Азотный цикл: ключ к биологической фильтрации аквариума

Что же такое азотный цикл?

В азотном цикле продукты жизнедеятельности рыб, растений и прочие органические загрязнения, разлагаются бактериями и грибками, выделяя аммиак. Аммиак необычайно токсичен для всех обитателей аквариума. Аммиак выделяется кислородолюбивыми бактериями Nitrosomonas. Эти бактерии питаются как кислородом, так и аммиаком, а продуктом их жизнедеятельности является химикат известный как нитрит. Хоть нитрит и не так ядовит, как аммиак, но даже небольшое его содержание в воде нежелательно. Другой вид бактерий — Nitrobacter, так же дышащих кислородом, разлагают нитрит в безопасные нитраты. Бактерии, питающиеся нитратами называются анаэробными, что значит следующее, им практически не нужен кислород для нормальной жизнедеятельности. Уже они и разлагают нитраты в обычный азот.

Недавние исследования показали, что еще несколько видов бактерий (до сих пор они не названы) участвуют в азотном цикле.

Круговорот

Схему круговорота азота в природе условно можно разделить на две части – грунтовую и атмосферную. Круговорот азота через почву осуществляется следующим образом:

• в результате гниения органических веществ (растений, животных) азот превращается в аммиак (NH3);
• под действием бактерий аммиак окисляется до азотной кислоты (HNO3);
• азотная кислота вступает в реакцию с элементами почвы, образуя кислые соли (нитраты) – СаСО3, Ca(NO3)2;
• нитраты поглощают растения.

В атмосферу азот также попадает в результате гниения или при горении органических веществ, например, дров или торфа. Под действием разрядов молнии азот соединяется с кислородом, образуя оксид азота (II) – NO, а затем оксид азота (IV) – NO2.

Оксиды реагируют с водой, образуя азотную кислоту. Она попадает в почву вместе с дождями, где образуются нитраты.

Кроме того, свободный азот способны усваивать азотфиксирующие бактерии и некоторые виды сине-зеленых водорослей. Азотфиксирующие бактерии (азотфиксаторы) находятся в симбиозе с растениями. Например, клубеньковые бактерии живут на корнях бобовых растений. Азотфиксаторы могут усваивать азот в присутствии или в отсутствии кислорода, т.е. могут являться аэробами или анаэробами. Они также синтезируют нитраты.

Рис. 2. Азотфиксирующие бактерии на клубнях.

Растения могут усваивать азот только в составе солей азотной кислоты. Вместе с листьями азот попадает сначала в организм травоядных животных (консументов первого порядка), а затем – хищных животных (консументов второго порядка). Обратно азот возвращается при гниении и в составе мочевины (CH4N2O).

Рис. 3. Схема круговорота азота в природе.

Часть нитратов окисляется специальными денитрифицирующими бактериями до свободного азота, который возвращается в атмосферу. Процесс восстановления свободного азота из сложных соединений называется денитрификацией.

Азотный цикл в новых аквариумах

Новый аквариум остро нуждается в колониях полезных бактерий, которые осуществляют биологическую фильтрацию. А потому должен быть запущен «цикл». Это понятие включает в себя процесс установления и созревания биологических фильтров. Чтобы правильно установить систему мы должны обеспечить источник аммиака, чтобы бактерии Nitrosomonas могли размножаться и колонизировать систему. Дабы обеспечить аквариум аммиаком, лучше подсадить туда пару рыб, выносливых к присутствию в воде аммиака и нитритов. Однако, в некоторых магазинах продаются «живые бактерии», которые помогут запустить аквариум. При покупке «выносливой» рыбы, попросите немного гравия из аквариума, где она раньше содержалась. Гравий будет населен бактериями, что ускорит процесс. Как только рыба попадет в аквариум, они начинает питаться и обживаться, тем самым, производя аммиак. Бактерии Nitrosomonas начнут поглощать этот аммиак и заселять аквариум. Наибольшее их содержание будет находиться около систем фильтрации у поверхности, где больше всего кислорода. Так как их количество ограничено и весь аммиак переработать бактерии не в состоянии, их колонии будут разрастаться.

