Каталог статей

Загальний органічний вуглець (ЗОВ) і рифовий акваріум: первинний огляд, частина I

catalogue of articles

Загальний органічний вуглець (ЗОВ) і рифовий акваріум: первинний огляд, частина I

Ці питання будуть розглянуті через огляд відповідної літератури про (неакваріумні) польові дослідження та експерименти на зразках морської акваріумної води, взятих з цілого ряду акваріумних акваріумів:

Вступ: Вірогідні зв’язки між DOC, TOC, кораловими бактеріями та здоров’ям коралів

Економічна цінність коралових рифів у всьому світі оцінюється в 375 млрд. доларів США на рік внаслідок рибальства, туризму та захисту узбережжя (Costanza, 1997). На жаль, у багатьох регіонах світу коралові рифи гинуть; наприклад, за останні 30 років популяція коралових рифів Карибського басейну скоротилася приблизно на 80% (Гарднер, 2003). Ці взаємозалежні факти активізували зусилля в багатьох галузях науки, спрямовані як на виявлення збудників загибелі коралів (= рифів), так і на пошук можливих заходів щодо їх покращення. Було визнано, що багато антропогенних (= пов’язаних з діяльністю людини) вторгнень в екосистему коралових рифів сприяють стресу і навіть загибелі коралів на тропічних рифах, хоча не можна виключати і природні стресові фактори. Вся ця діяльність привернула увагу до екологічної значущості рифоутворюючих коралів та їх реакції на зміни в навколишньому середовищі. Багато спостережень за стражданнями/загибеллю коралів, зроблених на тропічних рифах, можуть бути продубльовані в наших (стресових) акваріумах в результаті незапланованих і небажаних відхилень в практиці утримання. Таким чином, підтримка здоров’я та забезпечення виживання тендітних організмів, які ми так дбайливо вирощуємо в наших домашніх акваріумах, залишається значним викликом, особливо в міру старіння акваріумів та накопичення відходів.

На щастя, сумлінному акваріумісту доступна велика кількість інформації, деяка анекдотична, а деяка перевірена ретельними експериментами, щоб допомогти у виконанні цього завдання. Багато (більшість?) канонічних параметрів, пов’язаних з успішним утриманням, визначені. Питання освітлення, течії, температури, годівлі і т.д. зазвичай можуть бути вирішені декількома різними і ефективними підходами. Підтримання хімічного складу води може бути складнішим завданням, оскільки споживання/видалення та виробництво/додавання основних і слідових компонентів води має бути збалансованим. Тим не менш, прийнятні діапазони для основних елементів/сполук задокументовані, а методології, необхідні для моніторингу та підтримання належних рівнів солоності, лужності, кальцію, магнію, стронцію, йодидів, нітратів, аміаку, фосфатів тощо, добре відомі та легкодоступні. У наведеному вище переліку компонентів морської акваріумної води відсутній один помітний, можливо, навіть ключовий, гравець: вуглець.

Що таке розчинений органічний вуглець (DOC), твердий органічний вуглець (POC) та загальний органічний вуглець TOC)

Вуглець у цьому контексті є загальним поняттям, яке відноситься до вуглецевмісних (тобто органічних) хімічних речовин, які або розчинені у самій воді (= розчинений органічний вуглець, DOC), або зважені у воді у вигляді дрібних частинок, включаючи одноклітинні організми (= частинки органічного вуглецю, POC) (Holmes-Farley, 2004). Разом ці джерела вуглецю називаються загальним органічним вуглецем (ЗОВ). Розмежування між ЗОВ і ЗОВ є умовним і базується виключно на можливостях наявних у продажу фільтрувальних матеріалів. В даний час робоче визначення DOC включає вуглецевмісний матеріал, який проходить через пори 0,2 мікронного фільтра. Будь-який вуглецевмісний матеріал, що залишається позаду, який включає більшість бактерій/одноклітинних організмів, потім позначається як твердий органічний вуглець (ТОВ) (Benner, 2002).

Органічний вуглець як у твердій, так і в розчиненій формі називають “ґрунтом моря” на знак визнання його ролі в основі всієї морської екосистеми (Ducklow, 2002). Саме від наявності цього джерела палива залежить життєдіяльність мікробіоти в океанах і вся морська харчова піраміда. Більше 97% органічної речовини в океанах знаходиться у формі DOC, і спроби кількісно оцінити кількість DOC у воді всіх океанів призводять до приголомшливих значень: 650 – 700 x 10 15 грамів С, тобто число того ж порядку величини, що і загальна кількість вуглецю (у вигляді СО2) в атмосфері (~ 750 x 10 15 грамів) (Hedges, 2002; Benner, 2002).

Хімічний склад цього сукупного ОРВ залишається значною мірою загадкою внаслідок труднощів як у виділенні, так і в характеристиці дуже малих кількостей дискретних молекул у надзвичайно складній суміші подібних видів. Тим не менш, певний прогрес був досягнутий за допомогою сучасних методів розділення (хроматографія) та складних методів визначення (ядерний магнітний резонанс, мас-спектрометрія) (Benner, 2002). Були ідентифіковані члени широких класів біологічних метаболітів, і найкращі оцінки складу DOC коливаються навколо наступних значень:

Малюнок 1. Приклади амінокислот, пептидів, цукрів та олігосахаридів.

Таким чином, лише близько 10% від загального обсягу ОВР може припадати на ці поширені біохімічні види; решта 90% ОВР залишаються неохарактеризованими. Цю невідому більшість вуглецю по-різному називають “морськими гуміновими речовинами” або “вогнетривким вуглецем”, але ці назви не дають жодного корисного хімічного розуміння. Насправді, навіть твердження, що вуглеводи та амінокислоти, перераховані вище, присутні в DOC, вводить в оману; ці види насправді існують в основному як полімери, де багато амінокислот з’єднані разом в ланцюг, який називається пептидом або білком, і багато окремих молекул цукру також приєднані разом в (іноді розгалужені) ланцюги, які називаються олігосахаридами. Тільки за допомогою гідролізу, що каталізується кислотою (= хімічне додавання води), ці полімери можуть бути розщеплені на окремі компоненти і охарактеризовані, як зазначено вище. Деякі приклади цих видів як окремих одиниць, так і в складі полімерних ланцюгів показані на рис. 1. Більша частина DOC в океанах споживається за часовий проміжок порядку від кількох годин до кількох тижнів. Решта врешті-решт осідає в глибоководних частинах океану, і методи датування за 14 C (= радіоактивний вуглець) визначають її вік в діапазоні 4000 – 6000 років (Benner, 2002).

