Виды фосфора в рифовом аквариуме и комментарии и наблюдения за удалением фосфора с помощью белкового скимминга

Отходы, собранные с помощью белкового скиммера, были проанализированы на наличие “типов” фосфора. Результаты помогают объяснить некоторые загадочные наблюдения, сделанные любителями.

P hosphorus, вероятно, не вызывал бы особого беспокойства у любителей, если бы не тот факт, что он может способствовать росту “неприятных” водорослей, однако его присутствие – это обоюдоострый меч, поскольку он необходим для поддержания здоровой жизни. Количество фосфора, необходимого человеку, колеблется от 800 до более чем 1200 миллиграммов в день. Животные (включая кораллы и рыб) требуют фосфор в своем рационе для поддержания правильного обмена веществ, он является необходимым элементом костей, зубов, ферментов, клеточных мембран и так далее. В аквариуме фосфор добавляется в толщу воды несколькими способами. Поступление пищи, удаление отходов и естественное разложение некогда живых тканей добавляют фосфор в аквариум. Даже частицы пыли (состоящие, помимо прочего, из клеток кожи человека) добавляют фосфор. Его также может добавить вода, добавленная для замены испарившейся.

Хотя вынос фосфора возможен через ряд механизмов (химическая секвестрация, поглощение водорослями, подмена воды и т.д.), эта статья будет посвящена удалению фосфора путем обезжиривания белков и, как следствие, добавлению кальквассера.

Добавление фосфора в рифовый аквариум

Фосфор является необходимым элементом для жизни. Действительно, основным источником фосфора в аквариуме может быть намеренное кормление рыб и беспозвоночных в неволе. По оценкам, в аквакультурных хозяйствах до 20% корма остается несъеденным. По данным других исследований, этот процент достигает 30% (Kibria et al., 1997). Кроме того, из фактически съеденного корма лишь небольшая часть остается в организме рыбы, а большая часть выводится в виде растворенных и твердых частиц.

Поскольку фосфор необходим для жизни, необходимо также учитывать его влияние в случае смерти и разложения. Разложение некогда живых тканей, будь то растения или животные, добавит фосфор в воду в аквариуме. Также следует учитывать, что биоэрозия субстратов (естественная или в результате химической деградации, например, растворение некоторых известковых субстратов углекислым газом в реакторах среды) также добавит фосфор.

Фосфор, используемый при очистке воды

Крупные водопроводные компании обязаны по закону соблюдать федеральные стандарты по содержанию свинца и меди в питьевой воде. Эти два элемента обычно не присутствуют в воде, когда она покидает очистные сооружения, но вместо этого могут быть растворены из водопроводных труб дома (медных и труб с использованием свинцового припоя) агрессивной водой. Чтобы защитить вас от потенциально вредного воздействия этих металлов, водоканалы добавляют в воду фосфаты (иногда в форме кислотно-гидролизуемого P, такого как гексаметафосфат натрия). Этот химикат покрывает внутреннюю поверхность труб и может минимизировать последствия коррозии. Хотя питьевая вода в целом полезна для вас и вашего здоровья, она может содержать повышенное количество фосфора. Если воду не очищать, то в нее добавляют фосфор, чтобы компенсировать испарившуюся воду из аквариума. Если не предпринимать усилий по удалению этого фосфора, он может со временем подняться до высокого уровня в результате циклов концентрации.

Круговорот фосфора

Природа перерабатывала материалы задолго до того, как мы, люди, поняли эту концепцию (чтобы доказать это, достаточно посмотреть, что ландшафт не покрыт какашками динозавров). Круговорот фосфора – это лишь один из многих природных процессов. Фосфор не встречается в природе в чистом виде; вместо этого он сочетается с элементами, обычно в минеральной форме. При медленном выветривании горных пород фосфор попадает в окружающую среду, хотя большая его часть никогда не растворяется в воде. Однако часть фосфора становится “биодоступной” (в форме ортофосфата) и используется первичными производителями, такими как растения и водоросли. В свою очередь, растительный материал используется животными в их метаболизме. При отмирании и разложении растений и животных часть фосфора возвращается в окружающую среду. В анаэробных условиях часть фосфора становится растворимой в воде, и процесс начинается заново.

