces, ve kterém je aminoskupina štěpena za vzniku amonia. Předmětem deaminace může být štěpení močoviny za vzniku volného amoniaku (NH3).
Podobná reakce může být provedena čistě chemickým způsobem, ale deaminace aminokyselin a příbuzných sloučenin vyžaduje účast bakterií.
1.2. Nitrifikace vody.
Poté, co jsou organické sloučeniny heterotrofními bakteriemi převedeny na anorganickou formu, vstoupí biologické čištění do další fáze, která se nazývá „nitrifikace“. Tímto způsobem se rozumí biologická oxidace amonia na dusitany (NO2-, definované jako NO2-N) a dusičnany (NO3, definované jako NO3-N). Nitrifikace se provádí hlavně autotrofními bakteriemi. Autotrofní organismy, na rozdíl od heterotrofních, jsou schopny asimilovat anorganický uhlík (hlavně CO2) a vytvářet buňky svého těla.
Autotrofní nitrifikační bakterie v sladkovodních, brakických a mořských akváriích jsou zastoupeny hlavně rody Nitrosomonas a Nitrobacter. Nitrosomonas oxiduje amonium na dusitany a Nitrobacter oxiduje dusitany na dusičnany..
Obě reakce přicházejí s absorpcí energie. Význam rovnic (2) a (3) je převést toxické amonium na dusičnany, které jsou mnohem méně toxické.Účinnost nitrifikačního procesu závisí na následujících faktorech: přítomnost toxických látek ve vodě, teplota, obsah kyslíku rozpuštěného ve vodě, slanost a plocha povrchu filtru.
Toxické látky. Za určitých podmínek mnoho chemických látek inhibuje nitrifikaci. Když se přidají do vody, tyto látky buď inhibují růst a reprodukci bakterií, nebo narušují intracelulární metabolismus bakterií, čímž je připravují o schopnost oxidovat.
Collins a kol. (Collins a kol., 1975, 1976), jakož i Levine a Meade (1976) uváděli, že mnoho antibiotik a dalších drog používaných k léčbě ryb neovlivnilo nitrifikační procesy ve sladkovodních akváriích, zatímco jiní byli v různé míře toxičtí. Paralelní studie v mořské vodě nebyly provedeny a výsledky by neměly být rozšířeny na mořské systémy..
Údaje uvedené ve třech uvedených dílech jsou uvedeny v tabulce. 1.1. Výsledky výzkumu nejsou zcela srovnatelné kvůli rozdílům v použitých metodách..
Tabulka 1.1. Vliv terapeutických norem rozpuštěných antibiotik a léčiv na nitrifikaci ve sladkovodních akváriích (Collins et al., 1975, 1976, Levine a Meade, 1976).
Collins et al. Studoval účinek drog ve vzorcích vody odebraných přímo z pracovních bazénů s biofiltry, kde byly chovány ryby. Levine a Mead použili pro experimenty čisté bakteriální kultury. Použité metody se zřejmě vyznačovaly vyšší citlivostí ve srovnání s konvenčními. Ve svých experimentech tak formalin, malachitová zeleň a nifurpirinol měly mírnou toxicitu pro nitrifikační bakterie, zatímco Collins a kol. Ukázali neškodnost stejných léků. Levine a Mead věřili, že tyto nesrovnalosti byly spojeny s vyšším obsahem autotrofních bakterií v čistých kulturách a že práh inaktivace by byl vyšší v přítomnosti heterotrofních bakterií a při vyšší koncentraci rozpuštěných organických látek.
Z tabulky údajů. 1.1. je vidět, že erytromycin, chlortretracyklin, methylenová modř a sulfanilamid mají výraznou toxicitu ve sladké vodě. Nej toxičtější ze zkoumaných látek byla methylenová modrá. Výsledky získané při testování chloramfenikolu a manganistanu draselného jsou v rozporu.
