Полезные бактерии в аквариуме

[Leo Angel]

Полезные бактерии в аквариуме

Ремарка

Очень интересный взгляд на жизнь популяций бактерий в аквариуме. Статья большая и достаточно сложная, особенно, для новичков. Поэтому рекомендую её к прочтению уже достаточно опытным аквариумистам. Но при этом статья очень интересная и познавательная.

Существует несколько основных типов "полезных бактерий", участвующих в окислении аммиака до относительно безопасного нитрата в пресноводном аквариуме. Учёные называют эти организмы "нитрифицирующими" бактериями (AOBs) и археями (AOAs). Вместо того, чтобы вдаваться в долгие рассуждения о бактериях и археях, мы будем использовать термин "полезные бактерии" как для нитрифицирующих бактерий, так и для нитрифицирующих архей. Ниже в этой статье мы попытаемся объяснить сложную научную сторону этих "полезных бактерий" (beneficial bacteria - BB).

Обратите внимание, что нитрифицирующие "полезные бактерии" — не единственные "полезные бактерии". В других источниках мы определяем гетеротрофные бактерии, обитающие на поверхностях внутри фильтра, как "полезные бактерии". Здесь же мы обычно говорим только о нитрифицирующих бактериях и археях.

Эта информация не нужна для создания новых аквариумов или обслуживания уже существующих. Но некоторые любят углубляться в науку. Читайте дальше, если вам это интересно. Только будьте готовы к очень скучному и нудному изложению, которое будет интересно только настоящим гикам, таким как автор.

С точки зрения чистой науки существует целый ряд "полезных бактерий", и с каждым годом их открывают все больше.

"Аммиакокисляющие археи и полностью аммиакокисляющие Nitrospira в системах очистки воды", Аль-Аджиль, 2022 г.

Последовательные этапы этого дыхательного процесса осуществляются различными группами микроорганизмов, включая аммиакокисляющие бактерии (ammonia-oxidizing bacteria - AOB) и археи (archaea - AOA), нитритокисляющие бактерии (nitrite-oxidizing bacteria (NOB) и недавно обнаруженные представители рода Nitrospira, осуществляющие полное окисление аммиака (комаммокс). Несмотря на то, что все эти нитрификаторы были идентифицированы в системах очистки воды, их относительный вклад в круговорот азота изучен недостаточно. Хотя АОА способствуют нитрификации на многих очистных сооружениях сточных вод, их численность, как правило, уступает численности AOB. Напротив, AOA и комаммокс Nitrospira обычно доминируют в средах с относительно низким содержанием аммиака, таких как системы очистки питьевой воды, третичные системы очистки сточных вод и фильтрация в аквакультуре/аквариуме.

"Полезные бактерии" отвечают за так называемый азотный цикл в аквариуме. Эти бактерии растут и размножаются ТОЛЬКО на поверхностях, они НЕ растут и не размножаются, свободно плавая в аквариумной воде (это очень старый миф об аквариумах). Некоторые из этих "полезных бактерий" осуществляют окисление аммиака в два этапа. Первый этап — окисление аммиака (NH₃) до нитрита (NO₂) (AOB и AOA). Затем нитрит (NO₂) окисляется до нитрата (NO₃)(NOB), который гораздо менее токсичен, чем аммиак или нитрит. Некоторые бактерии осуществляют это окисление в один этап (comammox Nitrospira ).

Поскольку эти химические процессы являются реакциями с очень низкой энергией, этим "полезным бактериям" требуется огромное количество молекул всех химических веществ для метаболизма. Им необходим так называемый "турбулентный поток воды", чтобы доставить эти вещества к поверхности бактерий в нужном количестве. Всем "полезным бактериям", участвующим в этом окислении аммиака, для процветания необходимы кислород (более 80% насыщения водой), углекислый газ и аммиак. Кроме того, всем им нужна поверхность, на которой они могли бы удержаться, поскольку ни одна из них не может размножаться в режиме свободного плавания. Все они, без исключений , размножаются очень медленно .

Обратите внимание, что термин "поверхности" включает в себя поверхность биофлока и мульмы. Поэтому на мульме, свободно плавающей в воде, может находиться небольшое количество полезных бактерий. В аквариуме это встречается крайне редко.

Эти "полезные бактерии" называются "облигатными автотрофами" или "облигатными хемотрофами". Это означает, что эти бактерии не могут питаться "обычной" пищей, а именно белками и углеводами. Эти бактерии ОБЯЗАНЫ (обратите внимание на термин "облигатные"!) питаться химическими веществами (вот и термин "хемотрофы"), а именно тремя: газообразным аммиаком (NH₃), карбонатом (CO₃) и кислородом (O₂). Они используют эти вещества для построения белков и других компонентов своего тела.

