Необхідність дихати, частина 2: Експериментальні танки Еріка Борнемана.
Без кейворду
Необхідність дихати, частина 2: експериментальні акваріуми
У попередній частині цієї статті я описав роль кисню в морській воді та його потенційний вплив на морські види. Зокрема, я зазначив, що гіпоксія, ймовірно, може виникати у водах рифів, всередині коралових колоній, на поверхні коралових тканин, і що гіпоксія потенційно впливає на види, які піддаються її впливу. Наукова література свідчить про те, що такі умови можуть бути відносно поширеними вночі, коли дихання є інтенсивним, а первинне виробництво кисню через фотосинтез не відбувається. На коралових рифах, хоча рівень кисню перенасичений біля поверхні вдень на мілководді, вночі він часто знижується на 40-90 відсотків і більше. Основні фактори, що впливають на вміст кисню в рифових водах вночі, включають поверхневі умови та перемішування води, а також загальне дихання спільноти. Так як же акваріуми в порівнянні з рифами?
У цій статті я повідомляю про результати численних тестів різних водних умов в акваріумах закритої системи. Я використовував різні способи “збагачення” води киснем і порівнював їх ефективність. Хоча дані, представлені мною на конференції IMAC у 2005 році, були певною мірою обмежені, я вважаю, що зараз зроблено достатньо вимірювань (включаючи пропозиції, висловлені відвідувачами під час сесії запитань та відповідей після моєї презентації цього матеріалу на нещодавній конференції IMAC у Чикаго), щоб представити більш-менш повну картину динаміки кисню в рифових акваріумах. Найбільш помітними доповненнями, представленими тут, є ефекти виробництва кисню в акваріумах, які спочатку є гіпоксичними. У наступній статті я продовжу повідомляти про свої результати та обговорювати більш природну динаміку кисню в декількох рифових акваріумах.
Я використовував занурювальний кисневий польовий зонд YSI моделі 58 для реєстрації рівнів кисню у всіх тестах. Цей конкретний зонд не має самоперемішувального датчика БПК. Без пристрою для самоперемішування зонд повинен піддаватися впливу проточної води або переміщатися через воду з достатньою швидкістю для отримання точних вимірювань. Більш детальну інформацію про технічні характеристики цього лічильника можна знайти тут.
Всі показники були зняті після встановлення нової мембрани, і лічильник був відкалібрований шляхом утримання в середовищі з 100% вологістю, скоригованою на тиск ртутного стовпчика на висоті, відповідно до інструкцій, наданих виробником. Ще одне калібрування на нульове значення кисню було виконано за допомогою розчину перемішаної води з відомим об’ємом тіосульфату натрію, поглинача кисню.
Під час встановлення мембрани важливо не допускати потрапляння бульбашок під мембрану, інакше показання будуть значно відрізнятися. Також важливо, щоб бульбашки не були присутні в зразку води, що реєструється. Одна дуже маленька бульбашка була присутня під мембраною, що може пояснити деяку мінімальну варіабельність результатів; хоча після зняття сотень показань і аналізу стандартних відхилень вимірювань, я можу стверджувати, що показання є статистично точними і що будь-яка різниця в повторюваних показаннях є незначною при 95% довірчому інтервалі.
Всі показники знімалися після 10-хвилинного періоду стабілізації зонда в тому чи іншому розчині. У всіх вимірюваннях знімали чотири показання з інтервалом в 15 секунд і записували середнє значення.
Експериментальні резервуари включали контрольні зі стерильними контейнерами і стерильною морською водою, як закриті, так і відкриті для доступу повітря, резервуари зі свіжозмішаною морською водою з використанням різних пристроїв для перемішування або аерації води, але без організмів, зі світлом або без нього, а також різні “рифові акваріуми”, що містили різноманітні організми і апарати. Всі вищезгадані резервуари містили воду з рівнем кисню, що відповідає рівню навколишнього середовища, або після змішування у випадку стерильних контролів, або з таким рівнем, який вже був присутній у резервуарах, що перебували на повітрі або були закриті. Крім того, вимірювання проводилися в резервуарах, що містили свіжозмішану морську воду, яка була доведена до гіпоксичного стану швидким додаванням газу азоту для витіснення кисню до рівня нижче 20% насичення для всіх умов, випробуваних вище.
