Винесення поживних речовин – стара проблема, нові рішення

Здоров’я і благополуччя сильно залежать від стану навколишнього середовища. У людей можна навести приклади великомасштабних епідемій, таких як чума, холера і т.д., які були викликані дуже поганими санітарно-гігієнічними умовами. Санітарні структури і процеси, а також гігієнічні звички розвивалися і еволюціонували з плином часу, причому значний прогрес спостерігався в минулому столітті. Сьогодні ми очищуємо промислові та побутові стічні води перед їх скиданням у річки, озера та моря, те ж саме стосується твердих відходів та димів. Особисто я займаюся такою діяльністю, оскільки одним з моїх професійних обов’язків є управління навколишнім середовищем, і одним з моїх головних завдань є пошук шляхів і рішень для промислових відходів, що утворюються. В основному, я намагаюся і досягаю успіху в їх утилізації або переробці. Існують закони для того, щоб забезпечити дотримання сталих екологічних практик, а свідомість суспільства стає все більш свідомою та активною в цьому відношенні. Це не новина для природи, насправді це існувало задовго до того, як ми існували як вид, і тільки так природа могла підтримувати стійку і безперервну еволюцію, яка піддається циклам, злетам і падінням, але все стає на свої місця, і життя на Землі продовжується.

Ми зараз багато чуємо і говоримо про глобальне потепління, вплив людини і її внесок у це і т.д… Так воно і є, але не тільки, бо в природі з людиною чи без неї також відбуваються ці зміни. Один з періодів історії Землі, який мене найбільше захоплює, – це Пермське масове вимирання та Сибірські пастки… За оцінками, 94% морського життя вимерло і 70% наземного життя вимерло.

1 мільйон років і більше вулканічної активності, всі середовища повністю порушувалися і життя на Землі практично знищувалося. Але як тільки вулканічна активність припинялася, все ставало на свої місця і з тих форм життя, що виживали, виникали нові, які проіснували до наступного масового вимирання і так далі. Незважаючи на те, що ці циклічні події є природною динамікою живої планети, якою є Земля, динамікою, яка значною мірою зумовлена рухами її тектонічних плит, що можуть змінювати глибинні течії океану, склад атмосфери тощо, ми, люди, також відіграємо в цьому певну роль і тому повинні діяти таким чином, щоб відходи перероблялися і не завдавали шкоди нам і навколишньому середовищу, сприяючи тим самим створенню стійкого і здорового середовища для життя.

Наведений вище сценарій мало чим відрізняється від того, що має бути досягнуто в наших закритих акваріумних системах, інакше вони просто не будуть стійкими, і все живе в них деградує і загине. Живі організми, які ми утримуємо, мають харчові потреби, які повинні бути задоволені, щоб вижити, але в результаті вони переробляють такі поживні речовини і виробляють відходи, які, в свою чергу, повинні бути перероблені і знешкоджені, і все це в збалансований спосіб, інакше закритий біотоп не буде стійким.

Ці відходи утворюються через так званий азотний цикл … це відходи NH3, NO2, NO3, PO4 … і всі вони повинні бути вивезені з системи або шляхом перетворення певними організмами, які використовують їх як джерело енергії, та/або видалені хімічними або механічними засобами. В іншому випадку, якщо їх залишити в закритому біотопі, вони будуть накопичуватися досить швидко до такої міри, що стануть просто шкідливими для форм життя в системі і в кінцевому підсумку вб’ють їх і викличуть біологічний колапс системи, подібно до того, що сталося в дуже великих масштабах під час Пермського вимирання.

Баланс між харчовими потребами та переробкою відходів був великим викликом протягом багатьох років, але людські зусилля поступово подолали багато з цих проблем, і те ж саме стосується збереження рифів. Сьогодні утримуються види, які раніше було майже неможливо утримувати. Зараз існує набагато більше рішень і краще розуміння експорту поживних речовин, ніж будь-коли раніше. Самі технології, як ви прочитаєте нижче, здебільшого не такі вже й нові, але розуміння і знання того, як вони працюють і як їх використовувати, значно розвинулися. Ефективне використання цих рішень, однак, повинно бути сплановане заздалегідь, і це планування повинно враховувати організми, які ми маємо намір утримувати, а також наш спосіб життя, наші знання, звички, бажання і час, доступний для ведення сільського господарства, а також наші гаманці.

Отже, що це за нові рішення? Якщо ми зробимо ретроспективний аналіз поширених рішень щодо винесення поживних речовин, то виявимо, що нові рішення здебільшого не є такими вже й новими. Насправді, деякі з цих методів були доступні протягом досить тривалого часу, тільки вони не були до кінця зрозумілі та/або добре використані.

