Підвищені концентрації поживних речовин та мікроелементів у рифових акваріумах, попередні результати: Їх вплив на зооксантеллу Porites lobata

У середині 1980-х років, коли захоплення рифами в Північній Америці перебувало в зародковому стані, рифівників-першопрохідців буквально засипали інформацією. Струменеві фільтри, поверхневі переливи, потужне освітлення, додавання кальцію і т.д. – все це було новими поняттями в США, і наша крива навчання була дійсно крутою. З часом ми вчилися на своїх помилках і вдосконалювали технології вирощування, поки не досягли того рівня успіху, яким насолоджуємося сьогодні. Досягнення, здебільшого, не такі значні і не такі вражаючі, як ті, що були всього 10 років тому. Однак у нас все ще є відсутні шматочки пазла; ця стаття детально описує результати експериментів, покликаних відповісти на одне з питань і додати невелику частину до загальної картини. Іноді результати просто підтверджують анекдотичні спостереження.

Швидкість фотосинтезу зооксантелл виявилася істотно вищою у коралів, які утримувалися в “закритій” системі, на відміну від “відкритої” системи з протіканням природної морської води (NSW). У “закритій” системі були відносно високі концентрації поживних речовин і використовувалася штучна морська вода (ASW).

Відомо, що швидкість фотосинтезу з видами Symbiodinium (зооксантеллами) може змінюватися в залежності від умов навколишнього середовища. Звичайно, любителі визнають, що фотосинтез змінюється в залежності від кількості світла (PAR або PPFD), що падає на корал. Однак, задіяні й інші фактори, включаючи рух води та концентрацію поживних речовин.

Слово “поживні речовини” зазвичай визначається як “елементи, необхідні для живлення”. До “основних” поживних речовин, необхідних для росту рослин або водоростей, належать вуглець, азот, фосфор і калій, а до “мікроелементів”, як відомо, відносяться залізо, мідь, магній, цинк та багато інших. Симбіотичні динофлагеляти (зооксантелли) мають подібні потреби в поживних речовинах для росту і розмноження. У цій статті буде розглянуто вплив відносно високих концентрацій поживних речовин, які є типовими для “середнього” акваріума (для отримання додаткової інформації див. Atkinson et. al., 1995). Обговорюються причини підвищеної інтенсивності фотосинтезу, що спостерігається, а також наслідки для використання штучної морської води. Вносяться пропозиції щодо оптимізації швидкості фотосинтезу.

Крім того, обговорюється вплив певних мікроелементів (“мікроелементів”) на здоров’я коралів/зооксантелл на здоров’я коралів/зооксантелл. Представлено стислий огляд літератури з цього питання, а також наведено непрямі докази “токсичності металів” ПЗВ.

Процедура

Ефективність фотосинтезу аналізували за допомогою імпульсного амплітудно-модульованого (ПАМ) хлорофільного флуорометра (“Teaching PAM”, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Німеччина). Акваріум – “закрита” система, заповнена штучною морською водою – містив кілька коралів, які підтримувалися протягом декількох місяців. Квантова продуктивність фотосистеми II в зооксантелах коралів вимірювалася при піднесенні кінчика оптоволоконного шнура PAM до поверхні кожного корала.

Рисунок 1: Фотосинтетична продуктивність. Продуктивність зооксантелл поритів у “закритому” акваріумі (жовтий квадрат) вища, ніж у поритів у “відкритій” системі (помаранчевий ромб), і, ймовірно, є достовірною (t-критерій Стьюдента: t = 7,319; p = 0,025; n = 3). Смуги помилок представляють стандартне відхилення.

Результати

Швидкість фотосинтезу була вищою в “закритій системі” коралових зооксантел. Див. рисунок 1.