Усі цистерни містили морську воду з температурою 35 фунтів на квадратний дюйм, виміряну рефрактометром солоності Рейхерта, відкаліброваним за допомогою подвійної дистильованої води. Хоча в резервуарах, де освітлення було змінним, спостерігалася деяка різниця в температурі, кисневий лічильник компенсує температуру. Температура в резервуарах без освітлення, а також в деяких з них з освітленням, підтримувалася на рівні 26°C, причому в деяких з моїх домашніх систем вона досягала 26,6°C ближче до вечора.
Для ознайомлення значення насиченості киснем при різній солоності та температурі наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Значення насичення киснем при різних температурах і солоності. Жовтим кольором позначені значення насиченого кисню в межах діапазонів, які зазвичай зустрічаються в коралових рифах і в рифових акваріумах. Всі вимірювання в цьому документі представлені у відсотках від значення насиченості киснем при тиску 35psu і температурі 26°C (приблизно 6,66 мг л-1 ).
Контрольний резервуар 1
D істильовану воду перед використанням автоклавували протягом однієї години. Джерелом солі слугував невідкритий 50-галонний мішок солі Crystal Seas Bioassay Formula (Marine Enterprises, Inc.). Морську воду готували в чистих дволітрових склянках, накривали кришками і перемішували на мішалці з мішалкою до повного розчинення. Шість літрів морської води при тиску 35psu були відфільтровані до 0,1µ через градуйований папір Whatman, а потім через фільтри Millepore під вакуумом. Відфільтровану морську воду (1500 мл) наливали в сушильну чашу, яку тричі промивали, потім оснащували мішалкою і гумовою пробкою, через яку кисневий зонд поміщали в розчин морської води. Чашу поміщали на мішалку і перемішували воду з мінімальною швидкістю, що перевищувала необхідну для вимірювань зонда, протягом 240 хвилин при кімнатному освітленні або в темряві, накривши сушильний контейнер товстою картонною коробкою. Результати наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Вміст кисню в стерильній морській воді, поміщеній в герметичні контейнери і витриманій під впливом кімнатного світла або в темряві протягом 240 хвилин. Зверніть увагу, що часова шкала не є еквівалентною між відрізками від 0 до 120 хвилин та від 120 до 240 хвилин – вимірювання проводилися рідше протягом третьої та четвертої годин через меншу швидкість зміни рівня кисню.
Експериментальний резервуар 1
Десять галонів морської води були змішані до 35 psi за допомогою невідкритого пакета солі Instant Ocean і дистильованої води, вилитої в промитий кислотою і нейтралізований 10-галонний скляний акваріум.
В якості першої змінної акваріум або закривався акриловим листом з використанням знімного липкого клею, щоб запобігти потраплянню повітря в акваріум, або залишався відкритим для повітря. Другою змінною була наявність або відсутність циркуляції води за допомогою одного MaxiJet 1200 (Aquarium Systems), розміщеного в центрі короткого кінця акваріума таким чином, щоб потік рухався вздовж довгої центральної лінії акваріума. Він також був розміщений досить глибоко під поверхнею, щоб повітря не втягувалося в насос. Візуальний огляд циркуляції вказував на дуже турбулентний потік. Киснемір був розміщений на протилежному кінці акваріума через отвір, вирізаний в акрилі, і заклеєний парафіном, щоб заповнити будь-які проміжки. Для застійних тестів лічильник обережно обертали по колу в акваріумі зі швидкістю, яка дозволяла записувати показання; параплівка забезпечувала гнучкий, але герметичний бар’єр, який дозволяв цей рух. Третьою змінною було світло. Освітлення забезпечувалося одним 18-дюймовим флуоресцентним світильником, або ж світло в приміщенні було вимкнено. Хоча в неосвітленій кімнаті було не зовсім темно, світла було занадто мало, щоб побачити показання кисневого лічильника без ліхтарика, і було зроблено припущення, що ця остання умова є достатньою як “темна” умова. Результати наведені в таблиці 3.
Таблиця 3. Вплив течії води, світла та вільного доступу повітря на вміст кисню в морській воді, виражений у відсотках насичення киснем при тиску 35 psi.
