Типи фосфору в рифовому акваріумі та коментарі та спостереження щодо його видалення за допомогою білкового скімінгу

Відходи, зібрані з білкового скімера, були проаналізовані на предмет “типів” фосфору. Результати допомагають пояснити деякі загадкові спостереження, зроблені любителями.

Фосфор, ймовірно, не викликав би особливого занепокоєння у любителів, якби не той факт, що він може сприяти зростанню “неприємних” водоростей, проте його присутність є палицею з двома кінцями, оскільки він необхідний для підтримки здорового життя. Кількість фосфору, необхідна людині, коливається від 800 до понад 1200 міліграмів на добу. Тварини (в тому числі корали та риби) потребують фосфору в своєму раціоні для підтримання належного метаболізму і є важливим елементом кісток, зубів, ферментів, клітинних мембран тощо. В акваріумі фосфор додається в товщу води кількома способами. Введення їжі та усунення відходів і природний розпад колись живих тканин додадуть фосфор в акваріум. Навіть частинки пилу (що складаються, серед іншого, з відмерлих клітин людської шкіри) додадуть фосфору. Він також може бути доданий водою, доданою для заміни тієї, що випарувалася.

Хоча експорт фосфору можливий за допомогою ряду механізмів (хімічна секвестрація, поглинання водоростями, заміна води і т.д.), ця стаття буде присвячена видаленню фосфору шляхом знежирення білка і, як наслідок, додавання кальцієвої води.

Додавання фосфору в рифовий акваріум

Фосфор є важливим елементом для життя. Дійсно, основним джерелом фосфору в акваріумі може бути навмисне годування риб і безхребетних, що утримуються в неволі. Підраховано, що в аквакультурних об’єктах до 20% корму залишається нез’їденим. Інші дослідження свідчать, що цей відсоток сягає 30% (Kibria et al., 1997). Крім того, з фактично з’їденого корму лише невелика частина утримується рибою, а більша частина виводиться у вигляді розчинених і твердих частинок.

Оскільки фосфор необхідний для життя, його вплив у разі смерті та розкладання також необхідно враховувати. Розпад колись живих тканин, будь то рослини або тварини, додасть фосфор у воду в акваріумі. Також слід враховувати, що біологічна ерозія субстратів (природна або через хімічну деградацію, наприклад, розчинення деяких вапняних субстратів вуглекислим газом у реакторах) також додасть фосфору.

Фосфор, що використовується у водопідготовці

Великі підприємства водопостачання зобов’язані за законом відповідати федеральним стандартам щодо вмісту свинцю та міді у питній воді. Ці два елементи, як правило, не присутні у воді, коли вона виходить з очисних споруд, але натомість можуть бути розчинені з домашніх водопровідних труб (мідних і труб, що використовують свинцевий припій) агресивною водою. Щоб захистити Вас від потенційно шкідливого впливу цих металів, водоканали додають у воду фосфати (іноді у формі P, що гідролізується кислотою, наприклад, гексаметафосфат натрію). Ця хімічна речовина покриває внутрішню поверхню труб і може мінімізувати наслідки корозії. Хоча загалом вона корисна для Вас і Вашого здоров’я, Ваша питна вода може містити підвищений вміст фосфору. Якщо не очистити воду, яка додається для компенсації води, що випаровується з акваріума, то вона також буде містити фосфор. Якщо не докладати зусиль для видалення цього фосфору, він може з часом піднятися до високих рівнів через цикли концентрації.

Кругообіг фосфору

Природа переробляла матеріали задовго до того, як ми, люди, зрозуміли цю концепцію (щоб довести це, достатньо просто спостерігати, що ландшафт не вкритий екскрементами динозаврів). Кругообіг фосфору – це лише один з багатьох природних процесів. Фосфор не зустрічається в природі в чистому вигляді; натомість він поєднується з іншими елементами, зазвичай у мінеральній формі. Повільне вивітрювання гірських порід вивільняє фосфор у навколишнє середовище, хоча більша його частина ніколи не розчиняється у воді. Однак частина фосфору стає “біологічно доступною” (у формі ортофосфату) і використовується первинними продуцентами, такими як рослини та водорості. У свою чергу, рослинний матеріал використовується тваринами в їх метаболізмі. Відмирання та гниття рослин і тварин вивільняє частину цього фосфору назад у навколишнє середовище. В анаеробних умовах частина фосфору стає розчинною у воді і процес починається заново.

