Азотистая трилогия статья

[janis]

Азотистая трилогия - Аммиак - сильный яд для рыб.

Круговорот азота

Азот - очень важный для каждого живого существа нашей планеты химический элемент. Воздух, которым мы дышим, на 78% состоит из азота, а благодаря его фиксации, азот естественным образом входит в состав всех органических субстанций. Немецкое название элемента - Stickstoff, «удушающее вещество» - объясняет тот факт, что живое существо в чистом азоте задыхается, а также и то, что при недостатке кислорода с помощью этого газа можно потушить огонь.

Организмы используют азот для синтеза аминокислот, являющихся основой белков (протеинов). Цепочки различных аминокислот прикрепляются к протеинам и выполняют важные функции: построение структуры (структурные протеины), синтез (энзимы), движение (флагеллы, жгутики, мускулы) и переработка продуктов обмена веществ.

В почве и воде азот постоянно превращается в другие соединения и совершает, таким образом, настоящий круговорот. В трех частях нашей статьи мы собираемся представить вам, дорогие читатели журнала «Коралл», этот круговорот, но для начала «займемся» аммонием и ядовитым аммиаком.

Аммиак.  Источники аммиака

В основном аммиак возникает в результате дезаминирования. Оно протекает в ходе процессов расщепления веществ внутри клеток. Все гетеротрофные организмы поглощают органические вещества - в твердом виде или растворенные в воде, чтобы использовать находящиеся в них углеводы для собственных реакций синтеза. Одновременно из химических соединений получается энергия, которая также перерабатывается для собственных целей. Неиспользованный азот в переработанных органических субстанциях, благодаря дезами-нированию расщепляется на аммоний и аммиак и в форме последнего, покидает клетку. У рыб выброс аммиака происходит через жабры: у взрослых особей 90% этого вещества выходит через жабры, у личинок дополнительно через всю поверхность тела.

В воде аммиак быстро разжижается. Животные, чья эволюция завершилась на суше, не могут избавиться от образующегося аммиака через кожу, так как для этого им понадобилось бы выделять большее количество воды. Млекопитающие, к примеру, перерабатывают аммиак в мочевину, которая в высокой концентрации выходит вместе с мочой. Животные, вынужденные по разным причинам запасать воду в организме (например, птицы из-за малого веса), накапливают азотосодержащие продукты в виде мочевой кислоты, поэтому потеря воды вследствие выделения азота, у них крайне мала.

Снижение концентрации аммиака

Некоторым организмам аммиак жизненно необходим. Растения, получающие углеводы из таких неорганических соединений, как СО₂ , поглощают аммиак и аммоний (ассимиляция аммиака), чтобы произвести из них собственные белки. Все зеленые растения могут поглощать аммоний/аммиак, и каждый опытный любитель пресноводных аквариумов знает, что в «банке» с большим количеством растений (и низким значением рН) никогда не возникает проблем с аммиаком. Аналогичная ситуация с морским аквариумом, в котором живут многочисленные зооксантелльные кораллы или водоросли. Организмы, использующиеаммиакдля получения энергии, называются, как уже говорилось, «нитритантами» (Nitrosomonas sp.). Вместе с «нитратантами» (например, Nitrobacter sp.), которые окисляют нитрит до нитрата, они образуют группу нитрификаторов.

Сам процесс окисления аммиака до нитрата - называется нитрификацией. Нитрификаторы являются по большей части автотрофами (необходимые углеводы они добывают из неживых субстанций), поэтому их рост замедлен и в новом аквариуме их адаптация иногда может длиться очень долго: в результате аммиак начинает накапливаться и вредить уже прижившимся животным.

По этой причине, в фазе «запуска» очень важно дать нитрификаторам достаточно времени, чтобы прижиться и начать стабильно окислять аммиак. В аквариуме, удачно прошедшем фазу «запуска», этот процесс протекает так быстро, что аммиак не успевает накопиться. И хотя стандартные тесты ничего не показывают, можно не сомневаться: аммиак постоянно производится и в ходе окисления превращается в нитрат.

В результате мы имеем непрекращающееся повышение уровня нитрата в воде, если только этому не препятствуют ассимиляция нитрата (растения, водоросли), денитрификация (бактерии) или частичные подмены воды. Если эти процессы нарушены, к примеру, из-за использования антибиотиков (скажем, для уничтожения цианобактерий), которые также могут затронуть бактерии в фильтре, то животным грозит отравление аммиаком.

монификацией и наблюдается в пищеварительном тракте как человека, так и животного. После аммонификации азот предстает в двух формах, которые по отношению друг к другу, находятся в нестабильном, зависящем от значения рН равновесии. Эти формы - нетоксичный аммоний (NH₄₊) и ядовитый аммиак (NH₃).