Глоссарий

Фильтрат Вода фильтруется через какое-либо сито для удаления взвешенных частиц. Поскольку все формы P могут содержаться во взвешенных частицах, их удаление посредством фильтрации позволяет определить растворенную форму непосредственно, а взвешенную часть – математически. Скиммат Материал, удаляемый в процессе фракционирования пены и собираемый (обычно в виде коричневой жидкости/осадка) в приемный стакан скиммера. Части на миллиард ppb, эквивалент одного микрограмма на литр. Части на миллион ppm, эквивалентно одному миллиграмму на литр. Фосфор Неметаллический элемент, необходимый для жизни. Его химический символ – P, а атомный вес составляет 30,97.

Фосфор может содержаться в воде в различных формах или видах, включая:

1. Реактивный фосфат или ортофосфат: Реактивный P (также называемый орто-фосфатом) является “биодоступным” для стимулирования роста водорослей. Реактивный P может быть растворенным или взвешенным. Колориметрические тесты на фосфаты, обычно доступные любителям, измеряют только ортофосфаты, хотя небольшое количество легко гидролизуемого неорганического и органического P может быть включено в результат. Наиболее распространенными формами ортофосфатов, встречающихся в водной среде при pH от 5 до 9, являются HPO₄ -2 , H2PO₄ – , PO₄ -3 , HPO₄ -2 , и H₂PO₄ (Stumm and Morgan, 1981).
2. Кислотно-гидролизуемый (A-H) фосфат или конденсированный фосфат: Кислотно-гидролизуемый P может находиться в растворенной или взвешенной форме. Он может находиться в пиро-, мета-, триполи- и других формах полифосфатов (таких как гексаметафосфат). Термин “кислотно-гидролизуемый” предпочтительнее термина “конденсированный”. Фосфор в образце измеряется методом сернокислотного гидролиза, затем вычитаются предварительно определенные ортофосфаты (EPA, 1979). Метод кислотно-гидролизного анализа показывает растворенный и твердый конденсированный фосфат, который преобразуется в растворенный ортофосфат в результате подкисления образца (APHA, 1998). Он обозначается как растворенный гидролизуемый P или общий гидролизуемый P, когда тестируются фильтрованные или нефильтрованные образцы соответственно.
3. Общий фосфор: Сумма органических и неорганических форм фосфора. Как и в случае реактивного и конденсированного P, общий P может быть как растворенным, так и взвешенным. Он определяется колориметрически только после тяжелого процесса окислительного сбраживания, в ходе которого общий фосфор преобразуется в ортофосфат. Пробы пришлось разбавить, так как содержание P превышало максимальный предел обнаружения (3,5 мг/л в виде PO₄ 3- ).
4. Общий растворенный фосфор: Форма фосфора, присутствующая в воде, которая была отфильтрована через мембрану 0,45 микрон, а затем подвергнута процессу окислительного сбраживания. Этот процесс удаляет большинство взвешенных частиц, включая многие бактерии. Общий P включает как растворенный органический, так и неорганический P.
5. Органический фосфат: Образуется в основном в результате биологических процессов и включает в себя отходы жизнедеятельности животных, несъеденные продукты питания, находящиеся на различных стадиях разложения. Органический фосфор преобразуется в ортофосфат только при окислительном разрушении органического вещества (APHA, 1989). Общий органический P может быть определен количественно путем вычитания растворенного гидролизуемого фосфора и ортофосфата из общего фосфора (EPA, 1998). Растворенный органический P может быть определен путем вычитания растворенного гидролизуемого P и растворенного ортофосфата из результата общего растворенного фосфора (TDP).
6. Неорганический фосфат: Фосфор, который обычно считается соединенным с кальцием в щелочной, известковой воде (или алюминием и/или железом в кислой среде), представляет собой сумму ортофосфата и кислотно-гидролизуемого фосфата (хотя он может включать некоторое количество органического P в результате процесса кислотного сбраживания).

