Елементний аналіз скіммату: Що насправді видаляє з акваріумної води білковий скіммер?

Досить контрінтуїтивне спостереження, що білкові скімери видаляють лише 20-35% вимірюваного загального органічного вуглецю (ЗОВ) у воді рифового акваріума (Фельдман, 2009; Фельдман, 2010), викликає питання: “Що це за “сміття”, яке збирається в наших чашках для скімерів?”. Чи дійсно це ЗОВ, або, принаймні, лабільна, або “скімміруєма”, фракція ЗОВ? Спроби ідентифікувати компоненти ЗОВ з автентичної океанської води все ще знаходяться в зародковому стані, і на сьогоднішній день цей матеріал не піддається детальному хімічному аналізу. Нещодавні зусилля, головним чином Хетчера та його колег (Mopper, 2007; De la Rosa, 2008) з використанням складних методів мас-спектрометрії та спектроскопії ядерного магнітного резонансу, показали, що автентичний океанічний ЗОВ складається з десятків тисяч дискретних сполук, які включають хімічних представників усіх основних біохімічних груп: ліпідів, пептидів, вуглеводів, гетероциклів, ароматичних сполук тощо. Взаємозв’язок між океанічним ЗОВ і акваріумним ЗОВ ще належить встановити, але представляється ймовірним, що ЗОВ в наших акваріумах однаково різноманітний і багатий за своєю хімічною складністю. Таким чином, також малоймовірно, що найближчим часом відбудеться хімічний розклад акваріумного ЗОВ. Тим не менш, існують аналітичні методи, які можуть виявити і кількісно оцінити більшість елементарних компонентів ЗОВ, і при наявності невеликої хімічної інтуїції, дозволяють віднести деякі з цих компонентів до хімічних категорій. Ці аналітичні методи називаються елементний аналіз (або аналіз згоряння) та атомно-емісійна спектроскопія з індуктивно зв’язаною плазмою. Обидва методи доступні в багатьох комерційних операціях; ми використовували Columbia Analytical Services в Тусоні, штат Арізона, для наших зразків скіммату ).

Експериментальні результати

Рисунок 1a. Скіммат за 4 дні збору на H&S 200-1260 на непідживлюваному резервуарі, перед концентруванням.

Наш початковий експеримент був розроблений для дослідження складу нерозчинного у воді твердого матеріалу, видаленого білковим скіммером. Скіммат збирали протягом 4 днів без додавання їжі в акваріум, рис. 1. Рідкий і твердий вміст чашки скімера H&S 200-1260 обережно видаляли після закінчення цього періоду часу і концентрували до сухого стану шляхом початкового випаровування рідини при зниженому тиску, а потім вакуумного сушіння при 110 o C/0,2 мм. Ця процедура ефективно видаляє майже всю воду (див. нижче) і, звичайно, будь-які леткі компоненти скімату. В результаті було отримано сімнадцять грамів сіро-коричневої твердої речовини, див. рис. 1.

Малюнок 1б. Скімат, отриманий за 4 дні збору за допомогою H&S 200-1260 на непідживлюваному резервуарі, після концентрації.

Чотири грами цього сирого скіммату суспендували в 100 мл дистильованої води та інтенсивно перемішували протягом декількох годин. Потім суміш розділяли центрифугуванням при 6000 об/хв/10 хв, а надосадову рідину зливали і викидали. Цю процедуру повторювали 3 рази, а потім матеріал, що залишився, сушили у вакуумі при 110 o C/0,2 мм протягом 48 годин, щоб отримати 0,47 г сіро-зеленого твердого речовини. Зверніть увагу, що CaCO₃ must be heated to > 900 o C для спалювання CO₂. Ця тверда речовина була піддана елементному аналізу, як описано вище, в Columbia Analytical Services:

• C: 21.08 %
• H: 2.39 %
• N: 2.22 %
• Ca: 17.43
• Mg: 1.35 %
• Si: 4.76 % – це 4.76 %
• P: 0.16 %

Ці дані можна інтерпретувати з певним застосуванням хімічної інтуїції та деяких припущень.

1) Аналіз кальцію

17,43 % за вагою кальцію означає, що загальна кількість кальцію в зразку вагою 470 мг становить 82 мг. Якщо припустити, що весь цей Са знаходиться у вигляді карбонату кальцію (CaCO₃MW = 100), то 470 мг висушеного скіммату містять 205 мг (44 %) CaCO₃. Оскільки вуглець становить 12 % (за масою) від СаСО₃то в 470 мг висушеного скіммату міститься ~ 25 мг (~5,2 %) (неорганічного) вуглецю, отриманого з карбонату кальцію.

