Азотный цикл еще называют Синдромом нового аквариума. И этим уже все сказано. Попробуем разобраться что же это такое и при чем тут новый аквариум.
Для начала стоит выяснить откуда в аквариуме появляется азот. А он содержится в основном в белках. Корм рыбы на 40-50% состоит из белков. Так же источником азота в аквариуме могут служить отмирающие части листьев растений, органические отходы рыб, а так-же разлагающиеся останки рыб. Это все происходит в новом, только что запущенном аквариуме.
И вот тут начинается самое интересное.
Аммиак в воде может присутствовать в двух формах – как собственно аммиак [NH3] и как ион аммония [NH4+]. Аммиак [NH3] – крайне токсичен для рыб, уже при содержании его в воде 0.05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Ядовитость аммония [NH4+] существенно ниже. Т.е. при одинаковой концентрации аммиака и аммония в аквариумной воде, отравление рыб аммонием невозможно.
В любой аквариумной воде присутствуют бактерии, которые преобразовывают аммиак в другие, менее токсичные элементы.
Азотный цикл в природе и аквариуме. Бактерии решают всё. Просто и доступно.
Бактерии, участвующие в процессе нитрификации, концентрируются в основном в фильтре, вернее в фильтрующем материале фильтра, в верхнем слое грунта и других местах с хорошим течением: здесь аэробные бактерии находят приток питательных веществ и достаточную концентрацию кислорода.
Преобразование аммония приходит с помощью бактерий рода Nitrosomonas и Nitrosococcus, которые при хорошем наличии кислорода в воде окисляют аммиак до нитритов. Нитрифицирующие бактерии требуют большого количества кислорода, поэтому их называют аэробными. Чтобы один миллиграмм аммония [NH4+] окислить до нитрита, нужно 1.5 мг кислорода.
При этом образуется молекула [NO2—] (нитрит) + два иона водорода [2H+] + молекула воды [H2O] + энергия, которая собственно и нужна была бактериям. Это окисление возможно только бактериями. Нитрит немного лучше аммиака, но так же весьма ядовит. Допустимая концентрация 0.1 мг/л, но не более 0.2 мг/л, показания выше опасны для жизни рыб.
Далее аэробные бактерии рода Nitrospira и Nitrobakter так же при участии кислорода окисляют нитриты [NO2—] до нитратов [NO3—]. Здесь кислорода требуется уже гораздо меньше – около 0.5 мг. Нитраты значительно менее токсичны (опасны, как правило, в концентрации от 50 мг/л), хотя в больших количествах приводят к снижению иммунитета, ухудшению окраски и в дальнейшем к гибели рыбы. Избыточное количество нитратов удаляется из аквариума с простой подменой воды.
Итогом всего этого процесса нитрификации являются нитрат-ионы и ионы водорода.
Естественный путь удаления нитратов – это поглощение их водными растениями. Но, чтобы этот процесс был заметен, растений в аквариуме должно быть действительно много и они должны хорошо себя чувствовать, что, в первую очередь, зависит от подходящего освещения. Поглощение нитрат-ионов растениями является следующим звеном азотного цикла.
Как Я нарушил АЗОТНЫЙ ЦИКЛ в аквариуме!
Очевидно, что в аквариуме с небольшим количеством растений или с медленно растущими растениями, такими как, например, анубиасы роль этого звена крайне незначительна. Ну а при замене растений их пластиковыми копиями удаление нитратов ложится полностью на плечи аквариумиста. Большие и частые подмены воды выведут нитраты из аквариума.
На приведенном графике видно что примерно на 10 сутки запуска аквариума приходится максимальное количество растворенного в воде аммиака и аммония. Вот тут и вступают в работу нитрифицирующие бактерии перерабатывая его в нитрит. Дальше аэробные бактерии перерабатывают нитрит в нитрат, который уже может усваиваться растениями в аквариуме.
| Поддержка аквариумистов пострадавших во время военных действий |
 |
Источник: katalog.world-fauna.com
Азотный цикл в аквариуме.
Азотный цикл — очень важная сторона жизни любого аквариума. Все это знают, но не все четко представляют себе что же это такое. Постараемся внести ясность в этот вопрос. Это действительно очень важно, т.к. сбой азотного цикла может привести к печальным последствиям (вплоть до гибели жителей аквариума).
