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+].
Откуда в аквариуме берутся нитраты и фосфаты? — аквариумистика БЕСТ ФИШ
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-]
Нитрат или азот в аквариуме. Его нехватка и блокировка.
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 де-нитрифицирующими 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 только при 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.
Источник: www.amania.org
Азотный цикл
Азотный цикл – неотъемлемая часть существования любого аквариума. Под азотным циклом понимается круговорот аммиака, нитритов и нитратов. Участвуют в нем растения, аквариумные обитатели и бактерии, т.е. все составляющие аквариумной биосистемы.
Что такое азот и откуда он берется в аквариуме?
Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, хлорофилле, рибонуклеиновых кислотах, витаминах и т.д. Основным поставщиком азота в аквариуме является корм для рыб, т.к. белка в составе корма обычно 40 – 50%. После поедания корма рыбками выделяются экскременты и мочевина.
Так же источником азота могут быть другие органические отходы, например, отмершие листья растений. Вся ”органика” перерабатывается гетеротрофными бактериями, грибами, простейшими, и азот из белков преобразуется в аминокислоты и другие составляющие, в том числе аммоний [NH4+]. Некоторая часть аммония может быть усвоена растениями, оставшееся количество подвергается дальнейшим трансформациям.
Различия между аммиаком [NH3] и аммонием [NH4+]
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 около 0.05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Ядовитость аммония [NH4+] существенно ниже. То есть если в воде имеется преимущественно аммоний, то рыбы не отравятся, а вот если будет такое же количество аммиака, то исход скорее всего будет печальным.
Аммиак окисляется до аммония при pH < 7
На деятельность нитрифицирующих бактерий, которые окисляют аммиак, влияет также температура воды. Чем выше температура – тем больше доля токсичного аммиака. При 28°С вдвое больше токсичного аммиака, чем при 20°С (при равном pH).
Нитрификация
Процесс преобразования аммиака [NH3] → в нитрит [NO2—] → и в дальнейшем в нитрат [NO3—] называется процессом нитрификации.
Бактерии, участвующие в процессе нитрификации, могут находиться в любом месте водоема, но в аквариуме они концентрируются в основном во внешнем фильтре, 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 достаточном наличии кислорода в воде окисляют аммиак до нитритов. Нитрифицирующие бактерии требуют большого количества кислорода, поэтому их еще 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 уникальное 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. Не забывайте регулярно подменивать воду в аквариуме!
Денитрификация
Преобразование нитрата [NO3—] обратно → в нитрит [NO2—] и далее → в газообразный азот [N2] называется процессом денитрификации.
Денитрификация происходит только в анаэробных, с недостатком кислорода участках грунта, которые обычно находятся на глубине более 1 см. Денитрификация – микробное преобразование бактериями рода Pseudomonas, Paracoccus или Bacillus. Нитраты [NO3—] вовсе не являются конечным продуктом разложения аммиака [NH3].
Они используются анаэробными, денитрифицирующими бактериями для извлечения кислорода. Часть нитратов преобразуется анаэробными бактериями обратно в нитриты, которые при переработке окисляются до азота [N2]. Если азот в этом случае не будет употреблен корнями растений, то он растворится в воде и выветрится в обратно в атмосферу.
Корни растений способны доставлять кислород в грунт, предотвращая его от полной анаэробности. В субстрате из крупного гравия вообще не будет анаэробных условий. В субстрате, смешанном из гравия разного размера вероятнее всего будут образовываться локальные безкислородные (анаэробные) зоны денитрификации.
Отравление аквариумных рыб аммиаком, нитритами и нитратами
Симптомы отравления аммиаком:
• Недостаток кислорода и затруднение дыхания
• Нарушение координации движений и попытки выпрыгнуть из воды
• Потемнение окраски тела
• Повреждение жабр
Симптомы отравления нитритами:
• Учащенное дыхание – рыбы держатся у поверхности воды и дышат с трудом
• Судороги, особенно у мелких рыб
• Ткани жабр вместо нормального здорового ярко-красного цвета могут приобрести совсем другой цвет – от фиолетового до коричневого
• Через несколько часов или дней – в зависимости от выносливости данного вида – может наступить смерть
Симптомы отравления нитратами:
• Рыбки становятся вялыми
• Бледнеют жабры, наступает удушье, которое приводит к смерти рыбки
Лечение:
Если произошло резкий скачок аммиака или нитритов, то рыб сразу же нужно пересадить в свежую воду. При отравлении нитратами может помочь подмена аквариумной воды, с применением аквариумной химии (кондиционеров). Обязательно проверяйте концентрацию всех трех параметров в аквариуме, в который вы предполагаете запустить новых рыб, с помощью тестирования и если необходимо, немедленно принимайте меры по исправлению положения.