Поскольку эти бактерии питаются этими тремя химическими веществами, любое увеличение их количества увеличит скорость размножения полезных бактерий. Таким образом, требуемое время цикла аквариума теоретически можно сократить на:

• Добавление большего количества аммиака (NH₃)
• Добавление большего количества карбонатов (CO₃)
• Добавление большего количества кислорода (O₂)

Но эффект от добавления любого из этих веществ гораздо меньше, чем утверждает популярная "наука". Большинство исследований полезных бактерий основано на очистке сточных вод. Очистка сточных вод — это совсем не то же самое, что окисление аммиака в аквариуме. Например, многие расхваливают преимущества биоколёс в фильтрах. Биоколёса основаны на использовании круглых аэрационных дисков для очистки сточных вод. Утверждается, что, поскольку кислород играет важную роль в окислении аммиака, необходимо большое количество кислорода, которое обеспечивает биоколёса.

Но даже во время цикла, когда можно добавлять 2 ppm аммиака в день, для окисления аммиака за один день потребуется всего 2 × 3,6 = 7 ppm кислорода. 7/24 = 0,3 ppm в час. Любая хорошая аэрация добавит в аквариум от 1 до 10 ppm кислорода в час. Таким образом, в аквариуме кислород НЕ является ограничивающим фактором, и добавление кислорода с помощью чего-то вроде биоколеса не сильно поможет. На очистных сооружениях концентрация аммиака может достигать 40 ppm при времени пребывания в часах, что совершенно иная ситуация. Тем не менее, мы настоятельно рекомендуем использовать ОЧЕНЬ мощную аэрацию во время цикла.

Поскольку "полезным бактериям" требуется скорость потока, превышающая скорость, наблюдаемую в большинстве аквариумов, исследования ("Временная и пространственная стабильность архей и бактерий, окисляющих аммиак, в аквариумных биофильтрах", Bagchi et. al., 2014) показали, что от 80% до 84% "полезных бактерий" в аквариуме находятся в фильтрующем материале. Грунт, стенки аквариума и декоративные элементы вносят лишь 16–20% вклада в окисление аммиака и обеспечение чистоты воды. А в очень хорошо фильтруемом аквариуме с кристально чистой водой этот дисбаланс будет ещё более существенным, скорее, 95% на 5%.

Но помните, что матушка-природа весьма гибка. Можно заставить субстрат и украшения в аквариуме выполнять функцию биофильтрации. Если, например, использовать в аквариуме только губчатые фильтры и тщательно промывать их под проточной водой раз в неделю, субстрат и украшения станут биофильтром. Это вполне приемлемый способ. Но не пытайтесь повторить это с более плотным наполнителем.

Мифы о полезных бактериях

Существует несколько очень устоявшихся мифов о полезных бактериях, которые постоянно повторяются в социальных сетях.
Вот они:

1. Полезные бактерии — единственные полезные организмы в фильтре
2. Полезные бактерии быстро погибают без пищи
3. Высокий уровень нитрита подавляет рост
4. Высокий уровень аммиака подавляет рост
5. Существуют особые штаммы полезных бактерий
6. Полезные бактерии перестают размножаться в конце цикла
7. Добавление большого количества новых рыб в давно существующий фильтр приведет к подавлению ограниченного количества полезных бактерий.
8. "Бактериальное цветение" — это полезные бактерии

ВСЕ эти мифы просто не соответствуют действительности!

Ниже мы рассмотрим эти мифы более подробно.

Миф №1: Полезные бактерии — единственные полезные организмы в фильтре

Благие, но неинформированные пользователи социальных сетей утверждают, что "полезные бактерии", то есть нитрифицирующие бактерии и археи, окисляющие аммиак, — единственные важные организмы в биоплёнке. Они утверждают, что для удаления аммиака из воды достаточно ТОЛЬКО достаточной площади поверхности фильтра. Но в аквариуме есть и множество других полезных организмов, помимо нитрифицирующих бактерий. От поставщика пены Poret (Swiss Tropicals).