Глосарій

Фільтрат Вода, відфільтрована через певний вид сітчастого фільтру з метою видалення зважених часток. Оскільки всі форми P можуть бути знайдені у зважених частинках, видалення їх за допомогою фільтрації дозволяє визначити розчинену форму безпосередньо, а зважену частину – математично. Скіммат Матеріал, видалений в процесі фракціонування піни і зібраний (зазвичай у вигляді коричневої рідини/твердих речовин) у збірній чашці скімера. Частинки на мільярд ppb, що еквівалентно одному мікрограму на літр. Частинки на мільйон ppm, що еквівалентно одному міліграму на літр. Фосфор Неметалічний елемент, необхідний для життя. Його хімічний символ – P, атомна маса – 30,97.

Фосфор може бути знайдений у воді в різних формах або видах, в тому числі:

1. Реактивний фосфат або ортофосфат: Реактивний фосфор (також званий ортофосфатом) є “біологічно доступним” для сприяння росту водоростей. Реактивний Р може бути розчиненим або суспендованим. Колориметричні тести на фосфати, доступні для любителів, вимірюють лише ортофосфати, хоча невеликі кількості легко гідролізованих неорганічних та органічних фосфатів можуть бути включені в результат. Найпоширенішими формами ортофосфатів, що зустрічаються в діапазоні рН від 5 до 9 у водному середовищі, є HPO₄ -2 , H2PO₄ – , PO₄ -3 , HPO₄ -2 , і H₂PO₄ (Stumm and Morgan, 1981).
2. Кислотно-гідролізований (A-H) фосфат або конденсований фосфат: Кислотно-гідролізований фосфат може бути знайдений у вигляді розчиненої або суспендованої форми. Він може бути в піро-, мета-, триполі- та інших формах поліфосфатів (таких як гексаметафосфат). Термін “кислотно-гідролізований” є кращим, ніж “конденсований”. Фосфор у зразку вимірюється за допомогою процедури гідролізу сірчаною кислотою, після чого віднімаються попередньо визначені ортофосфати (EPA, 1979). Метод кислотного гідролізу повідомляє про розчинений та конденсований фосфат, який перетворюється на розчинений ортофосфат шляхом підкислення зразка (APHA, 1998). Його називають розчиненим гідролізованим фосфором або загальним гідролізованим фосфором, коли тестуються відповідно відфільтровані або нефільтровані зразки.
3. Загальний фосфор: Сума органічних і неорганічних форм фосфору. Як і у випадку з реактивним та конденсованим фосфором, загальний фосфор може бути розчиненим або суспендованим. Його визначають колориметрично лише після важкого процесу окислювального розкладання, коли загальний фосфор перетворюється на ортофосфат. Зразки доводилося розбавляти, оскільки вміст P перевищував максимальну межу виявлення (3,5 мг/л у вигляді PO₄ 3- ).
4. Загальний розчинений фосфор: Форма фосфору, присутня у воді, яка була відфільтрована через 0,45-мікронну мембрану, а потім піддана процесу окислювального травлення. Цей процес видаляє більшість зважених частинок, включаючи багато бактерій. Загальний фосфор включає як розчинений органічний, так і неорганічний фосфор.
5. Органічний фосфат: Утворюється переважно в результаті біологічних процесів і включає в себе відходи тваринництва, нез’їдені продукти харчування, які знаходяться на різних стадіях розкладання. Органічний фосфор перетворюється на ортофосфат лише шляхом окислювального руйнування органічної речовини (APHA, 1989). Загальний вміст органічного фосфору може бути кількісно визначений шляхом віднімання розчиненого гідролізуємого фосфору та ортофосфатів від загального вмісту фосфору (EPA, 1998). Розчинений органічний фосфор може бути кількісно визначений шляхом віднімання розчиненого гідролізуємого фосфору та розчиненого ортофосфату від результату загального розчиненого фосфору (TDP).
6. Неорганічний фосфат: Фосфор, який зазвичай вважається поєднаним з кальцієм у лужній, вапняній воді (або алюмінієм та/або залізом у кислому середовищі), є сумою ортофосфату та кислотно-гідролізованого фосфату (хоча він може включати деяку кількість органічного фосфору в результаті процесу кислотного перетравлення).

