Элементный анализ скиммата: Что на самом деле удаляет белковый скиммер из аквариумной воды?

Довольно контринтуитивное наблюдение о том, что протеиновые скиммеры удаляют только 20-35% измеряемого общего органического углерода (ОУУ) в воде рифового аквариума (Feldman, 2009; Feldman, 2010), заставляет задаться вопросом: “Что же это за “фигня”, которая скапливается в чашках наших скиммеров?”. Действительно ли это ТОС или, по крайней мере, лабильная, или “скиммируемая”, фракция ТОС? Попытки идентифицировать компоненты ТОС из подлинной океанической воды все еще находятся в зачаточном состоянии, и до сих пор этот материал не поддавался детальному химическому анализу. Недавние усилия, в основном, Хэтчера и коллег (Mopper, 2007; De la Rosa, 2008) с использованием сложных методов масс-спектрометрии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса показали, что подлинный океанический ТОС состоит из десятков тысяч дискретных соединений, которые включают химических представителей всех основных биохимических групп: липиды, пептиды, углеводы, гетероциклы, ароматические вещества и т.д. Связь между ТОС океана и ТОС аквариума еще предстоит установить, но представляется вероятным, что ТОС в наших аквариумах столь же разнообразен и богат по своей химической сложности. Таким образом, столь же маловероятно, что в ближайшем будущем появится химическое разложение аквариумного ТОС. Тем не менее, существуют аналитические методы, которые могут выявить и количественно определить большинство элементарных компонентов TOC, а также, при наличии небольшой химической интуиции, позволяют отнести некоторые из этих компонентов к химическим категориям. Эти аналитические методы называются элементный (или сжигающий) анализ и атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой. Оба метода доступны во многих коммерческих организациях; мы использовали Columbia Analytical Services в Tucson AZ для наших образцов обезжиренных отходов ).

Результаты экспериментов

Рисунок 1a. Скиммат за 4 дня сбора с помощью H&S 200-1260 на некормленом аквариуме, до концентрации.

Наш первоначальный эксперимент был разработан для изучения состава нерастворимого в воде твердого материала, удаляемого белковым скиммером. Скиммат собирался в течение 4 дней без добавления корма в аквариум, рис. 1. Жидкое и твердое содержимое чашки скиммера H&S 200-1260 было тщательно удалено по истечении этого периода времени и сконцентрировано до сухости путем первоначального испарения жидкости при пониженном давлении, а затем вакуумной сушки при 110 o C/0,2 мм. Эта процедура эффективно удаляет почти всю воду (см. ниже) и, конечно, любые летучие компоненты обезжиренного продукта. В результате получилось 17 граммов серо-коричневого твердого вещества, см. рис. 1.

Рисунок 1б. Скиммат, полученный в течение 4 дней сбора с помощью H&S 200-1260 на некормленом аквариуме, после концентрации.

Четыре грамма этого сырого скиммата суспендировали в 100 мл дистиллированной воды и энергично перемешивали в течение нескольких часов. Затем смесь разделяли центрифугированием при 6000 об/мин/10 мин, а надосадочную жидкость сливали и отбрасывали. Эту процедуру повторяли 3 раза, а затем оставшийся материал сушили в вакууме при 110 o C/0,2 мм в течение 48 часов, чтобы получить 0,47 гм серо-зеленого твердого вещества. Обратите внимание, что CaCO₃ must be heated to > 900 o C для сжигания CO₂. Это твердое вещество было подвергнуто элементному анализу, как описано выше, в Columbia Analytical Services:

• C: 21.08 %
• H: 2.39 %
• N: 2.22 %
• Ca: 17,43 %
• Mg: 1.35 %
• Si: 4,76 %
• P: 0.16 %

Эти данные могут быть интерпретированы с применением химической интуиции и некоторых допущений.

1) Анализ кальция

17,43 % по весу Ca означает, что общее количество Ca в 470 мг образца составляет 82 мг. Если предположить, что весь этот Ca находится в форме карбоната кальция (CaCO₃, MW = 100), тогда 470 мг высушенного обезжиренного образца содержат 205 мг (44 %) CaCO₃. Поскольку углерод составляет 12 % (по весу) от CaCO₃то в 470 мг высушенного обезжиренного скирмата содержится ~ 25 мг (~5,2 %) (неорганического) углерода, содержащегося в карбонате кальция.