Коричневый ил в фильтре по большей части живой, а не просто отходы. Удаление этого ила приносит больше вреда, чем пользы. Фильтрующий материал не предназначен для отфильтровывания частиц из воды, как это часто предполагается. Он служит средой обитания для огромного множества микроорганизмов, включая бактерии, археи, червей, инфузорий, жгутиконосцев и многих других. Эти микроорганизмы живут в сообществе, основанном на биопленках. Биопленки создаются бактериями, которые секретируют внеклеточное полимерное вещество (ВПС), часто называемое "слизью". Сообщество образует биореактор, который перерабатывает отходы и превращает их в пищу и энергию для своих членов, а в конечном итоге — в органические или неорганические продукты, которые затем используются растениями, испаряются или удаляются при подменах воды. Создание такого "фильтрующего сообщества" занимает значительное время, поэтому очень важно не нарушать его без необходимости.

Это, вероятно, самое разумное заявление, которое когда-либо делал поставщик аквариумной продукции.
Как упоминается в статье Порета, в большинстве биоплёнок аквариумного фильтра содержится множество полезных организмов. Эти организмы продолжают активно расти и размножаться даже после того, как фильтр достигает технического определения "циклического".

Утверждения о том, что нитрифицирующие бактерии — единственные важные организмы, упускают из виду, что тщательная фильтрация — ключ к кристально чистой воде и здоровью рыб, поскольку она удаляет из воды бактерии и растворённые органические соединения. Гетеротрофные бактерии в коричневом налёте в фильтре удаляют из воды растворённые органические соединения. Это очень важно для здоровья рыб.

А ещё существует множество коловраток и инфузорий, которые питаются бактериями в толще воды, когда те попадают через них из аквариума. Благодаря уменьшению количества бактерий в толще воды вода становится кристально чистой, а рыбы, что ещё важнее, очень здоровыми. Для кристально чистой воды требуется примерно в двадцать раз большая площадь поверхности, чем для окисления аммиака.

Вот интересная диаграмма:


Судя по этой диаграмме, биофильтрация составляет 80% успеха.

Как уже упоминалось выше, "полезные бактерии" или "нитрифицирующие бактерии" — это автотрофные организмы, питающиеся такими химическими веществами, как аммиак и нитрит. Другая крупная категория организмов — гетеротрофные организмы, питающиеся углеводами, белками, растительными и животными веществами. Интересно рассмотреть вышеприведённую диаграмму ещё подробнее:


Это дает представление о том, насколько важны гетеротрофные организмы в фильтре.

Миф №2: Полезные бактерии быстро погибают без пищи

Существует миф, распространяемый многими благонамеренными, но неинформированными людьми в социальных сетях, о том, что "полезные бактерии" погибают, если не есть хотя бы раз в день. Это неправда: без пищи "полезные бактерии" могут жить от нескольких месяцев до многих лет. См. "Стратегии аэробных аммиакокисляющих бактерий в борьбе с колебаниями питательных веществ и кислорода", Geets et al., 2006:

"Клетки Nitrosomonas europaea, которые в течение недель, месяцев или даже почти года испытывали недостаток аммиака, смогли восстановить свою аммиакокисляющую активность в течение нескольких минут в экспериментах с партиями и ретентостатом (Wilhelm et al., 1998; Tappe et al., 1999; Laanbroek & Bär-Gilissen, 2002)"

В книге "Выделение и изучение нитрифицирующих бактерий" У. Гиббс (1919) обнаружил, что нитрифицирующие бактерии (BB), или полезные бактерии (в научном смысле это "аэробные нитрифицирующие бактерии"), сохраняли свою активность в герметично закрытой бутылке, наполненной воздухом и влагой, в течение семи лет. BB — очень примитивный, аэробный организм с низким метаболизмом. BB не погибают за месяцы или годы без пищи. Им достаточно лишь поддерживать влажность и доступ воздуха.

Важно отметить, что Гиббс поместил влажную неорганическую почву в бутылку с большим количеством воздуха. Соотношение воздуха и органического материала имеет значение. При небольшом количестве воздуха и большом количестве органики уровень кислорода упал бы ниже уровня, необходимого для выживания полезных бактерий. В бутылке Гиббса они бы погибли.

Обратите внимание, что, хотя высыхание полезных бактерий, по-видимому, снижает их эффективность, существуют отдельные свидетельства того, что высыхание не убивает полезные бактерии. Многие сообщают об очень быстром цикле роста, когда в новом аквариуме используются украшения или гравий, которые не были влажными в течение нескольких месяцев.

Если в канистровом фильтре перекрыт поток воды, он может "испортиться" (появится неприятный запах гнилой пищи) в течение нескольких часов или дней из-за недостатка кислорода в воде из-за большого количества органических веществ. Токсины, вырабатываемые бактериями при низком уровне кислорода, убивают полезные бактерии. Поэтому, если фильтр необходимо закрыть, его необходимо открыть и дать воде просохнуть.

