Експериментальне порівняння піщаних і псевдозріджених систем. Частина 1: Контрольовані лабораторні експерименти з дозування

Системи на основі пенуму отримали широке визнання після того, як доктор Жан Жобер працював з акваріумом Монако над транспортуванням повної живої частини коралового рифу з Червоного моря для демонстрації в акваріумі. Доктор Жобер багато працював з зібраними в природі кораловими субстратами для покращення біологічної фільтрації в акваріумах, і наприкінці 1980-х років отримав французький патент на конструкцію пленуму, а на початку 1990-х років – патент США. Заснований в основному на успіху виставки “Мікроокеан” в акваріумі Монако, цей дизайн акваріума на основі пленуму став одним з основних методів дизайну, що використовується в громадських акваріумах по всьому світу, і протягом майже десятиліття був майже так само популярний серед любителів, які утримують домашні акваріуми.

Однак за останні кілька років дизайн “глибокого піщаного дна” значною мірою витіснив пленумні системи серед американських акваріумістів-любителів. Залежність від товстого шару карбонатних відкладень по суті така ж, як і в пленумній системі, але корисність порожнього простору під цими відкладеннями була рішуче поставлена під сумнів. Прихильники глибоких піщаних відкладів стверджують, що саме відкладення, а не наявність порожнього простору під ними, виконують функцію переробки поживних речовин (наприклад, Toonen 2000a, 2000b). В акваріумістиці було написано багато статей та книг про переваги та недоліки конструкцій для кожної з цих двох систем рециркуляції (наприклад, Adey & Loveland 1991, Tullock 1997, Auger 1999, Goemans 1999, Shimek 2001, Hovanec 2003, Delbeek & Sprung In press). Залишаються значні дебати щодо найбільш ефективної конструкції відстійника для обробки поживних речовин у рециркуляційній системі, але на сьогоднішній день ці аргументи майже повністю ґрунтуються на особистій думці та окремих свідченнях.

Рисунок 1а: Схема експерименту з проектування акваріума для безпосереднього порівняння впливу наявності або відсутності пленуму, глибини осадового шару та середнього розміру частинок осаду в рециркуляційних акваріумних системах.

Незважаючи на різноманітність думок з цього приводу, практично всі громадські акваріуми продовжують дотримуватися пленумної конструкції акваріума. Серед домашніх акваріумістів найбільш поширеними в Європі є системи “Берлін” і “Жобер”, а в Північній Америці – системи “Глибоке піщане дно” і “Чудодійний мул”. Аналогічно, ідеальний розмір частинок осаду, глибина шару осаду, а також наявність або відсутність порожнього простору під шаром осаду є предметом гарячих дискусій в популярній літературі (див. огляд Goemans 1999, Toonen 2000a,b, Shimek 2001).

Однак ніколи не проводилося порівняльних експериментів для визначення відносного впливу глибини піщаного шару, розміру частинок і того, чи надає наявність порожнього простору під відкладеннями якісь переваги порівняно з наявністю самих відкладень. Незважаючи на широке застосування цих методів в академічних установах, музеях, громадських акваріумах і в домашніх умовах, ніколи не проводилося систематичних досліджень відносної продуктивності переробки поживних речовин піщаних шарів різної глибини і розміру зерен з наявністю і відсутністю пленуму під ними. Ми першими завершили дослідження такого роду і щойно опублікували наші результати в журналі “Аквакультура” (Toonen & Wee 2005). У цій серії з двох частин ми пояснимо наші експерименти і представимо результати цього експерименту, щоб науково дослідити відносний внесок (1) порожнього простору пленуму (піщаний шар з пленумом або без нього); (2) глибини осаду в шарі (2,5 проти 9,0 см); і (3) середнього розміру частинок осаду в шарі (2,0 проти 0,2 мм середнього діаметру частинок) на їх здатність переробляти поживні речовини і продуктивність в якості єдиного методу фільтрації для рециркуляційних акваріумів.

Експериментальні методи та матеріали:

a) Налаштування акваріума та дозування поживних речовин

Ми поставили експеримент з факторним дизайном з трьома повторюваними наноакваріумами (27 см завдовжки x 17 см завширшки x 30 см заввишки) для кожного фактора: з пленумом або без нього, глибокі або мілкі, з грубими або дрібними відкладеннями, загалом 24 експериментальні акваріуми (рис. 1а,б). Весь експеримент проводився в екологічній камері з контрольованою температурою, встановленою на 25ºC (~77ºF), який підтримувався в темряві, за винятком одного верхнього флуоресцентного світла, яке вмикалося тільки тоді, коли ми проводили тестування води. Обробки призначалися акваріумам за допомогою генератора випадкових чисел; якщо акваріум вже був призначений для попередньої обробки, витягувалося інше випадкове число, поки всі обробки не були призначені одному акваріуму.