Расчеты, используемые для определения видов фосфора

Фосфорные “типы” (виды) состоят из реактивного (орто-) фосфата, фосфата, который преобразуется в орто-фосфат посредством кислотного гидролиза (кислотно-гидролизуемый) и общего фосфора (где для преобразования фосфора в легко измеряемую форму используется агрессивное сбраживание сильной кислотой и персульфатный окислитель). Кроме того, органические, неорганические, растворимые и твердые частицы могут быть определены при использовании дополнительных протоколов тестирования. См. рисунок 1.

Рисунок 1. Блок-схема для определения различных видов фосфора в водных матрицах. Из “Стандартных методов исследования воды и сточных вод”, 20-е издание.

Процедура

Аквариум, использованный в этих наблюдениях, был объемом около 45 галлонов (170 литров) и соединен с отстойником объемом 100 галлонов (379 литров), что дает истинный объем воды около 110 галлонов (416 литров). Аквариум малонагружен, в нем содержатся несколько беспозвоночных и две рыбы.

Фильтрация состоит из механических средств (фильтрующие подушки) и нисходящего скиммера ETSS модели 800, работающего от центробежного насоса Danner. В отстойнике содержится небольшое количество морских водорослей, освещаемых 21-ваттным светодиодным прожектором. Циркуляция между отстойником и аквариумом обеспечивается головкой Maxi Jet 1200.

Образцы скиммата и аквариумной воды были собраны в стеклянные бутылки, предварительно промытые соляной кислотой 1:1 с последующим ополаскиванием деионизированной водой.

Цвет APHA по данным спектрометра Hach составлял в среднем 86 единиц видимого цвета (по шкале 0-500 платино-кобальтовых единиц) и был похож на цвет слабого кофе. Полутвердый материал, который собрался на трубе скиммера и чашке для сбора, был удален пластиковым шпателем, добавлен в бутылку со скимматом и максимально гомогенизирован путем энергичного встряхивания.

Образцы, проанализированные на растворенный фосфор, были отфильтрованы через 47-миллиметровые фильтры Millipore 0,45 м, которые перед использованием были замочены в деионизированной воде на 24 часа.

Реактивный фосфор определяли с помощью спектрометра Hach (DR 2800) и метода аскорбиновой кислоты (реактив PhosVer3 в пробирке TnT). Поскольку образец был цветным и мутным, перед тестированием проводилась предварительная обработка глушащим реагентом.

Пробы на кислотно-гидролизуемый и общий фосфор использовали реагенты во флаконах TnT (по методам кислотного гидролиза и персульфатного разложения, соответственно). В блочном нагревателе Hach DRB образцы переваривались при рекомендуемых температурах и времени. Метод аскорбиновой кислоты использовался для определения A-H и общего P после сбраживания и охлаждения.

Был проанализирован контрольный стандарт качества фосфора 50 мг/л, результат составил 49 мг/л (восстановление 98%).

Для определения различных типов P использовались методы, показанные на рисунке 1.

Для определения кальция и магния использовался метод последовательного титрования Hach. Чистая конечная точка для магния не была получена и поэтому не приводится. Кальций, похоже, был повышен в образце, но требуется подтверждение.

Соленость и удельный вес были определены с помощью калиброванного рефрактометра.

Анализ скиммата

Предварительный анализ скиммата преподнес несколько сюрпризов, например, очень низкая соленость. Кроме того, большая часть цвета удаляется при фильтрации, что указывает на то, что вещество не растворено, а существует в виде мелких частиц.