Вивчення хімічних структур, проілюстрованих на рис. 1, підкреслює той факт, що існує багато інших елементів, необхідних для побудови молекул життя. Відсотковий вміст вуглецю (за сухою вагою) різних організмів був виміряний/розрахований, і достовірні значення для кількох прикладів становлять: придонні безхребетні 30 – 49% C; пелагічні безхребетні 45-50% C; людина 28% C (Liess, 2006; Sterner, 2002). Таким чином, коли в аналізі повідомляється про значення 1 ppm вуглецю, фактична кількість органічного матеріалу знаходиться десь між 2 і 3,3 ppm за масою.

Який природний рівень вуглецю (розчиненого та/або твердих частинок) у водах тропічних рифів? У глибокому океані?

Вимірювання рівнів органічного вуглецю (DOC і POC) в океанах має довгу і яскраву історію. Перші опубліковані спроби датуються 1892 роком, коли Наттерер зробив це відкриття, і з тих пір ця тема залишається в полі зору хіміків-океанологів. Виявлення невеликої кількості вуглецю, зануреного в “море” солі і неорганічного вуглецю (бікарбонату, HCO3– ) виявилося складним завданням, і було досліджено багато методологій. Лише в 1990-х роках з’явився “найкращий” на сьогоднішній день метод, що став можливим завдяки наявності комерційних приладів, хоча “саморобні” версії ключових приладів були розроблені ще в 1960-х роках. Цей метод, який називається високотемпературним окислювальним спалюванням (HTOC), буквально спалює всі органічні залишки в зразку, щоб генерувати CO2 з вуглецю, а потім цей новоутворений CO2 може бути ідентифікований і кількісно визначений за допомогою відповідного детектора. Навіть з цим досягненням, проблеми з високими інструментальними “холостими пробами” заважали раннім спробам отримати корисні дані про рівні ХСК в океані, але конференція в 1991 році і подальші заходи призвели до упорядкування методології щодо підготовки проб і відповідного використання холостих проб (Sharp, 1993; Sharp, 2002).

Комерційним інструментом вибору є аналізатор ЗОВ Shimadzu 5000 TOC Analyzer. Після того, як були розроблені деталі приладу, було задокументовано багато надійних вимірювань вмісту DOC, POC та TOC на рифах та у відкритому океані, Таблиця 1. Загальноприйняте значення глибоководного вмісту ЗОВ (в даному випадку DOC) коливається в межах ~ 0,45 – 0,60 ppm, число, яке здається нечутливим до місця збору. На рифах, однак, значення DOC (і TOC) значно вище. Навіть з урахуванням цього, значення DOC на рифах від південної частини Тихого океану до Японії, Карибського басейну до Червоного моря є напрочуд узгодженими у своєму діапазоні: 0,7 – 1,6 ppm. Аномально високі значення для деяких ділянок на острові Понапе були пов’язані з наземним стоком (= забрудненням), подібно до високих значень, що спостерігалися в Токійській затоці та Флоридській затоці. Таким чином, існує консенсусне значення 1,1 ± 0,4 проміле вуглецю в основній масі води здорових процвітаючих рифів. Ці рифи, принаймні в південній частині Тихого океану, є саме типом екосистем, які дають притулок коралам, рибам та іншим мешканцям, що складають нашу акваріумну біоту.

Таблиця 1. Огляд вимірювань органічного вуглецю на рифових (позиції 1-17) та нерифових ділянках океану (позиції 18-24) з усього світу. Всі дані отримані за допомогою аналізатора Shimadzu 5000 TOC Analyzer (метод HTOC), якщо не вказано інше. Зверніть увагу, що всі вихідні дані були переведені в одиниці ppm для послідовності порівняння.
Вхідні дані Місцезнаходження Глибина (фути) DOC (ppm) POC (ppm) TOC (ppm) Посилання
1 Лагуна Хараікі, FP a 27 0.76 0.17 0.93 Pagès (1997)
2 Лагуна Хікуеру, РЛП 58 0.93 0.11 1.04 Pagès (1997)
3 Лагуна Хіті, FP 26 0.92 0.12 1.04 Pagès (1997)
4 Лагуна Кауехі, FP 104 0.82 0.09 0.91 Pagès (1997)
5 Лагуна Марокау, FP 65 0.85 0.11 0.96 Pagès (1997)
6 Лагуна Ніхіру, FP 58 0.72 0.11 0.73 Pagès (1997)
7 Лагуна Рекарека, FP 3 1.00 0.22 1.22 Pagès (1997)
8 Лагуна Тайяро, FP 39 1.67 0.19 1.86 Pagès (1997)
9 Лагуна Текокота, FP 10 0.72 0.09 0.81 Pagès (1997)
10 Лагуна Тепото-Суд, FP 16 0.74 0.12 0.86 Pagès (1997)
11 Атол Маджеро, Маршаллові о-ви 0.62-2.18 c Йошинага (1991)
12 Острів Понапе, Мікронезія 1.61-4.51 c Йошинага (1991)
13 Лагуна Велика Астролябія, Фіджі 65-120 1.37 Торретон (1999)
14 Риф Сірахо, Японія 0.86 0.04 0.90 Хата (2002)
15 Кюрасао, НА b (день) 23 1.55 d Ван Дуйл (2001)
16 Кюрасао, НА (ніч) 23 1.16 d Ван Дуйл (2001)
17 Кораловий риф Нат. Резерв, Ізраїль 29 0.86 0.09 0.95 Яхель (2003)
18 Токійська затока 1.92 Огава (1992)
19 відкритий океан, атол Маджеро 1-162 0.88-1.66 c Йошинага (1991)
20 відкритий океан, екв. Тихий океан 0.84 Шарп (1995)
21 відкритий океан, екв. Тихий океан 13000 0.47 Шарп (1995)
22 Відкритий океан, біля Пд. — 1.00 0.05 1.05 Pagès (1997)
23 відкритий океан, Саргасове море 6 0.88 Шарп (1993)
24 відкритий океан, Саргасове море 7150 0.59 Шарп (1993)
25 Флоридська затока, Флорида 10.5 Boyer (1997)
a Французька Полінезія. b Нідерландські Антильські острови. c Діапазон декількох місць збору. d Метод мокрого хімічного окислення, перехресна кореляція з методом HTOC.