Рисунок 1б: Фотографії акваріумів, що використовувалися в цьому експерименті.

При обробці глибокого піщаного дна (без пленуму) відкладення осідали безпосередньо на дно акваріума. При пленумній обробці осад підвішувався на пластині, виготовленій з тонкої нейлонової тіньової тканини, прикріпленої до 1-сантиметрової пластикової світлодифузійної решітки “ящик для яєць” за допомогою термоплавкого клею. Ця пластина була підвішена на відстані 1,5 см від дна резервуару за допомогою п’яти кілець з ПВХ діаметром ½”, прикріплених термоклеєм до кожного кута пластини та одного в центрі. Вологі осади обережно осаджували на цю пластину перед додаванням води в акваріуми, щоб мінімізувати будь-які осади, що просочуються через нейлонову сітку в порожнистий простір пленуму.

Обробка глибоких відкладень містила 9,0 л (~2,4 галона) вологого осаду для забезпечення постійної глибини приблизно 9,0 см (~3.6″). Обробка мілких відкладень містила 2,5 л (~0,7 галона) вологого осаду для забезпечення постійної глибини приблизно 2,5 см (~1″). Флоридський подрібнений кораловий гравій (№ 0, переважно довгастий, в середньому ~2х4 мм, із середнім діаметром частинок ~2,0 мм) використовувався для грубих відкладень, а тропічний ігровий пісок Саутдаун (середній діаметр частинок ~0,2 мм) використовувався для дрібнозернистих осадів. П’ятдесят фунтів (~23 кг) кожного типу осаду було придбано в місцевому зоомагазині в Сакраменто, Каліфорнія, і автоклавували перед використанням. Автоклавний осад кожного типу був поміщений в окремий контейнер, що містився в одному великому резервуарі. Резервуар був заповнений 400 л (~106 галонів) природної морської води з фільтром 2,0 м і 30 мл гомогенізованого замороженого кальмара (Loligo sp.) було додано в якості джерела поживних речовин для сприяння росту бактерій на стерильних осадах. Осад добре перемішували вручну через день протягом восьми тижнів, поки показники аміаку в резервуарі не ставали невизначуваними.

Після обробки осаду в кожну ємність додавали 8,0 л (~2,1 галона) природної морської води, відфільтрованої 2,0 м, просочували в кожен акваріум, щоб запобігти будь-якому порушенню шару осаду. Вода циркулювала в акваріумах за допомогою насадки Catalina Aquariums CAP-180, встановленої на 50% (приблизно 50 галонів або 189 л/год) потоку, розміщеної в кінці кожного акваріума таким чином, щоб верхня частина насадки була на одному рівні з поверхнею води в акваріумі. 3М хлорид амонію (NH₄Cl) додавали в кожен акваріум наступного дня до кінцевої концентрації 8 мг NH₄ +/л. Через 21 день після початкової дози до 8 мг NH₄ +/л, дозування відновили з 3М NH₄Cl з розрахунку 0,5 мг/л/добу.

Оскільки ми розуміємо, що ці цифри нічого не означають для більшості любителів, ми хочемо помістити це в контекст реальної біологічного навантаження акваріума. Тропічні рифові риби виділяють в середньому ~0,5 ± 0,1 мМ аміаку / г / год, а 3-дюймовий жовтий танг важить приблизно 10,5 ± 2,2 г. Таким чином, наше додавання 0,5 мг/л/добу в акваріум з 8 л (2,1 галона) води приблизно еквівалентно 2 дорослим жовтим окуням в цьому акваріумі! Більшість добре укомплектованих рифових акваріумів виробляють набагато менше, ніж 0,5 мг NH₄ +/л/добу – цей рівень ближчий до систем аквакультури високої щільності, які зазвичай генерують 0,6 – 2,0 мг NH₄ +/л на добу (Tseng & Wu 2004).

Після початкового періоду “циклічності” з пастою кальмарів, осади промивали природною морською водою, відфільтрованою 2,0 м, і розподіляли між тестовими акваріумами. Потім експеримент проводився протягом 111 днів без підміни води. Для врахування випаровування в експериментальних акваріумах додавали деіонізовану дистильовану воду, щоб зменшити солоність до ~53mS після кожного періоду тестування.