Аммиак перерабатывается организмами различными способами. В ходе так называемой «реакции окисления аммиака» аммиак в анаэробных условиях превращается в атмосферный азот. Небольшую часть аммиака организВ этой связи желательно проводить лечение коралловых рыб в отдельной емкости. Если вы хотите обработать заболевших рыб в общем аквариуме, то, по меньшей мере, отсоедините на время лечения систему биофильтрации.

Окисление аммиака

Анаэробное окисление аммиака было описано совсем недавно. Некоторые гетеротрофные организмы способны окислять аммиак в среде, бедной кислородом, например, в песчаных отложениях. О значении этого процесса известно еще очень мало. В зависимости от способа подготовки воды, соотношение между нитрификацией и окислением аммиака различное. Мы считаем, что в морском аквариуме с использованием метода DSB ("Deep Sand Bed" - "глубокое песчаное ложе") или системы Жобера, аммиак в ходе окисления перерабатывается эффективнее, чем в аквариуме с невысоким слоем грунта или небольшим числом «живых» камней. В системе с хорошим протоком воды (капельный, песчаный фильтр) условия для нитрификаторов, вероятно лучше, чем в аквариуме со слабым течением.

Фиксация азота

В среде, бедной питательными веществами, в природе и в аквариуме атмосферный азот (N₂) поглощается некоторыми видами циано-бактерий («красные водоросли», «синие водоросли», так называемые «формы чистой воды»), превращается ими в аммиак и другие азотосодержащие соединения. В науке этот процесс получил название «фиксация азота». При выделении белков в воду или высвобождении в ходе разложения погибшего организма, бактерии перерабатывают их, в том числе и в аммоний.

 

Этот процесс называется диссимиляцией или аммы поглощают («ассимиляция аммония») и «встраивают» непосредственно в биомассу.

Равновесие между аммиаком и аммонием

Аммоний образуется в результате расщепления белков и поэтому рассматривается в аквариумистике как «индикатор загрязнения». Сам по себе он безвреден, но из-за колебаний значения рН часть его превращается в ядовитый аммиак. Этот процесс протекает очень быстро и может взять обратное направление (то есть аммиак переходит обратно в аммоний). Таким образом, с повышением или понижением рН, в аквариуме меняется и содержание аммиака.

Чтобы получить более точные сведения о токсичности аммиака, нужно знать, какое его количество присутствует в воде. Однако аквариумные тесты выявляют общее количество аммония и аммиака, а не их абсолютную долю.

Ее можно рассчитать по таблице, которая приводит также значение рН.

Правда, в определенной степени на содержание аммиака влияют температура и соленость воды, что обычно в подобных подсчетах не учитывается. Наша таблица показывает, как меняется концентрация аммиака при различной температуре и солености. Например, при t 30°C, солености 35%о и рН 8.0 мы получим значение 4.59%. То есть если, предположим, концентрация аммиака и аммония составляет 0.5 мг/л, то доля аммиака составит 4.59% от 0,5 мг/л или 0.023 мг NH₃ на 1 литр воды. Если рН увеличится на 0.5, то доля аммиака будет равна 13.2% или 0.067 мг/л. Иными словами, увеличение рН всего лишь на 0,5 почти утроило ядовитое действие аммиака в аквариумной воде. А ведь подобное изменение может означать жизнь или смерть вашего питомца!

Очень важная фаза в процессе удаления аммиака, в первую очередь, для насыщенных кислородом биотопов (которыми и являются наши аквариумы) - известная нам нитрификация, при которой аммиак соединяется с кислородом. Это окисление осуществляется специальными бактериями - нитрификаторами. Сначала за работу принимаются «нитританты» (то есть образующие нитрит, например, Nitrosomonas sp.). Они производят неядовитый нитрит (N0₂), который, однако, находится в равновесии с токсичной азотистой кислотой (в аквариумистике речь идет в основном о «ядовитом нитрите», однако это всего лишь упрощение химических связей).

«Нитратанты» (бактерии, образующие нитрат, к примеру, Nitrobacter sp.) окисляют нитрит и азотистую кислоту до нитрата (N0₃-), который уравновешивает азотистую кислоту (HN0₃). Поскольку токсичная кислота при аквариумных значениях рН практически не обнаруживается, а нитрат сам по себе не ядовит, то пара нитрат/азотистая кислота неопасна. Вся окисляющая цепочка аммоний / аммиак - нитрит/азотистая кислота - нитрат / азотистая кислота называется нитрификацией.

Нитрат и азотистая кислота могут напрямую поглощаться организмами и превращаться ими в другие азотосодержащие субстанции. Этот, именуемый нитратной ассимиляцией процесс протекает тем лучше, чем больше нитрата и азотистой кислоты присутствует в воде. При высокой концентрации этих веществ, особенно быстро растут водоросли, покрывающие высшие растения и кораллы.

