Аквариумная химия: Фосфат и математика: Да, вы должны понимать и то, и другое
Аквариумная химия: Фосфат и математика: Да, вы должны понимать и то, и другое
Фосфат – это ион, вызывающий большую озабоченность у рифовых аквариумистов. На самом деле, если не считать кальция и щелочности, это, пожалуй, та тема химии, на которой рифовые аквариумисты сосредоточены больше всего. Во многом это беспокойство оправдано, поскольку фосфат потенциально может способствовать проблемам с водорослями, плохой окраске кораллов и других беспозвоночных, а также росту большинства фотосинтезирующих организмов. По этим причинам каждый риф должен иметь план экспорта фосфатов одним или несколькими способами, и выбор здесь огромен. Темы, касающиеся желаемых целевых уровней и многочисленных методов экспорта, были подробно рассмотрены мной и другими авторами в прошлом, и я не буду останавливаться на них здесь.
Я сосредоточусь на различных источниках фосфатов в рифовых аквариумах, и на том, насколько каждый из них важен для работающего аквариума. В течение долгого времени существовало множество недоразумений, связанных с этими источниками, но в последние два года кажется, что эти недоразумения стали более распространенными и иногда подталкивают аквариумистов к неоправданным действиям.
Отчасти я связываю этот недавний всплеск недоразумений с недавно появившимися в продаже приборами для проверки фосфатов от Hanna. Не вдаваясь в обсуждение их относительной точности или достоинств их использования, я считаю, что многих аквариумистов подталкивают к неоправданным действиям, обнаруживая фосфаты в различных добавках, о которых они раньше не знали. Перефразируя “Поле мечты”: “Построй его, и они найдут фосфат”. Для того чтобы аквариумисты могли интерпретировать значение найденных значений, им необходимо иметь представление об общем фосфатном балансе в аквариумах с коралловыми рифами. В этой статье мы постараемся дать понимание, необходимое для того, чтобы рассмотреть проблемы фосфатов в правильной перспективе.
Итак, для начала давайте посмотрим, сколько из вас будут обеспокоены каждым из этих сценариев:
- Моя очищенная пресная вода, которую я использую для долива, содержит 0,05 промилле фосфатов. Поскольку я стараюсь поддерживать в аквариуме 0,02 промилле, это, очевидно, слишком много. Что мне делать?
- Я положил кубик замороженного корма для рыб в полчашки воды и сделал тест на фосфаты. Я получил огромное значение 1,0 промилле. Это огромная проблема, верно?
Рисунок 1. Структура ДНК, нарисованная Мадлен Прайс Болл для Википедии. Фосфор показан желтым цветом.
Опыт подсказывает мне, что 95% или более рифовых аквариумистов согласны с тем, что первые три проблемы требуют решения, и по меньшей мере половина испытывает те же чувства, которые выражены в цифре четыре. На самом деле, первые три проблемы на самом деле совсем не существенны, и рифовым аквариумистам необходимо понять, почему. Сценарий номер четыре суммирует основную мысль, которую риферы должны понять: корма являются основным источником фосфатов практически в любом аквариуме, который кормят, независимо от выбора кормов, промывки и т.д. В большинстве аквариумов этот источник доминирует над всеми другими источниками в десять – сто и более раз, даже если сценарии 1-3 также верны!
Пищевые источники фосфатов
Для того чтобы начать понимать источники фосфатов в аквариумах, давайте сначала рассмотрим продукты питания. Вопреки мнению многих, фосфат – это не то, чего можно избежать в питательном корме для рыб. Фосфор присутствует во многих биомолекулах жизни, поэтому любая натуральная ткань, входящая в состав корма для рыб, будет содержать значительное количество фосфора. Фосфолипиды составляют значительную часть клеточных мембран. Генетический код каждого организма состоит из ДНК, и эта ДНК содержит фосфатный мостик между каждой парой оснований (на рисунке 1 показано, сколько фосфатов содержится в ДНК). Все клетки получают энергию путем преобразования АТФ в АДФ, а эти молекулы содержат 3 и 2 фосфатных молекулы соответственно (Рисунок 2).
Рисунок 2. Структура АТФ с тремя фосфатными молекулами в левой части.