б) Тестування акваріумної води

Всі акваріуми спочатку заповнювалися з великого резервуару добре перемішаною природною морською водою, а потім відбиралася одна проба цієї води об’ємом 50 мл і заморожувалася при температур і-80°C до завершення аналізу води в кінці експерименту. Аналогічно, в кінці експерименту з кожного акваріума було відібрано по одній пробі об’ємом 50 мл і також заморожено при температур і-80ºC. Після завершення обох частин експерименту (експеримент з живими тваринами буде детально розглянуто в частині 2 цієї серії) всі зразки води були перевезені в замороженому вигляді до Гавайського університету в Маноа, і концентрації поживних речовин у воді були визначені за допомогою колориметричних методів на автоматичному аналізаторі Technicon AutoAnalyzer, як описано в роботі Laws et al. (1999).

Кожен експериментальний акваріум також тестували щонайменше двічі на тиждень на солоність, рН, аміак, нітрити, нітрати, кисень, фосфати, кальцій, лужність та органічні речовини за допомогою стандартного обладнання для тестування акваріумів від онлайн-постачальника акваріумів. Солоність визначали за допомогою електронного солономіра PinPoint (відкаліброваного до 53,0 мС з використанням морської води IAPSO), а рН вимірювали за допомогою електронного зонда PinPoint pH (після двоточкового калібрування до 7,0 і 10,0). Всі інші параметри води вимірювалися за допомогою стандартних акваріумних тест-наборів Salifert у порівнянні з колориметричними стандартами. Порівняння концентрації поживних речовин у вихідних та кінцевих пробах води, визначених за допомогою автоаналізатора, з результатами, отриманими за допомогою акваріумних тест-наборів Salifert, було досить добре корельованим (r 2 = 0,75, F = 64,53, P < 0.001) to use the aquarium test kit values as a relative measure of aquarium nutrients throughout the experiment.

в) Статистичний аналіз

Якщо ви зовсім не знайомі зі статистикою, ви, ймовірно, захочете пропустити цей розділ. Це не завадить вам прочитати решту статті, але ми наводимо тут деталі для тих читачів, які хочуть знати, як проводився аналіз.

Всі статистичні аналізи були проведені з використанням дисперсійного аналізу, реалізованого в JMPin ver. 4.0.2 Academic Version (SAS Institute Inc.). Спочатку ми підтвердили відповідність припущенням про нормальність за допомогою критерію Шапіро-Уілкса, а також однорідність дисперсій за допомогою критерію Бартлетта (? = 0,01), як це реалізовано в JMP. Повна модель ANOVA використовувала наявність або відсутність пленуму, середній розмір частинок донних відкладів, глибину шару та взаємодію між ними як фіксовані ефекти; солоність, рН, аміак, нітрити, нітрати, кисень, фосфати, лужність та кальцій вимірювалися як змінні відгуку. Значні відмінності між парами очищення (пленум проти відсутності; дрібні проти великих частинок; глибокі проти мілководних відкладень) були визначені для кожної змінної відгуку за допомогою тестів на вплив, як це було реалізовано в СМП. Дані були побудовані за допомогою PSI Plot ver, 7.01 (Poly Software International, Inc.).

Рисунок 2: Варіація між обробками з плином часу в ідентичних резервуарах, встановлених без тварин в експериментах з дозування в акваріумі. Зверніть увагу, що найнижче та найвище значення для кожної обробки більше відрізняється від середнього значення для всіх акваріумів, включених у цю експериментальну обробку.

Експериментальні дані проти анекдотичних свідчень:

На нашу думку, відсутність порівняльних експериментів для оцінки альтернативних підходів є серйозним недоліком всього акваріумного хобі. Існує стільки ж різних підходів до утримання акваріумів, скільки існує акваріумістів з успішними акваріумами. Однак, без контрольованих і відтворених експериментів, в кінцевому рахунку, ми знаємо не більше, ніж те, що щось МОЖЛИВО; ми не знаємо, чи буде точно такий же акваріум, встановлений точно таким же чином однією і тією ж людиною, давати кожен раз абсолютно різні результати. Саме тому дослідники докладають зусиль, щоб включити в свої експерименти належний контроль і реплікацію: нам потрібно визначити, чи є варіація між методами лікування, встановленими однаково, меншою або більшою, ніж між методами лікування, встановленими по-різному. Це особливо актуально у випадку складної біологічної системи, такої як акваріум. Люди мають неабияку здатність вводити себе в оману, саме тому медичні дослідники витрачають так багато часу на вивчення ефекту плацебо. Насправді, дослідження показали, що будь-яка зустріч між свідомим пацієнтом і лікарем має потенціал ініціювати вимірний ефект плацебо (Hríbjartsson 1996). Оскільки в медичних експериментах практично неможливо отримати надійний контроль (без плацебо), ефекти ліків тепер завжди перевіряються на фоні введення плацебо. Це пов’язано з тим, що навіть без будь-якого активного інгредієнта багато людей демонструють різке поліпшення після “лікування” препаратом-плацебо, оскільки вони вважають, що їм повинно стати краще (наприклад, Hríbjartsson 1996). Враховуючи, що люди здатні переконати себе в тому, що хвороба виліковується таблетками, які не містять активних інгредієнтів, не дивно, що так багато людей переконані в тому, що якась добавка або лікування акваріума є причиною того, що їх акваріум раптово процвітає.