Под азотным циклом понимают круговорот в аквариуме аммиака, нитритов и нитратов. Во все эти соединения входит азот, поэтому цикл и называется азотным. Учавствуют в нем растения, животные и бактерии, т.е. все составляющие аквариумной биосистемы.
Учавствуют в азотном цикле и растения, снабжая среду обитания аммонием (результат гниения отмерших листьев и корней) и потребляя нитриты и нитраты.
В правильно работающем аквариуме соотношение разных бактерий таково, что они обеспечивают необходимое и достаточное количество пищи друг дружке и заодно не дают вредным для животных веществам достигать опасных концентраций.
Под запуском аквариума и установлением в нем биологического равновесия как раз и понимают установление правильного азотного цикла. «Быстрый запуск» аквариума, о котором шла речь в материале на эту тему ( вот тут ) подразумевает запуск в воду нового аквариума культур бактерий, необходимых для установления азотного цикла. Время в этом случае требуется для разрастания колоний бактерий до необходимых величин (соответственно — при прочих равных — чем больше аквариум, тем больше времени требуется для его запуска).
В работающем аквариуме перекорм рыб, подсаживание новых обитателей, применение лекарств и другие причины могут привести к сбою азотного цикла. Чтобы избежать этой беды нужно соблюдать в общем-то несложные правила — избегать перенаселения аквариума, обеспечить достаточную биофильтрацию, не перекармливать жителей банки, вовремя подменивать воду и чистить аквариум, аккуратно использовать медикаменты и прочую аквахимию. Вновь приобретенных животных нужно обязательно подвергать карантину.
Для контроля азотного цикла используют специальные тесты для определения уровня аммиака, нитритов и нитратов. Наиболее критичным и важным является тест на аммиак.
Источник: neokardinki.ru
Азотный цикл в биореакторе
Круговорот Азота — важнейшая часть круговорота веществ в живой природе. Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, в хлорофилле, в рибонуклеиновых кислотах, витаминах. Без Азота невозможен фотосинтез, образование хлорофилла, белка и продолжение рода.
Азот в атмосфере находится в виде газа [N2] и состоит из двух атомов азота так сильно связанных, что очень мало живых организмов имеют технику метаболизма позволяющую их разорвать чтобы использовать для своей жизнедеятельности. Растворенный в воде азот как и все атмосферные газы не участвует в обороте питательных веществ. Вместо этого весь Азот входит в оборот веществ как аммиак NH3.
Откуда берется Азот?
Мы постоянно поставляем Азот в аквариум с кормом для рыб*. Все что содержит белки содержит и Азот. Белки в среднем содержат 16% Азота. Белка в корме обычно 40-50%. Рыбы выделяют экскременты в которых содержится 20-50% аммиака [NH3].
Аммиак [NH3] это побочный продукт всех аэробных метаболизмов, включая метаболизм микроорганизмов. Он производится рыбами и выделяется через их жабры. Производится он грибками и бактериями. Аммиак также производится при разложении. Вся разлагающаяся живая материя — остатки корма, экскременты рыб, гниющие ткани растений, прочие органические отложения содержат белки, которые разлагаются** в грунте бактериями с образованием аммиака [NH3] окисляющегося далее (при pH<7) до аммония [NH4+].
Круговорот Азота состоит из двух частей — нитрификации и денитрификации***.
Преобразование аммиак NH3 -> нитрит NO2 -> нитрат NO3 называется процессом нитрификации.
Преобразование нитрат -> нитрит -> азот называется денитрификацией.
Эти процессы в основном происходят в грунте аквариума и биофильтре.
Рассмотрим первую часть процесса подробно:
Нитрификация.
Сначала гетеротрофные бактерии (Bacterium coli, Bactrium proteus, Bacterium sublitis) переводят белки в пептиды и аминокислоты. Другие виды гетеротрофных бактерий переводят аминокислоты в амины, которые преобразуются в органические кислоты, и в конечном итоге в аммоний [NH4+]. Белки разлагаются гетеротрофами до аммония [NH4+] и нитрита, а затем автотрофами до нитрита [NO2-] по формуле:
Nitrosomonas
аммоний [NH4+] + [1.5O2] ————> нитрит [NO2-] + [2H+] + [H2O] + энергия
Это уникальное окисление возможно только бактериями. Они используют высвободившуюся энергию для своей жизнедеятельности. Как видно из уравнения для этого процесса нужно много кислорода. Чтобы один миллиграмм аммония [NH4+] окислить до нитритов нужно 2,6 мг кислорода. Для окисления 1 мг нитритов в нитраты нужно 0,35 мг кислорода, и эта реакция протекает гораздо легче.
