ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПИРТА В АКАРИУМЕ.

Этот материал – возможное объяснение механизма влияния спирта на снижение нитратов в аквариуме. Некоторые выводы сделаны исходя из механизма усвоения нитратов и закономерностей развития микроорганизмов и требуют подтверждения (опровержения).

Авторы: jusupoff, Garrison, особая благодарность Dr GNUs, проводившему длительный эксперимент со спиртом.

К написанию этого материала привело сообщение о способе получения микробного белка с использованием в качестве источника энергии и углерода низкомолекулярных спиртов и неорганических соединений азота и фосфора.

Некоторые фразы из этой статьи:

«…Культивирование на метаноле с невысокой концентрацией субстрата (8-10 г/л).

Кроме метанола, в качестве высококачественного сырья используют этанол  при концентрации этанола не более 15 г/л.

Кормовые дрожжи, полученные на метаноле, имеют следующий процентный состав: сырой протеин 56-62; липиды 5-6; зола 7-11; влага 8-10; нуклеиновые кислоты 5-6. Бактериальная биомасса характеризуется следующим составом: сырой протеин 70-74; липиды 7-9; зола 8-10; нуклеиновые кислоты 10-13; влажность 8-10.

Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора солей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония…»

Полный текст: http://medicreferat.com.ru/pageid-1387-1.html

Низкий уровень соединений азота и в том числе нитратов в аквариуме – цель любого аквариумиста. Для этих целей используются подмены воды, своевременное удаление остатков корма, поглощение нитратов растениями, специальные наполнители для фильтров, поглощающие соединения азота, установки-денитрификаторы (установки с анаэробной зоной и слабым течением, в которой происходит восстановление нитратов до молекулярного азота в процессе анаэробного дыхания  разных видов бактерий-денитрификаторов). Денитрифицирующие бактерии являются анаэробами и как источник кислорода используют кислород из нитратов и нитритов. В качестве энергетического субстрата для процесса денитрификации, а также для собственного роста и размножения используются органические соединения. Процесс денитрификации в таких системах устанавливается в течении нескольких месяцев, что связано с медленным ростом бактерий анаэробов и медленным заселением субстрата. При эксплуатации установок необходимо внимательно следить за скоростью течения воды: при увеличении потока воды происходит гибель анаэробов от избыточного количества кислорода. При уменьшении циркуляции возможно чрезмерное снижение редокс-потенциала среды на выходе из установки, что может привести к развитию сульфатвосстанавливающих бактерий и выработке сероводорода. Для повышения эффективности таких денитрифицирующих установок добавляют легкодоступные органические соединения (в т.ч. и спирты) или используют субстрат, содержащий органику.

Однако при добавлении этилового спирта в аквариум можно заметить снижение нитратов и без использования специальных установок-денитрификаторов. Связывают это с процессом денитрификации. Но появляются сомнения в том, что в аквариуме есть достаточный объем анаэробных зон для этого процесса. В обычных фильтрах при фильтрации порядка нескольких сотен и даже тысяч литров в час развитие анаэробной зоны маловероятно. В грунте такие зоны могут сформироваться только в нижних слоях при достаточной толщине его слоя. Объем такой анаэробной зоны не сравнится с объемом денитрификатора, да и циркуляция воды в нижних слоях грунта практически отсутствует, что ограничивает доступ питательных веществ (спирта и нитратов). Процесс денитрификации в грунте возможен, но его роль в существенном снижении нитратов крайне мала. Вероятно, снижение нитратов при внесении спирта связано с другим механизмом и бактериями – гетеротрофными аэробами.

Механизм снижения нитратов.

Этиловый спирт является легкодоступным и энергетически выгодным субстратом не только для анаэробных бактерий, но и для большинства гетеротрофных аэробов. Энергия, высвобождающаяся при окислении двух молекул этилового спирта всего на 7% меньше, чем при расщеплении одной молекулы глюкозы.