При так называемой денитрификации, в среде с пониженным содержанием кислорода (микроаэробной) или его полным отсутствием (анаэробной), определенные бактерии используют нитрат в качестве источника кислорода: они забирают из него (а потом и из нитрита) кислород и снова высвобождают молекулярный азот (N₂). Таким образом, круговорот азота завершается.

Токсичность аммиака: а что говорят ученые? Отравление аммиаком в аквариуме выражается так же, как и любое другое острое отравление, например, тяжелыми металлами: рыбы становятся беспокойными, начинают дышать быстрее, держатся у поверхности или в тех местах, где наблюдается приток свежей воды. Они жадно хватают воздух, их окраска бледнеет, на теле образуются скопления слизи. Рыбам не хватает кислорода. Частота работы сердца и кровяное давление повышаются, состав крови из-за возрастающей концентрации аммония и аммиака ухудшается, а энергетический обмен веществ нарушается.

Почему же аммиак такой вредный? Токсичность проявляется под действием различных факторов. Если концентрация аммония и аммиака в воде повышается, или же из-за высокого рН часть аммония превращается в аммиак, то вывод присутствующего в крови аммиака через жабры и тело у рыб, затрудняется. Обычно, такой пассивный обмен происходит за счет низкой концентрации аммония в воде. Если же этого не происходит, то аммоний накапливается в крови рыбы и она буквально, отравляет сама себя. Чем здоровее и сильнее рыба, тем дольше она может сопротивляться этому отравлению, а слабые молодые рыбы или их личинки становятся жертвами интоксикации намного раньше.

Корм, вернее его состав, тоже влияет на этот процесс: чрезмерное количество протеинов в пище усугубляет проблему, так как в результате усиленного расщепления белков выделяется большое количество аммиака. К сожалению, данным о концентрации этого вещества, содержащимся в научной литературе, доверять полностью нельзя, поскольку там, как правило, отсутствует информация о рН и температуре. А это делает вычисление доли аммиака невозможным.

Пример: группа ученых под руководством Пана зафиксировала повышенную смертность у молоди креветок Penaeus monodon уже при уровне аммония / аммиака выше 0,02 мг/л (в течение 72 часов). К сожалению, здесь нет данных о значении рН, поэтому нельзя определить, сколько азота присутствовало в форме аммония, а сколько - в форме аммиака. Согласно Шрекенбаху, для чувствительных рыб критической является концентрация свободного аммония (NH3) в значении 0,006 мг/л (при длительном воздействии), для выносливых животных (лососевые) - 0,01 мг/л, для окунеобразных - 0,02 мг/л.

 

В аквариумной литературе, проблема с аммиаком описывается, как правило, в общих чертах и без предоставления важных показателей. Это объясняется, скорее всего, неточными методами измерения (если вообще можно говорить о регулярных тестах на выявление аммиака) и непониманием химических связей между аммонием и аммиаком. Что делать, если в аквариумной воде обнаружен аммиак?

Частичные подмены воды

Первый и простейший способ снижения высокой концентрации аммиака - частичная подмена воды. При этом следует убедиться, что свежая вода имеет ту же соленость, значение b>рН и температуру, что и вода в аквариуме. В противном случае, объемная подмена может вызвать у многих животных шок, и как следствие, гибель.

Если, к примеру, уровень рН добавляемой воды будет выше, чем в аквариуме, то это может спровоцировать частичный переход аммония в аммиак, и тогда вспомогательная мера лишь усилит последствия отравления. Далее, необходимо убедиться в том, что свежая вода «созрела», то есть постояла несколько дней, поскольку в первое время после замешивания, она из-за освободившихся при растворении соли радикалов хлора, крайне агрессивна.

Конечно, можно добавить в свежеприготовленную воду уловители радикалов, чтобы чуть-чуть снизить исходящую от них опасность, однако лучше дать воде «созреть» или иметь в запасе некоторое ее количество на случай возникновения кризисных ситуаций. Кроме того, объемная подмена воды в молодом, «неустоявшемся» аквариуме может ослабить популяцию бактерий биологического фильтра, из-за чего они будут окислять аммоний и аммиак еще меньше, чем прежде, и таким образом, уровень аммиака будет увеличиваться.

Адсорбенты аммиака

Чтобы предотвратить накопление аммиака в пакетах, используемых для перевозки рыб, используются адсорбенты, связывающие его. Применяя специальные адсорбенты в аквариуме, следует производить регулярные замеры и следить за тем: способны ли еще адсорбенты улавливать токсин или же, они уже «насытились» и требуют замены? В противном случае, в воде снова начнет накапливаться опасный аммиак.

И наконец, как и при всех адсорбционных процессах, следует избегать колебаний значения рН, содержания соли и температуры, иначе адсорбированный аммиак опять попадет в воду и вызовет отравление.