2) Аналіз на вміст магнію

1,35 % за масою Mg означає, що загальна кількість Mg у зразку 470 мг становить 6,3 мг. Якщо припустити, що весь цей Mg знаходиться у формі карбонату магнію (MgCO₃MW = 84), то в 470 мг висушеного скіммату міститься 22 мг (~ 4,7 %) MgCO₃. Оскільки вуглець становить 14 % (за масою) від MgCO₃то в 470 мг висушеного скіммату міститься ~ 3 мг (~0,7 %) (неорганічного) вуглецю, що надходить з карбонату магнію.

3) Аналіз на вміст азоту

Живі організми – це~5 – 9 % за сухою масою азоту (для простоти будемо використовувати 7 %), (Sterner, 2002) і тому, якщо нехтувати неорганічними джерелами азоту (NH₄, NO₃та NO₂які незмірно низькі у воді резервуару), 2,22 % за вагою азоту означає, що в 470 мг скіммату міститься 10,4 мг азоту, що становить 149 мг (32 %) органічного матеріалу.~32 %) органічного матеріалу.

4) Аналіз на вміст водню

Живі організми – це~ 7 % від сухої ваги водню. (Стернер, 2002) 2,39 % за вагою водню означає, що в 470 мг скіммату міститься 11,2 мг водню, що становить 160 мг (~34%) присутнього органічного матеріалу. Порівняйте це значення з прогнозом вмісту органіки на основі аналізу азоту з (3); 32% – дуже близька збіжність!

5) Аналіз вуглецю

21,08 % за вагою вуглецю означає, що загальна кількість вуглецю, присутнього в зразку скіммату вагою 470 мг, становить 99 мгс. Віднімаючи кількість вуглецю від внеску CaCO₃ (25 мгс C) і внеску MgCO₃ (3 мг С), залишається 71 мг С. Яким є джерело цього вуглецю? Дві можливості здаються вірогідними: викинутий твердий вуглець з фільтра GAC або ЗОВ, що походить з органічних джерел. Живі організми складаються з 40 – 50% вуглецю за сухою вагою (для простоти будемо використовувати 45%), (Sterner, 2002). Якби всі 71 мг вуглецю надходили з органічних джерел (= ЗОВ), то було б ~ 158 мгс (~34 %) органічного матеріалу. Порівняйте це значення з прогнозом органічних речовин на основі аналізу азоту з (3); 149 мгс (~ 32%), так і з прогнозом на основі аналізу водню з (4); 160 мгс ЗОВ (34%). Не можна ігнорувати узгодженість між розрахунком ЗОВ на основі вуглецю та незалежними розрахунками на основі водню та азоту. Таким чином, немає жодних доказів, які б суперечили висновку про те, що решта 71 мг вуглецю може бути віднесена до органічних джерел як ЗОВ; немає жодних підстав посилатися на викид фільтра ГАК як джерело цього вуглецю.

6) Аналіз кремнію

4,76% за вагою кремнію, присутнього в 470 мг скіммату, свідчить про те, що загалом присутній кремній в кількості 22,4 мг. Якщо припустити, що кремній міститься в біогенному опалі зі скелету діатомових водоростей (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), то він знаходиться в гідратованому полімері SiO₂ (приблизна молекулярна формула опалу SiO₂-0.4H₂O, 42% Si за масою). Таким чином, ми можемо приблизно оцінити кількість біогенного опалу як 53 мгс (~ 11%).

7) Аналіз на вміст фосфору

0,16% за вагою P, присутній у 470 мг сухого скіммату, означає, що там присутній 0,75 мг P. Припускаючи, що весь P присутній у вигляді фосфату, PO₄ 3- (MW = 95, невідомий протиіон), тоді є ~ 2,3 мг (~ 0,5%) PO₄ 3в 470 мг сухого скіммату. Ця кількість дорівнює ~ 4900 ppm фосфатів, що значно більше, ніж < 0.02 ppm of phosphate in the tank water. Thus, skimming does concentrate phosphate.

Підсумок елементного аналізу

Таким чином, скіммер витягує тверду, нерозчинну у воді суміш сполук, які складаються за вагою з (приблизно)

• 44% CaCO₃
• 5% MgCO₃
• 11% біогенного опалу
• 34% органічного матеріалу
• 0,5% фосфатів