Давайте подивимось на шматочки цього пазлу експорту поживних речовин в ретроспективі.

Природний системний підхід

Ще в 1950-х роках пан Лі Чінг Енг запропонував рішення під назвою “природна система”, яке коротко кажучи, використовувало природну рифову породу, яку пізніше і сьогодні називають живою породою, яку він міг збирати на місці, оскільки жив дуже близько до моря в Індонезії, використовувало природну морську воду, яку регулярно змінювали, використовувало сонячне світло і повітряні насоси для сприяння руху води і подачі кисню в свої закриті системи. Це працювало і може працювати, якщо мати необмежений доступ до цих природних ресурсів і створити систему, збалансовану в усіх аспектах – без затоварювання, без перегодовування тощо – і мати для цього багато часу і терпіння! Тому не дивно, що на початку 70-х років ентузіасти по всій планеті намагалися і не змогли утримати такі системи, оскільки не до кінця розуміли динаміку та обмеження методології. Як наслідок, метод був широко відкинутий як нездійсненний, але він здійсненний, хоча досить вимогливий як з точки зору природних засобів, так і часу і вимагає великої самодисципліни для досягнення хороших результатів.

Підхід пленарної системи Жобера і глибокі піщані пласти

Метод “Пленум” був розроблений і застосований доктором Жаном Жобером в Океанографічному музеї Монако і з того часу отримав назву “система Жобера”. Він заснований на створенні безкисневого шару води, що знаходиться під глибоким шаром гравію або піску на дні акваріума. Цей шар води є анаеробним, тому він є анаеробним, а бактерії, що ростуть у ньому, видаляють нітрати з акваріума.

Глибокий піщаний шар можна визначити як шар дрібного піску з розміром зерен 1 мм (частинки більшого розміру сприяють більшій циркуляції води, що не сприяє створенню анаеробного середовища), з мінімальною глибиною від 10 до 15 см, що гарантує, що значна частина акваріума буде мати низьку або дуже низьку циркуляцію води, таким чином, створюючи умови для поселення анаеробних бактерій, які розщеплюють нітрати до газу азоту. Крім того, глибокий піщаний шар буде місцем проживання багатьох організмів, що живуть у піску, таких як черв’яки, краби, равлики, які будуть споживати відходи життєдіяльності риб і коралів і сприятимуть циркуляції води в глибині піщаного шару, що значно підвищить стійкість системи. Глибокі піщані шари можуть бути розміщені в самому акваріумі або віддалено у відстійнику.

Ці пленуми та глибокі піщані шари часто поєднуються з мангровими заростями та/або водоростями для подальшого підвищення їх здатності видаляти відходи з системи, використовуючи їх в якості джерела живлення. Зрозуміло, що ці підходи, пов’язані з пленумом і глибоким піщаним шаром, дійсно працюють, коли вони встановлені і підтримуються належним чином, але вони можуть бути вимогливими до утримання і є складними біотопами, які можуть бути легко зруйновані. Тим не менш, вони залишаються популярними.

Підхід Берлінського методу

Цей метод базується на використанні значного обсягу живої породи, яка містить бактерії та морські організми, як і природний системний підхід, згаданий вище. Бактерії на поверхні породи є аеробними і перетворюють шкідливий аміак на нітрити, а потім нітрати, які, в свою чергу, шляхом дифузії переміщуються вглиб живої породи, де анаеробні бактерії перетворюють їх на азот. Через часткову заміну води нітрати, що залишилися, видаляються. Білковий скіммер є додатковим заходом для видалення з товщі води деяких розчинених органічних сполук до того, як вони будуть розщеплені до аміаку. Цей метод, хоча і широко використовується протягом багатьох років, вимагає великої кількості породи для підтримки системи, і з часом порода може втратити деяку або значну частину своєї ефективності, що часто компенсується заміною старої живої породи свіжою живою породою та/або використанням бактеріальних суспензій. Підміни води природною морською водою або якісною синтетичною сольовою сумішшю відіграють дуже важливу роль для підтримки основних елементів і мікроелементів і часткового видалення деяких небажаних поживних речовин. Використання кальцієвих реакторів, реакторів Кальквассера або двокомпонентних розчинів забезпечить контрольоване задоволення потреб у споживанні коралів. Жива порода забезпечує природний вигляд рифу з достатньою кількістю місць для розміщення коралів, а також надає притулок для риб та ракоподібних, равликів, черв’яків тощо.