2) Анализ магния

1,35 % по весу Mg означает, что общее количество Mg в 470 мг образца составляет 6,3 мг. Если предположить, что весь этот Mg находится в форме карбоната магния (MgCO₃, MW = 84), тогда 470 мг высушенного обезжиренного образца содержат 22 мг (~ 4,7 %) MgCO₃. Поскольку углерод составляет 14 % (по весу) от MgCO₃то в 470 мг высушенного обезжиренного скирмата содержится ~ 3 мг (~0,7 %) (неорганического) углерода, полученного из карбоната магния.

3) Анализ азота

Живые организмы~5 – 9 % по сухому весу азота (для простоты мы будем использовать 7 %), (Sterner, 2002) и поэтому, если пренебречь неорганическими источниками азота (NH₄, NO₃, и NO₂которые неизмеримо малы в воде резервуара), то 2,22 % азота по весу означает, что в 470 мг обезжиренного фильтрата содержится 10,4 мг азота, что в пересчете составляет 149 мг (~32 %) присутствующего органического материала.

4) Водородный анализ

Живые организмы~ 7 % по сухому весу водорода. (Sterner, 2002) 2,39 % водорода по весу означает, что в 470 мг обезжиренного фильтрата содержится 11,2 мг водорода, что составляет 160 мг (~34%) присутствующего органического материала. Сравните это значение с прогнозом содержания органики на основе анализа азота из (3); 32% – очень близкое соответствие!

5) Анализ углерода

21,08 % по весу углерода означает, что общее количество углерода, присутствующего в 470 мг образца обезжиренного осадка, составляет 99 мг. Вычитая количество углерода из вклада CaCO₃ (25 мг С) и MgCO₃ (3 мг углерода) остается 71 мг углерода. Каков источник этого углерода? Две возможности кажутся вероятными: выброс твердых частиц углерода из фильтра GAC или TOC из органических источников. Живые организмы на 40-50% состоят из углерода по сухому весу (для простоты мы будем использовать 45%) (Sterner, 2002). Если бы все 71 мг углерода поступили из органических источников (= ТОС), тогда было бы ~ 158 мг (~34 %) органического материала. Сравните это значение с прогнозом содержания органики на основе анализа азота из (3); 149 мг (~ 32 %), и прогнозом на основе анализа водорода из (4); 160 мг TOC (34 %). Нельзя игнорировать совпадение между расчетом на основе ТОС-углерода и независимыми расчетами на основе водорода и азота. Таким образом, нет никаких доказательств, опровергающих вывод о том, что оставшиеся 71 мг углерода могут быть отнесены к органическим источникам в качестве ТОС; нет никаких оснований ссылаться на эжекцию фильтра ГАК как источник этого углерода.

6) Анализ кремния

4,76% по весу кремния, присутствующего в 470 мг обезжиренного фильтрата, позволяет предположить, что всего присутствует 22,4 мг Si. Если мы предположим, что содержание Si обусловлено биогенным опалом из скелета диатомовых водорослей (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), то Si находится в гидратированном полимере SiO₂ (приблизительная молекулярная формула опала – SiO₂-0.4H₂O, 42% Si по массе). Таким образом, мы можем приблизительно оценить количество биогенного опала в 53 мг (~ 11%).

7) Анализ на содержание фосфора

0,16% по весу P, присутствующего в 470 мг сухого обезжиренного продукта, означает, что в нем присутствует 0,75 мг P. Если предположить, что весь P присутствует в виде фосфата, PO₄ 3- (MW = 95, неизвестный противоион), то в этом случае ~ 2,3 мг (~ 0,5%) PO₄ 3- присутствует в 470 мг сухого обезжиренного продукта. Это количество равно ~ 4900 ppm фосфата, что значительно больше, чем в < 0.02 ppm of phosphate in the tank water. Thus, skimming does concentrate phosphate.

