число кормлений в неделю х содержание азота в корме ~= удаление азота подрезкой растений + (концентрация в воде х подмена воды).

Основными условиями удаления избытка аммиака [NH₃] из аквариума является высокоэффективная биологическая фильтрация и правильный субстрат, создающий оптимальные условия роста нитрифицирующих бактерий. Понять, как происходит разложение аммиака [NH₃] и биологическая фильтрация, поможет знание азотного цикла.

Круговорот азота – важнейшая часть круговорота веществ в живой природе. Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, хлорофилле, 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 круговороте питательных веществ. Вместо этого весь азот входит в круговорот веществ как аммиак NH₃.

Откуда берется азот?

Мы постоянно поставляем азот в аквариум с кормом для рыб[1]. 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 метаболизма всех аэробных организмов, включая микроорганизмы. 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[2] в грунте бактериями с образованием аммиака [NH₃], окисляющегося далее (при pH<7) до аммония [NH₄⁺].

Круговорот азота состоит из двух частей – нитрификации и денитрификации[3].

Круговорот азота в аквариуме: (1) Корм, (2) Аммиак NH₃, (3) Нитриты NO₂, (4) нитраты NO₃, (5) Вода H₂O, (6) Освещение, (7) Удобрения, (8) Кислород O₂, (9) Углекислый газ CO₂

(Фото из Википедии — свободной энциклопедии)

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:

аммоний [NH₄⁺] + [1.5O₂] -----------> нитрит [NO_2-] + [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 Nitrospira moscoviensis и Nitrospira marina окисляют нитриты [NO₂] до менее токсичных нитратов [NO₃].

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.

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 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 Biodenitrator.

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 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.

Баланс аммиак NH₃/аммоний NH₄⁺

Основной источник азота в аквариуме – это аммоний [NH₄⁺]. Но он может существовать и в форме аммиака [NH₃]. Аммиак [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.

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 [NH₄⁺]. С падением pH все больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний [NH₄⁺] – при понижении pH на один градус токсичного аммиака [NH₃] становится в 10 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%.

На деятельность нитрифицирующих бактерий, которые окисляют аммиак, влияют также температура и концентрация кислорода в воде. Чем выше температура – тем больше доля токсичного аммиака [NH₃]. При 28⁰С вдвое больше токсичного аммиака [NH₃], чем при 20⁰С (при равном pH). Для протекания нитрификации содержание кислорода должно быть не менее 1 мг/л. Нитрифицирующие бактерии требуют много кислорода. Именно поэтому фильтры типа EHEIM Professional INTERVALL¬ (Wet/Dry), Hydor BRAVO, KENT MARINE BioRocker, и Marineland BIO-Wheel неприменимы – они сильно выветривают CO₂ из воды.

Перевод demalla