Баланс в аквариума, как да постигнем баланс?

За тези, които искат да изучат по-задълбочено проблема с азотния цикъл, препоръчваме материала в спойлера:

Биологично пречистване на вода

Биологичната обработка на водата включва най-важните процеси, които се случват в затворени аквариумни системи.Биологично третиране означава минерализация, нитрификация и десимилация на съединения, съдържащи азот, бактерии, които живеят във водния стълб, чакъла и филтриращия детрит. Организмите, изпълняващи тези функции, винаги присъстват в дебелината на филтъра. В процеса на минерализация и нитрификация азотсъдържащите вещества преминават от една форма в друга, но азотът остава във водата. Отстраняването на азот от разтвора става само по време на процеса на денитрификация (вж. Раздел 1.3).

Биологичната филтрация е един от четирите начина за пречистване на водата в аквариумите. Три други метода - механична филтрация, физична адсорбция и дезинфекция на водата - са разгледани по-долу..

Схемата за обработка на водата е показана на фиг. 1.1., А азотният цикъл в аквариума, включително процесите на минерализация, нитрификация и денитрификация, е показан на фиг. 1.2.

Фиг. 1.1. Мястото на биологичното третиране в процеса на пречистване на водата. Отляво надясно - биологично почистване, механична филтрация, физическо утаяване, дезинфекция.

Фиг. 1.2. Азотен цикъл в аквариумните затворени системи.

1.1.Mineralizatsiya.

Хетеротрофни и автотрофни бактерии - основните групи микроорганизми, които живеят в аквариуми.

Забележете не от книгата на автора.

heterotrophs (други гръцки - „различни“, „различни“ и „храни“) - организми, които не са в състояние да синтезират органични вещества от неорганични вещества чрез фотосинтеза или хемосинтеза. За синтеза на органични вещества, необходими за жизнените им функции, те се нуждаят от екзогенни органични вещества, тоест тези, произведени от други организми. В процеса на храносмилането храносмилателните ензими разграждат полимерите на органичните вещества до мономери. В общностите хетеротрофите са потребители на различни поръчки и редуктори. Хетеротрофи са почти всички животни и някои растения. Според метода за получаване на храна те се делят на две противоположни групи: холозоични (животни) и холофитни или осмотрофни (бактерии, много протести, гъби, растения).

autotrophs (друг гръцки - самостоятелно + храна) - организми, които синтезират органични вещества от неорганични. Автотрофите съставят първото ниво в хранителната пирамида (първите връзки на хранителните вериги). Те са основните производители на органични вещества в биосферата, осигурявайки храна за хетеротрофи. Трябва да се отбележи, че понякога рязката граница между автотрофите и хетеротрофите се проваля. Например, зелените едноклетъчни водорасли Euglena са автотроф на светлината, а хетеротрофът в тъмното.

Понякога понятията „автотрофи“ и „производители“, както и „хетеротрофи“ и „потребители“ са погрешно идентифицирани, но те не винаги съвпадат. Например цианобактериите (Cyanea) са способни сами да произвеждат органична материя, използвайки фотосинтеза, и да я консумират в завършен вид и да я разграждат в неорганични вещества. Следователно, те са производители и редуктори едновременно..

Автотрофните организми използват неорганични вещества от почва, вода и въздух за изграждане на телата си. Освен това въглеродният диоксид почти винаги е източник на въглерод. В същото време някои от тях (фототрофи) получават необходимата енергия от Слънцето, други (хемотрофи) от химични реакции на неорганични съединения.

Хетеротрофните видове използват органични азотсъдържащи компоненти на екскрецията на водните животни като източник на енергия и ги превръщат в прости съединения, например амоний (терминът "амоний" се отнася до сумата от амониеви йони (NH4 +) и свободен амоняк (NH3), определени аналитично като NH4-N ). Минерализацията на тези органични вещества е първият етап от биологичното третиране.