Статья по теме Колебания активной реакции в аквариумах

Как мы видим, судьба нитритов несколько проще, чем аммиака. Нитриты образуются в результате поглощения аммиака бактериями Nitrosomonas. Чем больше бактерий, тем больше продуктов их жизнедеятельности, то есть нитритов. Бактерии Nitrobacter питаются нитритами, а, следовательно, их колонии так же будут расти, вслед за колониями Nitrosomonas. Уровень нитритов будет расти до тех пор, пока популяция Nitrobacter не достигнет таких размеров, что они будут поглощать нитриты быстрее, чем те будут образовываться. Таким образом, установится баланс в популяциях бактерий.

Конечный продукт всего вышеизложенного — нитраты. При маленькой концентрации, нитраты не опасны для растений или рыбы. Но с другой стороны, нитраты могут служить отличной пищей для растений, что может привести к неприятностям с водорослями. В тоже время, анаэробные бактерии будут разлагать нитраты. Растения так же будут потреблять нитраты, вот и неплохой натуральный способ контролировать уровень этого химиката. С другой стороны уровень нитратов можно понизить подменами воды и специальными химическими реагентами.

Стеклянные сомики

Время, которое уйдет на то, чтобы запустить аквариум зависит от многих факторов. Таких как, содержание аммиака в воде, наличие живых скал и многих других. В среднем, этот процесс занимает от 3 до 6 недель.

Из-за чего растет уровень содержания аммиака?

Уровень содержания аммиака может возрастать в результате множества различных причин. Ниже приведен список наиболее частых причин, которые стоит проверить если в аквариуме обнаружен аммиак.

• Новый аквариум с недостаточной популяцией полезных бактерий.
• Фильтр промыли под водопроводной водой, либо заменили старую фильтрующую среду.
• Меры по лечению заболеваний убили популяцию полезных бактерий в фильтре.
• Чрезмерное кормление.
• Перепопуляция рыб.
• Недостаточная фильтрация.
• Неправильная очистка водопроводной воды (содержание хлора или хлорамина).
• Добавление слишком большого количества новых рыб за слишком короткий промежуток времени.
• Разложение в аквариуме останков мертвой рыбы.
• Помещение в аквариум неподготовленной породы.

Подсаживание рыбы

В биофильтрах запущенных аквариумов достаточно бактерий, чтобы справиться с аммиаком и загрязнениями. Когда мы подсаживаем новую рыбу, нагрузка на фильтр увеличивается. Насколько поднимется уровень токсинов, зависит от того, сколько обитателей подсадили в аквариум. Если вы подсадили слишком много рыбы, уровень токсинов может достичь опасных показателей и привести к гибели обитателей аквариума. Важно не допускать таких значений, подсаживая рыбу постепенно, чтобы свести риск к минимуму.

Такие ситуации могут возникнуть в следующих случаях: — Если вы приобретаете рыбу через почту. Из-за высокой цены доставки, многие аквариумисты заказывают сразу по несколько рыб, подсаживая их в аквариум и тем самым, подвергая риску всю систему.

— Подселение нескольких агрессивных рыб в одно время. Лучше дать время рыбе нормально акклиматизироваться, тогда они будут вести себя спокойно и боев за территории не будет.

— Отсадка рыбы на карантин. Аквариум — отсадник чаще всего представляет собой маленький резервуар с минимальной фильтрацией. Следует тщательно контролировать уровень токсинов, подсаживая туда любое количество рыб.

Бирюзовый дискус

— Незамеченная смерть. Во многих пресноводных аквариумах и рифовых системах, обитатель может погибнуть в укрытии и заметить его будет очень сложно. В таком случае, организм начнет разлагаться, давая большую нагрузку на биофильтрационную систему. Большой аквариум в данном случае более удобен. Так, как аммиак, выделяемый мертвым телом, будет растворен в большом количестве воды.

— Перекармливание. При кормлении необходимо учитывать, что корм, который вы подаете, должен быть съеден в течение 3-5 минут. Спустя несколько часов любые питательные вещества будут подвержены разложению бактериями и грибками, выделяя в воду аммиак. Именно этот аммиак может перегрузить биологическую систему фильтрации и привести к сбоям во всей аквариумной системе. Если аквариум все же перекормлен, следует удалить из воды корм и произвести подмену воды 25% от объема аквариума.

— Использование медикаментов. Множество медикаментов влияют на способность бактерий нормально функционировать в биофильтрах. Антибиотики, например, убивают множество видов полезных бактерий. К сожалению, биологическая фильтрация основана на бактериях и будет потревожена любым лечением. Важно постоянно следить за аквариумом и вовремя производить подмену воды и вовремя применять химикаты.

