#1
Leo Angel » 11 июн 2024, 17:35
Фильтрация в растительном аквариуме
Целью данной темы является свести в одно место все мысли о фильтрации, что я неоднократно обдумывал, с целью поделиться с сообществом знаниями, что я почерпнул из разных источников, и, в идеале, получить отклик, если мои домыслы окажутся неверными в каком-то ключе.
Сразу скажу, что в основном я сконцентрируюсь на двух аспектах: растительный аквариум и биофильтрация. Во многих источниках, особенно достаточно старых, говорится о том, что биофильтрация в растительном аквариуме не нужна, а роль биофильтра выполняют растения и грунт. В целом, эта точка зрения имеет место быть, но я лично сомневаюсь в ее применимости для высокотехнологичного травника (мощный свет, CO2 и жидкие УДО). В любом случае, я хочу показать, что сделать
воспроизводимый травник с мощной биофильтрацией намного проще, чем без нее. Под воспроизводимостью я подразумеваю возможность некоего алгоритма создания аквариума, чтобы не рассчитывать на волю случая, хотя, очевидно, случаи травников вообще без всего известны, но совершенно неизвестно в точности, почему в соседнем аквариуме на той же воде растут только водоросли всех типов.
Роль фильтрации в травнике.
Для начала, необходимо понять две основные роли фильтра в травнике:
1. Размешивать воду, поставляя растениям исчерпанные "локально" питательные вещества, растворенный CO2, а также устранять от растений органические остатки.
2. Участие фильтра в минерализации органики и цикле азота.
Я не очень хочу концентрироваться на первом вопросе: вкратце можно сказать, что правильное течение - это ламинарное, мощное течение, которое равномерно размешивает воду и не мочалит в кашу растения по пути. Это течение не стоит направлять на медленнорастущие растения, чтобы не получить условный "бородатый анубиас".
А вот тема про минерализацию органики и азотный цикл в растительном аквариуме - это как раз то, на чем я бы хотел остановиться более детально.
Минерализация органики
Минерализация органики - это сложный биологический процесс, который включает в себя различные организмы-редуценты, которые в аквариумных условиях используют кислород, содержащийся в воде, чтобы окислять различные органические молекулы. Эти молекулы могут быть как простыми (сахара, спирты, карбоновые кислоты, типа уксусной), так и сложными (органические остатки клеток, белки, углеводы, целлюлоза, лигнин). Простые органические вещества очень быстро и просто разлагаются, так что их внесение наверняка приводит к бактериальной вспышке в толще воды. Сложные органические вещества требуют сложные и хитроумные процессы для их разложения. Например, лигнин и целлюлоза разлагаются очень долго (месяцами или иногда годами). Конечными продуктами минерализации в аэробных условиях являются углекислый газ, вода, немного аммиака и следовые количества оксидов серы.
Но есть некие общие моменты в разложении органических веществ. Первое - все эти процессы требуют кислород и зависят от температуры (чем выше, тем быстрее процессы разложения). Второе - все эти процессы могут происходить как в толще воды, так и в бактериальных пленках и матах (это разные вещи!). Разложение в толще воды - это плохой, негодный процесс с точки зрения аквариумиста. Разложение в грунте уже лучше, и часть органики "хоронится" именно там. Но на грунт попадает свет, а где есть свет и продукты разложения (в частности аммоний), там могут и будут селиться водоросли. Плюс грунт часто ворошат рыбы, постоянно контактируя с бактериями. И если этих бактерий там слишком много, то потом мы имеем условных коридорасов без усов... А в худшем случае имеем вспышки бактериальных инфекций, например колумнариоза, который вызывается как раз факультативным сапрофитом (или факультативным паразитом - как посмотреть).
Так что в идеальном мире хорошо бы, чтобы вся органика быстренько попадала в фильтр и разлагалась бы там (без света и без влияния на рыб и гидробионтов). Проблема в том, что сапрофиты очень склонны образовывать очень мощные бактериальные маты, которые могут забивать любые наполнители. Так что львиную долю объема любого фильтра будут заполнять именно гетеротрофные организмы, минерализующие органику. Об этом нельзя забывать.
Азот для растений.
Прежде чем говорить про азотный цикл в контексте фильтрации, необходимо вкратце описать биологическую роль азота для растений, а также механизмы поглощения азота растениями.
Азот является необходимым макроэлементом для растений, составляя многие органические соединения, включая белки и аминокислоты. Азот может быть найден во всех тканях растений, составляя немалый процент от общей массы растения (за этим в первоисточники, например "Минеральное питание растений" за авторством Битюцкого).
Уникальность азота в аквариуме состоит в том, что в отличие от других макроэлементов, типа фосфора или калия, азот может поступать в растение как в виде катиона (аммония), так и в виде аниона (нитрата). Итак, растения могут поглощать азот в следующих формах:
-
Аммонийный азот:
- является катионом (поглощение катиона вызывает отщепление H+ и понижением PH среды)
- очень прост в усвоении в плане энергозатрат (все остальные источники надо до этого аммония "добивать")
- является
токсичным даже для растений в больших концентрациях, а в малых токсичен и для гидробионтов (особенно при высоком PH), LD50 для гидробионтов может быть порядка 1мг/л для мальков при высоком PH, 10мг/л является уже однозначно крайне токсической дозой для любых гидробионтов
-
Мочевина:
- является источником аммония и углерода, не находятся в ионной форме (то есть, PH при поглощении не меняется)
- прост в усвоении аналогично аммонию
- для поглощения мочевины нужен фермент
уреаза, содержащий никелевый кофактор, следовательно в воде должен быть
никель для эффективного питания мочевиной
- малотоксична сама по себе, но может поглощаться уреазами различных форм жизни (например, бактериями) с образованием аммония
-
Нитриты:
- не рассмариваются в контексте данного текста по причине высокой токсичности и низкой практичности применения
-
Нитраты:
- является анионом (поглощение аниона вызывает отщепление
*OH* или
*HCO3* и вызывает повышение PH и, в ряде случаев, повышение KH)
- трудны в энергетическом плане: растению нужно восстановить нитрат-ион последовательно до нитрита, а потом до аммония, это требует больших запасов энергии: восстановление нитрата выполняется ферментом
нитратредуктаза, содержащий молибденовый кофактор (иногда возможно замещение молибдена ванадием или вольфрамом, но практического применения в этом нет), следовательно в воде должен быть доступный
молибден для эффективного питания нитратами
- могут
накапливаться в вакуолях растений, обеспечивая запас азота для роста
Исходя из вышеперечисленных пунктов, наиболее привлекательным кажется обеспечение азотным питанием через мочевину (токсичность низкая, поставляет кучу азота, да еще и углерод) в сочетании с нитратами. Но в этом случае нельзя забывать о последнем пункте: непотребленная мочевина "уйдет" в аммоний, который уже представляет проблему в плане токсичности. Так что "подсаживать" растения на мочевину нужно со строгим контролем потребления.
Второй момент - это доступность азота. Да, энергетически аммоний и в какой-то мере мочевина являются намного более выгодными, чем "тяжелый" нитрат. Но нельзя забывать, что одной из главных проблем травника являются водоросли. Об этом небольшая ремарка.
Водоросли и азот.
Водоросли могут питаться всеми источниками азота, что и высшие растения, а синезеленые "водоросли" (которые на самом деле бактерии) могут также фиксировать газообразный азот из атмосферы. Причем, для выполнения последней задачи, у СЗ есть циркадные ритмы: азотофиксация возможна только в анаэробных условиях, а поэтому совершенно несовместима ни с фотосинтезом, ни с циклом Кребса (дыханием). Насыщение воды кислородом (в том числе и в темную фазу), а также доступным нитратом или аммонием исключает азотофиксацию и исключает в какой-то мере СЗ из конкурентной борьбы, так как их фотосинтез менее продуктивен, чем фотосинтез других автотрофов.
