Необходимость дышать, часть 2: Экспериментальные танки Эрика Борнемана.
Без кейворда
Необходимость дышать, часть 2: Экспериментальные резервуары
В предыдущей части этой статьи я описал роль кислорода в морской воде и его потенциальное воздействие на морские виды. В частности, я отметил, что гипоксия может возникать в рифовых водах, внутри коралловых колоний, на поверхности коралловой ткани, и что гипоксия потенциально влияет на виды, подвергающиеся ее воздействию. Научная литература предполагает, что такие условия могут быть относительно обычными в ночное время, когда дыхание высокое, а первичное производство кислорода посредством фотосинтеза не происходит. На коралловых рифах, хотя днем на мелководье уровень кислорода перенасыщен у поверхности, ночью он часто снижается на 40-90% и более. Основные факторы, влияющие на содержание кислорода в водах рифа ночью, включают поверхностные условия и перемешивание воды, а также общее дыхание сообщества. Так как же аквариумы сравниваются с рифами?
В этой статье я сообщаю о результатах многочисленных тестов различных условий содержания воды в аквариумах с замкнутой системой. Я использовал различные способы “насыщения” воды кислородом и сравнивал их эффективность. Хотя данные, которые я представил на конференции IMAC в 2005 году, были в некоторой степени ограничены, я считаю, что сейчас было проведено достаточно измерений (включая предложения, сделанные слушателями во время сессии вопросов и ответов после моего представления этого материала на недавней конференции IMAC в Чикаго), чтобы представить несколько полную картину динамики кислорода в рифовых аквариумах. Наиболее заметными дополнениями, представленными здесь, являются эффекты производства кислорода в аквариумах, изначально находящихся в состоянии гипоксии. В следующей статье я продолжу излагать свои результаты и обсужу более естественную динамику кислорода в нескольких рифовых аквариумах.
Для регистрации уровня кислорода во всех тестах я использовал погружной кислородный полевой зонд YSI Model 58. Этот конкретный зонд не имеет самоперемешивающегося зонда БПК. Без устройства самоперемешивания зонд должен находиться в проточной воде или перемещаться по воде с достаточно высокой скоростью для получения точных измерений. Более подробную информацию о технических характеристиках этого измерителя можно найти здесь.
Все показания были сняты после установки новой мембраны, и измеритель был откалиброван путем выдерживания в условиях 100% влажности с поправкой на давление Hg на высоте, в соответствии с инструкциями, предоставленными производителем. Еще одна калибровка для нулевого значения кислорода была выполнена с помощью раствора перемешиваемой воды с известным объемом тиосульфата натрия, поглотителя кислорода.
Во время установки мембраны важно не допустить попадания пузырьков под мембрану, иначе показания будут значительно отличаться. Также важно, чтобы пузырьки не присутствовали в регистрируемом образце воды. Один очень маленький пузырек присутствовал под мембраной, что может быть причиной минимальной вариабельности результатов; хотя после снятия сотен показаний и анализа стандартных отклонений измерений я могу утверждать, что показания статистически точны и что любые отклонения в воспроизведенных показаниях незначительны при доверительном интервале 95%.
Все показания снимались после 10-минутного периода стабилизации зонда в данном растворе. Во всех измерениях четыре показания снимались с интервалом в 15 секунд, и записывалось среднее значение.
Экспериментальные аквариумы включали контрольные со стерильными контейнерами и стерильной морской водой, закрытые или открытые для доступа воздуха, аквариумы, содержащие свежеперемешанную морскую воду с использованием различных устройств для подачи воды или аэрации, но без присутствия организмов и со светом или без него, а также различные “рифовые аквариумы”, содержащие разнообразные организмы и аппаратуру. Все вышеупомянутые аквариумы содержали воду с уровнем кислорода окружающей среды, либо после смешивания в случае стерильного контроля, либо с уровнем, уже присутствующим в аквариумах, которые подвергались воздействию воздуха или были закрыты. Кроме того, измерения проводились в резервуарах, содержащих свежезамешанную морскую воду, которая была приведена в гипоксическое состояние путем быстрого добавления азотного газа для вытеснения кислорода до уровня ниже 20% насыщения для всех условий, испытанных выше.