Рисунок 3: Фактичні значення з 6 повторюваних акваріумів через сім днів після завершення початкового циклічного періоду. Очевидно, що в акваріумах, встановлених однаково, спостерігається більша варіація, ніж середнє значення для кожної обробки.

У зв’язку з цим акваріумісти по всьому світу провели незліченну кількість годин, сперечаючись про відносні плюси і мінуси різних конструкцій акваріумів. Пристрасть до нашого хобі – це добре, але ці суперечки безглузді і є марною тратою часу; неможливо прийняти обґрунтоване рішення про найкращий спосіб облаштування акваріума без реальних ДАННИХ, щоб оцінити, як працюють різні варіанти. Дуже важливо мати дані, оскільки завжди існує варіабельність між експериментами (див. Рис. 2). Даний результат є передбачуваним лише в тому випадку, якщо варіація в межах методів лікування є меншою, ніж варіація від одного методу до іншого. Ми знаємо, що зараз це може здатися незрозумілим, але давайте розглянемо простий приклад, щоб пояснити, чому це так важливо. Припустимо, ви встановили один резервуар з каністровим фільтром і один резервуар з підгравійним фільтром і виявили, що резервуар з каністровим фільтром виглядає краще. З цього моменту ви намагаєтеся встановити точно таку ж систему десять разів, і деякі з них виглядають краще, ніж оригінал, а деякі виглядають навіть гірше, ніж оригінальний резервуар на основі підгравійного фільтра. Якщо існує така велика варіація від одного акваріума до іншого, неможливо з упевненістю сказати, що відмінності між фільтрами насправді мають якесь відношення до кінцевого успіху або невдачі Вашого акваріума.

Це може здатися екстремальним прикладом, але саме так відбувається в реальності і наочно демонструється в наших експериментах. Навіть в лабораторних умовах ідентичні акваріуми, створені з одного добре перемішаного басейну гравію і морської води без будь-яких живих тварин, демонструють драматичну кількість варіацій між дослідами (рис. 3). Я впевнений, що ви можете собі уявити, наскільки більше варіацій буде серед акваріумів, створених різними людьми в різних місцях, з різними матеріалами та тваринами! Лише маючи належним чином відтворені експерименти, ми можемо оцінити, чи має якийсь ефект саме лікування, чи відмінності між акваріумами просто обумовлені випадковістю. Якщо ви не можете повторити ефект, який ви намагаєтеся створити, то ефект, очевидно, має мало спільного з лікуванням, яке ви застосували. Це одна з проблем хобі: ми занадто часто сприймаємо єдиний приклад успішного акваріума як “доказ” того, що якийсь чудодійний дизайн або добавка дійсно добре працює. Однак, найчастіше, коли Ви, як домашній акваріуміст, намагаєтеся відтворити ефектний ефект даного акваріума, результат виявляється значно менш вражаючим. Ця невдача не обов’язково є Вашою провиною, і насправді навіть людина, яка встановила оригінальний акваріум, ймовірно, не зможе в точності повторити свій власний успіх.

Сподіваємося, що ви скористалися цим прикладом, тому що питання, на яке ми повинні відповісти, полягає в тому, чи є середній показник декількох повторюваних акваріумів, налаштованих або оброблених однаковим чином, кращим, ніж середній показник декількох повторюваних акваріумів без цієї добавки або налаштованих по-іншому. Тільки тоді, коли у вас є такі повторювані дані, з якими можна порівняти кінцевий результат, ви можете визначити, чи дійсно працює будь-яка добавка або конструкція резервуара! Часті повідомлення на кшталт “Мій акваріум ніколи не виглядав краще” після додавання продукту Х в мій рифовий акваріум завжди слід розглядати як необґрунтовану думку, що так воно і є. Як сказав Ларрі Джексон у своїй презентації на MACNA – фраза “Мій акваріум ніколи не виглядав краще” ніколи не повинна бути вимовлена знову!