Минерализацията на азотсъдържащите органични съединения може да започне с разграждането на протеини и нуклеинови киселини и образуването на аминокиселини и органични азотни основи. Дезаминирането е процес на минерализация, при който аминогрупата се разцепва, за да образува амоний. Предмет на дезаминиране може да бъде разделянето на урея с образуването на свободен амоняк (NH3).

Подобна реакция може да се проведе по чисто химичен начин, но дезаминирането на аминокиселини и свързани съединения изисква участието на бактерии.

1.2. Нитрификация на вода.

След превръщането на органичните съединения в неорганична форма от хетеротрофните бактерии, биологичното пречистване преминава в следващия етап, който се нарича "нитрификация". Под този процес се разбира биологичното окисляване на амония до нитрити (NO2-, дефинирано като NO2-N) и нитрати (NO3, дефинирано като NO3-N). Нитрификацията се извършва главно от автотрофни бактерии. Автотрофните организми, за разлика от хетеротрофните, са способни да асимилират неорганичен въглерод (главно CO2), за да изграждат клетките на тялото си.

Автотрофни нитрифициращи бактерии в сладководни, бракични и морски аквариуми са представени главно от родовете Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas окислява амония до нитрити, а Nitrobacter окислява нитритите до нитрати..

И двете реакции идват с абсорбция на енергия. Значението на уравненията (2) и (3) е да превърне токсичния амоний в нитрати, които са много по-малко токсични.Ефективността на процеса на нитрификация зависи от следните фактори: наличието на токсични вещества във вода, температура, съдържанието на кислород, разтворен във вода, соленост и повърхност на филтъра.

Токсични вещества. При определени условия много химикали инхибират нитрификацията. Когато се добавят към водата, тези вещества или инхибират растежа и възпроизводството на бактерии, или нарушават вътреклетъчния метаболизъм на бактериите, лишавайки ги от способността им да се окисляват..

Collins et al. (Collins et al., 1975, 1976), както и Levine and Meade (1976) съобщават, че много антибиотици и други лекарства, използвани за лечение на риба, не влияят на процесите на нитрификация в сладководни аквариуми, т.е. докато други са били токсични в различна степен. Не са провеждани паралелни проучвания на морска вода и резултатите не трябва да се разширяват до морските системи..

Данните, представени в трите посочени произведения, са представени в табл. 1.1. Резултатите от изследванията не са съвсем сравними поради различията в използваните методи..

Таблица 1.1. Ефектът на терапевтичните норми на разтворените антибиотици и лекарства върху нитрификацията в сладководни аквариуми (Колинс et Ал., 1975, 1976, Ливайн и Мийд, 1976).

Collins et al. Изследвали ефекта на лекарствата във водни проби, взети директно от работни басейни с биофилтри, където се държали рибата. Levine и Mead използваха чисти бактериални култури за експериментите. Приложните методи, очевидно, се характеризират с по-висока чувствителност в сравнение с конвенционалните. Така в своите експерименти формалинът, малахитовият зелен и нифурпиринолът са с умерена токсичност за нитрифициращи бактерии, докато Collins и др. Показват безвредността на същите лекарства. Levine and Mead смятаха, че несъответствията са свързани с по-високо съдържание на автотрофни бактерии в чистите култури и че прагът на инактивиране ще бъде по-висок в присъствието на хетеротрофни бактерии и при по-висока концентрация на разтворени органични вещества.

От таблицата с данни. 1.1. се вижда, че еритромицинът, хлоротетрациклинът, метиленовото синьо и сулфаниламидът имат изразена токсичност в прясна вода. Най-токсичният от изследваните вещества беше метиленовото синьо. Резултатите, получени при тестване на хлорамфеникол и калиев перманганат, са противоречиви.