Резюме элементного анализа

В итоге, скиммер извлекает твердую, нерастворимую в воде смесь соединений, которые по весу состоят из (приблизительно):

• 44 % CaCO₃
• 5 % MgCO₃
• 11% биогенного опала
• 34% органического материала
• 0,5% фосфатов

Таким образом, в общей сложности ~ 95% сухого нерастворимого в воде скиммата учтено! Каковы источники этих химических соединений в скиммате? Биогенный опал, вероятно, образовался из раковин диатомей, мелких представителей семейства фитопланктона – морских микробов. CaCO₃ (и MgCO₃) может иметь как биогенные, так и абиологические источники. В течение всего периода сбора экспериментального скиммата работал кальциевый реактор, поэтому часть CaCO₃ может быть просто микрочастицами, выделяемыми этим устройством. В качестве альтернативы, CaCO₃ может образовываться из раковин планктонных микробов из семейств кокколитофор (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) и фораминифер. Эти планктонные компоненты преобладают при определенных условиях в морской воде, но их присутствие в аквариумной воде не установлено. В настоящее время невозможно провести различие между этими биологическими и абиологическими источниками CaCO₃ в настоящее время. Будущие эксперименты, в которых скиммат собирается без работающего кальциевого реактора, могут пролить свет на этот вопрос. Фосфат, присутствующий в скиммате, не мог быть получен из неорганического фосфата в толще воды; этот ион был бы удален при тщательном промывании водой. Возможно, что часть этого фосфата находится в форме нерастворимого фосфата кальция, но это маловероятно, так как Ca₃(PO₄)₂образуется при довольно высоком pH, что не характерно для жидкости скиммата (pH = 7,67, см. ниже). Таким образом, по умолчанию он, скорее всего, образуется из органического фосфата; то есть многие биохимические вещества в диатомовых водорослях и всех других живых организмах (кокколитофоры, фораминиферы, бактерии, люди и т.д.) имеют присоединенные фосфатные группы. Аквариумные организмы набирают эти фосфатные молекулы из неорганического фосфата в толще воды, а затем присоединяют их к органическим биохимическим веществам. Таким образом, они эффективно концентрируют фосфат из воды, и этот фосфат затем удаляется (внутри неповрежденного организма) при обезжиривании. С этой точки зрения, обезжиривание действительно способствует удалению неорганических фосфатов из аквариумной воды.

Интересным и, возможно, неожиданным наблюдением является то, что только 34% этого твердого материала скиммата может быть отнесено к “органическому углероду”, TOC. Таким образом, 2/3 твердой, нерастворимой в воде части скиммата – это не ТОС, а неорганический материал, который может иметь (или не иметь) биогенное происхождение. Если значительная часть этого неорганического материала действительно происходит из раковин планктона, то логично предположить, что большая часть обнаруженного органического материала (ТОС), вероятно, представляет собой “кишки” этих организмов. Таким образом, возможно, не так уж много ТОС, удаляемых при обезжиривании, на самом деле являются свободно плавающими органическими молекулами. Одним из предостережений в этой интерпретации, конечно, является тот факт, что ~ 90% исходного сырого обезжиренного фильтрата было смыто водой. Возможно, эта водорастворимая фракция содержала значительное количество растворенного органического углерода, который не был бы обнаружен вышеуказанным анализом.

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 твердого вещества из первоначальных 125 мл восстановленной жидкости). 15 мл оставшегося жидкого обезжиренного фильтрата были проанализированы с помощью набора для тестирования Salifert на щелочность: [alk] = 8,0 мэкв/л. Кроме того, показатель преломления 1,023 указывал на соленость 31 ppt, а pH = 7,67. Конечную точку нельзя было определить с помощью наборов Ca или Mg Salifert, набора фосфатов Merck или набора Salifert NO₃ из-за мешающего светло-коричневого цвета обезжиренной жидкости. Обратите внимание, что чрезмерно высокое измерение [alk] не обязательно указывает на то, что концентрации HCO₃ – или CO₃ 2- высоки; могут присутствовать карбоксилаты органических кислот из пула ТОС, которые определяются этим анализом на щелочность (см. ниже).

Твердое вещество, полученное в результате выпаривания жидкой части обезжиренного фильтрата, а также твердое вещество, полученное после центрифугирования, были переданы в аналитическую службу Columbia Analytical Services для проведения элементного анализа. Результаты представлены в таблице 1. Кроме того, высушенный корм был проанализирован на содержание отдельных элементов. Для сравнения приведено содержание элементов в природной морской воде.

Таблица 1. Результаты элементного анализа образцов скиммата и пищи.