Таким чином, сумарно ~ 95% сухого нерозчинного у воді скіммату! Які джерела цих хімічних сполук у скімматі? Біогенний опал, ймовірно, походить з оболонок діатомових водоростей, дрібних представників сімейства морських мікробів фітопланктону. Вуглекислий газ CaCO₃ (і MgCO₃) може мати як біогенне, так і абіологічне походження. Кальцієвий реактор працював протягом усього експериментального періоду збору скіммату, і тому частина CaCO₃ може бути просто мікрочастинками, що виділяються з цього пристрою. Крім того, CaCO₃ міг утворюватися з оболонок планктонних мікробів з родин кокколітофор (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) та форамініфер. Ці компоненти планктону за певних умов переважають у морській воді, але їх присутність в акваріумній воді не встановлена. Розмежувати ці біологічні та абіологічні джерела надходження CaCO₃ в даний час не представляється можливим. Майбутні експерименти, в яких скімат збирається без працюючого кальцієвого реактора, можуть пролити світло на це питання. Фосфат, присутній у скімматі, не може походити з неорганічного фосфату у товщі води; цей іон був би видалений при ретельному промиванні водою. Можливо, що частина цього фосфату знаходиться у формі нерозчинного фосфату кальцію, але це малоймовірно, оскільки Ca₃(PO₄)₂утворюється при досить високому рН, що не характерно для рідини скіммату (рН = 7,67, див. нижче). Отже, за замовчуванням, він, швидше за все, походить від органічного фосфату; тобто багато біохімічних речовин у діатомових водоростях та всіх інших живих організмах (кокколітофори, форамініфери, бактерії, люди і т.д.) мають приєднані фосфатні групи. Акваріумні організми рекрутують ці фосфатні молекули з неорганічних фосфатів у товщі води, а потім приєднують їх до органічних біохімічних речовин. Таким чином, вони ефективно концентрують фосфат з води, і цей фосфат потім видаляється (в межах неушкодженого організму) при знежиренні. З цієї точки зору, знежирення дійсно сприяє видаленню неорганічного фосфату з акваріумної води.

Цікавим і, можливо, несподіваним спостереженням є те, що лише 34% цього твердого матеріалу скіммату можна віднести до “органічного вуглецю”, ЗОВ. Таким чином, 2/3 твердої, нерозчинної у воді частини скіммату – це не ЗОВ, а скоріше неорганічний матеріал, який може мати (а може і не мати) біогенне походження. Якщо значна кількість цього неорганічного матеріалу походить з раковин планктону, то є підстави вважати, що значна частина виявленого органічного матеріалу (ЗОВ), ймовірно, є “кишками” цих організмів. Таким чином, можливо, не така вже й велика частина ЗОВ, видалена шляхом знімання, насправді є вільно плаваючими органічними молекулами. Одним застереженням щодо цієї інтерпретації, звичайно, є той факт, що ~ 90% сирого вихідного скіммату було змито водою. Можливо, ця водорозчинна фракція містила значну кількість розчиненого органічного вуглецю, який не був виявлений вищезгаданим аналізом.

A second, more comprehensive skimmate chemical analysis was pursued to address this concern. In this experiment, the tank was fed daily with a mixture of PE and Hikari mysis shrimp, Ocean Nutrition Formula 1 flakes, Omega One Veggie Flakes, and Aqueon Marine Granules as described above. This daily feeding amounted to a dry weight (110 o C/0.2 mm for 48 hrs) of 0.87 gms/day. No Reef Nutrition products were used during this experiment. After 7 days of this feeding regime, the solid and liquid skimmate collected by the H&S 200-1260 skimmer was carefully removed from the skimmer cup and separated by centrifugation (6000 rpm, 40 min). The light brown clear supernatant was poured off and its volume measured; 125 mL. The solid residue was dried in vacuo at 110 o C/0.2 mm for 24 hours => 5.18 gm brown solid. 110 mL of the liquid was concentrated under reduced pressure and then vacuum dried (110 o C/0.2 mm/24 hr) to yield 2.91 gm of brown solid ( => 3,31 г твердої речовини з початкових 125 мл рідини). 15 мл рідкого скіммату, що залишився, було проаналізовано за допомогою тест-набору Salifert на лужність: [alk] = 8,0 мекв/л. Крім того, показник заломлення 1,023 вказував на солоність 31 проміле, а рН = 7,67. Кінцева точка не могла бути визначена за допомогою наборів Salifert для визначення Ca або Mg, фосфатного набору Merck або набору Salifert NO₃ через заважаючий світло-коричневий колір рідини скіммату. Зауважте, що надмірно високе значення [alk] не обов’язково свідчить про те, що концентрації HCO₃ – або CO₃ 2- є високими; можуть бути присутніми карбоксилати органічних кислот з басейну ЗОВ, які виявляються цим аналізом лужності (див. нижче).

Тверда речовина, отримана в результаті випарювання рідкої частини скіммату, а також тверда речовина, отримана після центрифугування, були передані в Columbia Analytical Services для проведення елементного аналізу. Результати наведені в Таблиці 1. Крім того, сухий корм був проаналізований на вміст окремих елементів. Вміст елементів у природній морській воді наведено для порівняння.

Таблиця 1. Результати елементного аналізу зразків скіммату та харчових продуктів.