Наші експериментальні результати

а) Експерименти з дозуванням в акваріумі

Часові ряди концентрацій аміаку, нітритів та нітратів в акваріумах показали незначну різницю між обробками (рис. 4-6). Після початкової 21-ї доби не було суттєвих відмінностей між концентраціями аміаку, нітритів, нітратів, рН або солоності, виміряними для будь-якої обробки, до кінця експерименту. Дисперсійний аналіз також не виявив суттєвих відмінностей між кінцевими концентраціями аміаку, нітритів, нітратів, кисню, органічних речовин або солоності, а також не було виявлено жодних значних взаємодій між експериментальними обробками для будь-якого з цих параметрів води. Однак, спостерігалися значні відмінності між варіантами обробки для кожного з решти параметрів води (рис. 7,8,9): рН, фосфатів, лужності та кальцію. До кінця експерименту рН був достовірно вищим в акваріумах з дрібнозернистим (7,98 ± 0,01 SE), ніж з крупнозернистим (7,91 ± 0,01 SE) донним осадом (df = 1, F = 10,31, p < 0.01). Alkalinity was significantly higher in tanks with fine (2.36 meq / L ± 0.08 SE) than with coarse (1.80 meq / L ± 0.08 SE) sediments (df = 1, F = 23.21, p < 0.001), and tanks with plenums (2.20 meq / L ± 0.08 SE) than without plenums (1.99 meq / L ± 0.08 SE) (df = 1, F = 4.86, p < 0.05). In contrast, phosphate ended up significantly higher in aquaria with coarse (0.32 mg / L ± 0.01 SE) than fine (< 0.01 mg / L ± 0.01 SE) sediments (df = 1, F = 211.37, p < 0.001). No other source variables or interaction terms were significant for final pH, phosphate, or alkalinity values. Finally, calcium levels in the experimental aquaria were significantly different among depth and sediment particle size treatments, and there were significant interactions between the presence of a plenum and both particle size and sediment depth (Table 1). This more complex effect on final calcium levels means that factors such as particle size and depth of the bed have different effects when a plenum is absent than when it is present.

Рисунок 6: Графік часового ряду середньої концентрації нітратів (мг/л) в експериментальних акваріумах.

Рисунок 5: Графік часового ряду середньої концентрації нітритів (мг/л) у дослідних акваріумах.

Рисунок 4: Графік часового ряду середньої концентрації аміаку (мг/л) в дослідних акваріумах.

Таблиця 1: Дисперсійний аналіз для кінцевих рівнів кальцію щодо наявності або відсутності пленуму, середнього розміру частинок та глибини осаду в експериментах з дозування в акваріумах. Обробки, які мають значний вплив на кінцевий рівень кальцію в акваріумах, виділені жирним шрифтом.

Рисунок 7: Порівняння кінцевих концентрацій поживних речовин в експериментальних акваріумах з пленумами та без них. Смуги представляють середню концентрацію серед акваріумів з (синя перехресна штриховка) та без (червона перехресна штриховка) пленуму під донними відкладеннями. Смуги похибок – це стандартні похибки між повтореннями, а параметри, які показують значну різницю між конструкцією DSB та пленумом, позначені зірочкою. Солоність вимірюється в мС, лужність – в мекв, а органічні речовини представлені у вигляді відносної колориметричної міри. Нітрати, кальцій, кисень, аміак, фосфати і нітрити представлені в мг/л.

Джерело	Df	MS	F	P-значення
Пленум чи ні	1	16.67	0.02	0.88
Розмір частинок	1	4816.67	6.97	0.02
Глибина осаду	1	4266.67	6.17	0.02
Пленум х розмір частинок	1	4816.67	6.97	0.02
Пленум х глибина шару	1	4816.67	6.97	0.02
Розмір частинок х глибина шару	1	266.67	0.39	0.54
Пленум х розмір частинок х глибина	1	1666.67	2.41	0.14
Загальна модель	7	2952.38	4.27	0.007
Похибка	16	691.67

В цілому, однак, наявність або відсутність пленуму мало впливала на ефективність донних відкладів у переробці поживних речовин в акваріумі (рис. 7). Навіть для кальцію, в якому відносний вплив глибини осаду та розміру частинок змінювався залежно від наявності або відсутності пленуму, наявність або відсутність пленуму під осадом не мала значного впливу (тобто рівень кальцію в акваріумах з дрібнозернистим осадом був трохи вищим за наявності пленуму, ніж за його відсутності, але різниця між дрібнозернистим та крупнозернистим осадом, незалежно від наявності пленуму, завжди була набагато більшою, так що вплив самого пленуму не є значним, як зазначено в таблиці 1). Немає ніякої різниці між кінцевими концентраціями будь-яких азотистих відходів у резервуарах з пленумом і без нього. Аналогічно, глибина осаду мала незначний загальний вплив на кінцеві значення параметрів води в жодному з експериментальних варіантів очищення (рис. 8). Найбільший вплив у цьому експерименті спостерігався на параметри, пов’язані з буферною здатністю осаду при дослідженні середнього розміру частинок, а не з потужністю переробки азотистих відходів (рис. 9).