Експериментальний резервуар 2
15-галонний акваріум (8″ x 24″ x 12″) був заповнений морською водою при тиску 35 фунтів на квадратний дюйм, приготовленою з деіонізованої води та солі Instant Ocean. Гіпоксична вода з насиченістю нижче 20% була досягнута шляхом барботування газу азоту у впускний отвір силової головки для швидкого витіснення кисню шляхом насичення води в акваріумі дрібними бульбашками азоту. Десятихвилинне очікування дозволило всім залишковим бульбашкам піднятися на поверхню і розбитися так, щоб жодні бульбашки не впливали на тестові показання зонда. Результати наведені в таблиці 4. Умови випробувань були наступними:
1. Один MaxiJet1200 був розміщений в одному кінці резервуара, створюючи високотурбулентний потік по всьому об’єму води і помітно перемішуючи поверхню. 2. Резервуар залишали відкритим для повітря без будь-якого потоку води, а кисневий зонд повільно переміщували зі швидкістю, достатньою для зняття показань. 3. Один керамічний повітряний камінь був доданий в один кінець резервуара за допомогою повітряного насоса Reno 400. Бульбашки повітря були грубими і не досягали іншого кінця резервуара. Силову головку вмикали на 15 секунд для перемішування води і знімали показання шляхом повільного переміщення зонду через воду, де бульбашки не впливали б на показання. 4. Тридцять сім грамів живих водоростей Chaetomorpha sp. були додані в резервуар і освітлені двома 15-дюймовими 18-ватними флуоресцентними лампами денного світла, розміщеними близько до поверхні води. Насадку вмикали на 15 секунд, щоб перемішати воду, і знімали показання, повільно переміщуючи зонд по воді. 5. Чотирифунтовий шматок живого каменю, приблизно на 40% покритий зоантидами Protopalythoa sp. і на 60% кораловими водоростями, поміщали в резервуар і освітлювали двома 15-дюймовими 18-ватними флуоресцентними лампами, розміщеними близько до поверхні води. Насадку вмикали на 15 секунд, щоб перемішати воду, і знімали показання шляхом повільного переміщення зонда по воді.
Таблиця 4. Вплив фотосинтезу або аераційних пристроїв на рівень кисню в гіпоксичній морській воді (початковий O2 при насиченні 89,2%), виражений у відсотках від насичення киснем при 35psu. Коли повітряний камінь поміщався під насадку для змішування повітря і води в піну, якій потім давали відстоятися перед зняттям показань, насичення киснем досягало 91,1% протягом 20 хвилин.
Експериментальний резервуар 3
Рифовий акваріум на 10 галонів, встановлений протягом трьох років у моїй лабораторії, описується наступним чином:
Субстрати : 5 см середньозернистого арагоніту, 3 кг живого каменю Риби: немає Корали: невеликі колонії: Ricordea florida, Millepora sp., Porites cylindrica, Zoanthus sp. Rhodactis inchoata середні колонії: Porites cylindrica, Protopalythoa sp. Безхребетніп’ять равликів Trochus sp. Потік води: одна силова насадка MaxiJet 1200 (Aquarium Systems, Inc.) Інша фільтрація: CPR BakPak скиммер Підміни води: немає Добавки: кальквасер як підмінна вода Освітлення: одна 18-дюймова люмінесцентна лампа (Lights of America, Inc.)
Кисневий зонд або стабілізувався за допомогою кільцевої підставки так, щоб він залишався зануреним у потік води силової головки (умови перемішування), або лічильник обережно обертався по колу в резервуарі зі швидкістю, яка б дозволила зняти показання. У першій серії експериментів у всмоктувальний патрубок головки подавався газ азот для швидкого падіння рівня кисню до досягнення приблизно 20% насичення. Результати наведені в таблиці 5. Умови випробувань були наступними:
1. Один MaxiJet 1200 розміщувався в центрі короткої сторони резервуара і був відрегульований для створення поздовжнього кругового потоку води в резервуарі. Резервуар освітлювався однією 18-дюймовою флуоресцентною лампою денного світла (Lights of America, Inc.). 2. Один розпилювач MaxiJet 1200 був розміщений в центрі короткої сторони резервуару і відрегульований для створення поздовжнього кругового потоку води в резервуарі. Для імітації темряви було вимкнено все освітлення, включаючи навколишнє освітлення в приміщенні. 3. Керамічний повітряний камінь із середніми порами, з’єднаний з повітряним насосом (Supra, Tetra Inc.), був розміщений у центрі резервуара. Головка живлення була вимкнена. Для імітації темряви вимикали всі джерела світла, включаючи навколишнє освітлення в приміщенні. Вимірювач обережно обертали по колу в резервуарі подалі від будь-яких бульбашок зі швидкістю, яка б дозволила записати показання. 4. На резервуар був встановлений скіммер (Remora hang-on, Aqua C). Жодні силові головки або повітряні камені не працювали. Для імітації темряви було вимкнено все освітлення, включаючи зовнішнє освітлення в приміщенні. Вимірювач обережно обертали по колу в резервуарі подалі від будь-яких бульбашок зі швидкістю, яка б дозволила записати показання.