Обговорення

Результати обох наборів вимірювань є вищими, ніж у коралів на природних рифах. Горбунов та ін. (2000) повідомляють, що різноманітні корали в дикій природі мають середню продуктивність фотосинтезу 0,39 ± 0,07 (n = 350). Існує кілька факторів, які можуть впливати на продуктивність фотосинтезу, включаючи інтенсивність світла (і можливе фотоінгібування), доступність поживних речовин, варіації в засвоєнні поживних речовин і, можливо, відмінності в архітектурі фотосинтетичних одиниць (PSU) (Gorbunov et al., 2000). Вважається, що корали в обох системах утримання піддавалися впливу підвищеної концентрації поживних речовин, і це пояснює збільшення врожайності (див. Falkowski and Kolber, 1995). Цей висновок ґрунтується на змінних, які можуть впливати на продуктивність фотосинтезу:

Інтенсивність світла

Ці процедури виконувалися відповідно до стандартної практики, тобто коралам дозволялося “адаптуватися до темряви” протягом щонайменше 20 хвилин. Мінімальна (Fo) та максимальна (Fm) флуоресценція визначалися з використанням внутрішнього джерела світла флуорометра PAM в якості насичуючого актинічного джерела. Оскільки інтенсивність світла була і є легко стандартизованою за допомогою ПАМ, ми можемо зробити припущення, що змінна інтенсивність світла не відіграє ніякої ролі.

“Світлова історія” коралів, ймовірно, не мала ніякого впливу на фотосинтетичну продуктивність (див. Горбунов та ін., 2000). Крім того, є обмежені докази того, що “надмірне освітлення” рифових резервуарів можливе навіть при використанні ламп меншої потужності, а вища продуктивність фотосинтезу можлива при знижених рівнях освітленості (Riddle, 2004b).

Рух води

Перш ніж обговорювати поживні речовини та їх вплив на фотосинтез зооксантелл, ми повинні дослідити вплив руху води на фотосинтез. Рух води, ламінарний або турбулентний, необхідний для зменшення прикордонного шару, який існує навколо всіх водних об’єктів. Прикордонний шар – це просто “шкіра” із застійної води, що оточує занурений об’єкт, і товщина прикордонного шару пов’язана з рухом води. Коли рух води низький, прикордонний шар потовщується. Товщина прикордонного шару зменшується зі збільшенням швидкості руху води. Важливо підтримувати належний рух води в акваріумах. Наприклад, коли потреба зооксантелатних коралів в елементі (наприклад, залізі) перевищує здатність цього елемента дифундувати через застійний прикордонний шар, створюється дефіцит поживних речовин, і можливість пригнічення фотосинтезу значно зростає.

Відсутність руху води, або, точніше, довгострокові наслідки недостатнього руху води, ймовірно, спостерігаються лише в акваріумах. Результати недавніх експериментів показали, що потенційні ефекти низьких швидкостей води навколо і над відносно гладкими, інкрустованими або курганоподібними коралами (такими як Porites) можуть бути легко зведені нанівець при мінімальному русі води (Riddle, 2004a). Наразі ведуться роботи по встановленню впливу руху води на швидкість фотосинтезу гіллястих коралів.

Всі вимірювання флуоресценції хлорофілу були зроблені при “хорошому” русі води, створеному або силовими головками, або сильною аерацією. Вважається, що рух води був достатнім для подолання проблем, пов’язаних з дифузією.

Поживні речовини

Поживні речовини включають вуглець, азот, фосфор, калій і мікроелементи, і доступність цих поживних речовин пов’язана з рядом факторів, включаючи обмеження концентрації і дифузії, що накладаються недостатнім рухом води. Як ми щойно побачили, ми, ймовірно, можемо виключити рух води як негативну детермінанту в цих експериментах.

Неорганічний вуглець

Для наших цілей “неорганічний вуглець” визначається як вуглекислий газ (CO2) та іони бікарбонату (HCO-3). Багато любителів вважають, що вуглекислий газ – це неорганічний вид вуглецю, який використовується у водному фотосинтезі, і це уявлення частково правильне. При рН морської води більше 80% неорганічного вуглецю існує у вигляді бікарбонатних іонів (Kirk, 2000). Фермент, карбоангідраза, дегідратує HCO-3 до CO2, який потім використовується як джерело вуглецю.

Вода закритого акваріума була протестована на вміст неорганічного вуглецю. Метод “крапельного титрування” (Ламотт) показав наявність загальної лужності = 104 ppm лужності у вигляді CaCO₃ (або 5,8 dKH, або 2,08 мекв/л, якщо комусь більше подобається). Як примітка, цей набір для визначення лужності вимірює загальну лужність природної морської води як 144 ppm у вигляді CaCO₃ (або 8,0 dKH, або 2,86 мекв/л).