Елемент	Твердий скімат (мас. %)	Рідкий скімат (мас. %)	Природні тверді частинки морської води (мас. %)	Харчові продукти (мас. %)
C	22.50	4.50	0.08
N	2.72	0.68	0.04
H	2.37	1.33
S	1.18	2.47	2.6
Ca	10.52	0.60	1.1
Mg	1.99	3.21	3.7
Si	8.94	1.40	< 0.01
Na	3.45	27.25	30.9
Cl	0.40	43.2	55.4
K	0.38	1.17	1.1
Fe	0.93		< 0.01
P	0.46	0.08	< 0.01	1.57
I	< 0.01	< 0.1
Cu	< 0.01	< 0.006
Сума	55.84	85.89	95

Аналіз продуктів харчування

Висушені продукти харчування були проаналізовані на вміст фосфору, міді та йоду. Ні мідь, ні йод не були зареєстровані в цих аналізах; їх вміст у продуктах харчування не може перевищувати 100 ppb. Вміст фосфору, однак, був виявлений, і 1,57% за вагою фосфору відповідає приблизно 14 мг pf фосфору в 0,87 г сухого корму, який щодня подається в резервуар. Припускаючи, що весь P присутній у вигляді фосфату, PO₄ 3- (MW = 95), тоді існує ~ 42 мгс (~ 5%) PO₄ 3в 0,87 г сухого корму. Зауважте, що заморожені кубики креветок мізіс були ретельно промиті водопровідною водою до розморожування, і тому вміст фосфатів у воді для заморожування можна не враховувати. Щоденне додавання 42 мг фосфату до 168 галонів об’єму води в акваріумі становить номінальне додавання приблизно 0,06 ppm фосфату на день. Оскільки аналіз фосфатних тест-наборів Merck вказує на рівень фосфатів < 0.02 ppm (test kit limit), the added phosphate appears to be readily removed from the water column.

Аналіз рідкого скіммату

1) Аналіз сірки

2,47% за вагою сірки, присутньої в 3,31 г твердої речовини, отриманої з рідини скіммату, дорівнює приблизно 82 мг S. Ця сірка, швидше за все, походить від сульфату, SO₄ 2- (MW = 96, 33% S за вагою). Безумовно, є невелика кількість “органічної” сірки в DOC, але це навряд чи додасть багато до загального відсотку сірки, оскільки сірка становить лише ~ 0,1% від сухої ваги живої речовини. (Sterner, 2002) Отже, 82 мг S у висушеному рідкому скімматі відповідає 248 мг (7,5%) сульфату у висушеній рідкій скімматі.

2) Аналіз на вміст азоту

0,68% за сухою масою азоту в 3,31 г висушеної рідини скіммату відповідає 23 мг N. Джерелами азоту є органічна речовина (DOC) і, звичайно, неорганічні іони: амоній (NH₄ + ), нітрити (NO₂ – ) та нітрати (NO₃– ). По суті, не існує ніяких вимірюваних (тобто, < 1 ppm) NH₄, NO₂ або NO₃ в акваріумній воді, тому в першому наближенні азот в скімматі можна віднести до “органічного” азоту. Оскільки органічний матеріал, отриманий з живих джерел, становить приблизно 7% за сухою вагою азоту (див. вище), 23 мг азоту, присутнього в рідині скіммату, свідчить про те, що в цілому там присутній приблизно 329 мг (~ 10%) органічного матеріалу.

3) Аналіз вуглецю

4,50 % за вагою вуглецю, присутнього в 3,31 г висушеної рідини скіммату, відповідає 149 мг вуглецю. Джерелами вуглецю в рідині скіммату є неорганічний вуглець як частина карбонатних рівноваг, органічний вуглець (DOC) та частинки вуглецю, що викидаються з фільтру GAC. Виходячи з аргументу, наведеного в (5) вище, здається малоймовірним, що фільтр GAC є джерелом цього вуглецю. Неможливо розрізнити два інших джерела на основі елементного аналізу або незалежного вимірювання [alk], оскільки цей останній аналіз виявляє (органічні) карбоксилати, а також неорганічні форми, бікарбонат HCO₃ – і карбонат CO₃ 2- . Однак, можна встановити верхню межу вмісту неорганічних (бікарбонатів і карбонатів) в рідині скіммату на основі вимірювання лужності за Саліфертом. Виміряна лужність за допомогою тест-набору Salifert склала 8 мекв/л. Якщо ми припустимо для цілей встановлення цієї верхньої межі, що вся ця лужність була обумовлена карбонатною системою, то 8,0 мекв/л відповідає 1,0 ммоль лугу в 125 мл рідини скіммату, зібраної в результаті центрифугування. Далі, якщо припустити, що вся ця лужність знаходиться у формі бікарбонату, то HCO₃ – (насправді, при рН = 7,67, [HCO₃] становить близько 96% від присутнього карбонату), то ми матимемо 1,0 ммоль, або 61 мг, HCO₃ – в 3,31 г висушеної рідини скіммату. Таким чином, максимум 61 мг HCO₃ – (= 20% C за масою) становитиме лише 12 мг із загальних 149 мг вуглецю, присутніх у висушеній рідині скіммату. За цим сценарієм 137 мгс виміряного вуглецю буде отримано з органічних джерел. Використовуючи оцінку, що органічний матеріал, отриманий з живих джерел, на 45% складається з вуглецю, тоді кількість DOC у висушеній рідині скіммату становитиме 304 мг (~ 9%); не надто далеко від показника аналізу азоту, який становить~10% органічного матеріалу. Якщо, з іншого боку, вся виміряна лужність може бути віднесена до органічних карбоксилатів (припустимо, що в середньому С18 видів, так що С = 76% маси карбоксилатів), то 1,0 ммоль лужності буде відповідати 283 мг органічних карбоксилатів, 76% з яких (= 215 мг) буде вуглецем. Оскільки загальна кількість виміряного вуглецю становила лише 149 мгс, цей останній сценарій, звичайно, неможливий. Швидше за все, ~ 3 або 4 мекв/л лужності можна віднести до HCO₃ – , so the remaining organic carbon is around 143 mgs => 318 мгс (~ 10%) органічного матеріалу – це те саме значення, що отримано з розрахунку азоту.