Рисунок 8: Порівняння кінцевих концентрацій поживних речовин в експериментальних акваріумах з глибокими (9,0 см) та мілкими (2,5 см) відкладеннями. Смуги представляють середню концентрацію серед акваріумів з глибокими (синій) та мілководними (червоний) відкладеннями. Смуги помилок – це стандартні помилки між повтореннями, і жоден з параметрів не показує значної різниці між глибокими та мілководними відкладеннями. Солоність вимірюється в мС, лужність – в мекв, а органічні речовини представлені у вигляді відносної колориметричної міри. Нітрати, кальцій, кисень, аміак, фосфати та нітрити представлені в мг/л.

Обговорення та висновки:

Громадські акваріуми та любителі в домашніх умовах вже давно використовують рециркуляційні системи, засновані на певній формі фільтрації осаду, щоб допомогти в переробці азотистих відходів, що виробляються мешканцями акваріума (огляд Delbeek & Sprung 1994a,1994b, в пресі, Carlson 1999, Borneman & Lowrie 2001, Toonen 2002). Конструкція цих установок для фільтрації осаду для рециркуляційних систем для вирощування організмів коралових рифів в основному поділяється на кілька основних типів: берлінські, пленумні та системи на основі піщаного дна. Однак ці системи можна розглядати як континуум: від практично повної відсутності осаду і повної залежності від живого каміння та білкового знімання в берлінських системах до екстремальних кількостей осаду і відсутності знімача в деяких глибоководних системах на піщаному дні. Незважаючи на різноманітність думок щодо цінності цих конструкцій, відносна корисність кожного з цих типів і найбільш ефективні засоби для їх проектування все ще залишаються предметом значних суперечок (див. Goemans 1999, Shimek 2001, Toonen 2000a,b). Були проведені деякі дослідження для порівняння відносної продуктивності певного дизайну (наприклад, Paletta & Hildreth 1997, Auger 1999, Frakes 2000, Paletta 2000, Hovanec 2003), однак на сьогоднішній день ці дослідження не були відтворені і, в кращому випадку, вони показують результати, засновані на порівнянні з одним акваріумом кожного дизайну. Як ми показали вище, навіть у цьому експерименті, проведеному в лабораторії без живих тварин і з аміаком, дозованим для імітації ідентичного біологічного навантаження між акваріумами, спостерігається занадто велика варіабельність (рис. 2), щоб робити якісь висновки на основі одного акваріума. Ми повторюємо думку, висловлену багатьма авторами до нас: нам потрібні експериментальні, а не анекдотичні докази, щоб зробити будь-які висновки про відносні переваги будь-якого конкретного дизайну акваріума або добавки.

Різноманітні думки та безперервні дебати на цю тему спонукали нас розпочати цей експеримент, і тут ми, нарешті, представляємо експериментальні дані, які безпосередньо порівнюють різноманітні конструкції акваріумів з рециркуляцією. Ми провели контрольований і відтворений експеримент з факторним дизайном для визначення відносного впливу наявності або відсутності пленуму, глибини відкладень і розміру частинок в піщаному шарі на концентрацію поживних речовин в акваріумі. Відкинувши всю риторику і думки, наш експеримент показує, що наявність пленуму не має ніяких вимірних переваг перед простим внесенням тих же відкладень безпосередньо на дно акваріума (принаймні, за ті кілька місяців, які ми тестували).

Рисунок 9: Порівняння кінцевих концентрацій поживних речовин в експериментальних акваріумах з грубими (середній діаметр 2,0 мм) та дрібними (середній діаметр 0,2 мм) частинками. Смуги представляють середню концентрацію серед акваріумів з грубими (фіолетовий) та дрібними (зелений) донними відкладеннями. Смуги похибок – це стандартні похибки між повтореннями, а параметри, які показують значну різницю між розмірами частинок, позначені зірочкою. Солоність вимірюється в мС, лужність – в мекв, а органічні речовини представлені у вигляді відносної колориметричної міри. Нітрати, кальцій, кисень, аміак, фосфати та нітрити представлені в мг/л.