Элемент	Твердый скиммат (вес %)	Жидкий обезжиренный продукт (вес %)	Природные морские водные растворы (вес %)	Пища (вес %)
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
Сумма	55.84	85.89	95

Анализ продуктов питания

Высушенный корм был проанализирован на содержание фосфора, меди и йода. Ни медь, ни йод не были зарегистрированы в этих анализах; в пище не может быть более 100 ppb ни того, ни другого. Содержание фосфора, однако, было обнаружено, и 1,57% по весу P соответствует приблизительно 14 мг pf фосфора в 0,87 гм сухого корма, ежедневно скармливаемого аквариуму. Если предположить, что весь P присутствует в виде фосфата, PO₄ 3- (MW = 95), то в этом случае ~ 42 мг (~ 5%) PO₄ 3- содержится в 0,87 гм сухого корма. Обратите внимание, что замороженные кубики мизисных креветок были тщательно промыты водопроводной водой до оттаивания, поэтому содержание фосфатов в воде для замораживания можно не учитывать. Ежедневное добавление 42 мг фосфата к 168 галлонам объема аквариумной воды представляет собой номинальное добавление приблизительно 0,06 ppm фосфата в день. Поскольку анализ фосфатных тестов Merck показывает, что уровень фосфатов составляет < 0.02 ppm (test kit limit), the added phosphate appears to be readily removed from the water column.

Анализ обезжиренной жидкости

1) Анализ на содержание серы

2,47% по весу серы, присутствующей в 3,31 гм твердого вещества, полученного из обезжиренной жидкости, соответствует приблизительно 82 мг S. Эта сера, скорее всего, происходит из сульфата, SO₄ […] […] ~ […] […]

[…]

[…] ₄ […] ₂ […]₃– ). По существу, нет ничего измеримого (т.е, < 1 ppm) NH₄, NO₂ или NO₃ в аквариумной воде, поэтому в первом приближении азот в скиммате можно отнести к “органическому” азоту. Поскольку органический материал, полученный из живых источников, составляет приблизительно 7% азота по сухому весу (см. выше), 23 мг азота, присутствующего в обезжиренной жидкости, позволяют предположить, что в целом в ней присутствует приблизительно 329 мг (~ 10%) органического материала.

3) Анализ углерода

4,50 % по весу углерода, присутствующего в 3,31 гм высушенной обезжиренной жидкости, соответствует 149 мг углерода. Источниками углерода в скимматной жидкости являются неорганический углерод как часть карбонатного равновесия, органический углерод (DOC) и частицы углерода, выброшенные из фильтра GAC. Исходя из аргумента, приведенного в (5) выше, кажется маловероятным, что фильтр GAC является источником этого углерода. Невозможно провести различие между оставшимися двумя источниками на основе измерения элементного анализа или независимого измерения [alk], поскольку последний анализ обнаруживает (органические) карбоксилаты, а также неорганические формы, бикарбонат HCO₃ – и карбонат CO₃ 2- . Однако можно установить верхний предел содержания неорганических веществ (бикарбонатов и карбонатов) в обезжиренной жидкости на основе измерения щелочности Salifert. Измеренная щелочность с помощью тест-набора Salifert составила 8 мэкв/л. Если мы предположим для целей установления верхнего предела, что вся эта щелочность была обусловлена карбонатной системой, то 8,0 мэкв/л соответствует 1,0 ммоль щелочности в 125 мл обезжиренной жидкости, собранной в результате центрифугирования. Далее, если мы предположим, что вся эта щелочность находится в форме бикарбоната, HCO₃ – (на самом деле, при pH = 7,67, [HCO₃составляет около 96% от присутствующего карбоната), то мы получим 1,0 ммоль, или 61 мг, HCO₃ – присутствует в 3,31 гм высушенного обезжиренного раствора. Таким образом, при максимальном значении 61 мг HCO₃ – (= 20% C по весу) составит только 12 мг из общего количества углерода в 149 мг, присутствующего в высушенной обезжиренной жидкости. При таком сценарии 137 мг измеренного углерода будут получены из органических источников. Используя оценку, что органический материал, полученный из живых источников, на 45% состоит из углерода, тогда количество DOC в высушенной жидкости скиммата составит 304 мг (~ 9%); не слишком далеко от цифры анализа азота, равной~10% органического материала. Если, с другой стороны, вся измеренная щелочность может быть отнесена к органическим карбоксилатам (предположим, в среднем C18, так что C = 76% от массы карбоксилата), то 1,0 ммоль щелочности будет соответствовать 283 мг органических карбоксилатов, 76% которых (= 215 мг) – углерод. Поскольку общее количество измеренного углерода составило всего 149 мг, этот последний сценарий, конечно, невозможен. Наиболее вероятно, ~ 3 или 4 мэкв/л щелочности могут быть отнесены к HCO₃ – , so the remaining organic carbon is around 143 mgs => 318 мг (~ 10%) органического материала – то же значение, полученное при расчете азота.