A Collins a kol. A Levine a Mead souhlasí s tím, že síran měďnatý významně neinhibuje nitrifikaci. Možná je to důsledek vazby volných měděných iontů na rozpuštěné organické sloučeniny. Tomlinson a kol. (Tomlinson a kol., 1966) zjistili, že ionty těžkých kovů (Cr, Cu, Hg) mají mnohem silnější účinek na Nitrosomonas v čisté kultuře než v aktivovaném kalu. Navrhovali, že je to způsobeno tvorbou chemických komplexů mezi kovovými ionty a organickými látkami. Dlouhodobé vystavení těžkým kovům je účinnější než krátkodobé, zjevně kvůli skutečnosti, že adsorpční vazby organických molekul byly plně použity..
Teplota. Mnoho typů bakterií může tolerovat významné kolísání teploty, i když jejich aktivita je dočasně snížena. Období adaptace, nazývané dočasná inaktivace teploty (VTI), se často projevuje náhlými změnami teploty. Typicky je VTI patrná během rychlého ochlazování vody - zvýšení teploty zpravidla urychluje biochemické procesy, a proto může být adaptační doba bez povšimnutí. Srna a Baggaley (1975) studovali kinetiku nitrifikačních procesů v mořských akváriích. Zvýšení teploty pouze o 4 ° C vedlo ke zrychlení oxidace amonia a dusitanu o 50, respektive 12%, ve srovnání s počáteční hladinou. Při poklesu teploty o 1 stupeň Celsia se rychlost oxidace amonia snížila o 30% a se snížením teploty o 1,5 stupně Celsia se rychlost oxidace dusitanů snížila o 8% ve srovnání s výchozími podmínkami.
pH vody. Kawai a kol. (Kawai a kol., 1965) zjistili, že při pH nižším než 9 je nitrifikace v mořské vodě silněji potlačena než ve sladké vodě. Přičítali to nižšímu přirozenému pH ve sladké vodě. Podle Seekiho (Saeki, 1958) je oxidace amoniaku ve sladkovodních akváriích potlačena klesajícím pH. Optimální pH pro oxidaci amonia je 7,8 pro oxidaci dusitanů 7.1. Seki považoval 7.1-7.8 za optimální rozmezí pH pro nitrifikační proces. Srna a Baggali ukázali, že mořské nitrifikační bakterie byly nejaktivnější při pH 7,45 (rozmezí 7-8,2).
Kyslík rozpuštěný ve vodě. Biologický filtr lze přirovnat k obrovskému dýchacímu organismu. Při správném používání spotřebovává značné množství kyslíku. Spotřeba vodních organismů na kyslík se měří v jednotkách BSK (biologická spotřeba kyslíku). BSK biologického filtru je částečně závislá na nitrifikaci, ale je to hlavně kvůli aktivitě heterotrofních bakterií. Harayama (Hirayama, 1965) ukázal, že při vysoké biologické spotřebě kyslíku byla aktivní populace nitrifikačních činidel. Prošel mořskou vodou pískovou vrstvou aktivního biologického filtru. Před filtrací byl obsah kyslíku ve vodě 6,48 mg / l po průchodu vrstvou písku o tloušťce 48 cm. snížila se na 5,26 mg / l. Současně se obsah amonia snížil z 238 na 140 mg ekvivalentu / litr a dusitan - z 183 na 112 mg ekvivalentu / litr..
Ve filtrační vrstvě jsou přítomny jak aerobní (O2 je nezbytný pro život), tak anaerobní bakterie (nepoužívají O2), ale v dobře provzdušněných akváriích převládají aerobní formy. V přítomnosti kyslíku je potlačen růst a aktivita anaerobních bakterií, takže jejich normální cirkulace brání normální cirkulace vody filtrem. Pokud se obsah kyslíku v akváriu sníží, dojde buď ke zvýšení počtu anaerobních bakterií, nebo k přechodu z aerobního dýchání na anaerobní. Mnoho produktů anaerobního metabolismu je toxických. Mineralizace může nastat se sníženým obsahem kyslíku, ale mechanismus a konečné produkty jsou v tomto případě odlišné. Za anaerobních podmínek je tento proces s větší pravděpodobností enzymatický než oxidační, s tvorbou organických kyselin, oxidu uhličitého a amoniaku místo dusíkatých bází. Tyto látky spolu se sirovodíkem, metanem a některými dalšími sloučeninami dávají dusivému filtru hnilobný zápach.