При анаэробном процессе окисления спирта часть энергии расходуется на извлечение кислорода из неорганических соединений, что в конечном итоге дает меньшее количество энергии. Аэробы используют молекулярный кислород и лишних расходов энергии на его извлечение не имеют. Обычно в природе аэробные процессы намного эффективнее анаэробных, колонии аэробных бактерий растут значительно быстрее. Аэробные бактерии при достаточном количестве питательных веществ и подходящих условиях внешней среды могут делиться с интервалом в несколько минут.

Для построения структуры клетки, для роста и размножения бактерии синтезируют аминокислоты. Синтез аминокислот возможен по нескольким механизмам (для различных аминокислот механизмы и ферментативные системы разные), но во всех случаях для биосинтеза используется аммиак:

В дальнейшем на рибосомах из аминокислот идет синтез белков. Содержание белка в сухом остатке бактерий может доходить до 55% (Анализ клетки Е. coli, выращенных в условиях аэрирования на синтетической среде с глюкозой при 37°; время генерации — 40 мин.), а содержание азота до 10%. Из этого следует, что  гетеротрофные аэробы могут активно участвовать в усвоении свободного аммиака во время роста. Уже видно, что в этом случае часть аммиака связывается до процесса нитрификации и соответственно не переводится нитрифицирующими бактериями в нитраты. При отсутствии свободного аммиака или ионов аммония (обычная ситуация для аквариума  с нормально установившимся циклом азота) большинство бактерий могут использовать азот из нитратов. Такая возможность есть не только у бактерий, но и у других низко развитых организмов, например сине-зеленых водорослей. В результате при активном росте может происходить фиксация в белковых молекулах азота не только из аммиака, но и из нитратов. И при этом процессе нитрит-ион, как промежуточное вещество во внешней среде не появляется (в отличии от восстановления нитратов при азотном дыхании).

Восстановление нитратов до аммиака осуществляется посредством последовательного действия двух ферментов — нитрат- и нитритредуктазы. Нитратредуктаза катализирует НАД·H2-зависимое восстановление нитрата до нитрита:

NO₃^– + НАД·H₂ = NO₂^– + НАД⁺ + H₂O,

в результате которого осуществляется перенос на NO₃^– двух электронов. Нитритредуктаза катализирует шестиэлектронное восстановление NO₂^– до NH₃:

NO₂^– + ЗНАД·H₂ + Н⁺ = NH₃ + 3НАД⁺ + 2H₂O.

НАД (Ф)⁺ — окисленная, НАД (Ф)-H₂ — восстановленная и НАД (Ф) — обобщенная формы кофермента никотинамидадениндинуклеотида или никотинамидадениндинуклеотидфосфата.

До момента появления NH3 никаких свободных промежуточных продуктов не обнаружено. Молекулы мочевины и органических соединений также должны быть подвергнуты соответствующим ферментативным воздействиям, сопровождающимся высвобождением аммиака.

Добавление спирта, как легко доступного органического корма, при достаточном количестве растворенного кислорода приводит к бурному росту колоний гетеротрофных аэробов и более интенсивному усвоению аммиака и нитратов. Рост колоний может происходить на субстрате грунта и наполнителях фильтра. При наличии достаточного количества спирта в воде возможно развитие подвижных (жгутиковых) форм гетеротрофных аэробов, которые не требуют прикрепления к субстрату и могут свободно перемещаться. При постоянном использовании спирта подвижные формы в воде исчезают, т.к. увеличивается колония бактерий в грунте и фильтре. Эти бактерии имеют преимущество в доступе к альтернативному питанию - высокомолекулярным органическим веществам (остатки корма и выделения рыб). Они могут выделять во внешнюю среду в локальной зоне ферменты, расщепляющие большие органические молекулы и полимеры до более доступных соединений.

При регулярной чистке грунта и промывке фильтров существенная часть этих бактерий удаляется из аквариума. При своевременном удалении лишних бактерий они не успевают разлагаться с обратным высвобождением аммиака.