Но вернемся к аммонию и нитрату Моя гипотеза заключается в одной простой вещи: так как редукция нитрата является сложным и энергозатратным процессом, то высшие растения, способные накапливать большой запас как нитратов, так и АТФ в специализированных тканях имеют возможность использовать
нитрат намного более эффекивно, чем талломы у водорослей. В разогнанном травнике энергии растениям хватает с избытком, поэтому поглощение азота в нитратной форме будет обеспечивать преимущество высшим растениям над низшими.
Поэтому хотя водоросли и растения могут потреблять азот во всех его формах, обеспечить высшим конкурентное преимущество над низшими по азоту можно, исключив аммоний, и оставив только нитрат (и, возможно, мочевину, если биофильтр с ней справляется до водорослей). И хотя это не является необходимым или достаточным условием для процветания высших, мне кажется, что это достаточно важный фактор.
Аммиак и аммоний.
Аммиак - это бесцветный удушливый газ с формулой NH3, очень ядовит для рыб, гидробионтов, в больших концентрациях ядовит для растений, а в экстремальных - для всего живого. В воде аммиак хорошо растворяется и частично диссоциирует (то есть, образует водные ионы) на аммоний с формулой NH3 + H2O <=> NH4+ - OH- (в ионной форме: катион NH4 и гидроксид-ион). Реакция эта является обратимой и зависит от PH среды: в кислой воде (PH < 7) равновесие реакции сильно смещается вправо в сторону аммония, в щелочной воде (PH > 7) равновесие все сильнее сдвигается влево. Ион аммония относительно безвреден, поэтому и аммиак в кислой воде в десятки раз более безопасен (будучи в форме иона аммония), чем в щелочной (будучи в форме растворенного в воде аммиака). Эта ремарка важна для понимания последующих процессов.
Резюмируя вопрос по азотному питанию растений: для высших растений достаточно
нитратного питания, а все остальные формы азота можно применять только в железобетонно устоявшихся аквариумах, когда есть понимание и опыт борьбы с водорослями. Применение нитрата и аммония/мочевины совместно позволяет добиться очень быстрого и "нажористого" роста, но чревато самыми неприятными водорослевыми вспышками в случае любого дисбаланса.
Азотный цикл.
Разобравшись с усвоением азота, перейдем к источникам азота в аквариуме, так как эти источники играют принципиальную роль в контексте фильтрации.
В аквариуме есть несколько основных источников азота:
- Жидкие удобрения (соли нитратов и аммония практически все растворимы, кроме экзотических соединений, с чем связана трудность аналитического определения тех же нитратов): нитрат калия, мочевина, нитрат аммония и другие
- Водопроводная вода: зачастую бывает загрязнена нитратами, а иногда содержит и аммиак в значимых количествах
- Жизнедеятельность гидробионтов, выделяющих аммиак или аммоний напрямую в воду (иногда мочевины, но это редкость в водном мире)
- Распад органических соединений: растений, трупов, остатков корма, древесины итд
Самыми непредсказуемыми и опасными являются два последних пункта, так как первый пункт полностью контролируется человеком, а второй надо просто учитывать и смириться с ним (или же применять обратный осмос). Разница между последними двумя источниками азота тоже принципиальная: распад органических соединений осуществляется деятельностью бактерий, грибов, архей, называемых обычно "сапрофитами". Конечным продуктом такого распада является аммиак (диссоциирующий на аммоний в зависимости от PH) и ряд других неорганических соединений: фосфаты, сульфаты итд. Этот процесс также расходует кислород и выделяет достаточно много CO2.
Сапрофиты в аквариуме.
К этим организмам относятся огромное количество различных бактерий, грибов, архей, которые разлагают органические вещества до неорганических. Сапрофиты живут везде: в субстрате, в воде, в воздухе, в фильтре - везде, где есть кислород и органические вещества. Сапрофиты очень быстро размножаются: удвоение популяции происходит за считанные минуты. То есть, поместив салфетку синтепона и погоняв через нее воду, мы получим довольную колонию сапрофитов на этой салфетке. Некоторые сапрофиты являются также облигатными паразитами, но оставим пока этот вопрос. Кроме этого, сапрофиты очень часто вступают в симбиотические отношения с автотрофами, обычно водорослями, но об этом чуть позже.
Самыми полезными с точки зрения растительного аквариума являются "стационарные" сапрофиты, которые сидят и жуют органику в каком-то одном удобном месте (и этим местом является, конечно же, фильтр, но об этом тоже позже). Плавающие в воде сапрофиты могут вызывать помутнение воды, выделяют аммоний прямо в воду, ну и вообще, неудобные товарищи. Вызвать их бурное размножение проще простого: достаточно капнуть в аквариум немного спирта, и бактериальная вспышка будет вам обеспечена, и вызвана она будет именно размножением плавающих сапрофитов, размножающихся на "халявных харчах" в геометрической прогрессии. Также вода часто мутнеет на старте аквариума, когда происходит сложная конкурентная борьба между разными видами бактерий, и равновесие может качнуться в любую сторону. Вообще, говоря о равновесии, надо понимать, что равновесие в биологической среде - это
локальный оптимум. Его можно представить, как мячик, который находится в небольшой ямке на холме: мячику выгоднее было бы с энергетической точки зрения скатиться с холма, но он лежит в ямке, полный нерастраченной потенциальной энергией, а чтобы скатиться с холма, нужен хороший такой пинок... Собственно, с равновесием сапрофитов (да и не только сапрофитов) происходит примерно то же самое: помутнение не является оптимальным с точки зрения биологической среды, но иногда, чтобы его убрать, нужен как раз такой пинок (например, избыточное внесение культур "правильных" сапрофитов с одновременной их подкормкой).
Сапрофиты также способны образовывать симбиотические отношение с автотрофами, например, с багрянками. В этом симбиотическом взаимодействии водоросль "делится" с бактериями сахарами, образующимися в ходе фотосинтеза, а бактерии поставляют водоросли такие вещества, как аммоний или же необходимые витамины. Такой симбиоз водорослей с сапрофитами сложился вынужденно, так как ряд водорослей требует витамин B12 (или другую форму хелата кобальта) для своей жизнедеятельности, но синтезировать самостоятельно этот B12 они не в состоянии. Таких водорослей, вообще говоря, довольно много. Но суть всего этого в том, что водоросли используют сапрофитов для разложения органики с целью получения аммония, а также для синтеза незаменимых веществ. Тут сразу же встает такой вопрос: а что если создать условия, чтобы сапрофиты не плавали, где попало, и не кормили бы всякие водоросли аммонием, а сидели бы в каком-то удобном месте.
Подходит ли для этого грунт? Подходит, но не лучшим образом: кислорода в пригрунтовом слое достаточно мало, а мы помним, что сапрофиты являются аэробными бактериями, хотя и анаэробы среди них тоже есть, но анаэробные дыхательные процессы - денитрификация и десульфатация - лежат далеко за пределами темы этой заметки. Кроме того, если возле грунта будет висеть "шапка" аммония, то это никак не поможет в организации здорового растительного аквариума. Этот вопрос разбирался выше в теме про минерализацию органики. Поэтому лучше всего, чтобы сапрофиты жили в фильтре, и вот тут можно перейти к первому тематическому вопросу: механической фильтрации.
Механическая фильтрация.
Целью механической фильтрации является очистка воды от органических и неорганических твердых примесей: частичек корма, листьев, частиц ила и так далее. На выходе идеального механического фильтра мы получаем воду, содержащую только крупые органические молекулы, аммоний и растворенные соли. В конечном итоге механическая фильтрация просто уменьшает конечный уровень нитратов на выходе биофильтра и ничего более. Ну а заодно механическая фильтрация уменьшает количество гетеротрофных организмов, забирая на себя часть их питания. То есть, это тоже такой способ за счет небольшого объема
часто обслуживаемого материала механической фильтрации сэкономить на объеме биофильтрации.
Промывать механический фильтр, учитывая скорость размножения сапрофитов, можно под водопроводной водой, усиленно выжимая и вычищая всю грязь и бактериальные пленки.