Миф №3: Высокий уровень нитрита подавляет рост

Ещё один миф о полезных бактериях заключается в том, что их рост подавляется при концентрации нитрита более 9 ppm. Этот миф возник из-за неверного понимания термина "консервант". Нитрит натрия добавляют в некоторые продукты питания (например, в салями и пепперони) в качестве "консерванта" в концентрации 9 ppm. Кто-то в далёком прошлом заметил это и предположил, что нитрит натрия подавляет рост бактерий. Следовательно, 9 ppm нитрита в аквариуме остановят рост полезных бактерий.

Нитрит натрия, "консервант", входящий в состав вяленого мяса, служит для "сохранения" цвета. Он не оказывает никакого воздействия на бактерии. Нитрит связывается с гемоглобином в крови мяса и образует устойчивый красный цвет. Поэтому вяленое мясо не сереет.

На самом деле оптимальный уровень нитрита составляет примерно 200 ppm для культивирования полезных бактерий по данным Gibbs 1919, Lewis 1958, Olah 1993, Tappe 1996, Willke 1996, Du 2003, Grzesiak 2017 и Kasmurik 2018.

Миф №4: Высокий уровень аммиака подавляет рост

Похожий миф существует и в отношении аммиака. Один из интернет-источников утверждает:

"Ещё раз обратите внимание на уровень аммиака. Уровень выше 5 ppm может отравить бактерии, окисляющие нитрит. Уничтожение этой колонии бактерий продлит процесс цикла".

Этот, созданный с благими намерениями, веб-источник просто ошибался. На самом деле, согласно Гиббсу (1919), Льюису (1958), Олаху (1993), Таппе (1996), Вилке (1996), Ду (2003), Гржесяку (2017) и Касмурику (2018), оптимальный уровень аммиака составляет около 400 ppm для культивирования всех штаммов полезных бактерий.

В статье "Семейство Nitrobacteraceae", Уотсон и др., 1981,

"Большинство штаммов нитрифицирующих бактерий оптимально растут при концентрации субстрата 1–25 mM",

1–25 mM аммиака составляет от 16 до 400 ppm, оптимальная концентрация аммиака по Уотсону.

Разъяснение

mM — это сокращение от миллимоль, единицы измерения химической концентрации. В химии миллимоля (мМ) означает одну тысячную моля. Поэтому, когда говорят о концентрации субстратов в миллимолях, например, 1–25 мМ, это указывает на количество вещества (в данном случае субстрата), растворенного в объеме раствора, выраженное в тысячных долях моля.

Доктор Тим рекомендует не превышать концентрацию аммиака в 5 ppm, поскольку это подавляет рост полезных бактерий. Доктор Тим основывает это утверждение на "работе", соавтором которой он является, в которой были идентифицированы различные штаммы полезных бактерий, процветающие при низких, а не при высоких концентрациях аммиака ("Идентификация бактерий, ответственных за окисление аммиака в пресноводных аквариумах", Тимоти А. Хованец и др., 2001). В этой работе говорится, что биореакторы, культивирующие полезные бактерии при концентрации аммиака от 5 до 10 ppm, дают иной видовой профиль бактерий, чем реакторы, культивирующие их при концентрации аммиака от 40 до 60 ppm.

"Доклад" был подготовлен частной компанией, ориентированной на получение прибыли (для меня это ВСЕГДА тревожный сигнал!) и содержал множество очевидных недостатков. В частности, в докладе НЕ были исследованы промежуточные уровни (то есть от 10 до 40). Также не проверялось, способны ли 40–60 полезных бактерий окислять аммиак в диапазоне от 0 до 5 ppm. Поэтому использовать этот доклад в качестве основания для утверждения о том, что "5 ppm аммиака подавляют рост полезных бактерий", просто неверно.

Согласно статье "Ингибирование нитрификации аммиаком и закисью азота", Антонисен и др., 1976 г.:

"Ингибирование нитрификации аммиаком или нитритом, как правило, не является проблемой при очистке бытовых сточных вод".

Учитывая, что уровень аммиака в бытовых сточных водах достигает 40 ppm, а нитрита — 80 ppm, что намного выше, чем в аквариуме, уровень аммиака или нитрита в аквариуме не будет препятствовать нитрификации.

Чтобы проверить утверждение доктора Тима об аммиаке, был проведён следующий эксперимент:

Абстрактный

Был проведён эксперимент, чтобы определить, какие добавки аммиака лучше всего подходят для поддержания водного баланса в аквариуме. Результаты показали следующее:

• Испытание показало, что применение режима доктора Тима, при котором аммиак добавляется только при достижении уровня 0,5, увеличивает время цикла на 11 дней по сравнению с добавлением аммиака в концентрации 2 ppm в день.