И Collins et al., И Levine and Mead са съгласни, че медният сулфат не инхибира значително нитрификацията. Може би това е резултат от свързването на свободни медни йони с разтворени органични съединения. Tomlinson et al. (Tomlinson et al., 1966) установяват, че йони на тежки метали (Cr, Cu, Hg) имат много по-силен ефект върху Nitrosomonas в чистата култура, отколкото в активираната утайка. Те предположиха, че това се дължи на образуването на химически комплекси между метални йони и органични вещества. Дългосрочното излагане на тежки метали е по-ефективно от краткосрочното, очевидно, поради факта, че адсорбционните връзки на органичните молекули са били напълно използвани..

температура. Много видове бактерии могат да понасят значителни температурни колебания, въпреки че тяхната активност временно намалява. Периодът на адаптация, наречен временна температурна инактивация (VTI), често се проявява с резки промени в температурата. Обикновено VTI се забелязва по време на бързото охлаждане на водата - повишаването на температурата, като правило, ускорява биохимичните процеси и следователно периодът на адаптация може да остане незабелязан. Срна и Багалей (1975) изучават кинетиката на процесите на нитрификация в морските аквариуми. Повишаване на температурата от само 4 градуса по Целзий доведе до ускоряване на окисляването на амония и нитритите съответно с 50 и 12%, в сравнение с първоначалното ниво. С понижаване на температурата с 1 градус по Целзий, скоростта на амониевото окисляване намалява с 30%, а при понижаване на температурата с 1,5 градуса по Целзий, скоростта на окисляване на нитритите намалява с 8% в сравнение с първоначалните условия.

рН на водата. Kawai et al. (Kawai et al., 1965) установяват, че при рН по-малко от 9 нитрификацията в морската вода се потиска по-силно, отколкото в прясна вода. Те приписват това на по-ниско естествено pH в прясна вода. Според Seeki (Saeki, 1958), окисляването на амоняк в сладководни аквариуми се потиска с намаляването на pH. Оптималното рН за окисляването на амония е 7,8 за окисляването на нитритите 7.1. Seki смята 7.1-7.8 за оптималния диапазон на рН за процеса на нитрификация. Срна и Багали показаха, че морските нитрификационни бактерии са най-активни при рН 7,45 (диапазон 7-8,2).

Кислород, разтворен във вода. Биологичният филтър може да се сравни с огромен дишащ организъм. Когато се използва правилно, той изразходва значително количество кислород. Потребностите от кислород на водните организми се измерват в единици от БПК (биологично потребление на кислород). БПК на биологичния филтър частично зависи от нитрификацията, но това се дължи главно на активността на хетеротрофните бактерии. Хараяма (Хираяма, 1965 г.) показа, че при висока биологична консумация на кислород, активна е голяма популация от нитрифициращи агенти. Той премина морска вода през пясъчен слой на активен биологичен филтър. Преди филтриране съдържанието на кислород във водата е 6,48 mg / L, след преминаване на слой пясък с дебелина 48 cm. тя намалява до 5,26 mg / l. В същото време съдържанието на амоний намалява от 238 на 140 mg еквивалент / литър, а нитритите - от 183 на 112 mg еквивалент / литър..

Както аеробните (O2 е необходим за живота), така и анаеробните бактерии (не използвайте O2) присъстват във филтърния слой, но аеробните форми преобладават в добре аерирани аквариуми. При наличие на кислород растежът и активността на анаеробните бактерии се потискат, така че нормалната циркулация на водата през филтъра инхибира развитието им. Ако съдържанието на кислород в аквариума се понижи, има или увеличение на броя на анаеробните бактерии, или преход от аеробно дишане към анаеробно. Много продукти от анаеробния метаболизъм са токсични. Минерализацията може да се случи с намалено съдържание на кислород, но механизмът и крайните продукти в този случай са различни. При анаеробни условия този процес е по-вероятно да бъде ензимен, отколкото окислителен, с образуването на органични киселини, въглероден диоксид и амоний вместо азотни основи. Тези вещества, заедно със сероводорода, метана и някои други съединения, придават на задушаващ филтър гнилостен мирис.