Материалы для механического фильтра выбираются из соображений удобности очистки и срока службы. Для внешнего фильтра очень удобно иметь на входе отдельный, легко обслуживаемый префильтр механической очистки воды. В некоторые внешники (например, Oase Biomaster) префильтр встроен в саму канистру, но в таком случае он не является легко конфигурируемым, а также "съедает" полезный объем канистры.
Вместо или же после мелкопористой губки иногда ставят синтепон, который поглощает самую мелкую взвесь. Но тут следует отметить, что механический фильтр не должен создавать излишне сильное сопротивление току воды по очевидным причинам, а любой сильно загрязненный элемент будет этот поток воды тормозить (в экстремальных случаях до нуля). Синтепон является в этом плане более опасны, чем губка, так как проникновение вглубь грязи в синтепоне ограничено парой сантиметров, а дальше через такой слой "гуано" воду не прокачает ни одна помпа. Отдельным технологическим решением является синтепон в шариках (например, от фирмы Sera), преимуществом которого является меньшая забиваемость и возможность многократного использования и стрики. В общем, ставить или не ставить синтепон - это больше вопрос возможности обслуживания. Если механический блок легко чистить, то имеет смысл поставить в него синтепон для задерживания самых мельчайших частиц взвеси.
Иногда в дополнение к синтепону применяется еще и микрофибра с зерном до 100мкм. К сожалению, салфетка микрофибры имеет толщину проникновения грязи в доли миллиметра, после чего становится полностью непроницаемой для потока воды. Хотя задачу тончайшей очистки воды, в том числе от спор водорослей и некоторых простейших, микрофибра выполняет (ценой собственной жизни - это одноразовый наполнитель).
Важными свойствами механического фильтра являются следующие параметры:
- равномерность загрязнения: для этого пористость фильтра увеличивается с током воды
- равномерность потока воды по площади: чтобы не было "грязного пятна" при чистой части губки
- отсутствием "байпассов": вода должна проходить через
все наполнители по порядку, не должно быть коротких путей ни при каких обстоятельствах
- минимальный размер частиц на выходе: понятно, что с синтепоном и особенно микрофиброй мы фильтруем более мелкие частицы, но частота обслуживание и замедление потока будут, соответственно, усиливаться
- обслуживаемость: выжать губки и прополоскать кольца намного проще, чем менять одноразовые синтепон и микрофибру (хотя с точки зрения производителей синтепона и микрофибры, лучше бы мы их использовали побольше, да)
Итак, резюмируя раздел про механическую фильтрацию, можно сказать следующее:
- Цель механической фильтрации в задерживании крупных органических и неорганических твердых частиц в воде
- Механическая фильтрация обязательно сопровождается работой сапрофитов, которые в богатой кислородом среде быстро разрушают органические останки вначале до взвеси и крупных органических молекул, а затем и до аммония
- Механическая фильтрация постоянно и "интрузивно" обслуживается при чистке фильтра, но так как сапрофиты умеют быстро восстанавливать свою популяцию, то это не является проблемой
- На выходе механической фильтрации должна быть визуально "чистая" вода, обогащенная органическими молекулами и аммонием
Из последнего пункта следует важный вывод:
только механическая фильтрация выдает поток воды с кучей аммония и недоразложившейся органики, мало полезных для рыб и гидробионтов, а также очень привлекательного и для растений, и особенно для водорослей. Если мячик скатился с горы, и растения в аквариуме "задушили" водоросли, то этот аммоний будут потреблять растения и расти. Если мячик лежит в ямке, и баланс водоросли-растения должным образом не установлен, то аммонийный азот может проделать эту ямку глубже и вызвать процветание водорослей. Если не растут-колосятся ни водоросли, ни растения, то возможны отравления гидробионтов аммиаком (или нитритами, но об этом позже). Такая ситуация возможна при экстремальных параметрах воды, слабом освещении, недостатке CO2 или же O2 в воде.
Таким образом, исключительно механическая фильтрация является недостаточной без живых растений, а также весьма опасной в травнике, где присутствие аммония в воде может вызвать серьезные проблемы.
Чтобы исключить эту ситуацию, механический фильтр должен направлять воду далее, в блок или систему биофильтрации. Но между этими блоками также можно размещать и химическую фильтрацию.
Химическая фильтрация.
Химическая фильтрация - это способ "поправить" ситуацию с водой путем различных химических адсорбентов. Химические наполнители выполняют узкую функцию, зачастую не восстановимы, а иногда способны "испортить" воду, особенно в травнике. Но в ряде случаев применение химических наполнителей оправдано. В основном применяются следующие химические наполнители:
-
Активированный уголь: удаляет из воды тяжелые металлы (медленно), органические красители, хлор, мало влияет на уровень органического загрязнения, практически не влияет на многие неорганические соли, в том числе и аммоний. Не восстанавливается, заменяется через неделю-месяц использования. При длительном использовании колонизируется бактериями и превращается в биосубстрат, аналогичный аквариумному грунту в фильтре.
-
Поглотители фосфатов и/или силикатов: одноразовые абсорбенты фосфатов и силикатов. Поглотители силикатов полезны, если в исходной воде силикатов много, это вызывает бурный рост диатомных водорослей, а с осмосом как-то не срослось. Минус таких средств в том, что они не восстанавливаются, а только заменяются. Смысла в травнике в таком наполнителе нет.
-
Поглотители нитратов:это уже ионнообменные смолы, которые меняют ион нитрата на ион хлорида. Восстанавливаются в растворе поваренной соли, но тот факт, что вместо нитрата выделяется хлорид, делает такой наполнитель не только бесполезным, но и крайне вредным для травника - растениям совершенно не нужен хлорид в таких количествах, а нитрат наоборот - критически нужен.
-
Seachem Purigen: наполнитель, который поглощает крупные молекулы органических красителей, в том числе очень трудноразлагаемые, типа гумматов и танинов. Восстанавливается обычной бытовой хлоркой, почти не влияет на неорганические соли, включая соли и хелаты тяжелых металлов. Применим и полезен в травнике, особенно с большими корягами. Минус - цена и доступность.
Некоторые специалисты советуют ставить блок химической фильтрации после биологической фильтрации, на самом выходе фильтра. Но при таком методе эффективность, например, цеолита, становится чуть выше, а эффективность Seachem Purigen - наоборот, ниже. Я считаю, что допустимы оба варианта, тем более, что вся химическая фильтрация является исключительно опциональной, особенно в травнике.
Биологическая фильтрация.
Мне лично кажется, что эта стадия фильтрации является наиболее важной в любом аквариуме: как растительном, так и "рыбном". На данной стадии крупные органические молекулы доразлагаются сапрофитами на аммоний, аммоний (и в большей мере аммиак), но самое важное происходит дальше: аммоний/аммиак поглощаются специальными организмами (бактериями или же археями), которые осуществляют окисление аммиака до нитрита. Этот процесс потребляет воду и кислород. Дальше нитрит ион потребляется другими бактериями и окисляется до нитрат иона с потреблением кислорода. Таким образом, это двухстадийный процесс через промежуточный нитрит-ион (на самом деле недавно обнаружена бактерия - Nitrospira sp., которая может окислять аммиак прямо до нитрата, и соответствующий процесс - Coammox). В молодых аквариумах сплошь и рядом встречается ситуация, когда вторая стадия нитрификации работает хуже, чем первая из-за большей "капризности" нитрификаторов второй стадии, но я не хочу на этом акцентировать внимание, так как оно далеко за рамками обсуждаемой темы.