Наиболее важным с точки зрения питательных аспектов продуктов и фосфатов является то, что белки содержат фосфат. Многие начинающие химики понимают, что белки состоят из аминокислот, и ни одна из стандартных аминокислот не содержит фосфата, так откуда же берется фосфат? Оказывается, организмы присоединяют фосфат к гидроксильной группе аминокислот треонина и тирозина в белках, чтобы включать и выключать многие виды белковых функций. Следовательно, белки часто содержат много фосфата, поэтому очень трудно создать полноценные продукты питания без большого количества фосфата. Связь между фосфатом и белком настолько тесная, что люди, страдающие от избытка фосфата (обычно это люди с заболеваниями почек, и особенно те, кто находится на диализе), не могут получить достаточное количество белка без избытка фосфата. Такие пациенты принимают пероральные фосфат-связывающие препараты, чтобы связать фосфат в пище до того, как он всосется из тонкого кишечника, потому что ограничение фосфата в пище просто недостаточно эффективно.
Количественное определение фосфата в продуктах питания
Сколько фосфатов содержится в продуктах питания? Много, но это зависит от вида корма. Некоторые аквариумные корма указывают на этикетке минимальное количество фосфора (фосфор – это атом P в центре фосфатного иона PO4 – ). В анализах кормов часто указывается количество фосфора, а не фосфатов в качестве единицы измерения. Как и футы и дюймы, это просто разные единицы измерения одного и того же, а значения фосфора умножаются на 3,1, чтобы получить значения фосфата.
Для продуктов, предназначенных для потребления человеком (таких как креветки или моллюски), мы можем найти известные данные о содержании фосфора. К сожалению, многие производители аквариумных кормов не указывают значения содержания фосфора, и они представляют собой сложные смеси из многих ингредиентов, что не позволяет нам найти их. Возможно, некоторые производители опасаются напугать аквариумистов содержанием фосфатов. К счастью, Рон Шимек несколько лет назад проанализировал различные корма, и этот набор данных также можно использовать, чтобы понять, сколько фосфора содержится в различных коммерческих аквариумных кормах. В таблицах 1-3 приведены данные о содержании фосфора и белка во многих аквариумных кормах, причем в таблице 1 представлены сухие корма, в таблице 2 – замороженные, а в таблице 3 – продукты из продуктовых магазинов, которые иногда используются в аквариумах.
Только эти необработанные значения фосфора позволяют нам узнать, сколько фосфора попадает в аквариум при кормлении определенным кормом, и мы будем использовать эти цифры в нескольких анализах далее в этой статье. Однако следует остерегаться слишком полагаться на такие цифры в сравнительных целях, поскольку некоторые корма содержат значительно больше влаги или наполнителей, которые снижают процент фосфора, но не обязательно являются лучшим выбором с точки зрения фосфора. Просто для достижения одинаковой общей питательности необходимо скармливать больше влажного корма, чем сухого, что компенсирует более низкое заявленное значение фосфора.
Один из полезных способов сравнения кормов между собой – это сравнение соотношения фосфора и белка. Таким грубым способом мы можем исключить влияние влаги и наполнителей. Очевидно, что этот метод имеет свои недостатки, так как пищевая ценность продуктов гораздо сложнее, чем простое значение белка, но он позволяет понять, какие продукты содержат больше или меньше фосфора. Чтобы помочь читателю сориентироваться, я решил показать в таблицах 1-3 продукты с более высоким содержанием фосфора в белке красным цветом, а с более низким – зеленым. Использованные мною значения отсечения совершенно произвольны, и не следует делать выбор продуктов питания, основываясь только на этом критерии. Тем не менее, несколько моментов очевидны:
- Сухие и замороженные продукты существенно различаются по содержанию фосфора и белка. В обеих категориях есть продукты с высоким и низким содержанием фосфора. В целом, на основании этих данных нельзя сказать, что типичные сухие продукты хуже в этом отношении, чем типичные замороженные продукты.
- За исключением морских водорослей, продукты из продуктовых магазинов, как правило, имеют более низкое соотношение фосфора и белка, чем многие другие продукты, хотя некоторые замороженные продукты Ocean Nutrition имеют такое же низкое соотношение. Это предполагает, что вы используете продукты из продуктовых магазинов, которые не обрабатываются фосфатами для сохранения свежести на перерабатывающем заводе, но это является проблемой для многих из этих материалов.