Несмотря на то, что соленость немного снижена, содержание кальция было повышенным. Я намеревался проанализировать образец дальше, но у меня закончились некоторые лабораторные принадлежности. Они уже заказаны (вместе с другим новым оборудованием). В любом случае, вот предварительные результаты:

• pH = 8.41@23.5ºC
• Соленость/удельный вес = 26 частей на тысячу/1.020 (вероятно, из-за испарения), так как соленость скиммата была замечена на уровне 13.8 ppt.
• Кальций = 576 мг/л в виде CaCO₃
• Проводимость = 45 миллисименс см
• Взвешенные твердые вещества = 264 мг/л
• Цвет, видимый при 455 нм и рН 8,41 (превышен предел в 500 единиц платино-кобальта (PtCo)). Проба была разбавлена, и кажущаяся цветность составила 1 816 единиц. Для определения истинного цвета образец был профильтрован через фильтр 0,45. Результат составил 180 единиц PtCo.
• Мутность (нефильтрованный образец) =179 NTU; фильтрованный образец = 4 NTU.

Рисунок 2. Реактивный фосфат (тот, который является “биодоступным” и способствует росту водорослей), обнаруженный в аквариумной воде и в чашке для сбора скиммера.

Выводы и обсуждения

Данное тестирование показало, что протеиновый скиммер действительно удаляет фосфор, хотя этот процесс может быть не особенно эффективным в качестве единственного метода контроля P, и фосфат может накапливаться в системе, если не используются другие механизмы удаления.

Самая интересная информация, которую удалось обнаружить, касается формы фосфора в воде этого аквариума. Я бы предположил, что очень немногие любители (или профессиональные аквариумисты, если уж на то пошло) тестируют воду в своих системах на наличие чего-либо, кроме орто-фосфата, используя легко выполнимую одношаговую стандартную процедуру. Давайте посмотрим на результаты тестов воды этого аквариума и нефильтрованных отходов скиммера (скиммата). См. рис. 2.

Как мы видим, результат теста показал, что вода в аквариуме содержит “нулевой” реактивный фосфат (что, конечно же, неверно. Фосфат в воде есть, но его уровень ниже предела обнаружения прибора). Однако нефильтрованный обезжиренный фильтрат содержит значительное количество реактивного фосфата. Эти результаты сами по себе свидетельствуют о том, что скиммер прекрасно справляется с удалением фосфора. Дальнейшее тестирование показало обратное. См. рисунок 3.

Рисунок 3. Общий фосфор в аквариумной воде, фильтрованном и нефильтрованном скиммере. (Общий фосфор = реактивный фосфат + (кислотный гидролизуемый фосфат – реактивный фосфат)). Примечание: Это тот же самый образец, который был проанализирован и представлен на рисунке 2. Как и ожидалось, концентрация общего фосфора выше, чем орто-фосфата.

Количество общего фосфора в аквариумной воде довольно высокое, относительно говоря (0,6 мг/л), а в образцах фильтрованного/нефильтрованного скиммата оно еще выше.

Второй раунд тестирования был проведен на другом образце скиммата. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Типы” фосфора (в виде PO4) в отходах скиммера.

Реактивный P	мг/л в виде PO4
Общий реактивный P	1.93
Растворенный реактивный P	0.04
Взвешенный реактивный P	1.89
Кислотный гидролизуемый P	мг/л в виде PO4
Общий А-Н Р	5.5
Растворенный A-H P	0.4
Взвешенные A-H P	5.1
Взвешенные	мг/л в виде PO4
Общий P	7.43
Общий растворенный P	0.44
Общий взвешенный P	6.99
Органический P	мг/л в виде PO4
Общий органический P	0*
Растворенный органический P	0*
Взвешенный органический P	0*

Аликвота обезжиренного фильтрата была отфильтрована (процедура обсуждается ниже), поэтому отфильтрованные и неотфильтрованные образцы были проанализированы на орто-фосфат, кислотно-гидролизуемый фосфат и общий фосфат. Поскольку незначительные отклонения в результатах не давали 100% (хотя они были близки), я решил использовать математический метод, показанный на рисунке 1, для расчета общего фосфора в иллюстративных целях в этой статье.