Обратите внимание, что этот тест намеренно был сделан достаточно простым, чтобы любой мог легко повторить его при желании. Строгий научный тест в лабораторных условиях не может быть повторен ни одним любителем, поэтому этого не было сделано. Этот тест не предназначался для публикации в каких-либо научных журналах. Но огромная разница в результатах тестов делает выводы безошибочными и весьма обоснованными, даже если научные данные не столь строгие, как хотелось бы некоторым.

Испытательное оборудование:

• Ведра Home Depot на пять галлонов
• 100 граммов хлорида аммония BASF, растворенного в одном галлоне дистиллированной воды
• воздушные насосы и воздуховоды
• мини-губчатые фильтры

Процедура испытания:

Было подготовлено 6 вёдер с водой, очищенной методом обратного осмоса. В каждое ведро была добавлена ​​щепотка фосфата калия, поскольку предыдущие испытания показали необходимость добавления только аммиака. После недельного отстаивания вода имела естественный уровень pH около 6,8 при KH = 0.

В трёх вёдрах (контрольных) ничего не делалось, и ежедневно добавлялось 2 ppm аммиака. Содержание аммиака в вёдрах достигало 14, 18 и 20 ppm, что было проверено методом разбавления.
В трех ведрах был pH 6,8 и добавлен аммиак согласно указаниям доктора Тима, т.е. добавляйте аммиак до уровня 2 ppm только тогда, когда уровень аммиака упадет до 0,5 или ниже.
Затем вёдра циклично перемешивались. После этого вёдра ежедневно проверялись на содержание аммиака и нитритов.

Результаты

Определив нулевой уровень (технически это меньше или равно 0,25 ppm) аммиака и нитрита в течение двух дней (два показания) как циклический, были получены следующие результаты:


Этот тест показал, что режим внесения аммиака доктором Тимом обеспечивал среднюю продолжительность цикла на 11 дней больше, чем при ежедневном внесении аммиака в дозе 2 ppm. Это неудивительно. Полезные бактерии, как и все примитивные организмы, размножаются со скоростью, прямо пропорциональной количеству пищи. Режим доктора Тима подразумевает, что в аквариуме в среднем содержится примерно 1,1 ppm аммиака, тогда как режим внесения 2 ppm обеспечивает в среднем около 6-8 ppm. Таким образом, режим внесения 2 ppm протекает быстрее.

Миф №5: Существуют особые штаммы полезных бактерий

Как обычно, некоторые усомнятся в этих восьми научных статьях восьми докторов наук о максимально допустимых уровнях аммиака и нитрита в аквариуме во время цикла. Они скажут, что эти исследователи не использовали тот тип полезных бактерий, который встречается в аквариуме. Кроме того, аквариумным видам полезных бактерий требуются более низкие концентрации.

Во-первых, все виды практически повсеместно распространены и встречаются повсюду. Одни и те же виды встречаются в аквариумах, прудах, почве и на очистных сооружениях. Точный состав видов будет варьироваться в зависимости от концентрации аммиака и химического состава воды, но всегда будет много видов, способных окислять аммиак.

Во-вторых, инокулянтом для сред практически во всех этих университетских исследованиях служит почва. Почва содержит лишь ничтожно малые количества аммиака и нитритов, значительно ниже 1 ppm. Поэтому полезные бактерии, культивируемые в университетах, живут и размножаются при очень низких концентрациях аммиака.

Многие производители "бактерий в бутылке" утверждают, что выращивают "особые штаммы" нитрифицирующих бактерий. Это просто чушь. Вырастить какой-то один штамм или несколько штаммов любой конкретной нитрифицирующей бактерии очень сложно. Небольшие количества лиофилизированных чистых культур нитрифицирующих бактерий можно купить за 200–400 долларов. Этих чистых культур не будет в бутылке бактерий за 15 долларов.

Миф №6: Полезные бактерии перестают размножаться в определенный момент

Ещё один миф о полезных бактериях — это представление о том, что полезные бактерии перестают размножаться при достижении определённой пищевой нагрузки. Один благонамеренный, но неосведомлённый комментатор в социальных сетях сделал следующее утверждение, которое на первый взгляд может показаться разумным:

Избыточная фильтрация на самом деле — расточительство. Нитрифицирующие бактерии, обычно называемые "BB" или колония полезных бактерий, будут расти только до размера, соответствующего их источнику питания, то есть бионагрузке. Бионагрузка, очевидно, формируется из отходов жизнедеятельности рыб и любого обычного несъеденного корма (которого не должно быть при правильном кормлении рыб). Колония BB вырастет ровно настолько, чтобы потреблять производимое количество отходов. Ни больше, ни меньше. Поэтому чрезмерная фильтрация технически невозможна.