Все резервуары содержали морскую воду при 35psu, как измерено рефрактометром солености Reichert, откалиброванным с использованием двойной дистиллированной воды. Хотя в аквариумах, где освещение было переменной величиной, наблюдалось некоторое изменение температуры, кислородомер компенсирует температуру. Температура в аквариумах без освещения, а в некоторых и с освещением, поддерживалась на уровне 26°C, при этом в некоторых из моих домашних систем температура достигала 26,6°C поздним вечером.
В информационных целях значения насыщения кислородом при различных соленостях и температурах приведены в таблице 1.
Таблица 1. Значения насыщения кислородом при различных температурах и солености. Затененные желтым цветом области указывают на значения насыщенного кислорода в пределах диапазонов, обычно встречающихся в коралловых рифах и рифовых аквариумах. Все измерения в данной работе представлены в процентах от значения насыщения кислородом при 35psu и температуре 26°C (приблизительно 6,66 мг л-1 ).
Контрольный аквариум 1
Перед использованием дистиллированную воду автоклавировали в течение часа. Источником соли служил нераспечатанный 50-галлонный мешок соли Crystal Seas Bioassay Formula (Marine Enterprises, Inc.). Морскую воду готовили в чистых двухлитровых мензурках, накрывали и перемешивали на плите с мешалкой до полного растворения. Шесть литров морской воды при 35psu фильтровали до 0,1µ через градуированную бумагу Whatman, а затем через фильтры Millepore под вакуумом. Отфильтрованную морскую воду (1500 мл) наливали в чашу для осушения, которую трижды промывали, затем оснащали мешалкой и резиновой пробкой, через которую в раствор морской воды помещали кислородный зонд. Чашу помещали на мешалку и перемешивали воду с минимальной скоростью, превышающей скорость, необходимую для измерений зонда, в течение 240 минут при комнатном освещении или в темноте, накрыв емкость для десикации плотной картонной коробкой. Результаты приведены в Таблице 2.
Таблица 2. Уровень кислорода в стерильной морской воде, помещенной в герметичные контейнеры и подвергнутой воздействию комнатного света или помещенной в темноту на 240 минут. Обратите внимание, что шкала времени не эквивалентна между отрезками от 0 до 120 минут и от 120 до 240 минут – измерения проводились реже в течение третьего и четвертого часов из-за меньшей скорости изменения уровня кислорода.
Экспериментальный резервуар 1
Десять галлонов морской воды были смешаны до 35psu с помощью нераспечатанного пакета соли Instant Ocean и дистиллированной воды, залитой в промытый кислотой и нейтрализованный 10-галлонный стеклянный аквариум.
В качестве первой переменной, аквариум был либо закрыт акриловым листом с использованием съемного липкого клея для предотвращения попадания воздуха в аквариум, либо оставался открытым для воздуха. Второй переменной было наличие или отсутствие циркуляции воды с помощью одного аппарата MaxiJet 1200 (Aquarium Systems), размещенного в центре короткого конца аквариума так, чтобы поток двигался вдоль длинной центральной линии аквариума. Он также был размещен достаточно далеко под поверхностью, чтобы в насос не попадал воздух. Визуальный контроль циркуляции показал, что поток очень турбулентный. Кислородомер помещался на противоположном конце аквариума через отверстие, прорезанное в акриле, и заклеивался парафильмом, чтобы заполнить все щели. Для застойных тестов измеритель осторожно вращали по кругу внутри аквариума со скоростью, позволяющей регистрировать показания; парафильм обеспечивал гибкий, но герметичный барьер для этого движения. Третьей переменной был свет. Освещение обеспечивалось одним 18-дюймовым люминесцентным светильником, либо свет в комнате был выключен. Хотя темнота и не была полной, в неосвещенной комнате было слишком мало света, чтобы увидеть показания кислородомера без фонарика, поэтому было принято считать, что последнее условие является “темным”. Результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3. Влияние потока воды, освещения и воздействия свободного воздуха на уровень кислорода в морской воде, выраженный в процентах от насыщения кислородом при 35psu.