Slanost. Mnoho druhů bakterií je schopno žít ve vodách, jejichž iontové složení se významně mění, za předpokladu, že se změny slanosti projeví postupně. ZoBell a Michener (1938) zjistili, že většina bakterií izolovaných z mořské vody v jejich laboratoři může být pěstována také ve sladké vodě. Mnoho bakterií dokonce utrpělo přímou transplantaci. Všech 12 typů bakterií, považovaných výhradně za „mořské“, bylo úspěšně přeneseno do sladké vody postupným ředěním mořskou vodou (pokaždé bylo přidáno 5% sladké vody).
Bakterie biologického filtru jsou velmi odolné vůči kolísání slanosti, i když jsou-li tyto změny významné a náhlé, aktivita bakterií je potlačena. Srna a Baggaley (1975) ukázali, že snížení slanosti o 8% a zvýšení o 5% neovlivnilo míru nitrifikace v mořských akváriích. Při normální slanosti vody v mořských akváriových systémech byla nitrifikační aktivita bakterií maximální (Kawai et al., 1965). Intenzita nitrifikace se snížila jak se zředěním, tak se zvýšením koncentrace roztoku, i když určitá aktivita přetrvávala i po zdvojnásobení slanosti vody. Ve sladkovodních akváriích byla aktivita bakterií maximální před přidáním chloridu sodného. Ihned poté, co se slanost rovnala slanosti mořské vody, se nitrifikace zastavila.
Existují důkazy, že salinita ovlivňuje rychlost nitrifikace a dokonce i množství konečných produktů. Kuhl a Mann (1962) ukázali, že nitrifikace probíhala rychleji ve sladkovodních akváriových systémech než v mořských systémech, ačkoli dusitany a dusičnany se v nich vytvářely více. Kawai a kol. (Kawai a kol., 1964) získali podobné výsledky, které jsou uvedeny na Obr. 1.3.
Obr. 1.3. Počet bakterií ve filtrační vrstvě v malých sladkovodních a mořských akváriových systémech po 134 dnech (Kawai etal., 1964).
Povrchová plocha filtru. Kawai a kol. Zjistili, že koncentrace nitrifikačních bakterií ve filtru je 100krát vyšší než ve vodě protékající tímto filtrem. To dokazuje důležitost velikosti kontaktní plochy filtru pro nitrifikační procesy, protože poskytuje možnost připojení bakterií. Největší povrchová plocha filtrační vrstvy v akváriích je zajištěna částicemi štěrku (půdy) a nitrifikační proces probíhá hlavně v horní části štěrkového filtru, jak je znázorněno na Obr. 1.4. Kawai a kol. (1965) určili, že 1 gram písku z horní vrstvy filtru v mořských akváriích obsahuje 10 až 5 stupňů bakterií - 10 oxidantů amoniaku až 6 stupňů - oxidátory dusičnanů. V hloubce pouhých 5 cm se počet mikroorganismů obou typů snížil o 90%.
Obr. 1.4. Koncentrace (a) a aktivita (b) nitrifikačních bakterií v různých hloubkách filtru v mořském akváriu (Yoshida, 1967).
Důležitý je také tvar a velikost částic štěrku: malá zrna mají větší povrch, na který se bakterie mohou přichytit, než stejné množství hmotnosti hrubého štěrku, ačkoli velmi jemný štěrk je nežádoucí, protože ztěžuje filtraci vody. Vztah mezi rozměry a jejich povrchovou plochou lze snadno demonstrovat pomocí příkladů. Šest kostek o hmotnosti 1 g. Mají celkem 36 povrchových jednotek, zatímco jedna krychle o hmotnosti 6 g. Má pouze 6 povrchů, z nichž každý je větší než samostatný povrch malé krychle. Celková plocha šesti kostek s jednou kostkou je 3,3krát větší než plocha jedné kostky o hmotnosti 6 gramů. Podle Seki (Saeki, 1958), optimální velikost částic štěrku (půdy) pro filtry je 2-5 mm.