4) Аналіз на вміст водню

1,33% за вагою водню в зразку висушеної рідини скіммату вагою 3,31 г означає, що в ній присутній 44 мг H. Цей водень може надходити з біологічних органічних джерел, неорганічних джерел (HCO₃ – та HSO₄ – ), і, можливо, з води, що залишилася після неповного висушування. Якщо весь виміряний водень надходив тільки з органічних джерел біологічного походження (при ~ 7% за сухою вагою водню), то можна передбачити, що висушена рідина скіммату містила б приблизно 629 мг (~ 19%) органічного матеріалу. Очевидно, що це значення є занадто великим у порівнянні з значеннями аналізів азоту та вуглецю, тому принаймні частина водню повинна надходити або з неорганічних іонів, або з води. Кількість водню, що надходить від бікарбонату HCO₃ – та вугільної кислоти H₂CO₃ є незначними, враховуючи їх відносно невеликі концентрації (див. аналіз вуглецю вище). Крім того, при рН = 7,67 присутня зникаюче мала кількість бісульфату, HSO₄ – його pKa = 1,9. Отже, ймовірно, що зразок рідкого скіммату не був повністю висушений, і водень, що залишився, ймовірно, походить з цього джерела. Враховуючи, що тверда речовина, отримана з рідкого скіммату, містить близько 329 мг органічного матеріалу, а органічний матеріал містить близько 7% водню, то водень, що виділяється з цього органічного матеріалу, становить близько 23 мг твердого залишку. Якщо решта виміряного водню (44 – 23 = 21 мг) походить від H₂O, то в ньому присутнє 189 мг (~ 6 %) води.

5) Аналіз на вміст кремнію

1,40% кремнію за масою в 3,31 г твердої речовини, вилученої з рідини скіммату, становить 46 мг кремнію. Цей кремній може бути отриманий або з водорозчинної ортокремнієвої кислоти (Si(OH)₄29% Si, 4% H) або з біогенного опалу, що складає оболонку діатомових водоростей, як описано вище (приблизна молекулярна формула опалу SiO₂-0.4H₂O, 42% Si, 1% H). Зауважте, що в обох випадках кількість водню, що вноситься будь-яким джерелом Si, є мізерною (~ 0,04% від маси вихідної твердої речовини скімматної рідини) і навряд чи впливає на висновки водневого аналізу, наведені вище. Неможливо визначити, скільки кремнію походить з неорганічної ортокремнієвої кислоти, а скільки можна віднести до оболонок діатомових водоростей, але % кремнію в кожній з них не настільки відрізняється, і тому ми будемо використовувати середнє значення (36%) для розрахунку кількості “SiOxHy” в похідній твердій речовині сирої скіматної рідини; приблизно 128 мг (~4%) твердої речовини скімматної рідини є певною формою силікату SiOxHy.

Отже, в цілому, тверду речовину, отриману в результаті концентрування рідини скіммату, можна розділити на:

• Неорганічні іони (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO₄ 2-, HCO₃ – , SiO_xH_y) 87%
• Розчинений органічний вуглець 10
• Вода 6 % – вода
• Разом 103%.

Отже, ми перевищили теоретичний максимальний вміст 100% на 3%; не так вже й погано, враховуючи багато наближень і припущень, які пішли на отримання цих відсоткових значень. Суть, однак, полягає в тому, що рідина скіммату містить в основному звичайні неорганічні іони, які є основними іонами в морській воді. Лише невелика кількість цього матеріалу може бути аргументовано віднесена до розчиненого органічного вуглецю, DOC.