- Креветки, похоже, выделяются низким соотношением белка и фосфора в продуктах питания из продуктовых магазинов.
- Рыба с костями имеет высокое содержание фосфора, поскольку кости представляют собой модифицированный фосфат кальция, но полностью ли эти кости усваиваются или нет, вероятно, зависит от того, кто их ест и как долго ждать их разложения.
Влияние продуктов питания на фосфатный баланс аквариума
Теперь мы подходим к сути вопроса. Фактическое количество фосфора, присутствующего в продуктах питания, и что оно означает. Чтобы понять влияние кормов, нужно понять, что происходит с ними при добавлении в аквариум. Некоторые аквариумисты придерживаются ошибочного мнения, что съеденные корма не способствуют образованию свободного фосфата в воде. Многие аквариумисты твердят мантру о том, что кормить нужно только столько, сколько съедено, и путают эту идею с предположением, что при этом минимизируется выделение фосфатов. Эта идея просто не соответствует действительности.
Рыба или другой организм, поедающий пищу, получает значительное количество фосфатов, как показано выше. Но что с ним происходит? Если организм не увеличивается в размерах (например, взрослый зеленый хромис или человек), то поглощенный фосфат почти полностью выводится обратно в воду. Единственным исключением из этого процесса является очень небольшое количество фосфора, которое попадает в яйца или сперму, и поскольку в большинстве аквариумов эти элементы быстро потребляются другими организмами, фосфор в конечном итоге попадает в воду.
Растущие организмы действительно получают небольшое количество фосфора из рациона и сохраняют его в своих растущих тканях, но акцент делается на малом количестве. Исследование рыбной фермы с быстрорастущей радужной форелью в океане показало, что 78-82% фосфора, поступающего с кормом для рыб, теряется в окружающей среде. Второе исследование аквакультуры с использованием обычных кормов для рыб показало, что 62% скормленного фосфата попадает в окружающую среду, причем 35% попадает в виде растворимого фосфата, доступного непосредственно водорослям, а 27% – в виде фосфора в фекальных гранулах (которые, если их не удалить, распадаются в аквариуме, снова выделяя фосфат). Другое исследование показало, что 81,5% фосфатов из коммерческого рациона попадает в окружающую среду, но при использовании “специальной” диеты с низким содержанием фосфатов и рыбной муки этот показатель может быть снижен до 64%. Четвертое исследование показало, что растущие рыбы, которых кормят чуть меньшим количеством фосфатов, чем им необходимо (для оптимизации теоретического поглощения), по-разному воспринимают и удерживают различные источники фосфатов. Используя очищенную белковую диету, они наблюдали сохранение 72% фосфора, 51% фосфора из добавленной рыбной костной муки, а также более высокие уровни поглощения и сохранения неорганических фосфатных добавок (таких как фосфат натрия).
Подобные исследования вызывают озабоченность в условиях аквакультуры в связи с загрязнением окружающей среды из-за выбросов фосфора и азота. Однако, насколько мне известно, оно никогда не проводилось в рифовых аквариумах. Подобные исследования фосфорного баланса также проводились на людях в течение многих лет. Очевидно, что у взрослых людей почти весь принятый фосфор выводится из организма, в основном с мочой и частично с калом. Даже у маленьких растущих детей количество фосфора, удерживаемого из рациона, составляет всего 5-20% от потребляемого, а 80-95% выводится с мочой и калом. Хотя эти исследования довольно далеки от рифовых аквариумов, они подтверждают идею о том, что организмы потребляют гораздо больше фосфора, чем сохраняют, даже когда растут.
Следовательно, рифовым аквариумистам следует ожидать, что большая часть фосфора, добавляемого в рифовый аквариум в виде корма, в конечном итоге попадает в воду в виде фосфатов. Попадает ли эта часть в воду в виде фосфата в количестве 95% или 35%, не окажет существенного влияния на приведенные ниже выводы о том, что корма добавляют очень большое количество фосфата.
Количественная оценка влияния фосфатов в аквариуме на продукты питания
Исходя из предположения, что большая часть фосфора, содержащегося в продуктах питания, в конечном итоге попадает в аквариум в виде фосфатов, мы можем приблизительно рассчитать, каково это влияние. Даже если фактическое число составляет половину или четверть от добавленного, получение приблизительной информации очень полезно для оценки важности этого источника фосфатов. Очевидно, что рассчитанное значение зависит от того, сколько чего скармливается в аквариум того или иного размера.