Звичайно, тканина коралів-хазяїв буде містити деяку кількість вуглекислого газу для використання зооксантелами. У багатьох акваріумах, навіть з великою кількістю риб, вуглекислий газ не буде вимірюватися при використанні методів титрування (і це було у випадку з цим конкретним акваріумом – тест з використанням “набору” LaMotte CO2 показав “нульовий” рівень вільного вуглекислого газу).

Результати цих тестів вказують на те, що вода в акваріумі, очевидно, мала дефіцит неорганічного вуглецю у порівнянні з природною морською водою. Однак, дифузія неорганічного вуглецю, навіть при такій низькій концентрації, ймовірно, не обмежується низькою швидкістю води та проблемами прикордонного шару.

Підвищені концентрації бікарбонатів були пов’язані з підвищеними темпами росту кам’янистих коралів (Marubini and Thake, 1999). Ці дослідники висунули теорію, згідно з якою підвищений вміст амонію (Hoegh-Guldberg and Smith, 1989) та нітратів (Marubini and Davies, 1996) призведе до збільшення резидентної популяції зооксантелл та концентрації фотосинтетичних пігментів. Отже, збільшена популяція зооксантелл буде конкурувати з кораловими тваринами за неорганічний вуглець, що зазвичай призводить до зниження швидкості кальцифікації.

Отже, наскільки високим був рівень азоту в “закритому” акваріумі?

Азот

Азот може існувати в багатьох органічних і неорганічних формах. У цій процедурі для вимірювання азоту використовувався нітрат. Тест-набір Tetra Nitrate оцінює вміст нітратів ~6 мг/л нітратів (або близько 1,4 мг/л нітратів у вигляді N). Цей результат свідчить про те, що вода в акваріумі була збагачена азотом. Амоній, ймовірно, є найкращим джерелом азоту для коралів, але поглинання нітратів можливе, коли вміст амонію обмежений (Atkinson et. al., 1994).

Аміак/амоній існує у вигляді колючих імпульсів в акваріумах, як правило, і це досить природно, через кілька годин після годування риб. Концентрація нітратів є непрямим індикатором аміаку/амонію.

При цьому деякі дослідники вважають, що фотосинтетичний вихід зооксантелл низький (напр., _{0,40, порівняно з} 0,73 для макроводоростей і морських трав) через азотне голодування (Kolber et al., 1988; Gorbunov et al., 2000). Зооксантелли, виділені з коралів і вирощені в умовах, багатих на поживні речовини, мають вищу врожайність (від 0,62 до 0,66 – Kolber et al., 1988).

Фосфор

Тест-набір Aquarium Systems Phosphate виявив ортофосфат на рівні ~0,2 мг/л у вигляді PO4. Як і у випадку з азотом, акваріумна вода збагачена фосфором у порівнянні з природною морською водою. Поглинання фосфору коралами, а отже і зооксантелами, пропорційне швидкості руху води (Аткінсон і Білгер, 1992).

Ортофосфат, як правило, вважається шкідливим для процесу кальцифікації (Simkiss, 1964). Однак Сімкісс також продемонстрував, що високі рівні бікарбонату, порівняно з фосфатом, можуть подолати інгібуючий вплив фосфору (навіть коли концентрація кальцію була відносно низькою).

Висновки

Дані свідчать про те, що підвищені концентрації двох основних поживних речовин (азоту і фосфору) можуть бути відповідальними за більш високу продуктивність фотосинтезу в “закритих” системах коралів. Як правило, ми схильні вважати, що кальцифікація коралів і ріст скелета пов’язані з більш високими темпами фотосинтезу, але це не обов’язково так. Зооксантелли конкурують з кораловими тваринами за доступні ресурси, такі як азот і неорганічний вуглець.

Концентрація азоту та фосфору в акваріумах, як правило, підвищена порівняно з чистою природною морською водою, і ці “добрива”, ймовірно, є причиною збільшення популяції або підвищення фотосинтетичної ефективності зооксантел у тканинах коралів. (Посилений ріст коралів був відмічений поблизу рибної ферми в Червоному морі, і вважається, що це пов’язано зі збільшенням кількості поживних речовин – див. Bongiorni та ін., 2003).