Таблиця 5. Вплив фотосинтезу або пристроїв аерації на рівень кисню в 10-галонному рифовому резервуарі з морською водою, зробленою гіпоксичною (початковий O2 при 90,8% насичення), виражений у відсотках насичення киснем при 35psu.
Експериментальні резервуари 3 і 4
На додаток до описаного вище резервуару, другий 10-галонний рифовий акваріум, встановлений протягом трьох років у моїй лабораторії, описується наступним чином:
Субстрати : 5 см середньозернистого арагоніту, 3 кг живого каменю Риби: немає Корали: невеликі колонії: Capnella sp. та Millepora sp. середні колонії: шість колоній Rhodactis inchoata від середніх до великих: Zoanthus sociatus Безхребетніп’ять равликів Trochus sp. Потік води: одна силова насадка MaxiJet 1200 (Aquarium Systems, Inc.) Інша фільтрація: немає Підміни води: немає Добавки: кальквасер як підмінна вода Освітленняодна 18-дюймова флуоресцентна лампа (Lights of America, Inc.).
У цій серії тестів вимірювався відносний вплив фотосинтезу і дихання на вміст кисню в двох 10-галонних рифових акваріумах за відсутності будь-якого потоку води або інших пристроїв. Світло над акваріумом було або ввімкнене, або вимкнене все світло, включаючи навколишнє кімнатне, для створення темряви. До початку експерименту всі акваріуми працювали з усіма пристроями, як описано вище. Результати наведені в таблиці 6.
|
Таблиця 7. Дихання різних спільнот та їх вплив на концентрацію кисню в трьох 30-галонних акваріумах з морською водою. Всі акваріуми не перемішувалися і не освітлювалися протягом експериментального періоду. Досліджувані в цій статті акваріуми показали деякі цікаві та несподівані результати. У контрольних акваріумах зі стерильною водою в обох зразках спостерігався невеликий початковий пік, незважаючи на те, що вони були герметично закриті від зовнішнього повітря. Це, ймовірно, було результатом врівноваження наявного в камері повітря (21% кисню) з морською водою, оскільки лише половина камери сушіння була фактично заповнена досліджуваною водою. Подальше незначне зниження може бути пов’язане з незначним нагріванням зразка води від двигуна мішалки. Відмінності на кривих, як і очікувалося, статистично незначущі. У першому експериментальному резервуарі варіації незначні, а криві статистично незначущі (Борнеман, в процесі підготовки). Будь-які варіації між лініями, ймовірно, пов’язані з причинами, згаданими вище, порядком, в якому виникали кожні умови, і стохастичними варіаціями, які практично неможливо адекватно контролювати в багаторазових тестах, що включають численні змінні, нестерильні умови і вплив навколишнього середовища в робочій лабораторії. Другий і третій експерименти дали несподівані результати, особливо з точки зору впливу змінних у негіпоксичних резервуарах (наступна стаття). Цей набір експериментів був нещодавно виконаний після того, як Мартін Мо, Джуліан Спринг та інші співробітники IMAC припустили, що рух води і, зокрема, повітряні камені можуть відігравати певну роль в насиченні киснем води, яка вже була відновлена в цьому газі. Мої дані на той час досліджували роль цих змінних тільки на різних резервуарах або камерах зі значно вищими “нормоксичними” водними умовами. У випадку гіпоксичної води, яка може зустрічатися вночі або у випадку перебоїв з електропостачанням, результати чітко показують, що повітряні камені, водяні насоси та скімери досить ефективні для швидкого підвищення рівня кисню як у звичайній морській воді, так і в невеликих рифових акваріумах. Їх вплив на більші акваріуми, однак, залишається мінімальним і, знову ж таки, буде показаний наступного місяця. Один з висновків, який суперечить раніше дослідженим даним, представленим на IMAC, – це здатність фотосинтезу швидко підвищувати рівень кисню лише в гіпоксичній морській воді. Я представлю суперечливі дані та потенційні причини розбіжностей у статті наступного місяця. Також примітно, що невеликий шматок покритого кораловими водоростями живого каменю з невеликою колонією Protopalythoa виробляв стільки ж кисню, скільки середнього розміру клубок водоростей Chaetomorpha sp. На противагу цьому, застійна дифузія через поверхню води в тестовому резервуарі була дуже неефективною для