Які організми виробляють вуглець, а які споживають вуглець у рифовому середовищі?

Основними споживачами DOC в рифовому середовищі є гетеротропні (= не здатні виробляти власну їжу) бактерії (Моріарті, 1985). Ці бактерії можуть жити у товщі води або тісно пов’язані з субстратом, детритом, коралами та іншими бентичними організмами тощо. Бактерії є критично важливим компонентом у харчовій мережі рифу, оскільки вони відіграють роль “посередника” у передачі енергії від джерела (= сонячне світло) до споживачів на рифі (Eppley, 1980; Ducklow, 1983, Crossland, 1980; Johannes, 1967; Ducklow, 1979; Gottfried, 1983). Сонячне світло, що падає на риф, запускає енергетичний цикл, сприяючи фотосинтезу у вільно плаваючому планктоні у товщі води, а також у зооксантелах склерактинових коралів, якими ми захоплюємося в наших акваріумах. Фотосинтез використовує енергію сонячного світла для “фіксації” (= приєднання) неорганічного вуглецю у вигляді CO2до органічних хімічних структур, які з часом стають вуглеводами (див. рис. 1). Ці вуглеводні будівельні блоки далі хімічно обробляються зооксантелами та/або коралами-хазяїнами, а потім виділяються коралами у вигляді коралового слизу (комбінація складних полісахаридів, амінокислотних олігомерів/полімерів, ліпідів тощо, див. рис. 1). Вуглеводи та амінокислоти слизу слугують джерелом живлення для бактерій та іншої мікробіоти, які складають основу морської харчової піраміди (Kirchman, 1990; Rich, 1996; Weiss, 1999; Wild, 2004; Sharon, 2008). Решта мешканців рифу, включаючи самі корали, в яких мешкають зооксантелли, потім харчуються цими багатими на енергію мікробами (або, в свою чергу, організмами, які поїдають мікроби, і так до нескінченності), таким чином увічнюючи харчову мережу рифу, що рециркулює поживні речовини. На додаток до коралів, губки є одними з найбільш плідних сховищ морських бактерій. Насправді, деякі губки були вивчені як ефективні агенти біоремедіації в морській аквакультурі внаслідок їх виняткової здатності поглинати ЗОВ (Fu, 2007).

Звідки береться ЗОВ? Фітопланктон є основним джерелом, і була запропонована інтригуюча гіпотеза, що вивільнення DOC є засобом утилізації надлишкового, фотосинтетично генерованого “фіксованого” вуглецю, коли рівень поживних речовин недостатньо високий для росту (Hessen, 2008). Як обговорювалося вище, одними з основних виробників DOC на рифі є самі корали (Crossland, 1987). Використовуючи досить креативний облік вуглецевого балансу, Сорокін підрахував, що ~ 20% DOC у водах тропічного рифу можна віднести до виробництва коралового слизу (Sorokin, 1993). У незалежному дослідженні аналогічне значення (10 – 20%) загального ЗОВ, що метаболізується осадовою спільнотою рифу, було віднесено до коралового слизу (Wild, 2004); Johannes, використовуючи іншу методологію оцінки та в іншій місцевості, зменшує це значення до ~ 2% (Johannes, 1967). Навіть враховуючи великі похибки в цих цифрах через зроблені припущення, дивно, що корали вносять так багато органічного матеріалу в товщу води рифів, а отже, і в замкнуті системи наших (перенасичених?) рифових акваріумів.

Кілька додаткових доказів підтверджують твердження про те, що корали через свої слизові виділення буквально затоплюють риф DOC. Наприклад, вимірювання вмісту DOC у контактній поверхневій воді, що оточує Montastraea faveolata та Madracis mirabilis на рифі поблизу АН Кюрасао, показало більш високі значення (~ 2,28 ppm) порівняно з водою з сусіднього рифу (1,60 – 1,94 ppm) (van Duyl, 2001). В іншому (лабораторному) дослідженні було виявлено, що Galaxea fascicularis щоранку та вдень виділяла “сплеск” DOC тривалістю близько години. Зразки, яких годували артемією, виділяли більший сплеск DOC порівняно з контролем без годування: для Galaxea, яких годували, виміряне значення DOC у 5-літровому резервуарі зросло з базового значення 1,2 проміле до 4,8 – 20,4 проміле; некормлені Galaxea підвищили базовий рівень DOC у воді лише на кілька проміле під час сплеску викидів. В обох випадках, протягом 2 годин після сплеску, вміст DOC у водоймі знизився до базового рівня (Ferrier-Pagès, 1998). Розрахунки вуглецевого балансу показали, що ~ 11-14% фотосинтетично фіксованого вуглецю (тобто того, що походить з HCO3 – CO2) вивільняється у вигляді DOC, що узгоджується з багатьма попередніми дослідженнями (Сорокін, 1993; Кроссланд, 1987).