Оскільки лужність була відносно низькою, бікарбонат, ймовірно, не був фактором сприяння підвищеним темпам фотосинтезу в акваріумі з ASW, але лужність, вища за норму, здається дуже важливою для постачання вуглецю для росту скелета. Дані свідчать про те, що висока лужність є позитивним фактором в акваріумах.

Вподобання щодо поживних речовин та вплив збагачення/виснаження поживних речовин на зооксантелатні корали в акваріумах можуть бути визначені шляхом подальшого тестування.

Наразі ці фактори здаються важливими для підтримки високих показників фотосинтезу:

1. Інтенсивність світла (висока інтенсивність не обов’язково краща). Недавні експерименти показали, що швидкість фотосинтезу падає при більш високій інтенсивності світла, а “надлишкова” світлова енергія не використовується у фотосинтезі, а розсіюється у вигляді нерадіаційного тепла через ксантофіловий цикл.
2. Рух води має вирішальне значення – він повинен бути достатнім для повного омивання всіх коралових поліпів, щоб зменшити товщину прикордонного шару і пов’язані з цим проблеми дифузії.
3. Керуйте рівнем поживних речовин. Використовуйте ефективне знежирення білків та/або водоростеву фільтрацію для експорту поживних речовин.
4. Підтримуйте лужність вище, ніж у природній морській воді – від 12 до 15 dKH, щоб співвідношення неорганічного вуглецю більше відповідало підвищеному рівню азоту та фосфору, що спостерігається у багатьох акваріумах. Підвищений рівень неорганічного вуглецю (у формі бікарбонату) сприятиме фотосинтезу та росту скелета.

Ці фактори в значній мірі відповідають рекомендаціям, встановленим на основі окремих спостережень – і тепер дані підтверджують ці твердження.

А тепер трохи спекуляцій:

“Мікроелементи

“Мікроелементи”, які у великій кількості містяться у штучній морській воді (Аткінсон і Бінгман, 1999), були названі “причиною для занепокоєння” (Шимек, 2002a; 2002b) і потенційно доброякісними (Сеха, 2003; Харкер, 2003, 2004a, 2004b). Ці автори представили докази на підтримку своїх тверджень. Додам ще одну думку.

Якщо хронічне пригнічення фотосинтезу може бути викликане накопиченням “токсичних” металів, то це не є очевидним у вимірах ПАМ коралів ПЗВ.

Відомо, що зооксантелли та корали концентрують важкі метали у своїх тканинах (Bastida and Garcia, 1997). Насправді, дослідники припускають, що зооксантелли можуть фактично допомагати регулювати вміст металів в тканинах коралів. Теорія припускає, що старі, навантажені металами зооксантели регулярно виганяються, таким чином корал зберігає лише найбільш компетентні клітини водоростей (і ті, що мають нижчу концентрацію металів – див. Harland and Brown, 1989).

Інші дослідники представили докази того, що “надлишкові” метали виводяться з коралових тканин разом з надлишком фіксованого вуглецю у вигляді слизу (Cofforth, 1988). Мітчелл і Чет (Mitchell and Chet, 1975) продемонстрували, що кам’янистий корал Platygyra виживав протягом 10 днів у присутності 1000 ppm (!) сульфату міді – можливо, надмірна кількість виробленого слизу ізолювала корал від міді шляхом потовщення прикордонного шару. Можна також припустити, що слиз хелатував мідь. У будь-якому випадку, вигнані зооксантели та нерозчинений кораловий слиз можна видалити з акваріумної води за допомогою механічної фільтрації або білкового знежирення. Цікаві спостереження щодо різних ролей коралового слизу див. у Wild et al., 2004.

Цікаво, що власні дані Шимека (2002a) можуть підтримувати теорію обмеження фотосинтезу через нестачу важливого мікроелементу – заліза. Можна також навести аргумент, що підвищені концентрації “мікроелементів” необхідні для підтримання їх співвідношення з класичним співвідношенням C:N:P Редфілда 106:16:1. Для отримання додаткової інформації про залізо в рифових акваріумах та значення Редфілда див. Holmes-Farley (2002) та Klausmeier та ін., (2004), відповідно.