підвищення рівня кисню, і хоча випробування було припинено через одну годину, я вважаю малоймовірним, що рівень кисню наблизиться до базового рівня протягом дуже довгого часу. Частково цей результат може бути пов’язаний зі співвідношенням площі поверхні до об’єму тестового акваріума, яке було набагато нижчим, ніж в інших акваріумах, які я тестував і виявив, що вони врівноважуються набагато швидше, навіть без циркуляції. Іншим фактором, який я розгляну більш детально, є рівень ПАР, якому піддавалися водорості (набагато нижчий в цьому експерименті, ніж попередні дані, представлені в IMAC). Ці порівняння та статистичні дані також будуть надані в наступній статті. Що стосується десятигалонних лабораторних рифових резервуарів, і незважаючи на відсутність в них риби, очевидно, що перенасичення киснем ніколи не відбувається, хоча в одному випадку воно близьке до 100%. Я пояснюю це, на відміну від інших акваріумів, які будуть описані в наступному місяці, низькою освітленістю, що забезпечується одним 18-дюймовим флуоресцентним світильником, який не дозволяє максимального фотосинтезу, хоча відносно висока насиченість, що перевищує 90%, свідчить про відносно низькі рівні освітленості, здатні підтримувати багато коралів і, разом з єдиним пристроєм подачі води, набагато випереджають дихальні потреби розумної біомаси бактерій, водоростей і безхребетних видів. Четвертий експеримент досліджує вплив світла і темряви без змінної руху води. В обох резервуарах, які багато в чому схожі, з деякими видовими відмінностями та відсутністю скімера на одному резервуарі, ефекти очікувані та однакові за своєю природою. Тільки світло в нормоксичній воді забезпечує достатню кількість кисню для спільноти, щоб підтримувати стабільний рівень кисню, в той час як дихання спільноти в темряві призводить до падіння рівня кисню. У резервуарі 2 спостерігалося незначне збільшення вмісту кисню за відсутності руху води, що співпадає з аналогічним результатом при високому освітленні Chaetomorpha в нерухомих умовах, який буде обговорено в наступному місяці. П’ятий експеримент за своєю природою схожий на попередній, за винятком того, що його спільноти відрізняються, об’єми резервуарів збільшені втричі, а відношення площі поверхні до об’єму набагато більше. Крім того, цікавим є менш різкий спад з точки зору форми кривих, або навіть вирівнювання у випадку з піском/живим камінням та піском/м’якими коралами. Оскільки ця система піддається впливу навколишнього кімнатного світла в моїй сонячній кімнаті, незважаючи на те, що цей період вважається “нічним”, оскільки система налаштована на цикл “зворотного денного світла”, можливо, було достатньо світла для деяких фотосинтетично ефективних організмів, щоб виробляти деяку кількість кисню, що призвело лише до дещо нижчої точки компенсації P:R в цих акваріумах, ніж це відбувається при штучному освітленні. З іншого боку, якби випробування проводились протягом більш тривалого періоду, могло б відбутися подальше зниження. Наступного місяця я завершу цю серію статей і покажу результати інших експериментальних резервуарів, морських контейнерів, а також динаміку кисню за нормальних і неманіпульованих умов. Нарешті, я підготую графіки, що показують і пояснюють різні внески перевірених змінних з точки зору їх впливу на спільноти, що мешкають в рифових акваріумах. Я отримаю кілька нових наборів даних, деякі з яких були представлені на IMAC, але зосереджуся на тому, як основні змінні, що впливають на кисень в акваріумах, впливають на “середній” акваріум, що працює в нормальному режимі. Я також розгляну кожну змінну окремо і порівняю її відносну важливість в нормоксичних і гіпоксичних умовах. Нарешті, я завершу статтю наступного місяця пропозиціями щодо того, як підтримувати більш високі рівні кисню в акваріумах з дуже низьким співвідношенням P:R (тобто в акваріумах з великою кількістю риб, акваріумах з високим навантаженням риб, акваріумах з низькою швидкістю течії води або акваріумах з низьким співвідношенням площі поверхні до об’єму), а також розгляну наслідки транспортування худоби, яка повинна витримувати тривалий час подорожі в малих об’ємах води. Source: reefkeeping.com
|