В таблице 4 показаны различные возможные схемы кормления, которые аквариумист может использовать в гипотетическом аквариуме объемом 100 галлонов (379 л; фактический объем воды). Аквариумисты могут сами определить, насколько эти схемы соответствуют их собственному графику кормления.
| Кормление | Фосфор, добавляемый ежедневно (мг) | Эквивалентный фосфат, добавляемый ежедневно (мг) | Эквивалентная концентрация фосфата, добавляемая ежедневно (ppm) |
|---|---|---|---|
| 1 Prime Reef Cube | 2.7 | 8.4 | 0.022 |
| 1 Prime Reef Cube1 Формула 1 Cube | 6.0 | 18.6 | 0.049 |
| 1 Формула 2 Кубик1 Кубик мизиса | 3.9 | 12.1 | 0.032 |
| IO Морские всеядные чипсы (2 г) | 22 | 68 | 0.18 |
| IO Marine Omnivore Chips (1 г)Silversides (1/2 чайной ложки)Nori (2,5 г = большой лист) | 37 | 115 | 0.30 |
Очевидно, что существует большой диапазон в зависимости от количества корма. Однако многих удивляет то, насколько велико это число по сравнению с типичными целевыми уровнями фосфатов в рифовых аквариумах, которые могут составлять около 0,03 ppm или меньше. Даже легкое кормление одного кубика относительно низкофосфатного замороженного корма в этом аквариуме обеспечило большую часть этого целевого количества за одно кормление. Тяжелое кормление добавляло в десять раз больше этого количества за один день. Короче говоря, именно поэтому контроль фосфатов в рифовых аквариумах часто бывает очень сложным.
Промывка корма и влияние на фосфаты
Теперь, когда у нас есть некоторая информация о фосфатах в кормах, мы можем критически рассмотреть вопрос, который волнует многих аквариумистов, касающийся кормов, и в частности промывки замороженных продуктов перед использованием. Типичный тест, который вы видите: кто-то берет кубик корма для рыб, размораживает его и помещает в полчашки воды. Затем они проверяют эту воду на содержание фосфатов и обнаруживают, что оно “зашкаливает”. Предположим, что это означает 1 промилле фосфатов, что даст очень темный синий цвет во многих тестах на фосфаты. Имейте в виду, что это проблема мышления, а не реальное измеренное значение, но это типично для того, что люди думают, каким должен быть ответ.
Много ли это фосфатов? Есть два варианта ответа.
Первый способ – как часть общего количества фосфатов в пище. Полчашки воды с содержанием фосфатов 1 ppm (1 мг/л) содержит в общей сложности 0,12 мг фосфатов. Кубик Формулы 2 содержит около 11,2 мг фосфата. Таким образом, гипотетический этап промывки удалил около 1 процента фосфата в этом продукте. На мой взгляд, это не совсем целесообразно, но это решение каждый аквариумист может принять самостоятельно.
Второй способ посмотреть на это промывание – насколько оно уменьшает увеличение концентрации фосфатов в аквариуме. Используя тот же расчет, что и выше – 0,12 мг фосфата, и добавив это к общему объему воды в 100 галлонов, мы получим, что смытый фосфат увеличил бы концентрацию фосфатов “в аквариуме” на 0,12 мг/379 л = 0,0003 ppm. Это количество смытого фосфата не кажется значительным по отношению к целевому уровню “в баке”, примерно в 50-100 раз превышающему этот уровень (скажем, от 0,015 до 0,03 ppm), и не кажется значительным по отношению к общему количеству фосфата, фактически добавляемого каждый день в продукты питания (что, возможно, в 50-1000 раз больше, исходя из норм ввода из Таблицы 4. Опять же, вывод, который я делаю, заключается в том, что промывка, на мой взгляд, не имеет смысла.
Сравнение пищевых источников фосфатов с другими источниками
А как насчет других источников фосфатов, например, “дрянной” воды RO/DI, содержащей 0,05 ppm фосфатов? Аналогичный анализ покажет, что они столь же малозначимы по сравнению с кормами.