Хімічний аналіз 5,18 г твердого скіммату слідує підходу, аналогічному тому, що описаний для сильно промитого твердого скіммату, про який йшлося вище. Однак у цьому випадку тверду речовину не промивали багаторазово, і тому деякі водорозчинні сполуки зберігаються, хоча більша частина води, ймовірно, була видалена за допомогою вакуумного сушіння. Ці водорозчинні речовини складаються з 3,45 % мас. натрію, 0,40 % мас. хлориду, 0,38 % мас. калію та 1,18 % мас. сірки (= 3,6 % мас. сульфату). Крім того, ймовірно, що принаймні деякі з виміряних Ca, Mg, C (у вигляді HCO₃) і P можуть надходити з водорозчинних сполук на додаток до сполук у нерозчинній твердій речовині, але загальна кількість водорозчинної фракції цих конкретних неорганічних іонів, ймовірно, буде невеликою, оскільки найпоширеніший іон, натрій, становить лише 3,45 % за масою ізольованої твердої речовини (Na/Ca = 28 у морській воді). Отже, в першому наближенні, ми будемо нехтувати їх внеском у водорозчинну неорганічну частину твердого скіммату. З цієї точки зору, висушений твердий скімат містить близько 8 % за масою зазвичай водорозчинних неорганічних іонів.

1) Аналіз кальцію

10,52 % вагового Са означає, що загальна кількість Са у зразку 5,18 мг становить 545 мг. Якщо припустити, що в основному весь цей Са знаходиться у формі нерозчинного у воді карбонату кальцію (CaCO₃MW = 100), то в 5,18 мг висушеного скіммату міститься 1,36 г (26 %) CaCO₃. Оскільки вуглець становить 12 % (за масою) від СаСО₃то в 5,18 г висушеного скіммату міститься ~ 163 мг (~3,2 %) (неорганічного) вуглецю, отриманого з карбонату кальцію.

2) Аналіз на вміст магнію

1,99 % за масою Mg означає, що загальна кількість Mg у зразку вагою 5,18 г становить 103 мг. Якщо припустити, що весь цей Mg знаходиться у формі карбонату магнію (MgCO₃MW = 84), то в 5,18 г висушеного скіммату міститься 361 мг (~ 7,0 %) MgCO₃. Оскільки вуглець становить 14 % (за масою) від MgCO₃то в 5,18 г висушеного скіммату міститься ~ 51 мг (~ 1 %) (неорганічного) вуглецю, що надходить з карбонату магнію.

3) Аналіз на вміст азоту

Живі організми – це~5 – 9 % за сухою масою азоту (для простоти будемо використовувати 7 %), (Sterner, 2002) і тому, якщо нехтувати неорганічними джерелами азоту (NH₄, NO₃та NO₂які незмірно низькі у воді резервуара), 2,72 % за вагою азоту означає, що в 5,18 г твердого скіммату міститься 141 мг азоту, що становить 2,01 г (~39 %) присутнього органічного матеріалу.

4) Аналіз на вміст водню

Живі організми – це~ 7 % від сухої ваги водню. (Стернер, 2002) 2,37 % за вагою водню означає, що в 5,18 г твердого скіммату міститься 123 мг водню, що становить 1,75 г (~34%) присутнього органічного матеріалу. Порівняйте це значення з прогнозом вмісту органічних речовин на основі аналізу азоту з (3); 39% органічного вуглецю. У цьому випадку результати аналізу водню не такі близькі до результатів, отриманих на основі азоту, як у попередніх двох аналізах, але вони не такі вже й далекі від них. Цей водневий аналіз припускає, що вода відсутня, або частина водню буде віднесена до води, а не до органічних речовин, і розрахунок органічних речовин на основі водню буде ще меншим.

5) Аналіз вуглецю

22,50 % за масою вуглецю означає, що загальна кількість вуглецю, присутня у зразку скіммату вагою 5,18 г, становить 1,17 г. Віднімаючи кількість вуглецю від внеску CaCO₃ (163 мг вуглецю), та внеску MgCO₃(51 мгс С) залишається 952 мгс С. Якщо ми знову відкинемо фільтр GAC як джерело цього вуглецю, то більша частина (весь?) цього вуглецю надходить з “органічних” джерел. Оскільки живі організми складаються з 40 – 50% вуглецю за сухою вагою (ми будемо використовувати 45% для простоти), (Sterner, 2002), то 952 мг органічного вуглецю означає, що є ~ 2,12 г (~ 41 %) органічного матеріалу. Порівняння з азотом (39% органіки) та воднем (34% органіки) дає послідовну картину вмісту органіки.

6) Аналіз кремнію

8,94 % за вагою кремнію, присутнього в 5,18 г твердого скіммату, свідчить про те, що в ньому міститься 463 мг кремнію. Якщо припустити, що кремній міститься в біогенному опалі зі скелету діатомових водоростей (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), то він знаходиться в гідратованому полімері SiO₂ (приблизна молекулярна формула опалу SiO₂-0.4H₂O, 42% Si за масою). Таким чином, ми можемо приблизно оцінити кількість біогенного опалу як 1,10 г (~ 21%).