Это объяснение некорректно, поскольку содержит фундаментальное заблуждение о том, как живут и размножаются бактерии. Подумайте об этом так. Полезные бактерии получают пищу и размножаются, делясь надвое. Таким образом, при подаче большого количества аммиака во время цикла бактерии будут размножаться, скажем, каждые 24 часа. Они будут размножаться каждые 24 часа, пока не достигнут уровня, скажем, 1 миллиарда к концу цикла в аквариуме, когда уровень аммиака составляет, скажем, 100 частей на миллиард (т.е. не обнаруживается по API-тесту).

Если подача аммиака прекратится в конце цикла, полезные бактерии перестанут размножаться. Но подача аммиака не прекращается в конце цикла, рыбы продолжают его добавлять. Таким образом, полезные бактерии продолжают размножаться, только медленнее. 1 миллиард может превратиться в 2 миллиарда через две недели, 4 миллиарда — через восемь недель, 8 миллиардов — через двадцать недель и т. д. Таким образом, через двадцать недель, без увеличения бионагрузки, производительность биофильтра увеличится в восемь раз, если фильтр не чистить. Конечно, это идеализированная и очень упрощённая модель.

Низшим организмам, таким как бактерии, не требуется определённое количество пищи в день для выживания и размножения. Например, автотрофная бактерия, получающая от рыб 0,4 ppm аммиака в день, может делиться на две части каждый день (24 часа). При 0,25 ppm аквариумист утверждает, что его аквариум запускается и готов к работе. Но рыбы продолжают выделять аммиак, а бактерии продолжают питаться. При 0,1 ppm аммиака автотрофные бактерии могут делиться каждые 4 дня. При 0,05 ppm они могут делиться каждые 8 ​​дней. А при 0,025 ppm они могут делиться на две части каждые 16 дней.

Таким образом, КОЛИЧЕСТВО бактерий в системе может продолжать расти, значительно превышая уровень, необходимый для достижения уровня аммиака ниже 0,25 ppm. Чем меньше корма, тем медленнее размножаются бактерии, но они не прекращают размножение полностью, пока уровень аммиака не достигнет абсолютного нуля. Поскольку рыбы постоянно выделяют аммиак, этот уровень не может достичь абсолютного нуля ни в одном аквариуме.

Миф №7. Добавление большого количества новых рыб в давно существующий фильтр уничтожит ограниченное количество полезных бактерий.

Таким образом, в хорошо устоявшемся аквариуме (старше четырёх месяцев без чистки фильтрующего материала) количество рыб может увеличиться вдвое или даже вчетверо, не наблюдая резкого повышения уровня аммиака. Поскольку скорость размножения подчиняется логарифмическому закону, а организмы поедают полезные бактерии в фильтрующем материале, существует практический предел роста, но он, вероятно, в три-десять раз превышает количество бактерий, необходимое для снижения уровня аммиака ниже 0,25 ppm.

Миф №8: "Бактериальное цветение" — это полезные бактерии

Когда автору кажется, что он уже услышал все мифы, всплывает ещё один. Недавно на YouTube появилось видео, в котором ведущий провёл "тонну исследований" и "неожиданно обнаружил", что полезные автотрофные бактерии якобы могут размножаться и в изобилии существовать в аквариумной воде. Предположительно, по словам этого благонамеренного ведущего, "бактериальное цветение" — это цветение полезных нитрифицирующих бактерий.

Не могу приукрашивать. Докладчик просто неправ. Как уже было сказано выше, полезные автотрофные бактерии могут поглощать аммиак и нитриты в количестве, достаточном для размножения, только находясь на поверхности. "Бактериальное цветение" — это цветение целого множества крошечных существ, называемых инфузориями. Эти "инфузории" (парамеции, коловратки, стенторы и т.д.) питаются так называемыми "гетеротрофными" бактериями, которые, в свою очередь, питаются растворённой пищей и фекалиями в толще воды.

"Гетеротрофный" — это просто громкое слово, означающее "питается нормальной пищей". "Полезные" автотрофные бактерии — это "облигатные хемотрофы", то есть они питаются аммиаком и нитритами, и ТОЛЬКО ими. Гетеротрофные бактерии могут размножаться каждые пятнадцать минут, в то время как автотрофным бактериям требуется 24 часа. Таким образом, за несколько дней могут появиться миллиарды гетеротрофных бактерий и всего несколько тысяч автотрофных. Поэтому даже если бы автотрофные полезные бактерии каким-то образом росли в воде, их было бы не так много по сравнению с гетеротрофными бактериями.