Рисунок 2: Фотосинтетична продуктивність зооксантелл Porites lobata у зрілій штучній морській воді, з додаванням лужності та поживної речовини для водоростей Гійярда f/2.

Постскриптум

У мене була гіпотеза, що концентрація поживних речовин, якщо раптово підвищиться, може викликати стрес у зооксантелл. Існують деякі попередні дослідження, які свідчать про те, що певні види динофлагелят чутливі до модуляцій рН (Dason and Colman, 2004).

Цікавість взяла гору, і я провів кілька швидких тестів. Див. рисунок 2. Початковий фотосинтетичний вихід Porites lobata був протестований в діапазоні інтенсивностей світла. Лужність була підвищена на _{50% (}100 до ~150 мг/л у вигляді CaCO3), і ще одна серія вимірювань врожайності була проведена приблизно через 20 хвилин. Потім була додана велика доза (27 мілілітрів кожної з частин I і II в контейнер об’ємом 2600 мл, в якому містилися корали) поживної суміші для водоростей (формула Гійярда f/2), і корали були залишені на 24 години для “замочування” в підвищеному вмісті поживних речовин. Потім був проведений ще один цикл вимірювань врожайності.

Моя гіпотеза виявилася невірною – немає чітких ознак того, що швидкість фотосинтезу збільшилася (або зменшилася, якщо вже на те пішло) різко і миттєво у відповідь на підвищений рівень поживних речовин (для цього конкретного корала в умовах експерименту). Метою цього експерименту не було отримання результатів, які б свідчили про те, що підвищений вміст поживних речовин (зокрема, азоту та фосфору) не викликає занепокоєння – в довгостроковій перспективі він може спричинити небажані ефекти в рифовому акваріумі. Ці результати свідчать про те, що підвищений вміст поживних речовин не викликає негайного занепокоєння, якщо акваріум управляється належним чином. Таким чином, переміщення коралів між акваріумами з великою різницею в рівнях поживних речовин, як було показано в цьому випадку, не викликає раптового збільшення фотосинтезу.

Формула Guillard’s f/2 містить (на основі даних, наданих виробником): 93 300 мг/л азоту (нітрат натрію), 20 000 мг/л фосфору (мононатрійфосфат), залізо (8 200 мг/л), марганець (340 мг/л), кобальт (20 мг/л), цинк (37 мг/л), мідь (17 мг/л), молібдат (9 мг/л) і вітаміни групи В. Ці компоненти є хелатованими та розчинними (“біологічно доступними”) для зооксантел. Інформації для розрахунку теоретичних концентрацій поживних речовин достатньо – залишу розрахунки для когось іншого. Досить сказати, що концентрація поживних речовин була значно вищою, ніж в океані і, ймовірно, в більшості акваріумів. (Примітка: Навіть при “сильній” аерації на дні контейнера був деякий осад, який, як виявилося, в основному складався із заліза).

Ці результати свідчать про те, що підвищений вміст поживних речовин та певних елементів не є безпосереднім стресором для цього виду коралів та зооксантелл. Хоча модуляція рН вважається стресором для деяких видів динофлагелят, очевидно, що короткочасний вплив підвищених концентрацій елементів, необхідних для фотосинтезу, не є таким, принаймні в цьому випадку. Очевидно, що протокол цього конкретного експерименту потребує доопрацювання, але те, що елементи були підвищеними, не викликає сумнівів. Для практичних цілей цей результат свідчить про те, що принаймні деякі види коралів та їх зооксантелли не будуть негайно знебарвлюватися при впливі модулюючих концентрацій поживних речовин (наприклад, при перенесенні з одного акваріума в інший). Вплив підвищених макро- та мікроелементів, короткостроковий та довгостроковий, буде досліджуватися в більш жорстких та контрольованих умовах. Більше пізніше.