Úhlové částice mají větší povrch než kulaté.. Míč má minimální plochu povrchu na jednotku objemu ve srovnání se všemi ostatními geometrickými tvary.
Akumulace detritu (Termín „detritus“ (od lat. Detritus - nošený) má několik významů: 1. Mrtvá organická hmota dočasně vyloučená z biologického cyklu živin, která se skládá ze zbytků bezobratlých, exkrementů a kostí obratlovců atd. - 2. set malé nerozložené částice rostlinných a živočišných organismů nebo jejich sekrece suspendované ve vodě nebo nanesené na dně rybníka) ve filtru poskytují další povrch a zlepšují nitrifikaci. Podle Seka tvoří 25% nitrifikace v akváriových systémech bakterie, které obývají detritus..
1.3. Šíření
Proces nitrifikace vede k vysokému stupni oxidace anorganického dusíku. Dissimilace, „dýchání dusíkem“ nebo regenerační proces, se vyvíjí opačným směrem a vrací konečné produkty nitrifikace do stavu nízké oxidace. Z hlediska celkové aktivity oxidace anorganického dusíku výrazně převyšuje jeho redukci a dusičnany se hromadí. Kromě disimilace, která zajišťuje uvolňování části volného dusíku do atmosféry, může být anorganický dusík z roztoku odstraněn pravidelným nahrazováním části vody v systému, absorpcí vyššími rostlinami nebo iontoměničovými pryskyřicemi. Poslední způsob, jak odstranit volný dusík z roztoku, je použitelný pouze ve sladké vodě (viz oddíl 3.3).
Disimilace je převážně anaerobní proces, ke kterému dochází ve vrstvách filtru s nedostatkem kyslíku. Bakterie - denitrifikátory, mající regenerační schopnost, obvykle buď úplné (povinné) anaeroby, nebo aeroby schopné přepnout na anaerobní dýchání v prostředí bez kyslíku. Zpravidla se jedná o heterotrofní organismy, například některé druhy Pseudomonas, mohou redukovat dusičnanové ionty (NO3-) za podmínek nedostatku kyslíku (Painter, 1970).
Během anaerobního dýchání asimilační bakterie asimilují oxid dusnatý (NO3-) místo kyslíku, redukují dusík na sloučeninu s nízkým oxidačním číslem: dusitan, amonný, oxid dusičitý (N20) nebo volný dusík. Složení finálních produktů je určeno typem bakterií zapojených do procesu regenerace. Pokud je anorganický dusík úplně obnoven, znamená to N2O nebo N2, proces disimilace se nazývá denitrifikace. V plně redukované formě může být dusík odstraněn z vody a uvolněn do atmosféry, pokud jeho parciální tlak v roztoku převyšuje parciální tlak v atmosféře. Denitrifikace tedy na rozdíl od mineralizace a nitrifikace snižuje hladinu anorganického dusíku ve vodě.
1.4. Vyvážené akvárium.
„Vyvážené akvárium“ je systém, ve kterém je aktivita bakterií, které obývají filtr, vyvážena množstvím organické energie, která vstupuje do roztoku. Podle úrovně nitrifikace lze posoudit „rovnováhu“ a vhodnost nového systému akvárií pro udržování vodních organismů - vodních organismů. Zpočátku je omezujícím faktorem vysoký obsah amonia. Obvykle v akváriových systémech s teplou vodou (nad 15 stupňů Celsia) klesá po dvou týdnech a ve studené vodě (pod 15 stupňů) - na delší dobu. Akvárium může být připraveno přijímat zvířata během prvních dvou týdnů, ale není zcela vyvážené, protože mnoho důležitých skupin bakterií se ještě nestabilizovalo. Kawai a kol. Popište složení bakteriální populace mořského akvária.
1. Aerobní. Jejich počet za 2 týdny po vykládce ryb se zvýšil 10krát. Maximální počet je 10 v osmém stupni organismů v 1 g. Pískový filtr - označený o dva týdny později. O tři měsíce později se bakteriální populace stabilizovala na 10 v sedmém stupni vzorků na 1 g. Pískový filtr.