Куди дівається DOC, коли пік активності Галаксії спадає? Дослідження маркування 14 C припускають, що він швидко споживається бактеріями, які живуть у самому коралі та на ньому, а не бактеріями, присутніми у товщі води. Вимкнення цих ендогенних бактерій шляхом лікування антибіотиками скасувало поглинання DOC.

У наступному дослідженні Ferrier-Pagès з колегами розширили цей тип експерименту, включивши в нього більш різноманітну коралову картину в своєму лабораторному акваріумі (Ferrier-Pagès, 2000). Зразки Stylophora sp., Acropora sp., Favia sp., Galaxea sp. та Euphyllia ancora в одному експериментальному акваріумі, а також Montipora sp., Favia sp. і знову Euphyllia ancora в другому незалежному акваріумі, були оброблені мікропланктоном (акваріум 1) та морськими бактеріями (акваріум 2). В обох випадках через 2 – 7 годин після годування було виявлено збільшення DOC у 5 – 13 разів порівняно з базовим рівнем. Ці сплески DOC вщухали приблизно через 2 години, і рівень DOC знижувався до значень до годування. У контрольному резервуарі (субстрат, але без коралів) не було зафіксовано жодного сплеску DOC протягом експерименту. Подібні спостереження за Acropora palmata також були зроблені Мінсом та Сіглео (Means, 1986). Взяті разом, ці послідовні спостереження кореляції між харчуванням коралів і подальшим виробництвом DOC, а потім споживанням, в широкому діапазоні видів коралів і типів їжі, починають говорити про загальність цього явища. Фактично, ці спостереження можуть передвіщати розвиток гіпотези про те, що корал свідомо регулює кількість і вміст своєї бактеріальної популяції, дозуючи їжу у вигляді DOC (див. Rohwer, нижче).

Очевидно, тісний зв’язок між коралами та пов’язаною з ними мікробіотою, можливо, принаймні частково опосередкований виробництвом/споживанням DOC, дозволяє припустити, що загальне “здоров’я” цієї бактеріальної популяції може впливати на загальний стан здоров’я самого корала. Ця концепція була розширена та кодифікована Розенбергом як “гологеномна теорія еволюції”, яка передбачає, що організм-господар (тобто корал) та пов’язана з ним мікробіота (бактерії, зооксантелли тощо) повинні розглядатися як єдина одиниця еволюції; голобіонт (Rosenberg, 2007). Цінність такої перспективи можна побачити, якщо розглянути час розмноження бактерій (хвилини) у порівнянні з часом розмноження коралів (місяці? роки?). Генетична інформація мікробіотичних симбіонтів може змінюватися набагато швидше через мутації та/або горизонтальне перенесення генів, ніж генетична інформація коралів-господарів, що гарантує, що голобіонт може швидше адаптуватися через природний відбір до швидко мінливих умов навколишнього середовища. На підтримку цієї концепції, виміряні бактеріальні популяції в шарі коралового слизу в 100 – 1000 разів перевищують популяції в навколишній воді. Крім того, робота LaJeunesse продемонструвала, що існує кореляція між видами коралів-господарів і конкретними кладами зооксантелл (= симбіотичних водоростей), які асоціюються з ними, і що ці корельовані асоціації реагують на еволюційний тиск (LaJeunesse, 2005a; LaJeunesse, 2005b; див. також Baker, 2003). Аналогічно, подібні склади бактеріальних популяцій зустрічаються в одних і тих же видах коралів у різних географічних місцезнаходженнях, тоді як зіставлені корали різних видів мають значною мірою різні бактеріальні компоненти свого голобіонту (Rohwer, 2001, 2002; Bourne, 2005; Rosenberg, 2007; Ritchie, 2008). Крім того, з’явилися деякі докази того, що градієнти навколишнього середовища (наприклад, глибина, забруднення) є визначальними факторами для бактеріальних популяцій (Klaus, 2007). Таким чином, хоча остаточна картина асоціації коралів і бактерій, безсумнівно, буде складною і багатофакторною, існує певна міра стійкої селективності коралів до мікробів, що свідчить про цілеспрямоване поєднання симбіонта з хазяїном. Чи реагують корали та пов’язана з ними мікробіота в наших акваріумах так само, як корали, що вивчаються на рифах? Попередні дані свідчать про те, що насправді мікробна популяція ідентичних коралів Fungia granulosa в акваріумах і в дикій природі досить сильно відрізняється, щоб представляти інтерес (Kooperman, 2007).

Автори припускають, що відмінності в мікробіоті акваріумних зразків від рифових є прикладом пристосованості коралового голобіонта до навколишнього середовища. Цікаво припустити, що корали навмисно контролюють свою популяцію бактерій, щоб забезпечити перевагу у виживанні, і що секреція DOC може бути одним з механізмів, за допомогою якого здійснюється цей контроль. Зафіксовані деякі обнадійливі непрямі докази з цього приводу. Наприклад, різні види водоростей вносять різний за складом DOC, і ці відмінності в хімічному складі, очевидно, корелюють із залученням різних видів бактерій (González, 2000; Pinhassi, 2004; Grossart, 2005; див. також Covert, 2001 для відповідного прикладу). Зокрема, лабораторна обробка зразків океанічної води, що містять як морські бактерії Pseudoalteromonadaceae (P), так і Alteromonadaceae / Cotwelliaceae (A/C), з певним вмістом різних вуглеводів та амінокислот (як моделі для компонентів DOC), призвела до помітних відмінностей у співвідношенні P:A/C як функції джерела вуглецю (Allers, 2007a; Allers, 2007b). Нарешті, було зроблено спостереження, що (1) хімічний склад коралового слизу відрізняється між видами (Meikle, 1988), і що (2) різні генетичні варіанти бактерій Alteromonadaceae macleodii, що живуть у воді та коралах, асоціюються з різними коралами (Bourne, 2005; Lampert, 2006); чи може (1) корелювати з (2) детермінованим чином?

Яку роль відіграє органічний вуглець у здоров’ї коралів, що мешкають у наших морських акваріумах?