Итак, какие же известны факты о нитрификаторах:
- Нитрификаторы повсеместны: они присутствуют в воздухе, в земле (особенно много), в воде
- Нитрификаторы не образуют спор, так что сохранение их культур представляет собой определенную проблему, но при этом нитрификаторы могут "засыпать" без питания и находиться в таком состоянии довольно долго (месяцы и даже годы)
- Нитрификаторы образуют статичные колонии на субстрате, в толще воды нитрификация не идет
- Нитрификация требует большого количества кислорода
- Нитрификаторы достаточно медленно размножаются - скорость удвоения колонии примерно сутки, для второй стадии еще медленнее, примерно в 4-5 раз
Также нельзя сказать, что есть какой-то определенный вид нитрификаторов: существует много видов бактерий и архей, которые находятся в постоянной конкурентной борьбе, и небольшие колебания условий (того же PH или температуры) вызывают перераспределение ресурсов среди видов бактерий. Но при достаточном биологическом разнообрази бактерий это неважно.
Кроме того, нитрификаторы живут в колониях совместно с сапрофитами, которые поставляют нитрификаторам неорганическое питание. Эти колонии в виде бактериальных пленок на поверхности легко разрушить механически, например, излишне усердно промывая биологический блок фильтрации. Так что не рекомендуется делать такую промывку слишком часто, особенно на этапе становления нитрификации в аквариуме, а также не рекомендуется промывать сразу весь биофильтр - лучше промыть половину, а другую половину не трогать до следующего обслуживания. Те же принципы применимы и к замене субстрата биофильтра: менять его полностью не стоит, лучше менять его частями, сохраняя по максимуму
структуру бактериальных колоний.
Нитрификаторы также живут и в грунте, но по причинам, описанным выше в разделе про механическую фильтрацию, гораздо лучше делать нитрификацию на выходе механического фильтра. При этом механический фильтр замедляет забивание субстрата биофильтрации илом и частицами, увеличивая интервалы его обслуживания/замены, а, как сказано выше, это увеличивает эффективность нитрификации (и снижает боль от обслуживания биосубстратов).
Любая биофильтрация в аквариуме лимитирована следующими факторами (по принципу бочки Либиха):
- Доступность аммония (нет еды, нет нитрификации)
- Доступность кислорода (так называемая "биологическая потребность в кислороде")
- Доступность субстрата для колонизации
Естественно, в любом устоявшемся аквариуме без
печальных астронотусов в 30л основным лимитирующим фактором является доступность аммония. И это же является пределом развития любого биофильтра. Хотя учите тот факт, что нитрификаторы не помирают от недостатка питания, а только прекращают активное размножение, так что если при запуске нитрифкаторы хорошо "прокачаны", то впоследствие они спокойно вынесут и снижение уровней приходящего аммония.
С другой стороны, учтите что если вы любите "запускать" пустые аквариумы стоять по месяцу, надеясь на становление нитрификации, то такое стояние никак не развивает полезную бактериальную флору. Кроме этого, так как аммоний является лимитирующим фактором, то развитие нитрификации на старте в грунте при наличии внешнего фильтра становится очень слабым - бактериям просто выгоднее селиться там, где проходит много воды с пищей (аммоний) и кислородом, то есть, на субстратах внешнего фильтра. Колониям же в грунте с хорошим внешником не достается практически ничего, поэтому аквариум становится в какой-то мере очень зависимым от работы внешнего фильтра.
Кроме того, во внешнем фильтре также важны и оставшиеся два лимитирующих фактора: доступность кислорода и доступность субстрата.
Доступность кислорода во внешнике обеспечивается наличием кислорода в воде, что редко проблема для травника, кроме как ночью - ночью весьма полезно включать дополнительную аэрацию или же турбулентное течение.
Ну и третий фактор доступности субстрата вызывает острые споры о "лучшем бионаполнителе".
Замечу, что основным параметром биофильтра является его
объем! То есть, если вы можете поставить условное ведро на 1/10 объема аквариума и прикрутить сбоку помпу, которая качает по 5-10 объемов аквариума через это ведро, то наполнителем может быть что угодно: дорогущая фирменная керамика, крупнопористая губка, поролоновый мат, нарезанные коктейльные трубочки, да хоть старые носки или булыганы лавы - это все совершенно непринципиально.
По заявлениям производителей, у специализированных субстратов больше эффективная площадь поверхности за счет пор, но насколько глубоко проникают бактериальные пленки и богатая кислородом вода, - это большой вопрос, и по результатам опытов, похоже, все это просто чушь. В любом случае, при достаточном большом объеме внешника достаточно применять простые наполнители. В целом, критерий "незабиваемости" и максимальной
омываемой поверхности - это самое важное. То есть, наполнитель должен быть достаточно "рыхлым", чтобы было где селиться сапрофитам и нитрификаторам, но при этом предоставлять максимальную площадь поверхности. Этому критерию лучше всего соответствуют крупнопористые губки, пластиковые мочалки для посуды, пластиковые сетки или же пластиковые кольца. Хотя при небольшом количестве углерода относительно азота (например, чистый рыбник без перекорма) будут хорошо работать и пористые материалы - ведь мы помним, что нитрификаторам нужно намного меньше места, чем разлагающим органику гетеротрофам. Так что в травнике лучше всего остановиться на кропнопористых губках, а если они забиваются, то посмотреть на сетки, мочалки или же пластиковые кольца.
Если же объем меньше, то приходится задумываться о более эффективном его использовании. Для небольшой бионагрузки сгодятся и губки, а для более серьезной уже лучше применить керамику, вспененное стекло или же пористые камни (пемза, лава итд). Керамика и стекло имеют большую пористость, чем большинство природных материалов, но забиваются тоже быстрее, иногда невозобновимо. Природные материалы могут быть "вечными", но несколько менее эффективны в плане площади поверхности, хотя тут возникает все тот же вопрос, насколько эффективно могут работать "глубокие" и тонкие поры. Логика подсказывает, что богатой кислородом и питанием воды глубоко в порах быть не может - все съедают по дороге, а возобновление занимает долгое время из-за крайне низкой скорости воды через такие поры. Несколько более интересны глубокие поры для процессов денитрификации -
анаэробных процессов, приводящих к восстановлению нитратов до газообразного азота. Но случае растительного аквариума денитрификация - это, скорее, вредный процесс, конкурирующий за нитраты с растениями. В целом, пористые материалы добавляют полезной площади для нитрификаторов при том же занимаемом объеме, но явно не настолько хорошо, как написано в рекламных проспектах к ним, по крайней мере, в контексте аэробной нитрификации.
Резюмируя данный раздел, можно сказать следующее:
- Биофильтрация очень помогает в травнике сместить баланс растения - водоросли в сторону растений за счет нитрификации.
- Биофильтрация не любит изменения параметров.
- Биофильтр может сопровождаться механической фильтрацией на входе, что сокращает требования к объему этой самой биофильтрации, но усложняет обслуживание фильтров
- Субстратом для биофильтрации может быть любой материал, но весь вопрос в его
омываемой площади поверхности и забиваемости
- Больший объем фильтра всегда лучше мелкого, но размер можно немного компенсировать более удачными субстратами (без "
серебряной пули", впрочем)
- Обслуживать биофильтр лучше как можно реже и желательно по частям.
Собственно, на этом пока все в рамках данной темы. Надеюсь, что изложенный материал окажется кому-то полезным, а также всегда рад рассмотреть замечания, исправления и предложения.
[b][color=#FF0000][size=130]Фильтрация в растительном аквариуме[/size][/color][/b]
[img]https://fotos.leoangel.info/images/2024/06/12/AOVlL.jpg[/img]
[color=#0000FF][b][size=115]Целью данной темы является свести в одно место все мысли о фильтрации, что я неоднократно обдумывал, с целью поделиться с сообществом знаниями, что я почерпнул из разных источников, и, в идеале, получить отклик, если мои домыслы окажутся неверными в каком-то ключе.[/size][/b][/color]
Сразу скажу, что в основном я сконцентрируюсь на двух аспектах: растительный аквариум и биофильтрация. Во многих источниках, особенно достаточно старых, говорится о том, что биофильтрация в растительном аквариуме не нужна, а роль биофильтра выполняют растения и грунт. В целом, эта точка зрения имеет место быть, но я лично сомневаюсь в ее применимости для высокотехнологичного травника (мощный свет, CO2 и жидкие УДО). В любом случае, я хочу показать, что сделать [b]воспроизводимый[/b] травник с мощной биофильтрацией намного проще, чем без нее. Под воспроизводимостью я подразумеваю возможность некоего алгоритма создания аквариума, чтобы не рассчитывать на волю случая, хотя, очевидно, случаи травников вообще без всего известны, но совершенно неизвестно в точности, почему в соседнем аквариуме на той же воде растут только водоросли всех типов.