Экспериментальный резервуар 2
Аквариум объемом 15 галлонов (8″ x 24″ x 12″) был заполнен морской водой при 35psu, приготовленной из деионизированной воды и соли Instant Ocean. Гипоксия воды до насыщения ниже 20% была достигнута путем подачи азотного газа в воздухозаборник электростанции для быстрого вытеснения кислорода путем насыщения воды в аквариуме мелкими пузырьками азота. После десятиминутной паузы все остаточные пузырьки поднимались на поверхность и лопались, так что никакие пузырьки не влияли на показания зонда. Результаты приведены в таблице 4. Испытания проводились в следующих условиях:
1. Один MaxiJet1200 был размещен в одном конце резервуара, создавая высокотурбулентный поток по всему объему воды и заметно перемешивая поверхность. 2. Резервуар был оставлен открытым для воздуха без потока воды, а кислородный зонд медленно перемещался со скоростью, достаточной для снятия показаний. 3. В один конец резервуара с помощью воздушного насоса Reno 400 был добавлен один керамический аэрстон. Пузырьки воздуха были крупными и не достигали другого конца резервуара. Насадка была включена на 15 секунд для перемешивания воды, и показания были сняты путем медленного перемещения зонда по воде, где пузырьки не влияли на показания. 4. Тридцать семь граммов живых водорослей Chaetomorpha sp. были добавлены в аквариум и освещены двумя 15-дюймовыми 18-ваттными люминесцентными лампами дневного света, расположенными близко к поверхности воды. Насадку включили на 15 секунд для перемешивания воды и сняли показания, медленно перемещая зонд по воде. 5. Четырехфунтовый кусок живого камня, примерно на 40% покрытый зоантидами Protopalythoa sp. и на 60% коралловыми водорослями, был помещен в аквариум и освещен двумя 15-дюймовыми 18-ваттными люминесцентными лампами, расположенными близко к поверхности воды. Насадка была включена на 15 секунд для перемешивания воды, и показания были сняты путем медленного перемещения зонда по воде.
Таблица 4. Влияние фотосинтеза или аэрационных устройств на уровень кислорода в гипоксической морской воде (начальный уровень O2 при насыщении 89,2%), выраженный в процентах от насыщения кислородом при 35psu. Когда аэратор был помещен под головку электростанции для смешивания воздуха и воды в пену, которой затем дали осесть перед снятием показаний, насыщение кислородом достигло 91,1% в течение 20 минут.
Экспериментальный резервуар 3
10-галлонный рифовый аквариум, установленный в течение трех лет в моей лаборатории, описан следующим образом:
Субстраты : 5 см среднезернистого арагонита, 3 кг живого камня. Рыбы: нет Кораллы: небольшие колонии: Ricordea florida , Millepora sp., Porites cylindrica, Zoanthus sp. Rhodactis inchoata средние колонии: Porites cylindrica , Protopalythoa sp. Беспозвоночные: пять улиток Trochus sp. Поток воды: одна головка MaxiJet 1200 (Aquarium Systems, Inc.) Другая фильтрация: скиммер CPR BakPak Подмены воды: нет Добавления: kalkwasser в качестве подменной воды Освещение: одна люминесцентная лампа 18″ (Lights of America, Inc.)
Кислородный зонд либо стабилизировали с помощью кольцевой подставки так, чтобы он оставался погруженным в поток воды, подаваемой головкой электростанции (условия перемешивания), либо измерительный прибор осторожно вращали по кругу в резервуаре со скоростью, позволяющей снимать показания. В первой серии экспериментов в воздухозаборник головки подавался азотный газ для быстрого снижения уровня кислорода, пока он не достиг приблизительно 20% насыщения. Результаты показаны в Таблице 5. Условия тестирования были следующими:
1. Одна форсунка MaxiJet 1200 помещалась в центр короткой стороны резервуара и регулировалась для создания продольного кругового потока воды в резервуаре. Резервуар освещался одной 18-дюймовой флуоресцентной лампой дневного света (Lights of America, Inc.). 2. Одна форсунка MaxiJet 1200 была помещена в центр короткой стороны резервуара и отрегулирована для создания продольного кругового потока воды в резервуаре. Все освещение, включая свет в комнате, было выключено, чтобы имитировать темноту. 3. Керамический аиршток со средними порами, подключенный к воздушному насосу (Supra, Tetra Inc.), был помещен в центр аквариума. Насадка была выключена. Все освещение, включая свет в комнате, было выключено, чтобы имитировать темноту. Измерительный прибор осторожно вращали по кругу внутри аквариума вдали от пузырьков со скоростью, позволяющей регистрировать показания. 4. На аквариум был установлен скиммер (Remora hang-on, Aqua C). Никакие насадки или аэраторы не работали. Все освещение, включая свет в комнате, было выключено, чтобы имитировать темноту. Измерительный прибор осторожно вращали по кругу внутри аквариума вдали от пузырьков с такой скоростью, чтобы можно было записать показания.