7) Аналіз на вміст фосфору

0,46% за масою фосфору, присутнього в 5,18 г сухого твердого скіммату, означає, що в ньому міститься 24 мг фосфору. Припускаючи, що весь фосфор присутній у вигляді фосфату, PO₄ 3- (MW = 95, невідомий протиіон), тоді є ~ 74 мгс (~ 1,4 %) PO₄ 3в 5,18 г сухої твердої речовини скіммату. Ця кількість дорівнює ~ 14300 ppm фосфатів, що знову ж таки значно перевищує норму. < 0.02 ppm of phosphate in the tank water.

8) Аналіз на вміст заліза

0,93 % за вагою заліза в 5,18 г сухого скіммату становить 48 мг присутнього заліза. Неорганічні солі заліза є досить нерозчинними у воді, і тому цілком ймовірно, що майже все це залізо є або “органічним” залізом, яке знаходилося в тілах мікробів, таких як бактерії тощо, або ж воно походить з колоїдних частинок заліза, викинутих з реактора GFO. Вагове співвідношення вуглецю до заліза в скімматі, що становить 24, можна порівняти зі співвідношенням C:Fe у сухій масі деяких планктонних організмів: гетеротрофних бактерій – 28500:1, ціанобактерій – 50000:1, бактерій – 50000:1: 28500:1, ціанобактерії: 11250:1, еукаріотичний фітопланктон: 71250:1. (Tortell, 1996). Оскільки виявлене співвідношення Fe:C у 10000 разів більше, ніж у планктонних видів, дуже малоймовірно, що значна частина знежиреного заліза має “органічне” походження. Більш вірогідним сценарієм є те, що частинки оксиду заліза викидаються з реактора GFO, і цей матеріал потім становить більшу частину заліза, видаленого скіммером. Оксид заліза має номінальну хімічну формулу Fe₂O₃і складається приблизно на 70% із заліза за вагою. Таким чином, 48 мг заліза в твердому скіммі відповідає приблизно 69 мг оксиду заліза Fe₂O₃ (~1,3% за масою).

Таким чином, скіммер витягує тверду суміш сполук, які складаються за вагою з (приблизно)

• 8% неорганічних іонів
• 26 % CaCO₃
• 7% MgCO₃
• 21% біогенного опалу (SiO)₂)
• 38% органічного матеріалу
• 1,5% фосфатів
• 1,3 % оксиду заліза

Ці матеріали в сумі складають ~ 103%, що досить близько до теоретичного максимуму в 100%. Будь-які розбіжності можна легко пояснити числовою невизначеністю, що вноситься всіма припущеннями. Тобто, навіть з усіма припущеннями і наближеннями, наведеними в цьому аналізі, сумарна маса виходить з точністю до 3% від “ідеальної”. Знову ж таки, органічний матеріал, видалений у твердому скімматному залишку, є незначним компонентом, хоча в середньому 38% (аналіз C проти N проти H), це трохи вище, ніж 34%, отримане з сильно промитого зразка твердого скімматного залишку, і набагато вище, ніж кількість DOC в рідкій фракції (~ 10%). Загалом, 8,49 г загальної кількості твердих речовин, видалених протягом тижня знежирення, містять приблизно 318 мг водорозчинних органічних речовин (~ 4%) і приблизно 2,12 г нерозчинних у воді органічних речовин (~ 25%). Таким чином, з великим відривом, основна частина органічних речовин, що видаляються при знежиренні, не є розчиненим органічним вуглецем (РОВ). Неорганічні сполуки CaCO₃ та SiO₂ складають більшу частину твердої маси скіммату, так само як і в сильно промитому зразку скіммату, проаналізованому в першу чергу. Як обговорювалося в тому аналізі, джерело цих сполук не може бути визначене на основі цих даних, але біологічне джерело для SiO₂ (біогенний опал) – черепашки діатомових водоростей – є ймовірним. CaCO₃ може утворюватися як з неорганічних джерел (наприклад, викид частинок CaCO з кальцієвого реактора), так і з органічних джерел (наприклад, викид частинок CaCO₃ ), так і з органічних джерел (черепашки форамініфер та/або кокколітофорів).

Одне з дивовижних спостережень, яке випливає з оригінальних досліджень продуктивності скімерів, полягає в тому, що лише приблизно 20 – 35% вимірюваного ЗОВ у акваріумній воді видаляється за допомогою скімерів. Це спостереження тепер може здатися трохи менш дивним, якщо розглядати його в контексті аналізу компонентів скіммату. Таким чином, тільки ~ 29 % (25 % від твердого + 4 % від рідкого) скіммату, видаленого скіммером H&S 200 з автентичної води рифового акваріума протягом тижня, можна віднести до органічного матеріалу. Отже, скіммінг не видаляє всю кількість ЗОВ, присутню в акваріумній воді, і скіммат не містить всю кількість ЗОВ.