Этот второй раунд дал другие результаты, чем в первых тестах – хотя количество общего фосфора нефильтрованного обезжиренного фильтрата в этих двух наборах достаточно близко, растворенного фосфора было намного меньше. Причина этого неизвестна.

Несмотря на то, что остаются загадки, не позволяющие объяснить, почему формы фосфора были настолько разными, есть два четких вывода:

1. Хотя легко выполнимый метод определения орто-фосфата с помощью аскорбиновой кислоты широко используется в рифовых аквариумах, он является плохим индикатором истинного содержания фосфора. Общая и кислотно-гидролизуемая формы фосфора присутствуют даже тогда, когда общедоступный “набор для тестирования” показывает, что содержание орто-фосфата равно или близко к нулю. Медленное преобразование двух первых форм (наряду с обычными поступлениями) обеспечит фосфор для роста водорослей.
2. При обезжиривании белка фосфор будет удален, причем основная его часть будет находиться в кислотно-гидролизуемой форме. Поскольку эта форма может сочетаться с кальцием в щелочных растворах (таких как вода для рифовых аквариумов), заманчиво предположить, что добавки кальция (особенно растворы калквассера с высоким pH, с локальным высоким pH в точке капельного питания) могут играть важную роль в экспорте фосфора через белковое обезжиривание. Действительно, содержание кальция в скирмате было необычно высоким. Необходимо провести дополнительные испытания, о чем будет сообщено позже.

Кен Фельдман провел значительные исследования в этой области, и его отчет можно найти здесь:

Мои слабые попытки и результаты, представленные здесь, будут лишь сноской в его работе.

Постскриптум

В качестве интереса я решил провести анализ на содержание фосфора в корме для рыб, который я использую, а также на другой механизм экспорта (поглощение P через поглощение морской водорослью Chaetomorpha ). См. рисунок 4.

Рисунок 4. Содержание фосфора в корме, продаваемом для морских рыб, а также в водоросли, обычно используемой для экспорта питательных веществ.

Некоторые производители кормов для рыб (например, Hagen) утверждают, что любое содержание фосфора, превышающее 0,9%, является слишком высоким. На одном из кормов, который я использую, Kent Marine (Platinum Chroma Xtreme), не указано содержание фосфора, поэтому был проведен тест на общий фосфор. Как показано на рисунке 4, этот корм содержит почти 5% общего фосфора. Эксперты подсчитали, что рыбы превращают в биомассу лишь часть потребляемого фосфора, а большая часть выделяется в виде растворенных и твердых частиц фосфора.

Предотвращение накопления фосфора в системе обходится дешевле, чем многие формы его удаления, поэтому следует обращать внимание на содержание фосфора в корме. Посмотрите на этикетке корма, чтобы получить гарантированный анализ.

Вопросы? Комментарии? Пожалуйста, оставляйте их в разделе комментариев ниже. Если вы предпочитаете личное общение, мне лучше всего связаться со мной по адресу RiddleLabs@aol.com.

Ссылки

1. Американская ассоциация общественного здравоохранения, 1998. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 th Edition, L. Clesceri, A. Greenburg and A. Eaton, Eds. Юнайтед Бук Пресс, Балтимор.
2. Фельдман, К., 2010. Элементный анализ скиммата: Что на самом деле удаляет протеиновый скиммер из аквариумной воды? .
3. Kibria, G., D. Nugegoda, R. Fairclough, and P. Lam, 1997. Содержание питательных веществ и высвобождение питательных веществ из рыбьего корма и фекалий. Phytobiologica, 357:165-171.

Source: reefs.com