При регулярном внесении спирта в аквариуме происходит снижение не только нитратов, но и фосфатов. С точки зрения денитрификации в анаэробных условиях это объяснить невозможно. Если предположить, что в аквариуме идет процесс восстановления фосфатов, то вероятно в анаэробных зонах накапливался бы молекулярный фосфор. Наличие этого процесса никогда не отмечалось.

Снижение количества фосфатов легко можно объяснить с помощью «аэробного» процесса. Во время синтеза своих структур и роста гетеротрофные аэробы потребляют не только азот, но и фосфор, серу и другие вещества. Они нужны в меньшем количестве, чем азот.

Для постепенного наращивания темпов роста гетеротрофных аэробов целесообразно начинать внесение спирта с малых доз, постепенно ее увеличивая. В конечном итоге скорость роста бактерий, усвоение нитратов и других соединений будет зависеть от количества дополнительного легкодоступного питания в виде спирта.

Возможность вывода из системы нитратов при использовании спирта без очистки грунта и фильтров.

Эффективный вывод нитратов из системы в этом случае не получится. Если регулярно не удалять часть колоний гетеротрофных аэробов, то они будут разлагаться с выделением аммиака. Это приведет к активации процесса нитрификации и накоплению нитратов. Часть нитратов может быть восстановлена до молекулярного азота и выведена из системы в процессе денитрификации, но этот процесс по описанным выше причинам не будет эффективным и не сможет обеспечить стабильное снижение соединений азота даже в условиях достаточного количества спирта.

Передозировка спирта, бактериальная муть и газ в грунте.

Чрезмерное внесение спирта приводит к быстрому (в эксперименте заметное помутнение возникло через 10 часов) помутнению воды. Появление бактериального помутнения связано с нарастанием в воде количества бактерий. При передозировке спирта наблюдается увеличение количества пузырей газа в грунте. Возможно, это связано с некоторым увеличением активности процесса денитрификации в анаэробных зонах грунта и выделением молекулярного азота. Могут быть и другие причины.

Есть данные, что уровень растворимой органики выше 15 мг/л вызывает интенсивный рост гетеротрофных аэробов и подавляет развитие нитрифицирующих бактерий. В результате конкуренции может произойти полное или частичное вытеснение нитрифицирующих бактерий гетеротрофными аэробами и подавление процесса нитрификации.

При применении этилового спирта желательно поддерживать постоянную концентрацию в воде не выше 15 мг/л (лучше 5-10 мг/л). Необходимо частое дробное добавление спирта.

Стабильность аквариума при внесении спирта.

При постоянной дозе спирта, а также при стабильных других условиях (регулярная чистка грунта и фильтров, стабильное поступление органики в виде кормов, в том числе и постоянное соотношение в корме белков, жиров и углеводов, постоянная «биомасса» рыб и т.д.), биосистема может выйти на равновесное состояние. При этом гетеротрофные бактерии будут потреблять спирт и нитраты, часть их будет удаляться при чистке грунта и фильтров, другая часть будет употребляться в качестве корма простейшими и оставшаяся часть погибнет и  подвергнется процессам минерализации с выделением в воду неорганических соединений азота и фосфора. В конечном итоге круг замкнется. В систему поступает органика, содержащая азот и спирт. Кислород тоже доступен. Аммиак и накапливающиеся нитраты будут использоваться гетеротрофными аэробами, связываться в виде белковых структур и при регулярном уходе за аквариумом – удаляться из системы.

Срыв этого равновесия может произойти из-за отсутствия спирта при резком прекращении его внесения в условиях малого содержания другой доступной органики, при отсутствии достаточного количества кислорода для эффективного аэробного процесса, а также при резком уменьшении соединений азота. Может произойти массовая гибель гетеротрофных бактерий и последующее их разложение с выделением аммиака и других продуктов распада. Рост бактерий может также прерваться при полном отсутствии других соединений, например фосфатов.

