Азотный цикл: Часть 3 (Денитрификаторы)

Возможно, это плохой выбор слов, когда говорят, что в аквариуме “круговорот азота” в прошедшем времени – как будто хранителю больше не нужно следить и контролировать растворенный неорганический азот в воде системы. Действительно, создать биофильтр (популяцию нитрифицирующих бактерий) может быть гораздо проще, чем контролировать накопление нитратов. Хотя существует множество способов удаления избытка нитратов (например, химическая фильтрация, подмена воды), наиболее надежные и наименее затратные методы включают биоконтроль (создание популяций денитрифицирующих бактерий).

Эта статья посвящена денитрифицирующим бактериям, процессу денитрификации и факторам окружающей среды, благоприятствующим денитрификаторам.

Денитрификация – это дыхание

По своей сути денитрификация – это микробный процесс, в котором нитрат (NO 3 – ) восстанавливается (через ряд промежуточных газообразных продуктов оксида азота) в молекулярный азот (N 2 ). Денитрификация осуществляется некоторыми анаэробными бактериями как форма дыхания. Живя в среде, лишенной кислорода, эти микробы восстанавливают окисленные азотистые соединения в ответ на окисление донора электронов (например, органического вещества). В порядке от наиболее к наименее энергетически выгодным являются нитрат, нитрит, оксид азота, оксид азота. Конечный продукт – газ динитроген (N 2 ).

Весь процесс можно выразить в виде чистой сбалансированной окислительно-восстановительной реакции, в которой нитрат (NO 3 – ) полностью восстанавливается до динитрогена (N 2 ): 2 NO 3 – + 10 e – + 12 H + → N 2 + 6 H 2 O. Однако известно, что в процессе восстановления участвуют несколько ферментативных путей. Вместо того чтобы происходить в один этап, денитрификация представляет собой серию полуреакций (в скобках указаны ферменты, катализирующие реакции):

1. NO 3 – + 2 H + + 2 e – → NO 2 – + H 2 O (нитрат-редуктаза)
2. NO 2 – + 2 H + + e – → NO + H 2 O (нитритредуктаза)
3. 2 NO + 2 H + + 2 e – → N 2 O + H 2 O (редуктаза оксида азота)
4. N 2 O + 2 H + + 2 e – → N 2 + H 2 O (редуктаза оксида азота).

В темноте

Денитрифицирующие микробы, как правило, предпочитают микроаэробные и анаэробные условия (концентрация в окружающей среде менее 10% насыщения). Как правило, они являются гетеротрофами, использующими органические вещества для получения энергии. Денитрификаторы представлены во всех основных филогенетических группах. В качестве примера можно привести Paracoccus denitrificans и Thiobacillus denitrificans. Как правило, несколько видов бактерий участвуют в полном восстановлении нитрата до N 2 , некоторые гены, известные как ответственные за денитрификацию, включают nir (нитритредуктаза) и nos (редуктаза закиси азота) среди прочих. К таким организмам относятся Alcaligenes xylosoxidans, Alcaligenes faecalis, Bradyrhizobium japonicum, Blastobacter denitrificans и несколько видов Pseudomonas.

Эти организмы встречаются в наземной, пресноводной и морской среде обитания, обедненной кислородом. Здесь нитрат или нитрит могут использоваться в качестве запасного терминального акцептора электронов вместо кислорода (O 2 ).

Иногда денитрификация происходит в окислительных средах (обычно с помощью некоторых грамотрицательных бактерий из филума Proteobacteria). Например, Paracoccus denitrificans может осуществлять денитрификацию как в окислительных, так и в аноксических условиях; при воздействии кислорода он использует редуктазу закиси азота для катализа последнего этапа денитрификации.

Продвижение денитрификации в аквариуме

Как мы видели в предыдущих двух статьях, нитрат образуется в результате деятельности аммиак-окисляющих и нитрит-окисляющих нитрифицирующих микробов. Это, конечно, хорошо, потому что аммиак (в большей степени) и нитриты (в меньшей степени) токсичны для большинства морских животных. Однако сам нитрат по мере накопления создает некоторые проблемы. Например, при содержании более 50 ppm он, как правило, мешает росту животных на клеточном уровне. Кроме того (в чем многие из нас уже успели убедиться), он действует как питательное вещество для роста растений и поэтому способствует распространению многих видов неприятных водорослей. По меньшей мере, это хорошая идея – контролировать стремительное накопление нитратов.

Методы естественной фильтрации, основанные на денитрификации, сильно различаются, но всегда в центре внимания находится обеспечение подходящего (т.е. анаэробного) жизненного пространства для денитрифицирующих бактерий. Первые попытки культивировать эти микробы были предприняты вне основного резервуара в так называемом денитрифицирующем фильтре. Эти проточные устройства состояли из водонепроницаемой и воздухонепроницаемой коробки. Водяной клапан регулировал скорость потока через устройство. Второй, односторонний воздушный клапан позволял выходить азотному газу. Устройство заполнялось чем-то вроде биомедиума с высокой площадью поверхности и питалось органическим источником углерода, таким как лактоза. Эти штуки были отстойными, потому что они были бомбами замедленного действия. В частности, если кормить их слишком медленно, бактерии могли начать превращать нитрат обратно в нитрат; если кормить слишком интенсивно, они начинали производить сероводород. Неудивительно, что они потеряли популярность среди аквариумистов еще до того, как их начали широко использовать.

И это прекрасно, потому что нет никаких причин, по которым нельзя было бы выращивать эти организмы прямо в основном аквариуме, естественно, в различных аноксических зонах. Это может быть несколько мест, включая достаточно глубокий песчаный слой, большие куски высокопористой биомеди, такой как MarinePure, или даже большая фильтрующая губка, опущенная в отстойник в зоне слабого течения. Для систем с низким уровнем растворенного органического вещества (DOM) может быть выгодно дозировать ацетат или этанол.

Заключение

К счастью, не нужно рассчитывать на присутствие резидентных денитрифицирующих видов, чтобы запустить процесс. По крайней мере, два живых продукта (PNS ProBio и PNS Substrate Sauce) включают денитрифицирующие виды. Культуры можно заливать прямо в соответствующий биомедиум для более быстрой и надежной инокуляции.

Несомненно, биоконтроль нитратов стал проще с развитием содержания рефугиумов за последние несколько лет. Но разумное использование денитрифицирующих бактерий, безусловно, помогает поддерживать надлежащий уровень нитратов. И это хорошо, поскольку мы обычно любим щедро кормить наши кораллы и рыб. Нельзя превзойти простоту и экономическую эффективность естественного биоконтроля, а денитрификация – один из превосходных инструментов биоконтроля, который может использовать каждый!

Source: algaebarn.com