соленост. Много видове бактерии са в състояние да живеят във води, йонният състав на които варира значително, при условие че промените в солеността ще настъпят постепенно. ZoBell и Michener (1938) откриха, че повечето бактерии, изолирани от морската вода в тяхната лаборатория, могат да се отглеждат и в сладка вода. Много бактерии дори са претърпели директна трансплантация. Всички 12 вида бактерии, считани изключително за „морски“, успешно се пренасят в сладководни води чрез постепенно разреждане с морска вода (5% прясна вода се добавя всеки път).

Бактериите с биологичен филтър са много устойчиви на колебания в солеността, въпреки че ако тези промени са значителни и внезапни, активността на бактериите се потиска. Srna и Baggaley (1975) показват, че намалението на солеността с 8% и увеличението с 5% не влияе върху скоростта на нитрификация в морските аквариуми. При нормална соленост на водата в морските аквариумни системи нитрифициращата активност на бактериите е била максимална (Kawai et al., 1965). Интензитетът на нитрификация намалява както с разреждане, така и с увеличаване на концентрацията на разтвора, въпреки че известна активност се запазва дори след удвояване на солеността на водата. В сладководни аквариуми активността на бактериите е била максимална преди добавянето на натриев хлорид. Веднага след като солеността се изравни със солеността на морската вода, нитрификацията спря.

Има доказателства, че солеността влияе върху скоростта на нитрификация и дори на количеството на крайните продукти. Кул и Ман (1962) показват, че нитрификацията протича по-бързо в сладководни аквариумни системи, отколкото в морските системи, въпреки че нитритите и нитратите се образуват повече в последната. Kawai et al. (Kawai et al., 1964) получават подобни резултати, които са представени на фиг. 1.3.

Фиг. 1.3. Броят на бактериите във филтрационния слой в малки сладководни и морски аквариумни системи след 134 дни (Kawai etАл., 1964).

Площ на филтъра. Kawai et al. Откриха, че концентрацията на нитрификационни бактерии във филтъра е 100 пъти по-висока, отколкото във водата, която протича през него. Това доказва значението на размера на контактната повърхност на филтъра за процесите на нитрификация, тъй като осигурява възможност за закрепване на бактерии. Най-голямата повърхностна площ на филтърния слой в аквариумите се осигурява от частици чакъл (почва), а процесът на нитрификация се осъществява главно в горната част на чакълевия филтър, както е показано на фиг. 1.4. Kawai et al. (1965) определят, че 1 грам пясък от горния слой на филтъра в морските аквариуми съдържа 10 до 5-та степен на бактерии - 10 амонячни окислители до 6-та степен - нитратни окислители. На дълбочина само 5 см броят на микроорганизмите от двата вида е намалял с 90%.

Фиг. 1.4. Концентрацията (a) и активността (b) на нитрифициращите бактерии на различна дълбочина на филтъра в морски аквариум (Йошида, 1967).

Формата и размерът на частиците на чакъла също са важни: малките зърна имат по-голяма повърхност, която бактериите могат да прикрепят, отколкото същото количество по тегло от едър чакъл, въпреки че много финият чакъл е нежелан, тъй като затруднява филтрирането на водата. Връзката между размерите и тяхната повърхност е лесно да се демонстрира с примери. Шест кубчета с тегло 1 g. Те имат общо 36 повърхностни единици, докато едно кубче тежи 6 g. Той има само 6 повърхности, всяка от които е по-голяма от отделна повърхност на малко кубче. Общата площ на шест еднокубични кубчета е 3,3 пъти по-голяма от повърхността на едно 6-грамово кубче. Според Секи (Saeki, 1958 г.), оптималният размер на частиците чакъл (почва) за филтри е 2-5 mm.