Предположим, что данный аквариумист каждый день добавляет 1% от общего объема аквариума с помощью RO/DI, чтобы заменить испарение. Простая математика показывает, что 0,05 ppm в RO/DI превращается в 0,0005 ppm, добавляемых каждый день к концентрации фосфатов в аквариуме. Этот шаг разбавления очень важен, он сводит такое страшное число, как 0,05 ppm, к почти бессмысленному ежедневному добавлению 0,0005 ppm. Поскольку эти 0,0005 ppm в 40-600 раз меньше, чем количество, ежедневно добавляемое в продукты питания (Таблица 4), они не кажутся достойными того гнева, который многие аквариумисты возлагают на подобные измерения. Тем не менее, в водопроводной воде может содержаться до 5 ppm фосфатов, и это значение может стать доминирующим источником фосфатов и представлять серьезную проблему. Очистка водопроводной воды важна по этой и многим другим причинам.
Подобные расчеты применимы и к анализу других фосфатных проблем, таких как GAC в третьем сценарии. Проблема обнаружения “высокого” фосфата в GAC, вымоченном в пресной воде, часто упоминалась как причина для использования той или иной марки GAC, и, вероятно, до сих пор является таковой. Но простой анализ, как показано выше для промывки пищевых продуктов, ставит под сомнение, что это большая проблема.
Нужно учитывать, сколько GAC действительно будет использоваться в аквариуме и как часто его добавлять, чтобы понять, насколько важен добавляемый фосфат. Типичная рекомендация – 1 чашка GAC на 100 галлонов аквариумной воды и замена через 4-6 недель. Предположим, что мы обнаруживаем 0,5 промилле фосфата, когда чайная ложка помещается в чашку с водой, и нас пугает темно-синий цвет во время теста. Разумно ли это? 0,5 ppm от чайной ложки в чашке воды означает 0,015 ppm фосфата при использовании чашки в 100 галлонах.
Эти 0,015 ppm могут быть значительными, являясь типичным целевым уровнем концентрации для рифовых аквариумов и составляя примерно от половины до двадцатой части того количества, которое ежедневно добавляется в продукты питания, но помните, что они используются в течение 4-6 недель. В течение этих 4-6 недель, до следующей замены, продукты питания добавляют в 50-700 раз больше фосфатов. Поэтому, хотя и неразумно искать другую марку GAC, обвинять в проблемах с фосфатами или водорослями в аквариуме его использование было бы неправдоподобно, потому что это очень маленькая часть от общего количества добавляемых фосфатов.
Заключение
Корма, безусловно, являются самым важным источником фосфатов в большинстве аквариумов. Хотя между кормами существуют значительные различия, из данного анализа не следует, что сухие корма являются вредными, какими их часто представляют, по сравнению с замороженными кормами. В каждом типе корма есть лучшие и худшие варианты (в отношении фосфатов). Избегать продуктов с костями, однако, может быть целесообразно, если целью является получение меньшего количества фосфатов. Кроме того, свежие креветки из продуктового магазина кажутся одним из лучших продуктов с этой точки зрения.
При рассмотрении вопроса о том, важны ли другие источники фосфатов, кроме продуктов питания, следует внимательно изучить их фактическое количество, чтобы определить, стоит ли вообще пытаться свести к минимуму их поступление. Может быть страшно узнать, что в вашей очищенной пресной воде есть фосфаты, или что в вашей соляной смеси есть обнаруживаемые фосфаты, или что в ваших добавках или чем-то еще есть фосфаты. Но только потому, что вы что-то обнаружили, и, возможно, даже обнаружили концентрацию, намного превышающую концентрацию в вашем аквариуме, это ни в коем случае не означает, что эти источники достаточно значительны, чтобы требовать каких-то корректирующих действий. Наши аналитические инструменты стали достаточно чувствительными, что позволяет нам обнаруживать вещи, которые могут показаться проблемой, но на самом деле таковой не являются. Мы должны понимать различные проблемы, связанные с разбавлением, а также общий баланс фосфатов в рифовом аквариуме, чтобы оценить важность различных измерений.
Прежде чем тратить несколько долларов или время на погоню за пустяковой “проблемой”, воспользуйтесь математическими расчетами и представьте все в перспективе.
Source: reefs.com