З точки зору переробки азотистих відходів життєдіяльності акваріумних мешканців (зокрема, аміаку, нітритів та нітратів), жоден з експериментальних варіантів обробки (пленум проти піщаного дна; глибокий проти мілкого; грубий проти тонкого) не мав значної переваги (рис. 7-9). Після початкового періоду стабілізації всі експериментальні варіанти реагували еквівалентно на безперервне внесення аміаку до 0,5 мг NH₄ +/л/добу. Як згадувалося вище, ця норма внесення приблизно еквівалентна системі аквакультури з високою щільністю і, ймовірно, вища, ніж навіть у найбільш зариблених рифових акваріумах. Значні відмінності між варіантами обробки в цьому експерименті взагалі не стосувалися цих азотистих відходів, а були пов’язані, в першу чергу, з буферною здатністю осаду на рециркуляційній воді в акваріумі (рис. 7-9). Взаємодія глибини та розміру частинок шару осаду мала найбільший вплив на загальну продуктивність системи протягом цих експериментів, а наявність або відсутність пленуму під цими відкладеннями не виявила значного впливу на жоден з виміряних експериментальних параметрів (рис. 7).

Жодна з систем не досягла своєї максимальної продуктивності по переробці азотистих відходів, оскільки протягом двох тижнів після початку кожного експерименту у воді акваріума не було виявлено ні аміаку, ні нітритів до кінця експерименту (рис. 4-5). Аналогічно, швидкість збільшення нітратів в експериментальних акваріумах була набагато меншою, ніж швидкість їх додавання в акваріуми (рис. 6). Таким чином, кожна конструкція фільтрації осаду, протестована тут, виявилася здатною впоратися з тестовим біологічним навантаженням, і не було виявлено жодних значних переваг для аеробної переробки азотовмісних відходів, отриманих від будь-якої з цих різних експериментальних конструкцій.

Денітрифікація, мабуть, відбулася в усіх експериментальних обробках, оскільки концентрації нітратів не продовжували зростати ні під час дозування (рис. 6), ні під час експериментів на живих тваринах (детально обговорюється в частині 2 цієї серії). Незважаючи на постійне додавання NH₄ + зі швидкістю 0,5 мг/л/добу в цьому експерименті, який метаболізувався досить швидко, щоб утримувати аміак і нітрити на невизначуваних рівнях (рис. 4-5), концентрація нітратів у кожному резервуарі підтримувалася на досить постійному рівні протягом останніх 60 днів експерименту (рис. 6). Однак, подібно до результатів, отриманих при обробці аміаком та нітритами, не було виявлено суттєвих відмінностей у здатності будь-якого з експериментальних методів обробки (пленум проти DSB, глибокий проти мілкого або грубий проти тонкого осаду) зменшувати вміст нітратів у цих закритих системах.

Значні відмінності між експериментальними методами очищення майже повністю стосувалися буферної здатності осаду, а не біологічного розщеплення азотистих відходів. Найбільші відмінності між методами лікування спостерігалися в кінцевій концентрації фосфатів: обробка грубим осадом мала приблизно в 17 разів більшу кінцеву концентрацію в акваріумах з обробкою дрібнодисперсними частинками! Оскільки ми не просіювали різні розміри частинок з одного джерела, ми не можемо стверджувати, що відмінності в буферності є результатом лише розміру частинок. Насправді, відмінності, показані на Рисунку 9, можуть повністю випливати з відмінностей у хімічному складі осадів, обраних для експерименту, а не бути прямим наслідком розміру частинок. Будуть потрібні подальші експерименти, щоб з’ясувати, чому концентрація фосфатів у грубих відкладеннях була такою високою, але незалежно від кінцевої причини, ми рекомендуємо любителям перевірити розчинність обраного ними гравію, перш ніж додавати великий об’єм до свого рифового акваріума.

Підсумок:

• Наш експеримент не показав жодних доказів будь-яких переваг пленуму (розглянуто Goemans 1999). Натомість наші результати свідчать про те, що будь-які переваги, які спостерігаються, є прямим наслідком наявності самих відкладень, а не порожнього простору під ними.
• Ми показали, що навіть серед ідентичних акваріумів, встановлених в лабораторії без будь-яких живих тварин, можуть бути різкі відмінності в продуктивності від одного акваріума до іншого (див. рис. 2 і 3 вище). Наші результати підкреслюють проблему з будь-яким дослідженням, в якому відсутня належна реплікація, і в якому відсутній контроль. Ми стверджуємо, що анекдотичні докази – це просто викладення думки у таких випадках, як цей, і більш ніж 5 років гарячих дебатів стали результатом наполегливого захисту цих думок.
• Ми закликаємо любителів розробити хороший детектор “BS”, який дозволить вам поставити під сумнів інформацію, представлену вам без будь-яких експериментальних доказів на її підтримку.