Якщо DOC є фактором контролю та підтримки мікробіоти в кораловому голобіонті, то що відбувається, коли щось йде “не так”? Це питання в даний час знаходиться на передньому плані досліджень в галузі коралової мікробіології, враховуючи аварії рифів і загибель коралів в Карибському басейні зокрема, а також по всьому світу (Rosenberg, 2007b). Кілька прикладів слугують для ілюстрації деяких патологій коралів, пов’язаних з проблемами, що виникають у мікробному угрупованні певних коралів. Можливо, найбільш вивченим випадком є відбілювання середземноморського корала Oculina patagonica. Було висловлено припущення, що знебарвлення є прямим наслідком інфікування бактерією Vibrio shiloi (Rosenberg, 2007a). Невідомо, чи ця бактерія вторгається, а потім переважає місцеву біоту, чи вона завжди присутня, але стримується, невідомо. У будь-якому випадку, як тільки вона з’являється, підвищена температура води, схоже, ініціює ряд біохімічних процесів у V. shiloi, які в кінцевому підсумку призводять до знебарвлення коралів-господарів. Це пояснення знебарвлення O. patagonica нещодавно було піддано сумніву, і були запропоновані альтернативні гіпотези, які не потребують бактеріальної інвазії (Ainsworth, 2008).

Rohwer з колегами нещодавно опублікували дві провокаційні статті, в яких намагаються пов’язати рівні DOC з рівнями бактеріальної популяції в голобіонтах певних коралів, і, в кінцевому рахунку, зі здоров’ям самих коралів (Kuntz, 2005; Kline, 2006). Обробка інкрустованих фрагментів Montastraea annularis, Agaricia tenufolia та Porities furcata в контрольованих лабораторних умовах 5 мг/л (= 2 проміле вуглецю) дисахариду лактози (див. рис. 1) призвела до загибелі більшості зразків A. tenufolia протягом 30 днів, але не викликала збільшення смертності порівняно з контролем для зразків M. annularis та P. furcata. Однак аналогічний 30-денний експеримент з 25 мг/л лактози (= 10 ppm C) призвів до майже повної загибелі M. annularis і A. tenufolia, але P. furcata залишився непорушним. Поширення цього експериментального протоколу на інші джерела вуглецю призвело до аналогічних результатів. Маноза (моносахарид, див. рис. 1) при концентрації 25 мг/л (= 10 ppm C) була особливо летальною для P. furcata, але не для M. annularis. Крохмаль (полісахарид, див. рис. 1) при концентрації 25 мг/л (10 ppm C), з іншого боку, не становив загрози для P. furcata, але був смертельним для зразків M. annularis. Стійкість P. furcata до всіх образ (крім манози!) не була несподіваною, оскільки цей корал пристосувався до життя в далеких від первісних умовах, які зазнають значних коливань температури, седиментації та солоності. За зазначеним винятком, ці експерименти вперше дають однозначні докази загибелі коралів внаслідок впливу на них вуглеводів, які відносяться до компонентів ДОК в океанах.

Який біохімічний зв’язок між дозуванням вуглеводів та смертністю коралів? Ці підвищені рівні вуглеводів, як сурогатів DOC, призводять до збільшення на порядок швидкості росту мікробів у підповерхневому мукополісахаридному шарі Montastraea annularis (Kline 2006). Цікаво, що дозування фрагментів M. annularis в лабораторному акваріумі з болюсом бактерій, культивованих з поверхневого мукополісахаридного шару декількох коралів (Montastraea franksi, Agaricia tenufolia, Porites astreoides і Diploria strigosa), безпосередньо вбивало корали (Kline, 2006). Таке лікування зробило не більше, ніж по суті миттєво подвоїло бактеріальну популяцію коралів; воно не привнесло жодних нових патогенних бактерій до коралів. Крім того, виражені патології вмираючих коралів при дозуванні вуглеводів нагадують симптоми декількох бактеріально індукованих захворювань коралових стрічок. Ці непрямі докази спонукали Rohwer et al. припустити, що введення вуглеводів (= джерело палива) призведе до дисбалансу в бактеріальному компоненті голобіонта, і що цей відхід від рівноваги призводить до загибелі коралів. Механізм, за допомогою якого ця індукована бактеріальна проліферація призводить до загибелі коралів, ще належить з’ясувати, і це ключове питання має бути вирішене до того, як ця інтригуюча гіпотеза зможе отримати подальший розвиток. Тим не менш, емпіричні дані можуть бути витлумачені як такі, що підтверджують стійкий зв’язок між підвищеними рівнями DOC, відповідно збільшеними бактеріальними популяціями та смертністю коралів.

Будь-яке обговорення взаємозв’язку між рівнями DOC та здоров’ям коралів було б упущенням без відступу від популярної в даний час практики дозування рифових резервуарів джерелами вуглецю, зокрема горілкою (= етанолом), цукром та / або оцтом (див. для своєчасного обговорення). Логіка цього методу утримання випливає з припущення, що збільшення DOC, яке забезпечується цими хімічними речовинами, сприятиме зростанню бактерій, а це збільшення бактеріального росту, в свою чергу, прискорить видалення азотовмісних та фосфоровмісних поживних речовин з водної товщі. Збільшена бактеріальна маса потім може бути видалена за допомогою ефективного видалення, що призводить до чистого експорту небажаних поживних речовин (N, P) з акваріума. Стандартний рецепт був розроблений Еріком з Glassbox-Design: 200 мл горілки міцністю 80, 50 мл оцту і 1,5 столові ложки цукру, змішані разом. Рекомендації щодо дозування цієї суміші передбачають початок з 0,1 мл/20-гал на день і поступове збільшення до підтримуючої дози 0,5 мл/20-гал на день. Як ці значення споживання вуглецю порівнюються зі значеннями споживання вуглецю (через вуглеводи) Rohwer? Фактично, протокол Eric/Glassbox-Design еквівалентний підвищенню рівня води в акваріумі приблизно на 1,1 проміле вуглецю при підтримуючій дозі. Значення дозування вуглецю Rohwer, які призводили до загибелі коралів протягом 30-денної експозиції, були в діапазоні 2 – 10 ppm C. Таким чином, виявляється, що рецепт Eric/Glassbox-Design не залишає багато місця для помилки в рівнях дозування; передозування в 2-3 рази може призвести до загибелі коралів.