Таблица 5. Влияние фотосинтеза или аэрационных устройств на уровень кислорода в 10-галлонном рифовом аквариуме с морской водой, доведенной до гипоксии (начальный уровень насыщения O2 90,8%), выраженный в процентах от насыщения кислородом при 35psu.
Экспериментальные резервуары 3 и 4
В дополнение к описанному выше аквариуму, второй 10-галлонный рифовый аквариум, установленный в течение трех лет в моей лаборатории, описан следующим образом:
Субстраты : 5 см среднезернистого арагонита, 3 кг живого камня. Рыбы: нет Кораллы: маленькие колонии: Capnella sp. и Millepora sp. средние колонии: шесть Rhodactis inchoata средние и большие колонии: Zoanthus sociatus Беспозвоночные: пять улиток Trochus sp. Поток воды: одна головка MaxiJet 1200 (Aquarium Systems, Inc.) Другая фильтрация: нет Подмены воды: нет Добавления: kalkwasser в качестве подменной воды Освещение: одна 18-дюймовая люминесцентная лампа (Lights of America, Inc.).
В этой серии тестов относительное влияние фотосинтеза и дыхания на содержание кислорода в двух 10-галлонных рифовых аквариумах измерялось в отсутствие потока воды или другого оборудования. Свет над аквариумом был либо включен, либо все освещение, включая свет в комнате, было выключено, чтобы создать темноту. Перед началом эксперимента все аквариумы работали со всеми приборами, как описано выше. Результаты представлены в таблице 6.
|
Таблица 7. Дыхание различных сообществ и их влияние на концентрацию кислорода в трех 30-галлонных аквариумах с морской водой. Все аквариумы не перемешивались и не освещались в течение экспериментального периода. В аквариумах, протестированных в данной статье, были получены интересные и неожиданные результаты. В контрольных аквариумах со стерильной водой небольшой начальный пик наблюдался в обоих образцах, несмотря на то, что они были закрыты от внешнего воздуха. Вероятно, это произошло в результате уравновешивания воздуха в камере (21% кислорода) с морской водой, так как только половина камеры преципитации была заполнена водой. Более поздний небольшой спад может быть вызван незначительным нагревом образца воды от двигателя перемешивающей пластины. Различия в кривых, как и ожидалось, статистически незначимы. В первом экспериментальном резервуаре колебания незначительны, а кривые статистически незначимы (Borneman, в процессе подготовки). Любые отклонения между линиями, вероятно, объясняются вышеупомянутыми причинами, порядком выполнения каждого условия и стохастическими вариациями, которые практически невозможно адекватно контролировать в многочисленных тестах с многочисленными переменными, нестерильными условиями и воздействием окружающей среды в рабочей лаборатории. Второй и третий эксперименты дали удивительные результаты, особенно в отношении влияния переменных в негипоксических аквариумах (следующая статья). Эта серия экспериментов была проведена недавно, после того как Мартин Мо, Джулиан Спрунг и другие участники IMAC предположили, что движение воды и, в частности, аэротенки могут играть роль в насыщении кислородом воды, в которой уже было пониженное содержание этого газа. Мои данные на тот момент исследовали роль этих переменных только на различных резервуарах или камерах со значительно более высокими “нормоксическими” условиями воды. В случае гипоксической воды, как, например, ночью или в случае перебоев с электричеством, результаты ясно показывают, что аэрофоны, водяные насосы и скиммеры достаточно эффективны для быстрого повышения уровня кислорода как в обычной морской воде, так и в небольших рифовых аквариумах. Однако их влияние на большие аквариумы остается минимальным, и это будет показано в следующем месяце. Один из выводов, который противоречит ранее изученным данным, представленным на IMAC, – это способность фотосинтеза быстро повышать уровень кислорода только в гипоксической морской воде. Я представлю противоречивые данные и возможные причины этого расхождения в статье в следующем месяце. Примечательно также, что небольшой кусок покрытого кораллиновыми водорослями живого камня с небольшой колонией Protopalythoa производил столько же кислорода, сколько клубок водорослей Chaetomorpha sp. среднего размера. В отличие от этого, застойная диффузия по поверхности воды в тестовом аквариуме была очень неэффективной для повышения уровня кислорода, и хотя тест