В этом "цветении" воды содержится множество гетеротрофных бактерий. Но по определению единственные гетеротрофные бактерии, которые являются "полезными", находятся на поверхностях фильтра. Однако учтите, что такое "цветение" редко представляет серьёзную проблему в новом аквариуме. Это всего лишь часть цикла развития аквариума. Цветение в зрелом аквариуме — совершенно иная ситуация.

Верхние пределы содержания нитритов и аммиака

Итак, каковы верхние пределы для нитрифицирующих бактерий по нитриту и аммиаку? Рекомендуем обратиться к статье ("Оптимальные требования к росту нитрифицирующих консорциумов", Рамачандран и Сингх, 2004):

Разработанные здесь консорциумы, окисляющие аммиак и нитрит, представляют собой уникальные системы, окисляющие аммиак и нитрит, которые ранее не встречались в других источниках. Для массового производства нитрифицирующих консорциумов в ферментере, а также для достижения максимальной активности в биореакторах были определены оптимальные условия роста, такие как концентрация субстрата, pH, температура и скорость воздушного потока. Таким образом, полное ингибирование нитрификации наблюдается при концентрации NH4 выше 2,75 г/л и NO2 выше 7,5 г/л в тестовых средах 1 и 2.

Это означает, что верхний предел для аммиака составляет 2750 ppm, а верхний предел для нитрита — 7500 ppm. Вероятность того, что этот показатель будет достигнут в аквариуме, крайне мала.

pH и полезные бактерии

Уровень pH воды также важен для оптимизации роста полезных бактерий. В статье "Семейство Nitrobacteraceae" Уотсона и др., 1981 г.,

Большинство штаммов нитрифицирующих бактерий оптимально растут при концентрации субстрата 1–25 мМ, pH от 7,5 до 8,0 и температуре 25–30 °C. Однако многие среды с неоптимальными условиями всё ещё способствуют росту нитрифицирующих бактерий. Например, нитрифицирующие бактерии являются строгими аэробами, однако их можно выделить из аэрационных аквариумов с очистными сооружениями, где содержание кислорода крайне низкое. Их также можно выделить из почв с pH 4, но они не могут расти при pH ниже 6.

Нитрифицирующие бактерии, то есть полезные бактерии, лучше всего растут при pH от 7,5 до 8,0. При pH 6,0 они не растут. Работа Рамачандрана и Сингха (2004) подтвердила это требование к pH. Другая работа — "Влияние pH почвы на разнообразие, численность и транскрипционную активность архей и бактерий, окисляющих аммиак", Никол и др., 2008:

Например , скорость нитрификации и, в частности, окисления аммиака
в почве значительно снижается в кислых почвах (de Boer и Kowalchuk, 2001), а значительный рост чистых культур аммиакокисляющих бактерий в жидких питательных средах не происходит при pH ниже 7 (de Boer и Laanbroek, 1989; Allison и Prosser, 1991; Jiang и Bakken, 1999). Общепринятым объяснением снижения роста и активности аммиакоокислителей при низком pH является экспоненциальное снижение доступности NH3 с понижением pH за счет ионизации до NH4+ (Frijlink и др., 1992), что снижает диффузию NH3 и увеличивает потребность в энергозависимом транспорте NH4+ .

Хауг и Маккарти (1972) наблюдали резкое снижение нитрификации в системе с фиксированной плёнкой при pH ниже 6 и прекращение нитрификации при pH 5,5. Грейди и Лим (1980) обнаружили следующие зависимости:


Из этой диаграммы ясно, что полезные бактерии перестают функционировать при pH ниже 6,5 и выше 8,7.

Ещё один источник: "Системы рециркуляции воды в бассейнах для аквакультуры", Массер и др. Южный региональный центр аквакультуры, март 1992 г.:

При pH ниже 6,8 нитрифицирующие бактерии подавляются и не удаляют токсичные азотсодержащие отходы.

Причина такого требования к pH проста. Нитрифицирующие бактерии питаются газообразным неионизированным аммиаком, то есть NH3. Аммоний, то есть NH4, не может быть использован полезными бактериями в качестве пищи. При снижении pH любого раствора аммиака количество газообразного аммиака резко уменьшается. При pH ниже 6,0 он практически отсутствует. Таким образом, у полезных бактерий больше нет пищи, и они прекращают размножаться.