Чи може дисбаланс вмісту вуглецю лежати в основі епізодів аварій рифових акваріумів?

Незрозуміла масова загибель коралів в, здавалося б, здорових рифових акваріумах залишається одним з найбільш незрозумілих і неприємних подій в хобі. На рифових дошках оголошень занадто часто з’являються теми, які починаються словами: “Допоможіть! Мій акваріум руйнується; мої корали вмирають, але всі мої вимірювані параметри води знаходяться в межах очікуваних діапазонів. Що сталося?” Чи можливо, що підвищений рівень DOC, незалежно від причини, сприяє або навіть спричиняє загибель коралів? Чи може збільшення DOC призвести до стрімкого зростання популяції бактеріальних симбіонтів коралів, що, в свою чергу, може спричинити критичний дисбаланс у (деяких) бактеріальних компонентах коралового голобіонту? На ці питання наразі немає відповіді, оскільки дані про рівні DOC (або TOC) в морських акваріумах повністю відсутні. Таким чином, базові дані, такі як базальні рівні ЗОВ в успішних акваріумах, і як ці рівні можуть змінюватися у відповідь на різні стимули (наприклад, мешканці акваріума, годування, різні методи утримання, ± скіммінг, ± GAC, ± озон тощо), ще не були зареєстровані. Тільки після того, як буде зібрана широка та всеосяжна база даних про рівні DOC (TOC) у морських акваріумах, можна буде зробити певні висновки про значення рівнів DOC для здоров’я коралів (і всього поголів’я).

Перша спроба отримати деякі з цих даних описана нижче.

Accurate and reliable reports of DOC and/or TOC levels in thriving reef aquariums have not yet been reported. However, this type of information is essential for evaluating the hypothesis that DOC/TOC levels can impact on the health of the livestock, particularly the corals, in this captive environment. Measured DOC/TOC values in tanks that were established and maintained under different types of husbandry protocols can begin to provide glimpses into that part of the relationship between “aquarist style” and overall outcome (i.e., coral health) that is mediated by the water’s carbon content. In order to approach this goal, an initial series of studies on the author’s reef aquarium were performed. TOC and not DOC was chosen as the measured parameter, because measuring DOC would (1) require filtration of the tank water samples prior to analysis in order to remove POC (particulate organic carbon). Other researchers have found that this filtration procedure contaminates samples with carbon. On this point, control experiments showed that 0.2 micron filters required washing with as much as 50 mL of ultrapure MilleQ distilled/RO/DI 18.2 M water in order to diminish the carbon measurement of a water sample to pre-filtering levels. That operation was not practical for the amount of samples examined. (2) Eliminate the POC component, which is also a food source, and (3) provide no further useful information, as DOC is typically >Чи точно наші рифові резервуари імітують природні рівні вуглецю на процвітаючих рифах?

95% загального органічного вуглецю в будь-якому випадку. У цих експериментах також використовувався аналізатор TOC Shimadzu 5000, той самий інструмент/метод, який використовувався для автентичних вимірювань TOC/DOC на рифах, наведених у Таблиці 1. Кожна точка даних була записана як середнє значення трьох незалежних вимірювань на зразках, відібраних протягом 1 хвилини один від одного.~Протокол експерименту: Кожен зразок відбирали шляхом занурення перевернутого 40 мл попередньо вимитого флакону з пломбою I-CHEM (каталог VWR № 15900-022) під поверхню акваріума на глибину близько 6 дюймів, а потім обертаючи його так, щоб він заповнився водою в акваріумі. В акваріумістиці існує думка, що поверхня рифового акваріума збирає органіку на межі розділу повітря-вода, але наші вимірювання вмісту ЗОВ у поверхневій воді порівняно з водою на глибині 6 дюймів та водою на глибині 24 дюйми не підтвердили цю гіпотезу. Флакон негайно виймали, закривали тефлоновим ковпачком з перегородкою, маркували, а область ковпачка щільно закривали алюмінієвою фольгою, щоб запобігти осіданню пилу на тефлоновій перегородці. Потім флакон поміщали в морозильну камеру при температур і-23 о С для швидкого заморожування вмісту. Флакони з експерименту колективно розморожували в теплій воді і подавали на аналізатор Shimadzu протягом 60 хв після вилучення з морозильної камери. Зразок 18,2 М води додавали безпосередньо в чистий флакон в якості холостого зразка, і значення ЗОВ з цього холостого зразка віднімали від значень ЗОВ всіх зразків. Типові показники холостого зразка варіювалися від

0,12 ppm до 0,25 ppm. Досвід роботи з приладом Shimadzu дозволяє припустити, що джерелом цього “холостого” вуглецю є залишки в самій трубці згоряння, а не у 18,2 М воді. Таким чином, віднімання холостого вуглецю є законним і необхідним компонентом аналізу. Аналізатор ЗОВ показує значення ЗОВ в проміле на основі калібрувальної кривої з використанням калію гідрогенфталату в якості стандарту в діапазоні від 0,5 до 11 проміле ЗОВ. Використання цього конкретного калібрувального реагенту і підготовка калібрувальної кривої є стандартною робочою процедурою для Shimadzu 5000. Кожен зразок аналізується 3 – 5 окремих і незалежних разів, до тих пір, поки розкид значень ЗОВ не потрапляє в заданий діапазон. Приклад типового результату наведено на рис. 2.

Малюнок 2. Дослідник акваріумів Келлі Маерс і аналізатор ЗОВ Shimadzu 5000; приклад типового експериментального результату ЗОВ.