Розрахунки, що використовуються для визначення видів фосфору

“Типи” (види) фосфору складаються з реактивного (орто-) фосфату, фосфату, який перетворюється на орто-фосфат шляхом кислотного гідролізу (кислотно-гідролізуємого) та загального фосфору (де для перетворення фосфору в легко вимірювану форму використовується насильницьке розкладання сильною кислотою та персульфатним окислювачем). Крім того, органічні, неорганічні, розчинні та тверді форми можуть бути визначені при використанні додаткових протоколів тестування. Див. рисунок 1.

Малюнок 1. Блок-схема для визначення різних видів фосфору у водних матрицях. З “Стандартних методів дослідження води та стічних вод”, 20-е видання.

Процедура

Акваріум, який використовувався в цих спостереженнях, був приблизно 45 галонів (170 літрів) і з’єднаний з відстійником на 100 галонів (379 літрів), для справжнього об’єму води близько 110 галонів (416 літрів). Акваріум мало навантажений, містить декілька безхребетних та двох риб.

Фільтрація складається з механічних засобів (фільтрувальні прокладки) та низхідного скімера ETSS моделі 800, що приводиться в дію відцентровим насосом Danner. Відстійник містить невелику кількість морських водоростей, які підсвічуються 21-ватним світлодіодним прожектором. Циркуляція між відстійником і резервуаром забезпечується за допомогою напірної головки Maxi Jet 1200.

Зразки скіммату та акваріумної води відбирали у скляні пляшки, попередньо промиті соляною кислотою у співвідношенні 1:1 з наступним промиванням деіонізованою водою.

Колір APHA за даними спектрометра Hach становив у середньому 86 одиниць видимого кольору (за шкалою 0-500 платиново-кобальтових одиниць) і виявився кольором слабкої кави. Напівтвердий матеріал, який зібрався на димоході скімера і збірній чашці, був видалений пластиковим шпателем і доданий в пляшку зі скіматом і гомогенізований, наскільки це можливо, шляхом енергійного струшування.

Зразки, проаналізовані на вміст розчиненого фосфору, фільтрували через 47-міліметрові фільтри Millipore 0,45 м, які були замочені в деіонізованій воді протягом 24 годин перед використанням.

Активний фосфор визначали за допомогою спектрометра Hach (DR 2800) та методу аскорбінової кислоти (реагент PhosVer3 у флаконі TnT). Оскільки зразок був забарвленим і каламутним, перед тестуванням проводили попередню обробку гасячим реагентом.

Зразки для визначення кислотно-гідролізуємого та загального фосфору використовували реагенти у флаконах TnT (з використанням методів кислотного гідролізу та персульфатного розкладання, відповідно). Зразки розкладалися за рекомендованих температур і часу в блок-нагрівачі Hach DRB при рекомендованих температурах і часі. Метод аскорбінової кислоти використовувався для визначення A-H і загального P після розкладання і охолодження.

Було проаналізовано стандарт контролю якості фосфору 50 мг/л, з результатом 49 мг/л (відновлення 98%).

Для визначення різних видів фосфору використовувалися методи, показані на рисунку 1.

Для визначення кальцію та магнію використовувався метод послідовного титрування Hach. Чиста кінцева точка для магнію не була отримана і тому не повідомляється. Вміст кальцію у зразку виявився підвищеним, але це потребує підтвердження.

Солоність і питома вага були визначені за допомогою каліброваного рефрактометра.