4) Водородный анализ

Водород в количестве 1,33% по весу в образце 3,31 гм высушенной обезжиренной жидкости означает, что присутствует 44 мг водорода. Этот водород может быть получен из биологических органических источников, неорганических источников (HCO₃ – и HSO₄ – ), и, возможно, из воды, оставшейся после неполного высушивания. Если бы весь измеренный водород был получен только из биологических органических источников (при ~ 7% по сухому весу водорода), то мы бы предсказали, что высушенная обезжиренная жидкость содержала приблизительно 629 мг (~ 19%) органического материала. Очевидно, что это значение слишком велико по сравнению со значениями анализов азота и углерода, поэтому по крайней мере часть водорода должна поступать либо из неорганических ионов, либо из воды. Количество, поступающее от бикарбоната HCO₃ – и угольной кислоты H₂CO₃ пренебрежимо малы, учитывая их относительно небольшие концентрации (см. анализ углерода, выше). Кроме того, при pH = 7,67 присутствует ничтожно малое количество бисульфата HSO₄ – ; его pKa = 1,9. Таким образом, вероятно, что образец жидкого скимата не был полностью высушен, и оставшийся водород, вероятно, происходит из этого источника. Учитывая, что, согласно анализу азота, твердое вещество, полученное из жидкого скирмата, содержит около 329 мг органического материала, а органический материал содержит около 7% водорода, то водород, полученный из этого органического материала, составляет около 23 мг твердого остатка. Если оставшийся измеренный водород (44 – 23 = 21 мг) получен из H₂O, то тогда 189 мг (~ 6 %) воды.

5) Анализ кремния

1,40 % кремния по весу в 3,31 гм твердого вещества, извлеченного из обезжиренной жидкости, составляет 46 мг кремния. Этот кремний может быть получен либо из водорастворимой ортокремниевой кислоты (Si(OH))₄[…] ₂-0.4H₂O, 42% Si, 1% H). Обратите внимание, что в любом случае количество водорода, вносимое любым из источников Si, является мизерным (~ 0,04% по весу от исходного твердого вещества, полученного из обезжиренной жидкости) и едва ли влияет на выводы анализа водорода, приведенные выше. Невозможно определить, сколько кремния происходит из неорганической ортокремниевой кислоты, а сколько может быть приписано панцирям диатомовых водорослей, но % кремния в каждой из них не сильно отличается, и поэтому мы будем использовать среднее значение (36%) для расчета количества “SiOxHy” в производном твердом веществе сырой обезжиренной жидкости; приблизительно 128 мг (~4%) твердого вещества обезжиренной жидкости представляет собой некоторую форму силиката, SiOxHy.

Таким образом, в целом, твердое вещество, полученное при концентрации обезжиренной жидкости, можно разделить на:

• неорганические ионы (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO₄ 2- , HCO₃ – , SiO_xH_y) 87%
• Растворенный органический углерод 10%
• Вода 6%
• Итого 103%

Таким образом, мы превысили теоретический максимум содержания 100% на 3%; не так уж плохо, учитывая множество приближений и допущений, которые использовались для получения этих процентов. В итоге, однако, получается, что обезжиренная жидкость содержит в основном обычные неорганические ионы, которые составляют основные ионы в морской воде. Только небольшое количество этого материала может быть отнесено к растворенному органическому углероду, DOC.

Химический анализ 5,18 гм твердого вещества скиммата проводится в соответствии с подходом, аналогичным описанному выше для сильно промытого твердого вещества скиммата. Однако в данном случае твердое вещество не промывалось многократно, поэтому некоторые водорастворимые соединения сохранились, хотя большая часть воды, вероятно, была удалена вакуумной сушкой. Эти растворимые в воде виды состоят из 3,45 мас. % натрия, 0,40 мас. % хлорида, 0,38 мас. % калия и 1,18 мас. % серы (= 3,6 мас. % сульфата). Кроме того, вполне вероятно, что по крайней мере часть измеренных Ca, Mg, C (в виде HCO₃) и P может происходить из водорастворимых соединений в дополнение к соединениям в нерастворимом твердом веществе, но общее количество водорастворимой фракции этих конкретных неорганических ионов, вероятно, будет небольшим, поскольку наиболее распространенный ион, натрий, составляет только 3,45 % по весу в изолированном твердом веществе (Na/Ca = 28 в морской воде). Поэтому, в первом приближении, мы будем пренебрегать их вкладом в водорастворимую неорганическую часть твердого обезжиренного вещества. С этой точки зрения, высушенный твердый скиммат содержит около 8 % по весу обычно водорастворимых неорганических ионов.