Профилактика:
Для предотвращения отравлений нужно продумывать производительность фильтра + емкость аквариума + количество рыб + количество корма, даваемого рыбам. Остатки пищи, мертвых рыб и другие органические отходы следует сразу удалять из аквариума. Снижение содержания всех трех параметров в аквариумной воде обеспечивается качественной фильтрацией и подходящим фильтрующим материалом (наполнители внешних фильтров для удаления NH3, NO2—, NO3—).
Это может быть интересно!
- «Шок» и «Стресс» у аквариумных рыб
- Выбираем живой корм для рыб. Обзор 7 видов.
- Аквариум дома
- Ответы на самые часто задаваемые вопросы – рН
- Реально ли содержать живые растения в аквариуме с Цихлазомами?
Источник: www.akvabluz.ru
Азотный цикл
Аммоний (NH4 + ) образуется в процессе разложения белков, а также мочевины. Источниками являются отмершие части растений, экскременты рыб и моллюсков, моча. В природе объём воды, приходящийся на каждую рыбу очень большой, поэтому ненужные вещества имеют очень низкую концентрацию. В аквариумах, однако, может потребоваться всего несколько часов, чтобы концентрация аммиака достигла опасного уровня.
Процесс
Если вкратце, то преобразование происходит в два этапа: сначала ионы аммония преобразуются в нитриты, а нитриты — в нитраты. Накопление ионов аммония и нитритов опасно для обитателей, а нитраты не то что бы совсем безопасны, но большинство жителей аквариумов выдерживают гораздо большие их концентрации, поэтому нитраты накапливаются, пока не будут выведены с подменами. Рассмотрим процесс подробнее:
Сначала мертвые органические остатки становятся добычей сапрофитных микроорганизмов — бактерий, грибов, простейших, которые расщепляют целлюлозу, содержащуюся в растительных клетках, сбраживают сахар. В результате из белков образуются аминокислоты и другие составляющие, в том числе аммоний.
Часть NH4 + может быть усвоена растениями, другая часть подвергается дальнейшим трансформациям. Сначала бактерии рода нитрозомонас (Nitrosomonas) превращают аммоний в нитриты (NO2), бактерии рода нитробактер (Nitrobacter) образуют затем из них нитраты (NO3). Часть нитратов поглощается растениями, остальные остаются в воде.
Нитраты являются веществами, довольно токсичными для рыб. Накопление NO3 провоцирует появление различных заболеваний и отравление. Чтобы уменьшить концентрацию нитратов в аквариуме, воду следует регулярно подменивать свежей.
Микроорганизмы, принимающие участие в процессе образования нитратов, называются нитрифицирующими, а сами превращения азота — нитрификацией. В процессе такой трансформации азота поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Значит, микроорганизмы нуждаются в притоке богатой кислородом воды, поэтому их называют аэробными. Хотя эти бактерии могут находиться в любом месте водоема, но в аквариуме они концентрируются в фильтре и местах с хорошим течением: здесь сапрофиты находят и приток питательных веществ, и достаточную концентрацию кислорода.
Как установить азотный цикл?
Полезные разновидности нитрифицирующих бактерий присутствуют везде (например в воздухе). Поэтому, как только в аквариуме появляется источник аммония, желательные бактерии сразу же начинают образование колонии в фильтре. В процессе становления азотного цикла уровень аммиака растёт, а затем резко падает, поскольку появляются бактерии, образующие нитрит.
Поскольку бактерии, образующие нитрат, ещё не начинают появляться, пока в воде не присутствует нитрит в существенных количествах, уровень нитрита сильно возрастает и продолжает расти, поскольку аммиак преобразуется в нитрит. Как только в аквариуме появляются бактерии, образующие нитрат, уровень нитрита начинает падать, а уровень нитрата расти, и в аквариуме устанавливается полный «цикл азота». Обычно это выглядит в новом аквариуме как помутнение воды (бактериальная вспышка) — не стоит бросаться подменивать воду, как только азотный цикл установится, вода снова станет прозрачной.
Для ускорения процесса в продаже есть специальные средства: от азотных соединений, позволяющих быстрее вызвать бактериальную вспышку до культур бактерий. Если вы хотите ускорить становление азотного цикла, вам нужны нитрифицирующие бактерии.
В магазинах так же продаются культуры гетеротрофных бактерий, которые живут в грунте и на стенках и перерабатывают органику. Это крайне полезные бактерии, но они не смогут помочь установке азотного цикла. Будьте внимательны: большинство продавцов в зоомагазинах не понимают разницу и, вероятно, попытаются вас убедить, что для установки азотного цикла подойдут гетеротрофные бактерии.
Источник: www.aqa.ru