2. Bakterie, které rozkládají protein (amonifikátory) Počáteční hustota (10 až 3 stupně ind. / G) se za 4 týdny 100krát zvýšila. Po třech měsících se populace stabilizovala na 10 až 4 stupních ind./g. Tak prudký nárůst počtu této třídy bakterií byl způsoben zavedením krmiva bohatého na proteiny (čerstvé ryby).
3. Bakterie, které rozkládají škrob (uhlohydráty). Počáteční hojnost byla 10% z celkového počtu bakterií v systému. Poté se postupně zvyšovala a po čtyřech týdnech začala klesat. Populace se stabilizovala po třech měsících na 1% z celkového počtu bakterií.
4. Bakteriální nitrifikátory. Maximální počet bakterií oxidujících dusitany byl pozorován po 4 týdnech a „dusičnanové“ formy - po osmi týdnech. Po 2 týdnech bylo více „dusitanových“ forem než „dusičnanových“. Počet se ustálil na 10 až 5 stupních a 10 až 6 stupních ind. odpovídajícím způsobem. Existuje časový rozdíl mezi poklesem obsahu amonia ve vodě a oxidací na začátku nitrifikace v důsledku skutečnosti, že růst Nitrobacter je potlačen přítomností amonných iontů. Účinná oxidace dusitanů je možná pouze poté, co se většina iontů převede na Nitrosomonas. Podobně by se měl maximální dusitan v roztoku objevit před zahájením akumulace dusičnanů..
Vysoký obsah amonia v novém akváriovém systému může být způsoben nestabilitou počtu autotrofních a heterotropních bakterií. Na začátku nového systému růst heterotrofních organismů převyšuje růst autotrofních forem. Mnoho amoniaku vytvořeného během mineralizačního procesu je absorbováno některými heterotrofy. Jinými slovy je nemožné jasně rozlišit mezi heterotrofním a autotrofním zpracováním amonia. K aktivní oxidaci nitrifikačními bakteriemi dochází až po redukci a stabilizaci počtu heterotrofních bakterií (Quastel a Scholefield, 1951).
Počet bakterií v novém akváriu je důležitý, dokud se nestabilizuje pro každý typ. Následně jsou fluktuace v příjmu energetických látek kompenzovány zvýšením aktivity metabolických procesů v jednotlivých buňkách bez zvýšení jejich celkového počtu..
Studie Quastel a Scholefild (1951) a Srna a Baggalia ukázaly, že hustota populace nitrifikačních bakterií obývajících filtr určité oblasti je relativně konstantní a nezávisí na koncentraci vstupujících energetických látek.
Celková oxidační schopnost bakterií ve vyváženém akváriu úzce souvisí s denním příjmem oxidovatelného substrátu. Náhlý nárůst počtu hospodářských zvířat, jejich hmotnosti, množství přiváděného krmiva vede ke znatelnému zvýšení obsahu amonia a dusitanů ve vodě. Tato situace přetrvává, dokud se bakterie nepřizpůsobí novým podmínkám..
Doba trvání zvýšeného obsahu amonia a dusitanů závisí na množství dodatečného zatížení zpracovatelské části vodního systému. Pokud je to v rámci maximální produktivity biologického systému, rovnováha v nových podmínkách v teplé vodě se obvykle zotaví po třech dnech a ve studené vodě mnohem později. Pokud dodatečné zatížení překročí možnosti systému, obsah amoniaku a dusitanu se bude neustále zvyšovat..
Mineralizace, nitrifikace a denitrifikace - Procesy probíhající v novém akváriu více či méně postupně. Ve stabilním a stabilním systému jdou téměř současně. Ve vyváženém systému je obsah amoniaku (NH4-N) menší než 0,1 mg / l a zachyceny jsou všechny dusitany - výsledek denitrifikace. Zmíněné procesy jsou koordinovány bez zpoždění, protože všechny přicházející energetické látky jsou rychle absorbovány..
Tento materiál je výňatkem z knihy S. Scotta „Udržování ryb v uzavřených systémech“, v plném rozsahu je uveden zde:.