1) Анализ кальция

10,52 % по весу Ca означает, что общее количество Ca в образце 5,18 мг составляет 545 мг. Если предположить, что по существу весь этот Ca находится в форме нерастворимого в воде карбоната кальция (CaCO₃, MW = 100), тогда 5,18 мг высушенного обезжиренного образца содержит 1,36 гм (26 %) CaCO₃. Поскольку углерод составляет 12 % (по весу) от CaCO₃то в 5,18 г высушенного обезжиренного скимата содержится ~ 163 мг (~3,2 %) (неорганического) углерода, содержащегося в карбонате кальция.

2) Анализ магния

1,99 % по весу Mg означает, что общее количество Mg в образце 5,18 гм составляет 103 мг. Если предположить, что весь этот Mg находится в форме карбоната магния (MgCO₃, MW = 84), тогда 5,18 гм высушенного обезжиренного образца содержит 361 мг (~ 7,0 %) MgCO₃. Поскольку углерод составляет 14 % (по весу) от MgCO₃то в 5,18 г высушенного обезжиренного скимата содержится ~ 51 мг (~ 1 %) (неорганического) углерода, полученного из карбоната магния.

3) Анализ азота

Живые организмы~5 – 9 % по сухому весу азота (для простоты мы будем использовать 7 %), (Sterner, 2002) и поэтому, если пренебречь неорганическими источниками азота (NH₄, NO₃, и NO₂которые неизмеримо малы в воде резервуара), то 2,72 % азота по весу означает, что в 5,18 гм твердого обезжиренного фильтрата содержится 141 мг азота, что в пересчете составляет 2,01 гм (~39 %) присутствующего органического материала.

4) Водородный анализ

Живые организмы~ 7 % по сухому весу водорода. (Sterner, 2002) 2,37 % водорода по весу означает, что в 5,18 гм обезжиренного твердого вещества содержится 123 мг водорода, что составляет 1,75 гм (~34%) присутствующего органического материала. Сравните это значение с прогнозом органических веществ на основе анализа азота из (3); 39% органического углерода. В данном случае результаты водородного анализа не так близки к результатам азотного анализа, как в предыдущих двух анализах, но они не так далеки друг от друга. Этот водородный анализ предполагает, что вода отсутствует, иначе часть H будет относиться к воде, а не к органике, и расчет органического углерода на основе H будет еще меньше.

5) Анализ углерода

22,50 % по весу углерода означает, что общее количество углерода, присутствующего в образце обезжиренного скимата весом 5,18 гм, составляет 1,17 гм. Вычитание количества углерода из вклада CaCO₃ (163 мг С) и MgCO₃(51 мг С) остается 952 мг С. Если мы снова отбросим фильтр GAC как источник этого углерода, то большая часть (вся?) этого углерода поступает из “органических” источников. Поскольку живые организмы составляют 40-50% по сухому весу углерода (для простоты мы будем использовать 45%), (Sterner, 2002) то 952 мг органического углерода подразумевают, что в природе существует ~ 2,12 гм (~ 41 %) органического материала. Сравнение со значениями, полученными по азоту (39 % органики) и водороду (34 % органики), дает последовательную картину содержания органики.

6) Анализ кремния

Содержание кремния 8,94 % по весу в 5,18 гм твердого обезжиренного осадка указывает на то, что общее количество Si составляет 463 мг. Если предположить, что содержание Si обусловлено биогенным опалом из скелета диатомовых водорослей (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), то Si находится в гидратированном полимере SiO₂ (приблизительная молекулярная формула опала – SiO₂-0.4H₂O, 42% Si по массе). Поэтому мы можем приблизительно оценить количество биогенного опала в 1,10 гм (~ 21%).