Возможность сохранения низкого уровня нитратов после отмены спирта

При наличии достаточного количества органики в системе процесс усвоения нитратов может продолжиться и при отсутствии спирта. Бактерии в этом случае переключатся на другие источники энергии (углеводы, жирные кислоты и т.п.). Однако следует учесть, что при потреблении белков и продуктов их гидролиза (пептидов и аминокислот) бактерии будут использовать азот из этих соединений. Усвоение внешнего азота, нитратов в частности, будет происходить только при использовании углеводов, жирных кислот и других органических соединений, не содержащих азот. При умеренном содержании белков в корме для рыб и достаточном количестве углеводов и жиров эффективный процесс усвоения нитратов может продолжиться. Переводить бактерии со спиртового питания на другие виды органики желательно постепенно, что бы они успели адаптироваться и выработать ферменты, необходимые для их окисления.

Использование спирта в различных аквариумах (видовых, растительных, перенаселенных и т.п.).

Вероятно, резко выраженных отрицательных явлений не будет. Его применение в разумной дозе вполне безопасно для рыб и растений. Необходимо только регулярно ухаживать за аквариумом (сифонить грунт и промывать фильтры), ежедневно вносить спирт и поддерживать достаточный уровень кислорода в воде. А также следить за нитратами и нитритами (о возможности появления нитритов – см. в практической части). Если они начали быстро падать и их концентрация стремится к нулю, то целесообразно в течении нескольких дней снизить дозу внесения спирта.

Кроме вывода из системы неорганического азота будет происходить и вывод фосфатов, сульфатов, а также микроэлементов. Для развития бактерий эти вещества необходимы. При использовании этого метода в растительных аквариумах может потребоваться дополнительная подкормка комплексными удобрениями.

Метод позволяет снизить концентрацию нитратов практически до полного их отсутствия. Тест на осмотической воде и в экспериментальной банке показывал стабильно 0 мг/л. Применение спирта может помочь в борьбе с водорослями методом ограничения питательных веществ (нитратов, фосфатов) в воде.

Возможные негативные последствия при использовании спирта.

При окислении спирта аэробы потребляют большое количество кислорода. Его концентрация в воде может стать критической для рыб. Для страховки необходимо использовать постоянную интенсивную аэрацию. В растительных аквариумах при использовании СО2 аэрация может оказаться необязательной – растения должны обеспечить аэробных бактерий и рыб достаточным количеством кислорода.

Если в системе присутствуют анаэробные зоны или зоны с ограниченным поступлением кислорода, например в грунте, часть факультативных аэробных бактерий для окисления спирта будет использовать азотное дыхание. Но большинство таких бактерий способны восстанавливать нитраты только до нитритов. Может произойти подъем концентрации нитритов до токсического уровня. Что бы избежать этого необходимо внимательно следить за грунтом и в случае появления нитритов провести тщательную сифонку или рыхление грунта и увеличить аэрацию.

При передозировке спирта, особенно без постепенного увеличения дозы может появиться бактериальная муть. Для большинства рыб она не страшна. Но бактерии в дальнейшем могут осесть на листьях растений и декорациях. Для растений это вредно, для декораций – не красиво.

Если в воде содержится большое количество органических соединений, содержащих азот (пептиды, аминокислоты и т.п.), то снижение нитратов может не произойти. Бактерии сначала будут использовать азот из этих соединений. Восстановление нитратов до аммиака, который используется бактериями для синтеза своих белков, требует дополнительного расхода энергии. Поэтому нитраты будут использоваться в последнюю очередь.

Литература:

М.В.Гусев, Л.А.Минеева. Микробиология

http://phm.bio.msu.ru/edocs/micro/index.html

еще одна ссылка на этот материал:

http://evolution.powernet.ru/library/micro/

 Использовались и другие источники. Они содержали менее подробную информацию и основному источнику не противоречили.

Продолжение (часть 2. Практическая)