Далее аэробные нитрифицирующие бактерии Nitrospiramoscoviensis и Nitrospiramarina окисляют нитриты [NO2] до менее токсичных нитратов [NO3].
Nitrospira moscoviensis и Nitrospira marina
нитрит [NO2-] + [0.5O2] —————> нитрат [NO3-]
Из двух последних уравнений видно, что процесс нитрификации протекает только в среде (воде) богатой кислородом. Но это только одна — аэробная часть круговорота Азота. В обычных условиях аквариума цикл метаболизма на этом заканчивается. Большинство нитрата потребляется растениями для своего роста, а часть выводится с еженедельными подменами воды.
Но есть и вторая часть процесса: анаэробная (без растворенного в воде кислорода) называемая денитрификацией. В здоровом аквариуме при правильном грунте и достаточном количестве хорошо растущих растений полная анаэробность для образования цикла денитрификации возможна только на очень небольших участках глубоко в субстрате или внутри частиц грунта самого нижнего слоя из пористого материала (лава, Gravelit®, керамзит и т.п.).
Денитрификация.
«Денитрификация: Микробное преобразование (видами Pseudomonas spp.) нитрата [NO3] до газообразного азота [N2], и в меньшей степени оксида азота [N2O], которые уходят в атмосферу. Высвобождение оксида азота [N2O] вызывает беспокойство по причине влияния на слой озона атмосферы. Денитрификация происходит только в анаэробных, с недостатком кислорода участках грунта которые обычно существуют под его поверхностью.» (Nitrogen Cycling in Wetlands by William F. DeBusk, University of Florida, Gainesville)
Образовавшиеся в первой части азотного цикла нитраты [NO3] вовсе не являются конечным продуктом разложения аммиака [NH3]. Они используются анаэробными, денитрифицирующими бактериями для извлечения кислорода. Часть нитратов преобразуется анаэробными обратно в нитриты, а они используются денитрифицирующими анаэробными бактериями, окисляясь до азота.
анаэробные бактерии
нитраты [NO3]—> нитриты [NO2] ————> газообразный азот [N2]
В верхнем слое грунта аквариума, где много кислорода, поселяются аэробные бактерии перерабатывающие аммоний [NH4+] до нитрата [NO3. Но уже на глубине нескольких сантиметров в грунте уже НЕдостаточно кислорода для протекания нитрификации. Здесь начинает развиваться другой вид бактерий — анаэробные, те что живут без кислорода.
В обычных канистровых и внутренних фильтрах денитрификация на данный момент невозможна. Этот процесс возможен толькопри отсутствии кислорода в специальных фильтрах — денитрификаторах, например производства Energy Savers Unlimited, Summit Aquatics, Marine Technical Concepts, Thiel*Aqua*Tech или Sera Biodenitartor.
Баланс разных культур бактерий в грунте.
В грунте живут культуры множества бактерий. Есть бактерии анаэробные, а есть и те что в зависимости от содержания кислорода в воде становятся или аэробными, или анаэробными. Аэробные бактерии не только поставляют нитрат для анаэробных, но и благодаря большому потреблению кислорода создают умеренно анаэробные условия.
Возникает взаимно выгодный обмен между двумя типами бактерий живущих в нескольких сантиметрах верхнего слоя грунта (поэтому беспокоить субстрат в Nature Aquarium чисткой грунта сифоном крайне нежелательно). Анаэробные бактерии разлагают нитрат до газообразного оксида азота [NO] — безвредного газа. Он растворится в воде и выветрится в атмосферу, завершая круговорот азота.