7) Анализ на содержание фосфора

0,46% по массе P, присутствующего в 5,18 г сухого обезжиренного вещества, означает, что в нем содержится 24 мг P. Если предположить, что весь P присутствует в виде фосфата, PO₄ 3- (MW = 95, неизвестный противоион), то в этом случае ~ 74 мг (~ 1,4 %) PO₄ 3- присутствует в 5,18 г сухого обезжиренного твердого вещества. Это количество равно ~ 14300 ppm фосфата, что опять же намного больше, чем в < 0.02 ppm of phosphate in the tank water.

8) Анализ железа

0,93 % по весу Fe в 5,18 г сухого обезжиренного вещества составляет 48 мг Fe. Неорганические соли железа совершенно нерастворимы в воде, поэтому вполне вероятно, что почти все это железо является либо “органическим” железом, находящимся в телах микробов, таких как бактерии и т.д., либо коллоидными частицами железа, выходящими из реактора GFO. Соотношение углерода к железу в скиммате, равное 24, можно сравнить с соотношением C:Fe в сухом весе нескольких планктонных организмов: гетеротрофных бактерий: 28500:1, цианобактерии: 11250:1, эукариотический фитопланктон: 71250:1. (Tortell, 1996). Поскольку обнаруженное соотношение Fe:C в 10000 раз больше, чем у планктонных видов, крайне маловероятно, что большая часть обезжиренного железа имеет “органическое” происхождение. Более вероятный сценарий заключается в том, что частицы оксида железа выбрасываются из реактора GFO, и этот материал затем составляет большую часть железа, удаляемого скиммером. Оксид железа имеет номинальную химическую формулу Fe₂O₃и состоит примерно на 70% из железа по весу. Таким образом, 48 мг железа в твердом скиммате соответствует примерно 69 мг Fe₂O₃ (~1,3% по весу).

В итоге, скиммер вытягивает твердую смесь соединений, состоящую по весу из (приблизительно):

• 8 % неорганических ионов
• 26 % CaCO₃
• 7 % MgCO₃
• 21 % биогенного опала (SiO₂)
• 38% органического материала
• 1,5 % фосфатов
• 1,3 % оксида железа

В сумме эти материалы составляют ~ 103%, что довольно близко к теоретическому максимуму в 100%. Любые расхождения можно легко объяснить численной неопределенностью, вносимой всеми допущениями. То есть, даже при всех допущениях и приближениях, приведенных в данном анализе, общая масса получается в пределах 3% от “идеальной”. И снова, органический материал, удаленный в твердый обезжиренный осадок, является незначительным компонентом, хотя в среднем 38% (анализ C vs. N vs. H), это немного больше, чем 34%, полученное из сильно промытого твердого обезжиренного образца, и намного больше, чем количество DOC в жидкой фракции (~ 10%). В целом, 8,49 гм общего количества твердых веществ, удаленных в течение недели обезжиривания, содержат приблизительно 318 мг водорастворимой органики (~ 4%) и приблизительно 2,12 гм нерастворимой в воде органики (~ 25%). Таким образом, большая часть органики, удаляемой при обезжиривании, не является DOC (растворенным органическим углеродом). Неорганические соединения CaCO₃ и SiO₂ составляют большую часть твердой массы скиммата, как и в сильно промытом образце скиммата, проанализированном вначале. Как обсуждалось в том анализе, источник этих соединений не может быть определен на основании этих данных, но биологический источник для SiO₂ (биогенный опал), вероятно, являются раковины диатомовых водорослей. CaCO₃ может происходить как из неорганических источников (т.е. выброс частиц CaCO из кальциевого реактора), так и из органических.₃ выброс частиц) и органических источников (раковины фораминифер и/или кокколитофоров).

Одним из удивительных наблюдений, полученных в ходе первоначальных исследований эффективности скиммеров, было то, что только приблизительно 20-35% измеряемого TOC в аквариумной воде удаляется скиммингом. Теперь это наблюдение может показаться менее удивительным, если рассматривать его в контексте анализа компонентов скиммата. Таким образом, только ~ 29 % (25 % от твердого + 4 % от жидкого) скиммата, удаленного скиммером H&S 200 из воды подлинного рифового аквариума в течение недели, можно отнести к органическим материалам. Таким образом, скиммер удаляет не так уж много ТОС, присутствующих в аквариумной воде, а скиммат содержит не так уж много ТОС.