Статья по теме Защита аквариума от токсинов

— Обслуживание системы. Подмены воды и обслуживание фильтрационных систем в той или иной степени затронут биологическую систему фильтрации. При подмене воды важно чтобы вода была заранее очищена от химикатов, например, от хлора. Хлор может убить полезные бактерии, поэтому следует использовать кондиционеры для воды, чтобы избавиться от химикатов в воде. Неправильно выполненное обслуживание фильтра так же может привести к неприятностям. Полезные бактерии, ответственные за азотный цикл, обычно располагаются в местах с наивысшим содержанием кислорода, то есть у фильтров. При обслуживании фильтров в идеале оставить системы биологической фильтрации в покое и не трогать.

Применение азота в сельском хозяйстве

Удобряя землю азотистыми соединениями из расчета — килограмм удобрений на гектар земли, можно повысить урожайность зерновых культур на несколько процентов. В сельском хозяйстве в виде урожая азот выносится в количестве 1 млн. тонн, при этом азотистых удобрений используется в два раза меньше. Несмотря на высокую рентабельность использования минеральных удобрений, потребности растений в этом веществе покрываются искусственным путем всего на 20-25%. Остальное его количество извлекается из грунта за счет биологической фиксации (естественные удобрения). Дальнейшее повышение урожайности будет зависеть лишь от рационального применения навоза, наращивания производства минеральных удобрений и эффективного использования «биологического» (произведенного микроорганизмами) связанного азота.

Восстановление баланса

Все вышеперечисленное может привести к сбоям азотного цикла. Важно всегда отслеживать изменения качества воды. Если уровень аммиака или токсинов повышен, необходимо привести его в норму, подменяя воду или используя специальные препараты. Выполняя подмену воды, важно знать, что больше 25% от общего объема аквариума подменять нельзя. Иначе могут возникнуть проблемы с уровнем pH и температурой, что приведет к стрессовым для рыбы ситуациям. А потому, если в воде присутствуют токсины, лучше всего выполнять незначительные, но частые (возможно даже каждодневные) подмены воды, чтобы избежать больших подмен.В продаже имеется множество средств, для контроля за уровнем аммиака.

Правообладатель: портал Зооклуб При перепечатке данной статьи активная ссылка на источник ОБЯЗАТЕЛЬНА.

Применение азота в промышленности

Применяется азот и в промышленности. Большая часть синтезированного вещества приходится на производство аммиака, взрывчатых систем, различных красителей. Применяется он и в обрабатывающей промышленности – например, при обработке кокса. Свойства азота широко известны и учитываются при производстве различных пищевых добавок. Жидкий азот – отличный хладагент и широко применяется для заморозки продуктов питания. Но все равно основным способом применения его является производство минеральных удобрений.

Самые известные бактерии, преобразующие азот, содержатся в клубнях растений семейства бобовых.

Полезные свойства азота помогают повышать плодородие грунта: в поле сначала сеют чечевицу, горох или фасоль, потом растения запахивают в землю. Затем на этом месте выращивают другие культуры, которые могут использовать азот в качестве естественного удобрения.

«Био/мол/текст»-2016

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

Спонсором приза зрительских симпатий выступила .

Что вообще такое азот? На Земле азот представлен своим двухатомным соединением в виде газа (N2) и составляет добрых 76% объема нашей атмосферы. Но, как это ни странно, живым организмам азот достается не так уж и просто. В чем же проблема? Она заключается в тройной ковалентной связи между двумя атомами азота, благодаря которой в нормальных земных условиях азот, можно сказать, инертный газ. Но давайте разбираться, как, откуда и зачем этот азот нам сдался.

Минеральные удобрения

Но природного азота, пригодного в качестве удобрений, оказалось недостаточно для поддержания урожайности. И люди начали использовать минеральные удобрения, включающие в себя связанный азот.

Технология связывания азота в промышленных масштабах была открыта немецкими военными учеными накануне Первой мировой войны. Тогда была разработана схема производства аммиака для нужд оборонной промышленности. Доработав технологию, ученые придумали надежную схему производства связанного азота для сельского хозяйства. Сейчас аграриями применяется более 80 млн. тонн связанного азота для выращивания продовольственных культур.

Искусственный связанный азот

Как было написано выше, основным источником азота являются минеральные удобрения, которые активно используются в сельском хозяйстве большинства стран мира. Сгорание всех видов ископаемого топлива (уголь, газ, нефтяные производные) также приводит к связыванию свободного азота. Помимо прямого сгорания, при работе двигателей и электрогенераторов также возникает теплота, необходимая для реакции азота с кислородом. В общем, в течение года при сжигании получается около 20 миллионов тонн азота, пригодного для биосферы.