[color=#FF0000][b][size=115][u]Роль фильтрации в травнике.[/u][/size][/b][/color]
[b][u]Для начала, необходимо понять две основные роли фильтра в травнике:[/u][/b]
1. Размешивать воду, поставляя растениям исчерпанные "локально" питательные вещества, растворенный CO2, а также устранять от растений органические остатки.
2. Участие фильтра в минерализации органики и цикле азота.
Я не очень хочу концентрироваться на первом вопросе: вкратце можно сказать, что правильное течение - это ламинарное, мощное течение, которое равномерно размешивает воду и не мочалит в кашу растения по пути. Это течение не стоит направлять на медленнорастущие растения, чтобы не получить условный "бородатый анубиас".
[b]А вот тема про минерализацию органики и азотный цикл в растительном аквариуме - это как раз то, на чем я бы хотел остановиться более детально.[/b]
[color=#0000FF][b][size=115][u]Минерализация органики[/u][/size][/b][/color]
Минерализация органики - это сложный биологический процесс, который включает в себя различные организмы-редуценты, которые в аквариумных условиях используют кислород, содержащийся в воде, чтобы окислять различные органические молекулы. Эти молекулы могут быть как простыми (сахара, спирты, карбоновые кислоты, типа уксусной), так и сложными (органические остатки клеток, белки, углеводы, целлюлоза, лигнин). Простые органические вещества очень быстро и просто разлагаются, так что их внесение наверняка приводит к бактериальной вспышке в толще воды. Сложные органические вещества требуют сложные и хитроумные процессы для их разложения. Например, лигнин и целлюлоза разлагаются очень долго (месяцами или иногда годами). Конечными продуктами минерализации в аэробных условиях являются углекислый газ, вода, немного аммиака и следовые количества оксидов серы.
Но есть некие общие моменты в разложении органических веществ. Первое - все эти процессы требуют кислород и зависят от температуры (чем выше, тем быстрее процессы разложения). Второе - все эти процессы могут происходить как в толще воды, так и в бактериальных пленках и матах (это разные вещи!). Разложение в толще воды - это плохой, негодный процесс с точки зрения аквариумиста. Разложение в грунте уже лучше, и часть органики "хоронится" именно там. Но на грунт попадает свет, а где есть свет и продукты разложения (в частности аммоний), там могут и будут селиться водоросли. Плюс грунт часто ворошат рыбы, постоянно контактируя с бактериями. И если этих бактерий там слишком много, то потом мы имеем условных коридорасов без усов... А в худшем случае имеем вспышки бактериальных инфекций, например колумнариоза, который вызывается как раз факультативным сапрофитом (или факультативным паразитом - как посмотреть).
Так что в идеальном мире хорошо бы, чтобы вся органика быстренько попадала в фильтр и разлагалась бы там (без света и без влияния на рыб и гидробионтов). Проблема в том, что сапрофиты очень склонны образовывать очень мощные бактериальные маты, которые могут забивать любые наполнители. Так что львиную долю объема любого фильтра будут заполнять именно гетеротрофные организмы, минерализующие органику. Об этом нельзя забывать.
[color=#0000FF][b][size=115][u]Азот для растений.[/u][/size][/b][/color]
Прежде чем говорить про азотный цикл в контексте фильтрации, необходимо вкратце описать биологическую роль азота для растений, а также механизмы поглощения азота растениями.
Азот является необходимым макроэлементом для растений, составляя многие органические соединения, включая белки и аминокислоты. Азот может быть найден во всех тканях растений, составляя немалый процент от общей массы растения (за этим в первоисточники, например "Минеральное питание растений" за авторством Битюцкого).
Уникальность азота в аквариуме состоит в том, что в отличие от других макроэлементов, типа фосфора или калия, азот может поступать в растение как в виде катиона (аммония), так и в виде аниона (нитрата). Итак, растения могут поглощать азот в следующих формах:
- [b]Аммонийный азот[/b]:
- является катионом (поглощение катиона вызывает отщепление H+ и понижением PH среды)
- очень прост в усвоении в плане энергозатрат (все остальные источники надо до этого аммония "добивать")
- является [b]токсичным[/b] даже для растений в больших концентрациях, а в малых токсичен и для гидробионтов (особенно при высоком PH), LD50 для гидробионтов может быть порядка 1мг/л для мальков при высоком PH, 10мг/л является уже однозначно крайне токсической дозой для любых гидробионтов
- [b]Мочевина[/b]:
- является источником аммония и углерода, не находятся в ионной форме (то есть, PH при поглощении не меняется)
- прост в усвоении аналогично аммонию
- для поглощения мочевины нужен фермент [b]уреаза[/b], содержащий никелевый кофактор, следовательно в воде должен быть [b]никель[/b] для эффективного питания мочевиной
- малотоксична сама по себе, но может поглощаться уреазами различных форм жизни (например, бактериями) с образованием аммония
- [b]Нитриты[/b]:
- не рассмариваются в контексте данного текста по причине высокой токсичности и низкой практичности применения
- [b]Нитраты[/b]:
- является анионом (поглощение аниона вызывает отщепление [i]*OH*[/i] или [i]*HCO3*[/i] и вызывает повышение PH и, в ряде случаев, повышение KH)
- трудны в энергетическом плане: растению нужно восстановить нитрат-ион последовательно до нитрита, а потом до аммония, это требует больших запасов энергии: восстановление нитрата выполняется ферментом [b]нитратредуктаза[/b], содержащий молибденовый кофактор (иногда возможно замещение молибдена ванадием или вольфрамом, но практического применения в этом нет), следовательно в воде должен быть доступный [b]молибден[/b] для эффективного питания нитратами
- могут [b]накапливаться[/b] в вакуолях растений, обеспечивая запас азота для роста
Исходя из вышеперечисленных пунктов, наиболее привлекательным кажется обеспечение азотным питанием через мочевину (токсичность низкая, поставляет кучу азота, да еще и углерод) в сочетании с нитратами. Но в этом случае нельзя забывать о последнем пункте: непотребленная мочевина "уйдет" в аммоний, который уже представляет проблему в плане токсичности. Так что "подсаживать" растения на мочевину нужно со строгим контролем потребления.
Второй момент - это доступность азота. Да, энергетически аммоний и в какой-то мере мочевина являются намного более выгодными, чем "тяжелый" нитрат. Но нельзя забывать, что одной из главных проблем травника являются водоросли. Об этом небольшая ремарка.
[color=#0000FF][u][size=115][b]Водоросли и азот.[/b][/size][/u][/color]
Водоросли могут питаться всеми источниками азота, что и высшие растения, а синезеленые "водоросли" (которые на самом деле бактерии) могут также фиксировать газообразный азот из атмосферы. Причем, для выполнения последней задачи, у СЗ есть циркадные ритмы: азотофиксация возможна только в анаэробных условиях, а поэтому совершенно несовместима ни с фотосинтезом, ни с циклом Кребса (дыханием). Насыщение воды кислородом (в том числе и в темную фазу), а также доступным нитратом или аммонием исключает азотофиксацию и исключает в какой-то мере СЗ из конкурентной борьбы, так как их фотосинтез менее продуктивен, чем фотосинтез других автотрофов.