Ъгловите частици имат по-голяма повърхност от кръгли.. Топката има минимална площ на единица обем в сравнение с всички останали геометрични фигури.

Натрупване на детрит (Терминът "детрит" (от лат. Detritus - износен) има няколко значения: 1. Мъртво органично вещество, временно изключено от биологичния цикъл на хранителните вещества, което се състои от останките на безгръбначни, екскременти и кости на гръбначни и др. - 2. набор малки неразложени частици от растителни и животински организми или техните секрети, суспендирани във вода или отложени на дъното на водоема) във филтъра осигурява допълнителна повърхност и подобрява нитрификацията. Според Seka, 25% от нитрификацията в аквариумните системи се отчита от бактерии, които обитават детрит..

1.3. дисимилация

Процесът на нитрификация води до висока степен на окисляване на неорганичен азот. Дисимилирането, „азотното дишане“ или процеса на възстановяване се развива в обратна посока, връщайки крайните продукти за нитрификация до състояние на ниско окисляване. По отношение на общата активност окисляването на неорганичния азот значително надвишава намаляването му и се натрупват нитрати. Освен десимилирането, което осигурява отделянето на част от свободния азот в атмосферата, неорганичният азот може да бъде отстранен от разтвора чрез редовно заместване на част от водата в системата, чрез абсорбция от висши растения или чрез йонообменни смоли. Последният начин за отстраняване на свободния азот от разтвора е приложим само в сладка вода (вижте раздел 3.3).

Дисимилирането е предимно анаеробен процес, който протича в филтриращи слоеве с дефицит на кислород. Бактерии - денитрификатори, притежаващи регенеративна способност, обикновено или пълни (облигационни) анаероби, или аероби, способни да преминат към анаеробно дишане в среда без кислород. Като правило това са хетеротрофни организми, например някои видове Pseudomonas могат да намалят нитратните йони (NO3-) при условия на недостиг на кислород (Painter, 1970).

По време на анаеробно дишане дисимилиращите бактерии асимилират азотен оксид (NO3-) вместо кислород, намалявайки азота до съединение с нисък окислителен брой: нитрит, амоний, азотен диоксид (N20) или свободен азот. Съставът на крайните продукти се определя от вида на бактериите, участващи в процеса на възстановяване. Ако неорганичният азот е напълно възстановен, тоест до N2О или N2, процесът на дисимилация се нарича денитрификация. В напълно редуцирана форма азотът може да се отстрани от водата и да се изпусне в атмосферата, ако нейното парциално налягане в разтвора надвишава частичното му налягане в атмосферата. По този начин денитрификацията, за разлика от минерализацията и нитрификацията, намалява нивото на неорганичен азот във вода.

1.4. Балансиран аквариум.

"Балансиран аквариум" е система, при която активността на бактериите, които обитават филтъра, се балансира с количеството органична енергия, която влиза в разтвора. По нивото на нитрификация може да се прецени "баланса" и годността на новата аквариумна система за поддържане на водните организми - водните организми. Първоначално ограничаващият фактор е високото съдържание на амоний. Обикновено в аквариумните системи с топла вода (над 15 градуса по Целзий) тя намалява след две седмици, а в студеноводни (под 15 градуса) - за по-дълъг период. Аквариумът може да е готов да приеме животни в рамките на първите две седмици, но не е съвсем балансиран, тъй като много важни групи бактерии все още не са се стабилизирали. Kawai et al. Опишете състава на бактериалната популация на системата за морски аквариум.

1. Аеробни. Броят им за 2 седмици след разтоварването на рибата се увеличава 10 пъти. Максималният брой е 10 в осмата степен на организмите в 1г. Пясъчен филтър - маркиран две седмици по-късно. Три месеца по-късно бактериалната популация се стабилизира при 10 в седмата степен на екземпляри на 1 g. Пясъчен филтър.