Як можна зрозуміти, цей широко використовуваний метод біологічної фільтрації має свої обмеження, пов’язані з об’ємом і простором, необхідним для розміщення живого каменю для підтримки системи, а також з можливою втратою ефективності з часом, оскільки популяції бактерій можуть зменшуватися, якщо їх не поповнювати або якщо вони піддаються впливу деградації параметрів води, що впливає на стійкість системи. Це, мабуть, найпоширеніший підхід, тим не менш, і зараз його динаміка краще зрозуміла.

Підхід водоростевого скрубера

Водоростевий скрубер – це пристрій для фільтрації води, який використовує світло для вирощування водоростей, які видаляють з води небажані хімічні речовини, такі як NH3, NO2, NO3, PO4, шляхом первинного виробництва, подібно до океанів та озер. Його можна використовувати як для прісних, так і для морських вод. Вода проганяється по шорсткій сильно освітленій поверхні, де водорості ростуть у великих кількостях, і вони в присутності атмосферного CO2 споживають величезну кількість поживних речовин. Потім водорості регулярно видаляються, і при цьому разом з ними видаляються поживні речовини, які в іншому випадку накопичуються до небезпечного рівня в закритій системі акваріума.

Винахід водоростевого скрубера приписується доктору Уолтеру Ейді ще наприкінці 1970-х років, коли він був директором Лабораторії морських систем Музею природничої історії Смітсонівського інституту (м. Вашингтон, США). Тоді доктор В. Ейді досліджував різні види водоростей і це наштовхнуло його на думку спробувати зрозуміти, як океан “переробляє” поживні речовини. Він побудував дуже успішний публічний акваріум у Смітсонівському інституті – систему коралових рифів на 130 галонів (456 літрів), яка після 8 років закритості від навколишнього середовища мала хімічні параметри, контрольовані виключно водоростевим скрубером. Цю систему вивчала мультидисциплінарна група біологів, яка визнала її найбільш біологічно різноманітним рифом з усіх коли-небудь виміряних – поживні речовини, такі як NH3, NO2, NO3, PO4, переробляються в ній водоростями, вони переходять від водоростей до тварин і знову до водоростей.

Доктор Ейді побудував кілька версій водоростевих скруберів для акваріумів у Смітсонівському інституті, які він назвав водоростевими скруберами з дерну, оскільки в той час вважалося, що “дернові” водорості є найкращим типом водоростей для вирощування в скрубері. Це був 1-й патент США на водоростевий скрубер, і він описував досить складний скидний пристрій, який виливав воду на горизонтальну поверхню. Доктор Ейді брав участь у випробуванні великомасштабного водоростевого скрубера на великому акваріумі з бар’єрним рифом і, таким чином, вперше застосував технологію водоростевого скрубера до акваріумних систем великого об’єму. В акваріумах, які використовують методи бактеріальних фільтрів, рівень поживних речовин, як правило, становить частини на мільйон, в той час як за допомогою водоростевих скруберів вони утримуються в концентрації частин на мільярд, незважаючи на велике біологічне навантаження. Придатність водоростевих скруберів була продемонстрована під час нересту склерактинових коралів та багатьох інших мешканців акваріумів.

Доктор Ейді ліцензував свій патент деяким особам, і протягом короткого періоду часу вони продали невелику кількість скруберів акваріумістам, але складність конструкції і вартість ліцензії вплинули на ціну продажу, тому ця висока ціна в поєднанні з тим фактом, що ці установки були шумними і ненадійними, оскільки механізм скидання застрявав, призвела до падіння продажів, і доктор Ейді відкликав ліцензії в той час, коли ці скрубери почали просуватися в акваріумістику в 1990-х роках. Доктор Ейдей звернув свою увагу на комерційне та промислове застосування і зайнявся приватним бізнесом з виробництва великомасштабних скрубберних установок.

Водоростевий скрубер повинен був залишатися в основному неактивним для рифів і акваріумів протягом багатьох років, однак вплив водоростей не залишився непоміченим, оскільки любителі почали обговорювати проблеми з водоростями і помітили, що ставки, озера, акваріуми з дуже великою кількістю водоростей не мали поживних речовин у воді. Тож те, що здавалося дивним на той час, було проаналізовано і встановлено зв’язок між збільшенням кількості поживних речовин у воді, що призводило до збільшення кількості шкідливих водоростей, і тим, що водорості споживали додані поживні речовини швидше, ніж вони були додані, таким чином, у воді не виявлялося поживних речовин, які можна було б виявити. Це викликало інтерес до використання водоростей для контролю поживних речовин, але цього разу водорості не повинні були потрапляти в демонстраційний акваріум і були встановлені таким чином, щоб їх можна було легко видалити. Відстійник здавався ідеальним місцем, а вода, що поверталася з дисплея, була джерелом живлення слабо освітлених водоростей. Пізніші розробки закінчилися вертикальним пристроєм, зробленим любителем, який не зміг знайти скрубери для водоростей, оскільки їх більше не було у продажу. Багато любителів зараз створюють свої власні комплекти, такі як той, що зробив Антоніо Вітор і зображений на фотографіях і відео, які він зробив і люб’язно надав для цієї статті. Це нове покоління водоростевих скруберів виявляється досить ефективним і недорогим як у придбанні, так і в експлуатації.