Но вернемся к аммонию и нитрату Моя гипотеза заключается в одной простой вещи: так как редукция нитрата является сложным и энергозатратным процессом, то высшие растения, способные накапливать большой запас как нитратов, так и АТФ в специализированных тканях имеют возможность использовать [b]нитрат[/b] намного более эффекивно, чем талломы у водорослей. В разогнанном травнике энергии растениям хватает с избытком, поэтому поглощение азота в нитратной форме будет обеспечивать преимущество высшим растениям над низшими.
Поэтому хотя водоросли и растения могут потреблять азот во всех его формах, обеспечить высшим конкурентное преимущество над низшими по азоту можно, исключив аммоний, и оставив только нитрат (и, возможно, мочевину, если биофильтр с ней справляется до водорослей). И хотя это не является необходимым или достаточным условием для процветания высших, мне кажется, что это достаточно важный фактор.
[color=#0000FF][u][size=115][b]Аммиак и аммоний.[/b][/size][/u][/color]
Аммиак - это бесцветный удушливый газ с формулой NH3, очень ядовит для рыб, гидробионтов, в больших концентрациях ядовит для растений, а в экстремальных - для всего живого. В воде аммиак хорошо растворяется и частично диссоциирует (то есть, образует водные ионы) на аммоний с формулой NH3 + H2O <=> NH4+ - OH- (в ионной форме: катион NH4 и гидроксид-ион). Реакция эта является обратимой и зависит от PH среды: в кислой воде (PH < 7) равновесие реакции сильно смещается вправо в сторону аммония, в щелочной воде (PH > 7) равновесие все сильнее сдвигается влево. Ион аммония относительно безвреден, поэтому и аммиак в кислой воде в десятки раз более безопасен (будучи в форме иона аммония), чем в щелочной (будучи в форме растворенного в воде аммиака). Эта ремарка важна для понимания последующих процессов.
Резюмируя вопрос по азотному питанию растений: для высших растений достаточно [b]нитратного питания[/b], а все остальные формы азота можно применять только в железобетонно устоявшихся аквариумах, когда есть понимание и опыт борьбы с водорослями. Применение нитрата и аммония/мочевины совместно позволяет добиться очень быстрого и "нажористого" роста, но чревато самыми неприятными водорослевыми вспышками в случае любого дисбаланса.
[color=#0000FF][b][u][size=115]Азотный цикл.[/size][/u][/b][/color]
[b]Разобравшись с усвоением азота, перейдем к источникам азота в аквариуме, так как эти источники играют принципиальную роль в контексте фильтрации.[/b]
[b]В аквариуме есть несколько основных источников азота:
[/b]
- Жидкие удобрения (соли нитратов и аммония практически все растворимы, кроме экзотических соединений, с чем связана трудность аналитического определения тех же нитратов): нитрат калия, мочевина, нитрат аммония и другие
- Водопроводная вода: зачастую бывает загрязнена нитратами, а иногда содержит и аммиак в значимых количествах
- Жизнедеятельность гидробионтов, выделяющих аммиак или аммоний напрямую в воду (иногда мочевины, но это редкость в водном мире)
- Распад органических соединений: растений, трупов, остатков корма, древесины итд
Самыми непредсказуемыми и опасными являются два последних пункта, так как первый пункт полностью контролируется человеком, а второй надо просто учитывать и смириться с ним (или же применять обратный осмос). Разница между последними двумя источниками азота тоже принципиальная: распад органических соединений осуществляется деятельностью бактерий, грибов, архей, называемых обычно "сапрофитами". Конечным продуктом такого распада является аммиак (диссоциирующий на аммоний в зависимости от PH) и ряд других неорганических соединений: фосфаты, сульфаты итд. Этот процесс также расходует кислород и выделяет достаточно много CO2.
[color=#0000FF][b][u][size=115]Сапрофиты в аквариуме.[/size][/u][/b][/color]
К этим организмам относятся огромное количество различных бактерий, грибов, архей, которые разлагают органические вещества до неорганических. Сапрофиты живут везде: в субстрате, в воде, в воздухе, в фильтре - везде, где есть кислород и органические вещества. Сапрофиты очень быстро размножаются: удвоение популяции происходит за считанные минуты. То есть, поместив салфетку синтепона и погоняв через нее воду, мы получим довольную колонию сапрофитов на этой салфетке. Некоторые сапрофиты являются также облигатными паразитами, но оставим пока этот вопрос. Кроме этого, сапрофиты очень часто вступают в симбиотические отношения с автотрофами, обычно водорослями, но об этом чуть позже.
Самыми полезными с точки зрения растительного аквариума являются "стационарные" сапрофиты, которые сидят и жуют органику в каком-то одном удобном месте (и этим местом является, конечно же, фильтр, но об этом тоже позже). Плавающие в воде сапрофиты могут вызывать помутнение воды, выделяют аммоний прямо в воду, ну и вообще, неудобные товарищи. Вызвать их бурное размножение проще простого: достаточно капнуть в аквариум немного спирта, и бактериальная вспышка будет вам обеспечена, и вызвана она будет именно размножением плавающих сапрофитов, размножающихся на "халявных харчах" в геометрической прогрессии. Также вода часто мутнеет на старте аквариума, когда происходит сложная конкурентная борьба между разными видами бактерий, и равновесие может качнуться в любую сторону. Вообще, говоря о равновесии, надо понимать, что равновесие в биологической среде - это [b]локальный[/b] оптимум. Его можно представить, как мячик, который находится в небольшой ямке на холме: мячику выгоднее было бы с энергетической точки зрения скатиться с холма, но он лежит в ямке, полный нерастраченной потенциальной энергией, а чтобы скатиться с холма, нужен хороший такой пинок... Собственно, с равновесием сапрофитов (да и не только сапрофитов) происходит примерно то же самое: помутнение не является оптимальным с точки зрения биологической среды, но иногда, чтобы его убрать, нужен как раз такой пинок (например, избыточное внесение культур "правильных" сапрофитов с одновременной их подкормкой).
Сапрофиты также способны образовывать симбиотические отношение с автотрофами, например, с багрянками. В этом симбиотическом взаимодействии водоросль "делится" с бактериями сахарами, образующимися в ходе фотосинтеза, а бактерии поставляют водоросли такие вещества, как аммоний или же необходимые витамины. Такой симбиоз водорослей с сапрофитами сложился вынужденно, так как ряд водорослей требует витамин B12 (или другую форму хелата кобальта) для своей жизнедеятельности, но синтезировать самостоятельно этот B12 они не в состоянии. Таких водорослей, вообще говоря, довольно много. Но суть всего этого в том, что водоросли используют сапрофитов для разложения органики с целью получения аммония, а также для синтеза незаменимых веществ. Тут сразу же встает такой вопрос: а что если создать условия, чтобы сапрофиты не плавали, где попало, и не кормили бы всякие водоросли аммонием, а сидели бы в каком-то удобном месте.
Подходит ли для этого грунт? Подходит, но не лучшим образом: кислорода в пригрунтовом слое достаточно мало, а мы помним, что сапрофиты являются аэробными бактериями, хотя и анаэробы среди них тоже есть, но анаэробные дыхательные процессы - денитрификация и десульфатация - лежат далеко за пределами темы этой заметки. Кроме того, если возле грунта будет висеть "шапка" аммония, то это никак не поможет в организации здорового растительного аквариума. Этот вопрос разбирался выше в теме про минерализацию органики. Поэтому лучше всего, чтобы сапрофиты жили в фильтре, и вот тут можно перейти к первому тематическому вопросу: механической фильтрации.
[color=#0000FF][b][u][size=115]Механическая фильтрация.[/size][/u][/b][/color]
Целью механической фильтрации является очистка воды от органических и неорганических твердых примесей: частичек корма, листьев, частиц ила и так далее. На выходе идеального механического фильтра мы получаем воду, содержащую только крупые органические молекулы, аммоний и растворенные соли. В конечном итоге механическая фильтрация просто уменьшает конечный уровень нитратов на выходе биофильтра и ничего более. Ну а заодно механическая фильтрация уменьшает количество гетеротрофных организмов, забирая на себя часть их питания. То есть, это тоже такой способ за счет небольшого объема [b]часто обслуживаемого[/b] материала механической фильтрации сэкономить на объеме биофильтрации.