Нитрифицирующие бактерии также питаются бикарбонатом и углекислым газом. При более высоком pH содержание бикарбоната и углекислого газа низкое. Поэтому pH выше 8,6 также может значительно затруднять биохимический цикл.

Аннотация теста

Был проведён тест, чтобы определить, какой тип воды и какие добавки аммиака лучше всего подходят для поддержания цикла в аквариуме. Тест показал следующее:

• Тест показал, что значение pH 6,0 остановило цикл.

Обратите внимание, что этот тест намеренно был сделан достаточно простым, чтобы любой мог легко повторить его при желании. Строгий научный тест в лабораторных условиях не может быть повторен ни одним любителем, поэтому этого не было сделано. Этот тест не предназначался для публикации в каких-либо научных журналах. Но огромная разница в результатах тестов делает выводы безошибочными и весьма обоснованными, даже если научные данные не столь строгие, как хотелось бы некоторым.

Испытательное оборудование:

• Ведра Home Depot на пять галлонов
• 100 граммов хлорида аммония BASF, растворенного в одном галлоне дистиллированной воды
• воздушный насос и воздуховоды
• мини-губчатые фильтры

Процедура испытания:

Были подготовлены шесть вёдер с водой, прошедшей обратный осмос. В каждое ведро была добавлена ​​щепотка фосфата калия, поскольку предыдущие испытания показали важность этого при использовании только аммиака. После недельного отстаивания вода имела естественный уровень pH около 6,8 (0 KH).

• С тремя ведрами ничего не делали ("контроль"), ежедневно добавляли 2 ppm аммиака.
• В трех ведрах pH был снижен до 6,0 с помощью соляной кислоты с добавлением 2 ppm аммиака ежедневно.

Затем вёдра циклично перемешивались. После этого вёдра ежедневно проверялись на содержание аммиака и нитритов.

Результаты

Определив нулевой уровень (технически это меньше или равно 0,25 ppm) аммиака и нитрита в течение двух дней (два показания) как циклический, были получены следующие результаты:


Этот тест ясно показывает, что низкий уровень pH останавливает цикл.

Существует тип нитрифицирующих организмов, называемых археями, которые могут существовать при очень низком pH. Проблема в том, что эти организмы являются облигатными ацидофилами, то есть они работают ТОЛЬКО при низком pH. Кроме того, эти организмы растут очень медленно. В оптимальных условиях популяция нитрифицирующих бактерий может удваиваться каждые 24 часа. В оптимальных условиях популяция архей удваивается каждые десять дней.

Поскольку эта зависимость логарифмическая, разница колоссальная. И нет эффективного способа увеличить скорость их роста. Таким образом, кислотному резервуару потребуется от четырёх до двадцати четырёх месяцев для "цикла".

Таким образом, если у вас есть кислый аквариум с водой с низким уровнем pH, можно просто поддерживать цикл в течение четырех-двадцати четырех месяцев, после чего аквариум будет циркулировать по аммиаку, точно так же, как аквариум с уровнем pH выше 6,5.

Полезным бактериям нужен карбонат

Карбонатная жёсткость (KH) важна для нитрифицирующих бактерий в аквариуме. Нитрифицирующим бактериям в очистных сооружениях необходимо добавлять карбонат кальция (известняк). Эти бактерии используют карбонат для предотвращения закисления сточных вод, что может остановить процесс нитрификации. Бактерии также питаются карбонатом и используют его в качестве частичного источника углерода. На каждые десять ppm аммиака, преобразованного в нитрат, расходуется примерно 1 KH (18 ppm или dKH) карбоната.

4NH₃ + 4CaCO₃ + 7O₂ + 4CO₂ —> 4Ca(HCO₃)₂ + 4HNO₃

"Как щелочность влияет на нитрификацию", Барилло, 2015

В процессе нитрификации на каждый миллиграмм окисленных ионов аммония разрушается 7,14 мг щёлочи в виде CaCO3. Недостаток карбонатной щёлочи останавливает нитрификацию. Кроме того, нитрификация чувствительна к pH, и её скорость значительно снижается при значениях pH ниже 6,8. Поэтому важно поддерживать достаточную щёлочность в аэротенке для обеспечения стабильности pH и обеспечения неорганическим углеродом нитрификаторов .

Это означает, что во время цикла необходимо значительно повысить щелочность аквариумной воды. Рекомендуется добавлять бикарбонат натрия до тех пор, пока pH не достигнет 7,4 или выше каждый день при цикле без рыб. Это означает, что на каждый добавленный грамм аммиачной соли (обычно около 1/4 аммония) приходится примерно три грамма бикарбоната натрия.

Автор статьи: David Bogert
Источник тут: Beneficial Bacteria