Вміст ЗОВ в авторському резервуарі та показники ОВП в ті ж самі моменти часу були виміряні протягом типового тижня, рис. 3. Цей резервуар являє собою носову частину 175 Oceanic, обладнану відстійником, що вміщує загальний об’єм води 167 галонів (Feldman, 2006). Огляд поголів’я, що міститься в цьому рифовому резервуарі, можна побачити на рис. 7 і 8. Протягом експериментального періоду не відбулося жодних змін у зарибленні. При T = 0 годин була проведена 17% підміна води, після чого проби води (в трьох екземплярах) відбиралися через певні проміжки часу протягом доби, протягом 7 днів (до наступної підміни води). Графік освітлення наведено на рис. 3; освітлення забезпечували дві лампи Geismann 14K MH потужністю 400 Вт та одна лампа Iwasaki 15K потужністю 175 Вт. Скімер H&S A200/1260 працював безперервно, за винятком 2-годинного періоду часу після інтенсивного годування. Кальцієвий реактор та УФ-стерилізатор працювали безперервно. Температура води підтримувалася на рівні 75 – 77 o F за допомогою нагрівачів і охолоджувача, підпорядкованих Aquacontroller II. Циркуляція води забезпечувалася за допомогою SeaSwirl на зворотному трубопроводі відстійника, двох насосів Vortek MP40w і одного насоса Tunze 6100. Графік годування проілюстровано як F1 (рясне годування) або F2 (легке годування) на графіку на рис. 3, а фактичні порції корму зображені на рис. 4. Риби поїдали більші шматки м’ясистої їжі, тоді як дрібні частинки зоопланктону, фітопланктону, циклопієвих і навіть копепод більше відповідали харчовим потребам різних безхребетних фільтраторів, в тому числі великих і дрібних поліпованих коралів. Риби охоче споживали свою порцію важкого корму протягом 1-3 хв. Легкий корм (Формула 1) споживався переважно C. interruptus протягом приблизно 10-хвилинного періоду.

Рисунок 3. Тиждень з життя. Вимірювання загального органічного вуглецю (ЗОВ) та окислювально-відновного потенціалу (ОВП) протягом тижня в авторському рифовому акваріумі.~Навіть побіжний огляд даних, відображених на рис. 3, дозволяє зробити п’ять негайних висновків: (1) рівень ЗОВК реагує на додавання їжі, з максимумами, що виникають приблизно через 6 – 9 годин після (рясного) годування. (2) Загальний рівень ЗОВ охоплює діапазон (

0,7 ppm – 1,4 ppm), що повністю збігається зі значеннями, які спостерігаються у воді над тропічними рифами (див. Таблицю 1). (3) Не існує корисної кореляції між значеннями ЗОВ та ОВП. (4) Цикл освітлення, схоже, не впливає на рівень ЗОВ. (5) Тільки важкі корми, схоже, вносять істотний внесок у рівень ЗОВ; легкі (Формула 1) корми, які складаються з їжі, не придатної для негайного споживання коралами, бактеріями або іншими фільтруючими живильними речовинами, не мають помітного впливу на рівень ЗОВ. Він швидко з’їдається переривчастими водоростями, перш ніж у нього з’являється шанс прокласти собі шлях до нижчих рівнів харчового ланцюга.

    Виходячи за рамки очевидного, два інтригуючих питання виникають при розгляді зростання і падіння рівнів ЗОВ після рясного годування. Результати дослідження Ferrier-Pagès на системі Galaxea fascicularis дають відповіді на ці питання.

Яке походження сплеску ЗОВ, що з’являється після годування?

  • Малюнок 4. Приклади кормів, що використовувалися в дослідженні “тиждень з життя” в акваріумі.

    • Звідки походить зниження ЗОВ після сплеску ЗОВ?

    Звідки з’являється сплеск ЗОВ, що з’являється після годування?

    У кількох коралів, досліджених Фер’є-Паже і незалежно від нього, спостерігалася затримка в підвищенні рівня DOC після годування, що дозволяє припустити, що викиди вторинних органічних молекул, а не первинних харчових частинок, відповідальні за підвищення рівня DOC. Аргументація за аналогією дозволяє припустити, що сплеск загального органічного вуглецю в акваріумі автора навряд чи пов’язаний з самою їжею. З цією інтерпретацією узгоджуються спостереження про те, що (а) не було видимих ознак харчових частинок у пробах води, і (б) негайне вимірювання ЗОВ через 2-3 години після рясного годування не показало підвищених рівнів ЗОВ; насправді рівень ЗОВ протягом цього періоду часу дещо знизився. Лише приблизно через 6-9 годин рівень ЗОВ досяг свого піку. Подібні затримки були задокументовані в дослідженнях Ferrier-Pagès. Як в різних дослідженнях Ferrier-Pagès, так і в авторському акваріумі, кількагодинна затримка між годуванням і викидом ЗОВ узгоджується з втручанням метаболічних процесів на основі коралів, які перетворюють їжу у випромінюваний DOC, сигнатурою якого є секреція коралового слизу. Звичайно, інші мешканці акваріума, відсутні під час роботи Ferrier-Pagès, також можуть зробити свій внесок у викиди DOC.

    Яке походження зниження загального органічного вуглецю після сплеску?~Досить швидке зниження рівнів ЗОВ після сплеску після годування також нагадує поведінку різних коралів Фер’є-Паже. Насправді, рівні ЗОВ повертаються до значень, дуже близьких до значень до годування, протягом певної кількості годин як у дослідженнях Фер’є-Паже (

    2 години), так і в дослідженні тижня життя на рис. 3 (

    З іншого боку, зменшення ЗОВ в авторському акваріумі також може вкладатися в очікування експорту поживних речовин через білковий скіммінг, як це передбачено H&S A200, пристроєм, який відсутній в експериментах Galaxea. Чи це просто споживання ЗОВ бактеріями коралів і, можливо, іншою мікробіотою, чи агресивне знежирення H&S A200 сприяє загальному падінню рівнів ЗОВ шляхом фізичного видалення принаймні деяких компонентів ЗОВ? Використовуючи експерименти Ferrier-Pagès в якості керівництва, не обов’язково посилатися на участь скімера; падіння рівнів загального органічного вуглецю може бути пов’язано в основному з харчуванням коралових бактерій. Але, чи це вся історія, чи скімер також сприяє виснаженню ЗОВ? На це питання можна відповісти за допомогою експериментів, проілюстрованих на рис. 5 і 6.