Аналіз скіммату

Попередні аналізи скіммату принесли деякі сюрпризи, такі як дуже низька солоність. Крім того, значна частина кольору видаляється фільтрацією, що свідчить про те, що речовина не розчинена, а існує у вигляді дрібнодисперсних частинок.

Незважаючи на те, що солоність трохи знижена, вміст кальцію був підвищений. Я мав намір проаналізувати зразок далі, але у мене закінчилися деякі лабораторні матеріали. Вони знаходяться під замовленням (разом з іншим новим обладнанням). У будь-якому випадку, ось попередні результати:

• pH = 8.41@23.5ºC
• Солоність/питома вага = 26 частин на тисячу/1,020 (ймовірно, через випаровування), оскільки солоність скіммату спостерігалася на рівні 13,8 проміле.
• Кальцій = 576 мг/л у вигляді CaCO₃
• Провідність = 45 міліСіменссм
• Завислі речовини = 264 мг/л
• Видима кольоровість при довжині хвилі 455 нм та рН 8,41 (перевищено межу в 500 одиниць платино-кобальту (PtCo)). Зразок розбавили, і видима кольоровість склала 1,816 одиниць. Для визначення істинного кольору пробу було відфільтровано через фільтр 0,45. Результат склав 180 одиниць PtCo.
• Каламутність (нефільтрована проба) =179 NTU; фільтрована проба = 4 NTU.

Рисунок 2. Реактивний фосфат (той, що є “біологічно доступним” і сприяє росту водоростей), знайдений у воді акваріума та збірній чашці скімера.

Висновки та обговорення

Це тестування дає зрозуміти, що цей білковий скіммер дійсно видаляє фосфор, хоча цей процес може бути не особливо ефективним як єдиний метод контролю фосфору, і фосфат може накопичуватися в системі, якщо не використовуються інші механізми видалення.

Найцікавіша виявлена інформація стосується форми фосфору у воді цього акваріума. Я припускаю, що дуже мало любителів (або професійних акваріумістів, якщо на те пішло) тестують воду в своїх системах на наявність чогось іншого, окрім ортофосфату, використовуючи легко виконувану одноступеневу стандартну процедуру. Давайте подивимось на результати тестів води цього акваріума та нефільтрованих відходів скіммера (скіммату). Див. рисунок 2.

Як бачимо, за результатами тесту вода в акваріумі має “нульовий” вміст активних фосфатів (що, звісно, не відповідає дійсності. Фосфати у воді є, але їх рівень нижче межі виявлення приладу). Проте нефільтрований скімат містить значну кількість активного фосфату. Ці результати самі по собі можуть свідчити про те, що скіммер добре справляється з видаленням фосфору. Подальше тестування свідчить про протилежне. Див. рисунок 3.

Малюнок 3. Загальний вміст фосфору в акваріумній воді та фільтрованому і нефільтрованому скіммері. (Загальний фосфор = Активний фосфат + (Кислотний гідролізований фосфат – Активний фосфат)). Примітка: Це той самий зразок, який був проаналізований і представлений на рисунку 2. Як і очікувалося, концентрація загального фосфору вища, ніж ортофосфату.

Кількість загального фосфору в акваріумній воді є досить високою (0,6 мг/л), в той час як у відфільтрованих/невідфільтрованих зразках скіммату вона ще вища.

Другий раунд тестування був проведений на іншому зразку скіммату. Ці результати наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. “Типи” фосфору (у вигляді PO4) у відходах скіммерів.

Реактивний P	мг/л у вигляді PO4
Загальний реактивний фосфор	1.93
Розчинений реактивний фосфор	0.04
Суспендована активна речовина P	1.89
Кислотний гідроліз P	мг/л у вигляді PO4
Загальний A-H P	5.5
Розчинений A-H P	0.4
Суспендований A-H P	5.1
Завислі	мг/л у вигляді PO4
Загальний P	7.43
Всього розчиненого	0.44
Всього зважений P	6.99
Органічний P	мг/л у вигляді PO4
Загальний органічний P	0*
Розчинений органічний P	0*
Суспендований органічний Р	0*

Аліквота скіммату була відфільтрована (процедура описана нижче), отже, як відфільтровані, так і не відфільтровані зразки були проаналізовані на ортофосфат, кислотно-гідролізований фосфат і загальний фосфат. Оскільки незначні відхилення в результатах не склали 100% (хоча вони були близькими), я вирішив використати математичний метод, показаний на рисунку 1, для розрахунку загального фосфору в ілюстративних цілях в цій статті.