Дозування вуглецю і додавання бактеріальних штамів

В останні роки використання джерел вуглецю, таких як етанол (в основному горілка), а також цукор і оцет, досить успішно використовується для живлення бактерій і, таким чином, сприяє їх активності у видаленні NO3 і, в меншій мірі, PO4. Було зрозуміло, що популяції бактерій повинні постійно поповнюватися і підтримуватися для забезпечення безперервної і якісної біологічної фільтрації, тому все більше людей вдаються до цієї практики з хорошими результатами замість заміни старого живого каменю на свіжий живий камінь. Деякі люди навіть видаляють живий камінь у відстійник або з системи, щоб створити мінімалістичний естетичний вигляд. Насправді цей підхід також не є новим, оскільки бактеріальні суспензії були доступні ще в 90-х роках, а також бактеріальна їжа. Різниця, наскільки я пам’ятаю, полягає в тому, що тоді вони в основному і майже тільки використовувалися в якості стартового набору для нових акваріумів, навіть якщо деякі бренди заявляли, що додавання повинно проводитися на регулярній основі для підтримки системи та стійкості.

Біологічно розкладні пластмаси/полімери

Пластмаси … про них можна говорити багато, і я не буду вдаватися в подробиці історії пластику та типів пластику, окрім біорозкладних, з якими ми маємо справу в цій статті. Використання пластику стало переважним до такої міри, що ми можемо “потонути” в ньому, якщо не вжити заходів. Насправді, пластик – це проблема відходів, і ми не можемо просто продовжувати викидати його на звалища і забути про нього, оскільки він розкладається століттями. Біорозкладні пластмаси або полімери з’явилися як рішення цієї проблеми. Не минуло багато часу, як їх почали використовувати як засіб для вирощування та живлення необхідних бактерій, які розщеплюють, зокрема, NO3 та PO4. Ці “біопелети” ще називають твердою горілкою або твердими джерелами вуглецю. Але навіть вони не такі вже й нові, оскільки вже досить давно використовуються в деяких реакторах для відновлення нітратів. Їх використання стає все більш популярним, оскільки вони працюють в більш легко контрольованому аеробному середовищі і діють досить швидко.

GFO – гранульований оксид заліза

Гранульований оксид заліза вже досить давно використовується для очищення води, а точніше для видалення з води високотоксичного миш’яку та інших небажаних забруднювачів, таких як PO4. Ця практика, що використовується у водних рослинах, була поширена на утримання рифів і поступово набуває популярності протягом останніх кількох років. Вона може бути використана різними способами, але найбільш переважним є використання всередині реактора, так що зерна безперервно переміщуються водою, що впорскується через нього. Результати є досить видатними, а рівень PO4 може бути знижений до майже невизначуваного рівня. Найбільшим недоліком є постійні витрати на заміну вичерпаних носіїв.

Висновки

Отже, після цієї ретроспективної подорожі, що ж насправді нового? Ну, дуже мало нового. Новим є наше розуміння динаміки біологічної фільтрації та потреб, що застосовуються до господарських потреб для підтримання сталого та здорового закритого водного біотопу. Тепер ми краще розуміємо цю динаміку і знаємо, як краще налаштувати структуру підтримки, щоб вона працювала. Не здивуюся, якщо в недалекому майбутньому це розуміння і освоєння цих методик призведе до можливості утримання дуже вибагливих тварин, таких як деякі горгонії, які потребують постійного і рясного годування. Освоєння і контроль біологічної здатності системи швидко виводити поживні речовини, що виникають в результаті рясного годування і навіть надмірного утримання, матиме велике значення, так само, як це має місце при очищенні промислових і міських стічних вод для забезпечення здорового навколишнього середовища для людини. Стає зрозуміло, що роздільне або комбіноване використання методів вилучення поживних речовин, а також ретельне планування їх використання матиме велике значення. Ми повинні ретельно вивчити і визначити, які з них використовувати в наших конкретних ситуаціях. Старе дійсно може стати новим, коли ми краще зрозуміємо обмеження та переваги різних підходів і навчимося використовувати їх стратегічно, намагаючись збалансувати імпорт та експорт поживних речовин у наших акваріумах.

Source: reefs.com