Так что же именно делает обезжиривание? Если говорить о восстановлении воды, то наиболее консервативный, допустимый (но не убедительный!) ответ заключается в том, что обезжиривание удаляет множество (живых или мертвых? неизвестно) микроорганизмов, населяющих аквариумную воду, и при этом удаляет (органический) углерод, фосфор и азот, составляющие их биохимический состав. Кроме того, могут удаляться и растворенные органические соединения, но данные не подтверждают предположение о том, что эти растворенные органические виды составляют основное количество всей удаленной органики. В дополнение к этим функциям очистки воды, скиммеры служат для насыщения воды кислородом и облегчения газообмена в целом, что является полезной деятельностью, не зависящей от удаления органических отходов.

Выводы

Химический/элементный состав скиммата, генерируемого скиммером H&S 200-1260 на 175-галлонном рифовом аквариуме в течение нескольких дней или недели, преподнес несколько сюрпризов. Только незначительное количество скиммата (твердое вещество + жидкость) можно отнести к органическому углероду (TOC); около 29%, и большая часть этого материала была не растворима в воде, т.е. не являлась растворенным органическим углеродом. Большую часть твердого вещества извлеченного скиммата, помимо общих ионов морской воды, составляли CaCO₃, MgCO₃и SiO₂ – неорганические соединения! Происхождение этих видов точно не известно, но можно с уверенностью утверждать, что SiO₂ происходит из раковин диатомовых водорослей. CaCO₃ может быть получен от других планктонных микробов, имеющих оболочки карбоната кальция, или может происходить из стоков кальциевого реактора. В той степени, в которой твердый скиммат состоит из микрофлоры, тогда некоторая часть нерастворимого органического материала, удаляемого при скиммате, будет просто органическими компонентами (“кишками”) этой микрофлоры. Эта микрофлора действительно концентрирует питательные вещества P, N и C из толщи воды, и поэтому их удаление при обезжиривании представляет собой способ экспорта питательных веществ.

Благодарности

Мы благодарим Научный колледж Эберли при Университете штата Пенсильвания и компанию E. I DuPont de Nemours and Co. за финансовую поддержку, а также докторов Санджая Джоши (штат Пенсильвания) и Крейга Бингмана (университет Висконсина) за полезные обсуждения.

Ссылки

1. Brzezinski, M. A. 1985. “Соотношение Si:C:N в морских диатомовых водорослях: Межвидовая изменчивость и влияние некоторых переменных окружающей среды”. J. Physiol., 21, 347-357.
2. Де ла Роза, Х. М.; Гонсалес-Перес, Х. А.; Хэтчер, П. Г.; Никер, Х.; Гонсалес-Вила, Ф. Х. 2008. “Определение тугоплавких органических веществ в морских отложениях с помощью химического окисления, аналитического пиролиза и твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса 13 С”. Eur. J. Soil Sci., 59, 430-438.
3. Фельдман, К. С.; Маерс, К. М.; Вернес, Л. Ф.; Хубер, Е. А.; Тест, М. Р. 2009. “Разработка метода количественной оценки производительности белкового скиммера”. Advanced Aquarist .
4. Фельдман, К. С.; Маерс, К. М. 2010. “Дальнейшие исследования производительности белкового скиммера”. Advanced Aquarist
5. Митчелл-Иннес, Б. А.; Винтер, А. 1987. “Coccolithophores: a Major Phytoplankton Component in Mature Upwelling Waters Off the Cape Peninsula, South Africa in March, 1983.” Marine Biol., 95, 25030.
6. Моппер К., Стаббинс А., Ричи Дж. Д., Бялк Х. М., Хэтчер П. Г. “Передовые инструментальные подходы для характеристики морского растворенного органического вещества: Методы экстракции, масс-спектрометрия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса”. Chem. Rev., 107, 419-442.
7. Мортлок, Р. А.; Фроелич, П. Н. “Простой метод быстрого определения биогенного опала в пелагических морских отложениях”. 1989. Deep-Sea Res., 36, 1415-1426.
8. Стэнли, С. М.; Рис, Дж. Б.; Харди, Л. А. 2005, “Химия морской воды, рост популяции кокколитофоров и происхождение мелового мела”. Геология, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Экологическая стехиометрия. Издательство Принстонского университета, Принстон.
10. Тортелл, П. Д.; Мальдонадо, М. Т.; Прайс, Н. М. “Роль гетеротрофных бактерий в экосистемах океана с ограниченным содержанием железа”. 1996. Nature, 383, 330-332.

Source: reefs.com