2. Бактерии, които разлагат протеин (амонификатори). Началната плътност (10 до 3 градуса инд. / Г) се увеличава 100 пъти за 4 седмици. След три месеца популацията се стабилизира при 10 до 4 градуса инд. / Грам. Подобно рязко увеличение на броя на този клас бактерии е причинено от въвеждането на богат на протеини фураж (прясна риба).

3. Бактерии, които разлагат нишесте (въглехидрати). Първоначалното изобилие е 10% от общия брой бактерии в системата. След това постепенно се увеличава и след четири седмици започва да намалява. Популацията се стабилизира след три месеца при 1% от общия брой бактерии.

4. Бактерии-нитрификатори. Максималният брой бактерии, окисляващи нитритите, се наблюдава след 4 седмици, а "нитратните" форми - след осем седмици. След 2 седмици имаше повече „нитритни” форми от „нитратни” форми. Броят се стабилизира при 10 до 5 градуса и 10 до 6 градуса инд. съответно. Има разлика във времето между намаляване на съдържанието на амоний във вода и окисление в началото на нитрификацията, поради факта, че растежът на нитробактери се потиска от присъствието на амониеви йони. Ефективното окисляване на нитритите е възможно само след като повечето от йони се превръщат в Nitrosomonas. По същия начин максималният нитрит в разтвора трябва да се появи преди началото на натрупването на нитрати..

Високото съдържание на амоний в новата аквариумна система може да бъде причинено от нестабилността на броя на автотрофните и хетеротрофните бактерии. В началото на новата система растежът на хетеротрофни организми надвишава растежа на автотрофните форми. Много амоняк, образуван по време на процеса на минерализация, се абсорбира от някои хетеротрофи. С други думи, невъзможно е да се разграничи ясно хетеротрофната и автотрофната обработка на амония. Активното окисляване чрез нитрифициращи бактерии се появява само след намаляване и стабилизиране на броя на хетеротрофните бактерии (Quastel и Scholefield, 1951).

Броят на бактериите в новия аквариум е важен само докато се стабилизира за всеки тип. Впоследствие колебанията в приема на енергийни вещества се компенсират от увеличаване на активността на метаболитните процеси в отделните клетки без увеличаване на общия им брой.

Изследвания на Quastel и Scholefild (1951) и Srna и Baggalia показват, че гъстотата на популацията на нитрифициращите бактерии, обитаващи филтър в определена зона, е относително постоянна и не зависи от концентрацията на постъпващите енергийни вещества.

Общата окислителна способност на бактериите в балансиран аквариум е тясно свързана с ежедневния прием на окисляващ субстрат. Внезапно увеличаване на броя на отглежданите животни, тяхната маса, въведеното количество храна води до забележимо увеличение на съдържанието на амоний и нитрити във вода. Тази ситуация продължава, докато бактериите се адаптират към новите условия..

Продължителността на периода на повишено съдържание на амоний и нитрити зависи от количеството допълнително натоварване върху обработващата част на водната система. Ако е в рамките на максималната производителност на биологичната система, равновесието при нови условия в топла вода обикновено се възстановява след три дни, а в студена вода - много по-късно. Ако допълнителното натоварване надвишава възможностите на системата, съдържанието на амоний и нитрити непрекъснато ще се увеличава..

Минерализация, нитрификация и денитрификация - Процесите, които протичат в нов аквариум повече или по-малко последователно. В стабилна стабилна система те преминават почти едновременно. В балансирана система съдържанието на амоний (NH4-N) е по-малко от 0,1 mg / l и всички нитрити се улавят - резултатът от денитрификация. Споменатите процеси са координирани, без изоставане, защото всички постъпващи енергийни вещества бързо се абсорбират..

Този материал е откъс от книгата на С. Скот „Съхраняване на риба в затворени системи“, като тя е представена изцяло тук:.

Интересна видео история за теодокса

Абонирайте се за нашия YouTube канал, за да не пропуснете нищо

Теодокс - панацея за водорасли в аквариума!