Цей другий раунд дав інші результати, ніж у перших тестах – хоча кількість загального фосфору нефільтрованого скіммату в цих двох наборах досить близька, розчиненого фосфору було набагато менше. Причина цього невідома.

Незважаючи на те, що існують загадки, які перешкоджають поясненню того, чому форми фосфору були настільки різними, є два чітких повідомлення, які можна взяти на озброєння:

1. Хоча простий у виконанні метод визначення ортофосфатів за допомогою аскорбінової кислоти широко використовується в рифових акваріумах, він є поганим індикатором справжнього вмісту фосфору. Загальна та кислотно-гідролізована форми фосфору присутні навіть тоді, коли загальнодоступний “тест-набір” вказує на те, що вміст ортофосфату дорівнює або близький до нуля. Повільне перетворення двох перших форм (разом з нормальним надходженням) забезпечить фосфор для росту водоростей.
2. Знежирення білка видалить фосфор, причому основна його частина буде в кислотно-гідролізованій формі. Оскільки ця форма може поєднуватися з кальцієм у лужних розчинах (наприклад, у воді рифових акваріумів), виникає спокуса думати, що додавання кальцію (особливо розчини кальквасеру з високим рівнем рН, з локалізованим високим рівнем рН у точці крапельної подачі) може відігравати важливу роль у винесенні фосфору через знежирення білка. Дійсно, вміст кальцію в скімматі виявився надзвичайно високим. Потрібні додаткові дослідження, про що буде повідомлено пізніше.

Кен Фельдман провів значні дослідження в цій галузі, і його звіт можна знайти тут:

Мої слабкі спроби і результати, про які тут повідомляється, були б просто виноскою в його роботі.

Постскриптум

Заради інтересу я вирішив провести аналіз фосфору в кормах для риб, які я використовую, а також ще один з механізмів експорту (поглинання фосфору морськими водоростями Chaetomorpha). Див. рисунок 4.

Рисунок 4. Вміст фосфору в кормі для морських риб, а також вміст фосфору в водорості, яка зазвичай використовується для експорту поживних речовин.

Деякі виробники кормів для риб (наприклад, Hagen) стверджують, що будь-який вміст фосфору, що перевищує 0,9%, є занадто високим. На одному з кормів, який я використовую, Kent Marine (Platinum Chroma Xtreme) не вказано вміст фосфору, тому був проведений тест на загальний фосфор. Як показано на рисунку 4, цей корм містить майже 5% загального фосфору. Експерти підрахували, що риба перетворює лише частину спожитого фосфору в біомасу, а більша частина виділяється у вигляді розчиненої та дисперсної форм фосфору.

Запобігання накопиченню фосфору в системі обходиться дешевше, ніж багато форм його видалення, тому слід враховувати вміст фосфору в продуктах харчування. Подивіться на етикетку харчового продукту для гарантованого аналізу.

Питання? Коментарі? Будь ласка, залишайте їх у розділі коментарів нижче. Якщо ви віддаєте перевагу приватному обговоренню, зі мною найкраще зв’язатися за адресою RiddleLabs@aol.com.

Список використаних джерел

1. Американська асоціація громадського здоров’я, 1998. Стандартні методи дослідження води та стічних вод, 20-е видання, Л. Клескері, А. Грінбург та А. Ітон, ред.. United Book Press, Балтимор.
2. Фельдман, К., 2010. Елементний аналіз скіммату: Що насправді видаляє білковий скіммер з акваріумної води?
3. Кібрія, Г., Д. Нугегода, Р. Фейрклаф та П. Лам, 1997. Вміст поживних речовин та вивільнення поживних речовин з корму та фекалій риб. Phytobiologica, 357:165-171.

Source: reefs.com