Азотный цикл: Часть первая (Окислители аммиака)

Азотный цикл так же важен для наших аквариумов, как и глобальные биогеохимические процессы. Поскольку это действительно цикл, не существует ни “начальной точки”, ни “конечной точки”. Однако, с точки зрения понимания и реального содействия круговороту азота в наших аквариумных системах, лучше всего “начать” с самой токсичной формы неорганического азота: Аммиака.

Поскольку азотистые органические вещества расщепляются в процессе пищеварения организмами, начиная от рыб и заканчивая аммонифицирующими бактериями, избыток азота выделяется в окружающую среду в виде аммиака. Аммиак становится менее токсичным (хотя и не совсем безвредным), поскольку в несколько этапов преобразуется в нитрат. За выполнение каждого этапа отвечают различные наборы микробов. Первый этап этого процесса, на котором мы сосредоточимся в этой статье, – окисление аммиака.

Окисление аммиака (NH 3 ) до нитритов (NO 2 -) необходимо для оборота питательных веществ в большинстве пресных и морских вод, а также в почве. Три группы микроорганизмов, окисляющих аммиак, включают аммиачнокислые бактерии (AOB), аммиачнокислые археи (AOA) и комаммоксные бактерии (полное окисление аммиака до нитрата). Все они являются аэробными автотрофными организмами. Хотя другая группа бактерий – анаммокс (анаэробное окисление аммония) – может окислять аммиак в анаэробных условиях, они филогенетически и биохимически отличаются от аэробных окислителей аммиака, имеют меньшее значение в типичных аквариумах и не будут обсуждаться здесь.

Окисление аммиака в каноне

Показав, что нитрификация ингибируется применением хлороформа, Шлозинг и Мунц (1877) представили первое доказательство того, что окисление аммиака является биологическим, а не химическим процессом. Впервые AOB были культивированы Франклендом и Франклендом в 1890 году. Вскоре после этого Сергей Виноградский начал свою новаторскую работу с Nitrosomonas europaea, которая до сих пор служит моделью AOB.

Канонические AOB ограничены двумя филогенетическими группами: β-протеобактерии (например, Nitrosomonas и Nitrosospira) и γ-протеобактерии (например, Nitrosococcus). Долгое время считалось, что AOB являются единственными нитрификаторами в окружающей среде. Затем в 2005 году в морском аквариуме были обнаружены нитрифицирующие археи (например, Nitrosopumilus maritimus ).

После исследований Виноградского нитрификация стала рассматриваться как двухэтапный процесс, который строго разделен между двумя различными функциональными группами: сначала аммиак окисляется до нитрита микроорганизмами, окисляющими аммиак, а затем нитрит окисляется до нитрата микроорганизмами, окисляющими нитрит. Но эта модель стала немного сложнее после открытия нового процесса – полного окисления аммиака до нитрата (комаммокс) одним микроорганизмом. Этот двойной процесс был впервые (и совсем недавно) продемонстрирован в 2015 году путем культивирования двух Nitrospira spp. (род, который раньше считался способным только к окислению нитритов). Хотя мы все еще узнаем больше о Nitrospira, сообщается, что в некоторых средах она столь же многочисленна, как и другие окислители аммиака.

Очевидно, что исследования показывают, что сообщества микроорганизмов, окисляющих аммиак, разнообразны и могут меняться по мере изменения среды с течением времени. AOA намного многочисленнее, чем AOB во многих почвенных и пресноводных средах. Действительно, в настоящее время считается, что АОА являются одними из самых распространенных организмов на планете (до 40% прокариот в морских экосистемах и 1%-5% в наземных экосистемах). На самом деле, AOB обычно превосходят AOA только в богатых питательными веществами средах, таких как очистные сооружения, удобренные почвы и да, некоторые аквариумы. В то время как в наземных сообществах AOB доминируют Nitrosomonas, Nitrosospira может быть более адаптирована к морской среде.

Так что же общего у всех окислителей аммиака? Возможно, только одно: субъединица AmoA фермента монооксигеназы аммиака (AMO). Хотя микробы AOB, AOA и комаммокс являются автотрофами, пути усвоения неорганического углерода у них разные. При относительно низких концентрациях аммиака (как во многих морских экосистемах) AOA превосходят AOB. Более того, AOA обычно обитают в местах, недоступных для AOB (например, в сильно кислой или очень горячей среде).

Внесение окислителей аммиака в ваш аквариум

Для безопасности и комфорта ваших животных крайне важно полностью циклировать любую систему перед тем, как запустить в нее живность. В свое время для выполнения этой задачи аквариумисты использовали выносливых, недорогих, “расходных” видов рыб. Эти несчастные существа служили не только источником аммиака, но и своего рода канарейками в шахте.

К счастью, в последнее время мы стали полагаться на безрыбные методы азотного цикла. Это предполагает добавление источника аммиака непосредственно в воду. Это способствует развитию нитрифицирующих бактерий, которые могут быть введены путем добавления живого камня и/или бактериальной затравки. Все чаще, стремясь сократить попадание в аквариумы организмов-вредителей, аквариумисты начинают свои системы с сухих камней; в этих случаях бактерии в бутылках практически незаменимы для обеспечения большего микробного разнообразия и сокращения времени цикла.

Отличным выбором продуктов для безрыбного цикла является проверенный временем набор Aquarium Cycle Kit от AlgaeBarn. Этот доступный по цене набор включает NitroCycle, источник аммиака, и Fritz’s TurboStart 900, консорциум нитрифицирующих бактерий, включающий несколько видов микробов, окисляющих аммиак и окисляющих нитриты. Аэробные/автотрофные/нитрифицирующие микробы в этом продукте естественно дополняются анаэробными/гетеротрофными/ассимилирующими аммиак микробами в PNS ProBio от Hydrospace. А что делать для еще более тщательного кондиционирования системы и более долгосрочной стабильности азота? Чтобы получить функционально полный микробиом, включая аэробную/анаэробную биосреду (MarinePure) и денитрифицирующие бактерии (PNS Substrate Sauce), просто перейдите на Ultimate Aquarium Cycle Kit.

Имейте в виду, что каждый аквариум индивидуален, поэтому прогресс азотного цикла не будет предсказуем на 100%. Часто тестируйте аммиак, нитриты и нитраты, чтобы следить за ходом цикла. Имейте в виду, что у вас может произойти небольшой вторичный всплеск аммиака, поскольку в вашем микробном сообществе происходит смена видов, любящих высокий уровень аммиака, на виды, любящие низкий уровень аммиака. И, конечно же, не добавляйте никакой живности, пока уровни аммиака и нитритов не станут необнаружимыми хотя бы в течение нескольких дней!

Взаимодействие с читателями

Комментарии

1. Тереза Хэнд говорит 15 декабря 2021 года в 2:59 утра

Source: algaebarn.com