Посилання

1. Аткінсон, М. і К. Бінгман, 1999. Склад декількох синтетичних сумішей морської води. Aquarium Frontiers Online. Березень, 7 с.
2. Аткінсон, М.Дж., Е. Колтер та П. Ньютон, 1994. Вплив швидкості води на дихання, кальцифікацію та поглинання амонію спільноти Porites compressa. Pac. Sci., 48(3):296-303.
3. Аткінсон, М.Д., Б. Карлсон та Г.Л. Кроу, 1995. Зростання коралів у морській воді з високим вмістом поживних речовин та низьким рівнем рН: тематичне дослідження коралів, вирощених в акваріумі Вайкікі, Гонолулу, Гаваї. Коралові рифи.
4. Аткінсон, М.Дж. та Р.В. Білгер, 1992. Вплив швидкості течії води на поглинання фосфатів у спільнотах коралових рифів. Limnol. Oceanogr., 37(2):273-279.
5. Bastidas, C. and E. Garcia, 1997. Концентрація металів у тканинах та скелеті корала Montastrea annularis на венесуельському рифі. Proc. 8th Int. Coral Reef Symp., Panama. 2:1847-1851.
6. Бонджорні, Л., Шафір, С., Ангел, Д. і Б. Ринкевич, 2003. Виживання, ріст та розвиток гонад двох герматипних коралів, що зазнали збагачення поживними речовинами in situ на рибницьких фермах. Морська екологія, серія 253:137-144.
7. Коффорт, М., Функція та доля слизових листків, що виробляються рифовими кишковопорожнинними. Proc. 6th Int. Coral Reef Symp., 2: 15-20.
8. Дейсон, Дж. і Б. Колман, 2004. Інгібування росту двох динофлагелят при швидких змінах рН. Can. J. Bot./Rev. Can. Bot. 82(4): 515-520.
9. Falkowski, P. and Z. Kolber, 1995. Варіації виходу флуоресценції хлорофілу у фітопланктоні світового океану. Aust. J. Plant Physiol., 22: 341-355.
10. Горбунов, М., П. Фальковський та З. Кольбер, 2000. Вимірювання параметрів фотосинтезу у донних організмів in situ за допомогою флуорометра швидкого повторення на основі SCUBA. Limnol. Oceanogr., 45(1), 242-245.
11. Harker, R., 2003. Чи справді він у воді? Критичний перегляд токсичних металів у рифових акваріумах. Advanced Aquarist Online. II, 12.
12. Harker, R., 2004a. Чи справді вони у воді? Критичний перегляд токсичних металів у рифових акваріумах, частина 2. Advanced Aquarist Online. II, 12.
13. Harker, R., 2004b. Чи справді вони у воді? Критичний перегляд токсичних металів у рифових акваріумах, частина 3. Advanced Aquarist Online. II, 12.
14. Харланд, А. і Б. Браун, 1997. Толерантність до металів у склерактинських коралів Porites lutea. Mar. Pull. Bull., 20:353-357.
15. Holmes-Farley, R., 2002. Залізо в рифовому акваріумі. Advanced Aquarist Online. Том I, випуск 8.
16. Клаусмайєр, К., Е. Лічман, Т. Дауфрейн та С. Левін, 2004. Оптимальна стехіометрія азоту до фосфору фітопланктону. Природа, 429, 6988: 171-174.
17. Марубіні, Ф. і П. Девіс, 1999. Нітрати збільшують щільність популяції зооксантелл і зменшують скелетогенез у коралів. Mar. Biol, 127: 319-328.
18. Марубіні, Ф. і Б. Тейк, 1999. Додавання бікарбонату сприяє росту коралів. Limnol. Oceanogr., 44(3):716-720.
19. Ріддл, Д., 2004a. Експерименти з флуорометром PAM. Advanced Aquarist Online. III, 6.
20. Ріддл, Д., 2004b. Занадто багато світла! Advanced Aquarist Online. III, 7.
21. Sekha, H., 2003. Токсичність мікроелементів: Правда чи міф? Advanced Aquarist Online. II, 5.
22. Shimek, R.L. 2002a. Це (у) воді. Reefkeeping.com лютий 2002 р.
23. Shimek, R.L. 2002b. […] […]
24. […] […] […] […]
25. […]
26. […] […]

Source: reefs.com