У частині 2 ми представимо завершення цього експерименту, в якому ми тепер розглянемо продуктивність кожного дизайну акваріума з повним набором природної інфауни піщаного дна, живого каміння, риб і безхребетних, включених в дизайн.

Подяки

Це дослідження було частково профінансовано за рахунок гранту на розробку програми RJT від Hawaii Sea Grant. Додаткове фінансування надійшло за рахунок пожертвувань від Reed Mariculture, Catalina Aquarium та моєї дуже розуміючої дружини Керол Фонг. Тестування води проводили Сайполога Тоала та Х’юстон Ломае в рамках стажування студентів Тихоокеанських островів з екологічної біології (UMEB), і ми дуже цінуємо їхню старанність та наполегливу роботу, яка допомогла нам у цьому проекті. Цей рукопис був покращений завдяки обговоренню та коментарям Еріка Борнемана, Ентоні Калфо, Чарльза Дельбека, Тома Фрейкса, Річарда Харкера, Тіма Хованця, Ларрі Джексона, Джуліана Спрунга та багатьох інших чудових акваріумістів на XVI Морській акваріумній конференції Північної Америки.

Список використаної літератури

1. Ейді В.Х., Лавленд К. (1991) “Динамічні акваріуми: створення живих екосистем”, Академічна преса, Сан-Дієго, Каліфорнія
2. Оже П. (1999) Кількісне порівняння двох систем видалення поживних речовин. Коледж Святої Марії, Сент-Мері-Сіті, штат Меріленд, США.
3. Борнеман Е.Х., Лоурі Д. (2001) Досягнення в галузі розведення та розмноження в неволі: Легко використовувані засоби поповнення рифів у приватному секторі? Вісник морської науки 69:897-913
4. Карлсон Б.А. (1999) Реакція організму на швидкі зміни: Що акваріуми розповідають нам про природу. Американський зоолог 39:44-55
5. Делбек JC, Спринг J (1994a) Рифовий акваріум, т. 1, видавництво Ricordea, Коконат-Гроув, штат Флорида
6. Delbeek JC, Sprung J (1994b) Акваріум з рифом, т. 2, Ricordea Publishing, Coconut Grove, FL
7. Делбек JC, Спринг J (у пресі) Акваріум “Риф”, т. 3, видавництво “Рікордеа”, Коконат-Гроув, штат Флорида
8. Фрейкс Т. (2000) Порівняння акваріумів EcoSystem, SeaScope Vol. 17
9. Гоеманс Б. (1999) “Секрети живого піску – діалог про фільтрацію живим піском”, Marc Weiss Companies, Inc.
10. Хованець Т.А. (2003) Порівняння систем фільтрації коралових рифів: попередні результати. SeaScope 20:1-3
11. Hríbjartsson A (1996) Неконтрольований ефект плацебо. Європейський журнал клінічної фармакології 50:345-348
12. Закони Е.А., Зіманнб Д, Шульман Д (1999) Якість прибережної води на Гаваях: важливість буферних зон та розведення. Дослідження морського середовища 48:1-21
13. Палетта М (2000) Акваріум EcoSystem переглянутий: Перевірка після двох років Журнал “Акваріумні рибки”, лютий 2000 р.
14. Палетта М., Хільдрет Р. (1997) Система фільтрації EcoSystem SeaScope Vol.14
15. Цянь П.-Й., Ву М.С., Ні І.Х. (2001) Порівняння виділення поживних речовин серед деяких тварин, що вирощуються в марикультурі. Аквакультура 200:305-316
16. Шимек Р. (2001) Секрети піщаного дна: Здоровий глузд до біологічної фільтрації, Marc Weiss Companies, Inc.
17. Toonen R (2000a) Чи застаріли пленуми? Інша точка зору, частина 1. Прісноводні та морські акваріуми (FAMA) 23:44-66
18. Toonen R (2000b) Чи застаріли пленуми? Інша точка зору, частина 2. Прісноводні та морські акваріуми (FAMA) 23:44-70
19. Toonen, Rob (2002) Запитайте рифівника: Історія рифового акваріумістики. Tropical Fish Hobbyist, #558, с. 168-178.
20. Toonen R, Wee C (2005) Експериментальне порівняння конструкцій біологічної фільтрації на основі осаду для рециркуляційних акваріумних систем. Аквакультура в пресі
21. Tseng K-F, Wu K-L (2004) Цикл видалення аміаку для зануреного біофільтра, що використовується в рециркуляційній системі вирощування вугра. Аквакультурна інженерія 31:17-30
22. Tullock JH (1997) Природні рифові акваріуми, т. Microcosm Ltd., Шелбурн, Вермонт

Source: reefs.com