Кислородный искуситель

Фермент нитрогеназа необратимо разрушается при контакте с кислородом, и поэтому микроорганизмы, фиксирующие азот на планете, атмосфера которой содержит аж 20% кислорода, нашли различные способы исключить его из зоны фиксации азота. Такая адаптация не понадобилась лишь облигатным анаэробам, которые решили эту проблему радикальным способом.

Клубеньковые вывернулись с помощью леггемоглобина, который обладает очень высоким сродством к кислороду. Бактерии-симбионты получают этот элемент в концентрации, безопасной для их нитрогеназы: кислород не накапливается в больших количествах, однако его достаточно для обеспечения дыхательного метаболизма бактерий.

Но помимо клубеньков, существуют и свободноживущие ассоциации бактерий. И им тоже надо защищать свою любимицу от «плохого» кислорода. Для этого природа придумала три способа защиты:

• Механизм повышенного уровня дыхания. Азотобактеры удаляют из себя кислород посредством окисления органических веществ. Энергия при этом не запасается.
• Механизм локализации азотфиксации в гетероцистах. Характерен для цианобактерий, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. Для защиты нитрогеназы от кислорода они имеют особые, лишенные хлорофилла клетки — гетероцисты (о них будет сказано в последней главе).
• Механизм симбиотической защиты. Характерен для клубеньковых бактерий. В корнях бобовых продуцируется леггемоглобин, выполняющий функцию защиты от избытка кислорода [4].

Проникновенные отношения

Заселение клеток корня растения-хозяина происходит после того, как корень натолкнется на симбиотических бактерий, оставшихся в почве с прошлого вегетационного периода. Бактерии подползают к корням, после чего разрушают клеточные стенки растения с помощью фермента пектиназы и размещаются в вакуолях (рис. 2). В результате растительная клетка оказывается переполненной бактериями, которые затем прекращают делиться, увеличиваются в размерах почти в 40 раз и одновременно изменяют свое строение и функцию, превращаясь в бактероиды, богатые нитрогеназой. Одновременно с вторжением бактерий в клетки растения-хозяина начинается активное деление инфицированной клетки и нескольких слоев соседних неинфицированных клеток. Это способствует распространению бактерий и приводит к образованию корневых клубеньков, столь характерных для этой симбиотической ассоциации.

Рисунок 2. Вторжение бактерий в клетки растения-хозяина. а — Бактерии проникли внутрь клеток корня растения. б — Образовавшиеся в корневых клетках бактероиды. в — Деление клеток, инфицированных бактериями-симбионтами. г — Рост клубенька.

сайт biology-pages.info

Внутренняя часть инфицированных и неинфицированных клеток клубенька окружена слоем незараженных клеток хозяина. Инфицированные клетки внутренней зоны зрелого корневого клубенька содержат один или несколько бактероидов (в зависимости от растения-хозяина), окруженных мембранной оболочкой, в которой, по-видимому, локализован красный пигментный белок — леггемоглобин, обусловливающий характерное окрашивание клубеньков, активно фиксирующих азот (рис. 3). Леггемоглобин образуется только в фиксирующих азот клубеньках и внутри таких клубеньков локализован только в инфицированных клетках, где составляет 25–30% всего растворимого белка клетки. По своим свойствам леггемоглобин сходен с миоглобином (мышечным белком, вероятной функцией которого является содействие диффузии кислорода в ткани и, возможно, «запасание» кислорода). Функции леггемоглобина в процессе фиксации азота будут рассмотрены позже.

Рисунок 3. Схематичное изображение симбиотических связей клубенькового растения.

сайт plantlife.ru

Чтобы симбиотическая система могла фиксировать азот, она должна удовлетворять трем обязательным требованиям:

1. образование корневых клубеньков;
2. дифференциация бактерий в бактероиды;
3. образование леггемоглобина.

При выполнении этих условий фиксация азота будет продолжаться в течение всего жизненного цикла растения, обычно до формирования семян, когда клубеньки стареют, и фиксация азота прекращается. Некоторые бактероиды утрачивают способность к дальнейшему размножению, однако остальные сохраняют жизнеспособность, и после старения и отмирания растения-хозяина живут в почве до начала нового вегетационного периода [3].