Часть нитрата превращается анаэробными бактериями обратно в нитрит и аммоний. Если азот в этом случае не будет употреблен корнями растений, он превращается бактериями в газ азот [N2], химически инертный и безвредный газ, который растворится в воде и выветрится в обратно в атмосферу. Со временем процессы сбалансируются и денитрификация будет протекать одновременно с нитрификацией в грунте и фильтре в анаэробных зонах. Управлять процессом денитрификации в аквариуме практически невозможно.
Корни растений способны доставлять кислород в грунт предотвращая его от полной анаэробности. В субстрате из крупного гравия вообще не будет анаэробных условий. В субстрате составленном из гравия разного размера вероятнее всего будут образовываться локальные безкислородные (анаэробные) зоны денитрификации, что наверное будет идеальным случаем для аквариума с растениями — Nature Aquarium.
Конкуренция за аммоний.
Лабораторные тесты показали, что растения и водоросли НЕ потребляют нитрат в заметных количествах пока есть аммоний (0,02мг/л). Не стоит беспокоиться о полной нитрификации потому что в аквариуме с большим количеством растений, каким является Nature Aquarium, любая дополнительная конкуренция за азот (в составе аммония) будет ухудшать рост растений. Слишком активное преобразование бактериями аммония [NH4+] в нитрит [NO2] отнимает основной источник азота для питания растений.
Уровень pH играет решающую роль в нитрификации: интенсивнее этот процесс протекает при pH более 7,2 и достигает своего максимума при pH=8,3. При pH менее 7,0 интенсивность нитрификации составляет 50%, при pH=6,5 только 30%. Таким образом в Nature Aquarium, в котором pH=6.8-7.2, создаются благоприятные условия для потребления аммония [NH4+] именно растениями, а не нитрифицирующими бактериями в грунте и фильтре.
Нитрифицирующие бактерии плохо конкурируют за кислород с гетеротрофными бактериями разлагающими органику в грунте — теми, что образуют «биологическую потребность в кислороде» (biological oxygen demand — BOD) что при еще больше увеличивает шансы растений употребить весь доступный аммиак [NH3] раньше нитрифицирующих бактерий.
В Nature Aquarium с большим количеством растений при pH=6.8-7.2 почти весь образовавшийся аммоний будет потреблен растениями до того, как его успеют переработать нитрифицирующие бактерии, особенно учитывая хелатирующее действие смеси лавы и торфа. Этим растения способствуют снижению уровня нитратов. Позднее при подрезке растений азот (нитраты) выведется из аквариума. Подробнее о конкуренции за аммоний смотри в разделе чрезмерная биологическая фильтрация.
Баланс аммиак NH3/аммоний NH4+.
Основной источник азота в аквариуме это аммоний [NH4+]. Но он может существовать и в форме аммиака [NH3]. Аммиак (ammonia) [NH3] ОЧЕНЬ токсичен для рыб, уже при содержании аммиака [NH3] всего около 0,05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Со временем оно становится необратимым. Но есть во много раз менее токсичная его форма — аммоний (ammonium) [NH4+]. В кислой воде при pH менее 7,0, к аммиаку [NH3] присоединяется еще один водородный ион H+: NH3 + H2O —> NH4+ + OH- .
Эта гораздо менее токсичная позитивно заряженная, или ионизированная, форма аммиака [NH3] называется аммоний (ammonium) [NH4+]. С падением pH все больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний [NH4+] — при понижении pH на один градус токсичного аммиака [NH3] становится в десять раз меньше. В нормальных условиях аквариума с pH=6.5-7.2 почти весь токсичный аммиак [NH3] ионизируется до нетоксичного аммония [NH4+]. При pH=7.0 аммиака [NH3] примерно 0,33%, при pH=6.0 — только 0,03%.
The cycle of nitrogen byMarco Pagni (microbiologist), Version 2.0 of the 01/03/98
Cycling Your New Aquarium (особенно про гетеротрофные бактерии работающие в Hamburger Mattenfilter)
The Nitrogen Cycle, by Marc Elieson
Различные типы анаэробной денитрификации и азотный цикл — Aquaculture nitrogen waste removal.
Другие новости по теме:
- Почему нарушается баланс азота в искусственном водоёме?
- Уровень pH в УЗВ, водоеме, пруду, бассейне, и как его регулировать.
- Осётр в аквариуме.
- Денитрификация
- Природные цеолиты для фильтрации воды
Источник: fish-agro.ru