Промывать механический фильтр, учитывая скорость размножения сапрофитов, можно под водопроводной водой, усиленно выжимая и вычищая всю грязь и бактериальные пленки.
Материалы для механического фильтра выбираются из соображений удобности очистки и срока службы. Для внешнего фильтра очень удобно иметь на входе отдельный, легко обслуживаемый префильтр механической очистки воды. В некоторые внешники (например, Oase Biomaster) префильтр встроен в саму канистру, но в таком случае он не является легко конфигурируемым, а также "съедает" полезный объем канистры.
Вместо или же после мелкопористой губки иногда ставят синтепон, который поглощает самую мелкую взвесь. Но тут следует отметить, что механический фильтр не должен создавать излишне сильное сопротивление току воды по очевидным причинам, а любой сильно загрязненный элемент будет этот поток воды тормозить (в экстремальных случаях до нуля). Синтепон является в этом плане более опасны, чем губка, так как проникновение вглубь грязи в синтепоне ограничено парой сантиметров, а дальше через такой слой "гуано" воду не прокачает ни одна помпа. Отдельным технологическим решением является синтепон в шариках (например, от фирмы Sera), преимуществом которого является меньшая забиваемость и возможность многократного использования и стрики. В общем, ставить или не ставить синтепон - это больше вопрос возможности обслуживания. Если механический блок легко чистить, то имеет смысл поставить в него синтепон для задерживания самых мельчайших частиц взвеси.
Иногда в дополнение к синтепону применяется еще и микрофибра с зерном до 100мкм. К сожалению, салфетка микрофибры имеет толщину проникновения грязи в доли миллиметра, после чего становится полностью непроницаемой для потока воды. Хотя задачу тончайшей очистки воды, в том числе от спор водорослей и некоторых простейших, микрофибра выполняет (ценой собственной жизни - это одноразовый наполнитель).
[b]Важными свойствами механического фильтра являются следующие параметры:[/b]
- равномерность загрязнения: для этого пористость фильтра увеличивается с током воды
- равномерность потока воды по площади: чтобы не было "грязного пятна" при чистой части губки
- отсутствием "байпассов": вода должна проходить через [b]все[/b] наполнители по порядку, не должно быть коротких путей ни при каких обстоятельствах
- минимальный размер частиц на выходе: понятно, что с синтепоном и особенно микрофиброй мы фильтруем более мелкие частицы, но частота обслуживание и замедление потока будут, соответственно, усиливаться
- обслуживаемость: выжать губки и прополоскать кольца намного проще, чем менять одноразовые синтепон и микрофибру (хотя с точки зрения производителей синтепона и микрофибры, лучше бы мы их использовали побольше, да)
[b]Итак, резюмируя раздел про механическую фильтрацию, можно сказать следующее:[/b]
- Цель механической фильтрации в задерживании крупных органических и неорганических твердых частиц в воде
- Механическая фильтрация обязательно сопровождается работой сапрофитов, которые в богатой кислородом среде быстро разрушают органические останки вначале до взвеси и крупных органических молекул, а затем и до аммония
- Механическая фильтрация постоянно и "интрузивно" обслуживается при чистке фильтра, но так как сапрофиты умеют быстро восстанавливать свою популяцию, то это не является проблемой
- На выходе механической фильтрации должна быть визуально "чистая" вода, обогащенная органическими молекулами и аммонием
Из последнего пункта следует важный вывод: [i]только механическая фильтрация[/i] выдает поток воды с кучей аммония и недоразложившейся органики, мало полезных для рыб и гидробионтов, а также очень привлекательного и для растений, и особенно для водорослей. Если мячик скатился с горы, и растения в аквариуме "задушили" водоросли, то этот аммоний будут потреблять растения и расти. Если мячик лежит в ямке, и баланс водоросли-растения должным образом не установлен, то аммонийный азот может проделать эту ямку глубже и вызвать процветание водорослей. Если не растут-колосятся ни водоросли, ни растения, то возможны отравления гидробионтов аммиаком (или нитритами, но об этом позже). Такая ситуация возможна при экстремальных параметрах воды, слабом освещении, недостатке CO2 или же O2 в воде.
[b]Таким образом, исключительно механическая фильтрация является недостаточной без живых растений, а также весьма опасной в травнике, где присутствие аммония в воде может вызвать серьезные проблемы.
Чтобы исключить эту ситуацию, механический фильтр должен направлять воду далее, в блок или систему биофильтрации. Но между этими блоками также можно размещать и химическую фильтрацию.[/b]
[color=#0000FF][b][u][size=115]Химическая фильтрация.[/size][/u][/b][/color]
Химическая фильтрация - это способ "поправить" ситуацию с водой путем различных химических адсорбентов. Химические наполнители выполняют узкую функцию, зачастую не восстановимы, а иногда способны "испортить" воду, особенно в травнике. Но в ряде случаев применение химических наполнителей оправдано. В основном применяются следующие химические наполнители:
- [b]Активированный уголь[/b]: удаляет из воды тяжелые металлы (медленно), органические красители, хлор, мало влияет на уровень органического загрязнения, практически не влияет на многие неорганические соли, в том числе и аммоний. Не восстанавливается, заменяется через неделю-месяц использования. При длительном использовании колонизируется бактериями и превращается в биосубстрат, аналогичный аквариумному грунту в фильтре.
- [b]Поглотители фосфатов и/или силикатов[/b]: одноразовые абсорбенты фосфатов и силикатов. Поглотители силикатов полезны, если в исходной воде силикатов много, это вызывает бурный рост диатомных водорослей, а с осмосом как-то не срослось. Минус таких средств в том, что они не восстанавливаются, а только заменяются. Смысла в травнике в таком наполнителе нет.
- [b]Поглотители нитратов[/b]:это уже ионнообменные смолы, которые меняют ион нитрата на ион хлорида. Восстанавливаются в растворе поваренной соли, но тот факт, что вместо нитрата выделяется хлорид, делает такой наполнитель не только бесполезным, но и крайне вредным для травника - растениям совершенно не нужен хлорид в таких количествах, а нитрат наоборот - критически нужен.
- [b]Seachem Purigen[/b]: наполнитель, который поглощает крупные молекулы органических красителей, в том числе очень трудноразлагаемые, типа гумматов и танинов. Восстанавливается обычной бытовой хлоркой, почти не влияет на неорганические соли, включая соли и хелаты тяжелых металлов. Применим и полезен в травнике, особенно с большими корягами. Минус - цена и доступность.
Некоторые специалисты советуют ставить блок химической фильтрации после биологической фильтрации, на самом выходе фильтра. Но при таком методе эффективность, например, цеолита, становится чуть выше, а эффективность Seachem Purigen - наоборот, ниже. Я считаю, что допустимы оба варианта, тем более, что вся химическая фильтрация является исключительно опциональной, особенно в травнике.
[color=#0000FF][b][u][size=115]Биологическая фильтрация.[/size][/u][/b][/color]
Мне лично кажется, что эта стадия фильтрации является наиболее важной в любом аквариуме: как растительном, так и "рыбном". На данной стадии крупные органические молекулы доразлагаются сапрофитами на аммоний, аммоний (и в большей мере аммиак), но самое важное происходит дальше: аммоний/аммиак поглощаются специальными организмами (бактериями или же археями), которые осуществляют окисление аммиака до нитрита. Этот процесс потребляет воду и кислород. Дальше нитрит ион потребляется другими бактериями и окисляется до нитрат иона с потреблением кислорода. Таким образом, это двухстадийный процесс через промежуточный нитрит-ион (на самом деле недавно обнаружена бактерия - Nitrospira sp., которая может окислять аммиак прямо до нитрата, и соответствующий процесс - Coammox). В молодых аквариумах сплошь и рядом встречается ситуация, когда вторая стадия нитрификации работает хуже, чем первая из-за большей "капризности" нитрификаторов второй стадии, но я не хочу на этом акцентировать внимание, так как оно далеко за рамками обсуждаемой темы.