Так що ж саме робить скіммінг? Найбільш консервативною, допустимою (але не обов’язковою!) відповіддю на питання очищення води є те, що при знежиренні видаляється велика кількість (живих чи мертвих? невідомо) мікроорганізмів, які населяють акваріумну воду, і при цьому видаляються (органічні) вуглець, фосфор і азот, які входять до їх біохімічного складу. Крім того, розчинені органічні сполуки також можуть видалятися, але дані не підтверджують припущення, що ці розчинені органічні види становлять основну частину загальної кількості органічних речовин, що видаляються. На додаток до цих функцій очищення води, скімери служать для збагачення води киснем і полегшення газообміну в цілому, що є корисною діяльністю, яка не залежить від видалення органічних відходів.

Висновки

Хімічний/елементний склад скіммату, що утворюється скіммером H&S 200-1260 на 175-галонному рифовому резервуарі протягом декількох днів або тижня, мав деякі сюрпризи. Лише незначна кількість скіммату (тверда речовина + рідина) могла бути віднесена до органічного вуглецю (TOC); близько 29%, і більша частина цього матеріалу не була водорозчинною, тобто не була розчиненим органічним вуглецем. Більшість вилученого твердого скіммату, окрім загальних іонів морської води, складали CaCO₃MgCO₃та SiO₂ – неорганічні сполуки! Походження цих видів достеменно невідоме, але можна припустити, що SiO₂ походить з оболонок діатомових водоростей. CaCO₃ може бути отриманий з інших планктонних мікробів, що мають оболонки з карбонату кальцію, або може надходити зі стічних вод кальцієвого реактора. Оскільки твердий скіммат складається з мікрофлори, то деяка частина нерозчинного органічного матеріалу, видаленого при скіммуванні, буде просто органічними компонентами (“нутрощами”) цієї мікрофлори. Ця мікрофлора концентрує поживні речовини P, N і C з товщі води, і тому їх видалення за допомогою знежирення є засобом експорту поживних речовин.

Подяки

Ми дякуємо Науковому коледжу Еберлі при Університеті штату Пенсильванія та компанії E. I DuPont de Nemours and Co. за фінансову підтримку, а також докторам Санджаю Джоші (штат Пенсильванія) та Крейгу Бінгману (штат Вісконсін) за багато корисних обговорень.

Список використаних джерел

1. Бжезинський, М. А. 1985. “Співвідношення Si:C:N морських діатомових водоростей: Міжвидова мінливість та вплив деяких змінних навколишнього середовища”. J. Physiol., 21, 347-357.
2. De la Rosa, J. M.; González-Pérez, J. A.; Hatcher, P. G.; Knicker, H.; González-Vila, F. J. 2008. “Визначення тугоплавких органічних речовин у морських відкладеннях за допомогою хімічного окислення, аналітичного піролізу та твердотільної 13 С ядерно-магнітно-резонансної спектроскопії”. Eur. J. Soil Sci., 59, 430-438.
3. Фельдман, К. С., Маерс, К. М., Вернес, Л. Ф., Хубер, Е. А., Тест, М. Р. 2009. “Розробка методу кількісної оцінки ефективності роботи білкового скімера”. Advanced Aquarist
4. Фельдман, К. С.; Маерс, К. М. 2010. “Подальші дослідження продуктивності білкового скімера”. Advanced Aquarist
5. Мітчелл-Іннес, Б. А.; Вінтер, А. 1987. “Кокколітофори: основний компонент фітопланктону в зрілих висхідних водах біля Капського півострова, Південна Африка, в березні 1983 року”. Marine Biol., 95, 25030.
6. Моппер К., Стаббінс А., Річі Д., Бялк Х. М., Хетчер П. Г. “Передові інструментальні підходи до характеристики морської розчиненої органічної речовини: Методи екстракції, мас-спектрометрія та ядерно-магнітно-резонансна спектроскопія”. Chem. Rev., 107, 419-442.
7. Мортлок, Р. А., Фрелих, П. Н. “Простий метод швидкого визначення біогенного опалу в пелагічних морських відкладеннях”. 1989. Deep-Sea Res., 36, 1415-1426.
8. Стенлі, С. М.; Ріс, Д. Б.; Харді, Л. А. 2005, “Хімія морської води, зростання популяції кокколітофорів та походження крейдової крейди”. Геологія, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Екологічна стехіометрія. Princeton University Press, Princeton.
10. Тортелл, П. Д., Мальдонадо, М. Т., Прайс, Н. М. “Роль гетеротрофних бактерій в обмежених залізом океанічних екосистемах”. 1996. Nature, 383, 330-332.

Source: reefs.com