    Рисунок 5. Рівні ЗОВ з активним скімом і без нього, до 2 годин після годування.

    Дані, наведені на рис. 3, були отримані за звичайних умов експлуатації резервуару, що включають вимкнення скімера на 2 години після інтенсивного годування. Для того, щоб зосередити увагу на можливостях самого скімера по зниженню рівня ЗОВ, було проведено пару випробувань з увімкненим/вимкненим скімером в послідовні дні. У перший день резервуар був інтенсивно заповнений, а рівень ЗОВ контролювався кожні 15 хвилин протягом 2 годин. Скіммер був вимкнений під час годування та 2-годинного експериментального періоду. На другий день скіммер був увімкнений під час годування та протягом наступних 2 годин. Рівні ЗОВ при обох експериментальних режимах були напрочуд схожими, рис. 5. В обох випадках рівень ЗОВ підвищувався, але відносне збільшення у випадку з увімкненим скімером було лише вдвічі меншим, ніж у випадку з вимкненим скімером (22% проти 45%, відповідно). В жодному з випадків рівень ЗОВ не знизився суттєво протягом 2 годин експерименту. Виходячи з цих даних, можна припустити, що на початку експерименту скіммер незначно видаляє деяку кількість ЗОВ, але його вплив не є драматичним. Дані про ЗОВ, отримані в результаті цих експериментів, охоплюють часовий проміжок (перші дві години після годування), який не досліджувався під час тижневих вимірювань; тому неможливо зробити будь-які висновки про те, чи є ці набори даних подібними або відмінними від даних тижневих вимірювань.

    Рисунок 6. Рівні ЗОВ протягом 24 годин після годування, з вимкненим скімером.~Дані, показані на рис. 5, були інтригуючими, а також контрінтуїтивними, оскільки вони, здається, відводять досить обмежену роль скімеру у виснаженні акваріумної води від ЗОВ. Однак, короткі експериментальні часові рамки можуть дати неповну картину впливу скімера; можливо, вивчення рівня ЗОВ протягом більш тривалого періоду часу в умовах без скімера надасть більш переконливі докази ролі скімера в тому чи іншому випадку. Тому експеримент з вимкненим скімером було повторено, а збір даних продовжувався протягом 24 годин, рис. 6. Рівень ЗОВ зростав приблизно через 30 хв (2 –>50% збільшення), а потім починає зменшуватися до позначки 1 год. В цілому, ці дані однозначно свідчать про те, що для виснаження акваріумної води від ЗОВ не потрібен H&S скіммер. Очевидно, що природні біологічні процеси самі по собі є достатніми для того, щоб повернути рівень ЗОВ після годування до значень перед годуванням приблизно через 4 години. Невеликий сплеск слідує на позначці 6 годин, збільшення рівня ЗОВ подібне до того, що спостерігається на 6-9 годині після інтенсивного годування в даних “тиждень життя” на рис. 3. Після цього піку рівень ЗОВ знижується до значення до годування на 12-й та 24-й годинах; знову ж таки, подібна поведінка спостерігається в даних “тиждень за життя”. Таким чином, зниження рівня ЗОВ після годування, показане на рис. 3, можна пояснити лише споживанням ЗОВ (кораловими бактеріями?), а не видаленням ЗОВ скіммером. Скіммер насправді може сприяти виснаженню ОВ, але його участь не є обов’язковою згідно з даними. Очевидно, що скіммер щось робить, враховуючи велику кількість залишків, накопичених у збірному резервуарі наприкінці тижня. Можливо, однак, залишок, видалений скіммером, є лише досить невеликою, навіть несуттєвою, частиною всього навантаження ЗОВ, яке утворюється у воді акваріума протягом тижня як наслідок як годування, так і всієї фотосинтетичної активності (CO

    органічний вуглець (вуглеводи)), що вносять фототрофні (тобто такі, що проводять фотосинтез) мешканці акваріума. Якби скімер був набагато ефективнішим у видаленні ЗОВ, ніж здається, то, можливо, рівень ЗОВ в акваріумі міг би опуститися нижче області “здорового рифу”, визначеної даними в Таблиці 1, і потрапити в оліготрофну (= бідну на поживні речовини) область глибоководного океану, середовище, несприятливе для коралів (див. Таблицю 1). Такий тип зниження ЗОВ може виявитися катастрофічним для коралового голобіонту, який, ймовірно, еволюціонував, щоб процвітати у водах з вмістом ЗОВ в діапазоні 0,7 – 1,6 ppm. Ця провокаційна спекуляція дійсно викликає питання: “Чи потрібно купувати великий “вбивчий” скіммер, або більш скромний за ціною і менший за розмірами агрегат буде еквівалентно служити для підтримки рівня ЗОВ в діапазоні, прийнятному для коралів та інших мешканців наших рифових акваріумів?”.

    Популяція риб в авторському акваріумі під час дослідження “тиждень з життя”.

    Source: reefs.com

    Похожие записи:

    1. Гранульоване активоване вугілля, частина 2: Моделювання робочих параметрів видалення розчиненого органічного вуглецю з морських акваріумів
    2. Гранулированный активированный уголь, часть 2: Моделирование эксплуатационных параметров для удаления растворенного органического углерода из морских аквариумов
    3. Елементний аналіз скіммату: Що насправді видаляє з акваріумної води білковий скіммер?
    4. Загальний органічний вуглець (ЗОВ) та рифовий акваріум: початковий огляд, частина II
    Exit mobile version