был прекращен через час, я считаю маловероятным, что уровень кислорода приблизится к исходному уровню в течение очень долгого времени. Отчасти этот результат может быть связан с соотношением площади поверхности к объему тестового аквариума, которое было намного ниже, чем в других аквариумах, которые я тестировал и которые, как оказалось, уравновешивались намного быстрее, даже без циркуляции. Еще один фактор, который я изучу более подробно, – это уровень PAR, которому подвергались водоросли (в этом эксперименте он был намного ниже, чем в предыдущих данных, представленных на IMAC). Эти сравнения и статистические данные также будут приведены в следующей статье. Что касается десятигаллонных лабораторных рифовых аквариумов, то, несмотря на отсутствие в них рыб, очевидно, что перенасыщение кислородом никогда не происходит, хотя в одном случае оно близко к 100%. Я объясняю это, в отличие от других аквариумов, которые будут описаны в следующем месяце, низкой освещенностью, обеспечиваемой единственным 18-дюймовым люминесцентным светильником, не позволяющим осуществлять максимальный фотосинтез, хотя относительно высокое насыщение свыше 90% свидетельствует об относительно низком уровне освещенности, способном поддерживать многие кораллы и, вместе с единственным устройством для подачи воды, значительно превосходящем потребности в дыхании разумной биомассы бактерий, водорослей и беспозвоночных. В четвертом эксперименте исследуется влияние света и темноты без переменной движения воды. В обоих аквариумах, которые во многом схожи, с некоторыми видовыми различиями и отсутствием скиммера в одном аквариуме, эффекты ожидаемы и одинаковы по своей природе. Свет в нормоксической воде обеспечивает сообщество достаточным количеством кислорода для поддержания стабильного уровня кислорода, в то время как дыхание сообщества в темноте приводит к снижению уровня кислорода. В резервуаре 2 наблюдалось небольшое повышение уровня кислорода при отсутствии движения воды, что соответствует аналогичному результату, полученному при сильном освещении Chaetomorpha в условиях отсутствия движения воды, который будет обсуждаться в следующем месяце. Пятый эксперимент по своей природе схож с вышеописанным, за исключением того, что его сообщества отличаются друг от друга, объем аквариума увеличен в три раза, а отношение площади поверхности к объему гораздо больше. Кроме того, интересен менее резкий спад в форме кривых или даже выравнивание в случае аквариумов с песком/живыми камнями и песком/мягкими кораллами. Поскольку эта система подвергается воздействию комнатного света в моем солярии, несмотря на то, что этот период считается “ночным”, поскольку система настроена на цикл “обратного дневного света”, возможно, света было достаточно для того, чтобы некоторые фотосинтетически эффективные организмы могли вырабатывать кислород, что привело лишь к немного более низкой точке компенсации P:R в этих аквариумах, чем при искусственном освещении. В противном случае, если бы период тестирования был более продолжительным, могло бы произойти дальнейшее снижение. Следующий месяц завершит эту серию статей, и я покажу результаты других экспериментальных аквариумов, морских контейнеров, а также динамику кислорода в обычных и неманипулируемых условиях. Наконец, я подготовлю графики, показывающие и объясняющие различные вклады тестируемых переменных с точки зрения их влияния на сообщества, встречающиеся в рифовых аквариумах. Я подготовлю несколько новых наборов данных, некоторые из которых были представлены на IMAC, но я сосредоточусь на том, как основные переменные, влияющие на содержание кислорода в аквариумах, влияют на “средний” аквариум, работающий в нормальных условиях. Я также разберу каждую переменную и сравню их относительную важность в нормоксических и гипоксических условиях. Наконец, в заключение статьи в следующем месяце я предложу, как поддерживать более высокий уровень кислорода в аквариумах с очень низким соотношением P:R (т.е. в сильно зарыбленных аквариумах, аквариумах с высокой нагрузкой на рыбу, аквариумах с низкой проточностью воды или аквариумах с низким соотношением площади поверхности к объему), а также рассмотрю последствия перевозки домашнего скота, который должен выдерживать длительное время в небольших объемах воды. Source: reefkeeping.com
|