[b]Итак, какие же известны факты о нитрификаторах:
[/b]
- Нитрификаторы повсеместны: они присутствуют в воздухе, в земле (особенно много), в воде
- Нитрификаторы не образуют спор, так что сохранение их культур представляет собой определенную проблему, но при этом нитрификаторы могут "засыпать" без питания и находиться в таком состоянии довольно долго (месяцы и даже годы)
- Нитрификаторы образуют статичные колонии на субстрате, в толще воды нитрификация не идет
- Нитрификация требует большого количества кислорода
- Нитрификаторы достаточно медленно размножаются - скорость удвоения колонии примерно сутки, для второй стадии еще медленнее, примерно в 4-5 раз
Также нельзя сказать, что есть какой-то определенный вид нитрификаторов: существует много видов бактерий и архей, которые находятся в постоянной конкурентной борьбе, и небольшие колебания условий (того же PH или температуры) вызывают перераспределение ресурсов среди видов бактерий. Но при достаточном биологическом разнообрази бактерий это неважно.
Кроме того, нитрификаторы живут в колониях совместно с сапрофитами, которые поставляют нитрификаторам неорганическое питание. Эти колонии в виде бактериальных пленок на поверхности легко разрушить механически, например, излишне усердно промывая биологический блок фильтрации. Так что не рекомендуется делать такую промывку слишком часто, особенно на этапе становления нитрификации в аквариуме, а также не рекомендуется промывать сразу весь биофильтр - лучше промыть половину, а другую половину не трогать до следующего обслуживания. Те же принципы применимы и к замене субстрата биофильтра: менять его полностью не стоит, лучше менять его частями, сохраняя по максимуму [b]структуру[/b] бактериальных колоний.
Нитрификаторы также живут и в грунте, но по причинам, описанным выше в разделе про механическую фильтрацию, гораздо лучше делать нитрификацию на выходе механического фильтра. При этом механический фильтр замедляет забивание субстрата биофильтрации илом и частицами, увеличивая интервалы его обслуживания/замены, а, как сказано выше, это увеличивает эффективность нитрификации (и снижает боль от обслуживания биосубстратов).
[b]Любая биофильтрация в аквариуме лимитирована следующими факторами (по принципу бочки Либиха):[/b]
- Доступность аммония (нет еды, нет нитрификации)
- Доступность кислорода (так называемая "биологическая потребность в кислороде")
- Доступность субстрата для колонизации
Естественно, в любом устоявшемся аквариуме без [i]печальных астронотусов[/i] в 30л основным лимитирующим фактором является доступность аммония. И это же является пределом развития любого биофильтра. Хотя учите тот факт, что нитрификаторы не помирают от недостатка питания, а только прекращают активное размножение, так что если при запуске нитрифкаторы хорошо "прокачаны", то впоследствие они спокойно вынесут и снижение уровней приходящего аммония.
С другой стороны, учтите что если вы любите "запускать" пустые аквариумы стоять по месяцу, надеясь на становление нитрификации, то такое стояние никак не развивает полезную бактериальную флору. Кроме этого, так как аммоний является лимитирующим фактором, то развитие нитрификации на старте в грунте при наличии внешнего фильтра становится очень слабым - бактериям просто выгоднее селиться там, где проходит много воды с пищей (аммоний) и кислородом, то есть, на субстратах внешнего фильтра. Колониям же в грунте с хорошим внешником не достается практически ничего, поэтому аквариум становится в какой-то мере очень зависимым от работы внешнего фильтра.
Кроме того, во внешнем фильтре также важны и оставшиеся два лимитирующих фактора: доступность кислорода и доступность субстрата.
Доступность кислорода во внешнике обеспечивается наличием кислорода в воде, что редко проблема для травника, кроме как ночью - ночью весьма полезно включать дополнительную аэрацию или же турбулентное течение.
Ну и третий фактор доступности субстрата вызывает острые споры о "лучшем бионаполнителе".
Замечу, что основным параметром биофильтра является его [b]объем[/b]! То есть, если вы можете поставить условное ведро на 1/10 объема аквариума и прикрутить сбоку помпу, которая качает по 5-10 объемов аквариума через это ведро, то наполнителем может быть что угодно: дорогущая фирменная керамика, крупнопористая губка, поролоновый мат, нарезанные коктейльные трубочки, да хоть старые носки или булыганы лавы - это все совершенно непринципиально.
По заявлениям производителей, у специализированных субстратов больше эффективная площадь поверхности за счет пор, но насколько глубоко проникают бактериальные пленки и богатая кислородом вода, - это большой вопрос, и по результатам опытов, похоже, все это просто чушь. В любом случае, при достаточном большом объеме внешника достаточно применять простые наполнители. В целом, критерий "незабиваемости" и максимальной [b]омываемой[/b] поверхности - это самое важное. То есть, наполнитель должен быть достаточно "рыхлым", чтобы было где селиться сапрофитам и нитрификаторам, но при этом предоставлять максимальную площадь поверхности. Этому критерию лучше всего соответствуют крупнопористые губки, пластиковые мочалки для посуды, пластиковые сетки или же пластиковые кольца. Хотя при небольшом количестве углерода относительно азота (например, чистый рыбник без перекорма) будут хорошо работать и пористые материалы - ведь мы помним, что нитрификаторам нужно намного меньше места, чем разлагающим органику гетеротрофам. Так что в травнике лучше всего остановиться на кропнопористых губках, а если они забиваются, то посмотреть на сетки, мочалки или же пластиковые кольца.
Если же объем меньше, то приходится задумываться о более эффективном его использовании. Для небольшой бионагрузки сгодятся и губки, а для более серьезной уже лучше применить керамику, вспененное стекло или же пористые камни (пемза, лава итд). Керамика и стекло имеют большую пористость, чем большинство природных материалов, но забиваются тоже быстрее, иногда невозобновимо. Природные материалы могут быть "вечными", но несколько менее эффективны в плане площади поверхности, хотя тут возникает все тот же вопрос, насколько эффективно могут работать "глубокие" и тонкие поры. Логика подсказывает, что богатой кислородом и питанием воды глубоко в порах быть не может - все съедают по дороге, а возобновление занимает долгое время из-за крайне низкой скорости воды через такие поры. Несколько более интересны глубокие поры для процессов денитрификации - [b]анаэробных[/b] процессов, приводящих к восстановлению нитратов до газообразного азота. Но случае растительного аквариума денитрификация - это, скорее, вредный процесс, конкурирующий за нитраты с растениями. В целом, пористые материалы добавляют полезной площади для нитрификаторов при том же занимаемом объеме, но явно не настолько хорошо, как написано в рекламных проспектах к ним, по крайней мере, в контексте аэробной нитрификации.
[color=#0000FF][b]Резюмируя данный раздел, можно сказать следующее:[/b][/color]
- Биофильтрация очень помогает в травнике сместить баланс растения - водоросли в сторону растений за счет нитрификации.
- Биофильтрация не любит изменения параметров.
- Биофильтр может сопровождаться механической фильтрацией на входе, что сокращает требования к объему этой самой биофильтрации, но усложняет обслуживание фильтров
- Субстратом для биофильтрации может быть любой материал, но весь вопрос в его [b]омываемой[/b] площади поверхности и забиваемости
- Больший объем фильтра всегда лучше мелкого, но размер можно немного компенсировать более удачными субстратами (без "[i]серебряной пули[/i]", впрочем)
- Обслуживать биофильтр лучше как можно реже и желательно по частям.
[color=#0000FF][b][size=115]Собственно, на этом пока все в рамках данной темы. Надеюсь, что изложенный материал окажется кому-то полезным, а также всегда рад рассмотреть замечания, исправления и предложения.[/size][/b][/color]
[timg]https://fotos.leoangel.info/images/2024/06/12/AOThG.jpg[/timg]