Цеолит также может впитывать аммиак и предупреждать острую интоксикацию, но его производительность значительно ниже, чем у специальных адсорбентов.

Обработка кислородом

Насыщение воды чистым кислородом помогает снизить отравляющий эффект аммиака. В ходе своих экспериментов Гроттум установил, что при транспортировке большого количества рыб в емкостях с аэрацией нормальным воздухом, использование чистого кислорода отсрочило гибель 50% животных: летальная концентрация (LT 50%) была зарегистрирована не через 40 часов, а через 130 часов.

Кстати, при импорте тропических аквариумных рыб, транспортировочные пакеты обязательно следует наполнять чистым кислородом. Наши собственные измерения показали, что в емкостях с животными, пришедшими из Индонезии и Кении, насыщение чистым кислородом даже после первой перевозки составляло минимум 240% (а при использовании простого воздуха - 100%). Вследствие накопления аммония в воде, некоторые рыбы (например, зебрасомы) были не в состоянии плавать вертикально, но без перенасыщения кислородом, их вряд ли удалось бы спасти.

При длительной перевозке животных из зоомагазина в домашний аквариум, мы также рекомендуем использовать чистый кислород.

Подкисление воды

Тот, кто разбирается в равновесии, царящем между аммонием, аммиаком и значением рН, легко догадается, что для уменьшения опасности отравления аммиаком нужно снизить рН. Так, Гроттум установил, что значение LT50 для камбалы-тюрбо (Scophthalmus maximus) вследствие снижения рН путем добавления углекислого газа или углекислоты повысилось с 130 до 220 дней.

Этот эффект можно наблюдать также при импорте рыб. Во время транспортировки они выдыхают через жабры С0₂ и аммоний. Это влечет за собой повышение концентрации аммония в воде и одновременно приводит к снижению уровня рН. Наши исследования показали, что значение рН в воде, в которой перевозились рыбы, может легко снизиться до 5,5.

Перед длительным путешествием, рыб обычно не кормят несколько дней, чтобы сократить выделение аммиака в воду. Но даже такая мера не может препятствовать накоплению этого вещества в транспортировочном пакете. В воде с рН 5,5, t 20°Си содержанием соли 35%о, рыбы могут пережить концентрации аммония и аммиака, превышающие предельную в 300 раз, чем в воде с рН 8,0.

Рыбы, выжившие после транспортировки, погибнут, если при акклиматизации путем добавления аквариумной воды рНповысится, а азотистые соединения при этом не будут удалены. Добавление дополнительных веществ в корм Использование определенных веществ для скармливания животным - скорее профилактическая мера против аммиачного отравления. Эти вещества повышают устойчивость рыб и беспозвоночных к яду. Пана зарегистрировал у молоди креветокPenaeus monodon повышенную переносимость аммиака, получавших корм, обогащенный астаксантином, антиоксидантом из группы каратиноидов.

Как предотвратить накопление аммиака? Ослабить влияние аммиака можно принципиально двумя способами: уменьшить количество его источников или активно снижать его концентрацию. Ограничение числа источников аммиака возможно лишь условно и может применяться исключительно для транспортировки животных. Как уже упоминалось, выброс аммония и аммиака можно сократить, если не кормить подлежащих перевозке рыб в течение нескольких дней.

 

Для замедления обмена веществ и следовательно, понижения объема выделяемого организмами аммония, возможно использование успокоительных средств. Помочь может даже снижение температуры воды, главное - не допустить переохлаждения животных.

Однако все эти методы имеют побочные эффекты, ослабляющие иммунитет наших питомцев. По этой причине очень важно отправлять абсолютно здоровых животных. Слабых, истощенных рыб, а также их молодь, транспортировать категорически нельзя! Кроме того, до отправки желательно провести лечение от гельминтов (червей): сильные животные, правда, могут выдержать действия паразитов, но ослабев от перевозки, быстрее становятся их жертвами.

Для аквариумистов, единственная возможность уменьшить накопление аммиака - организация эффективной, ориентированной на количество содержащихся животных фильтрующей системы, которая поддерживает как нитрификацию, так и анаэробное окисление аммиака.

Фильтры с большой поверхностью для заселения бактерий (капельные, проточные, обратноомывае-мые песочные фильтры), которые активно омываются водой, создают для деятельности нитрификаторов хорошие условия. Фильтры со слабой степенью проникновения воды («Deep Sand Bed», система Жобера, шламовые фильтры, внутреннее пространство «живых камней»), создающие условия для возникновения микроаэробной или анаэробной среды, благоприятствуют окислению аммиака и пассивной денитрификации, сохраняя, впрочем, потенциальную опасность начала брожения (анаэробные условия) и риск высокой органичесйой нагрузки на аквариумную систему.

Мощный рост кораллов и микроводорослей, а также внешний водорослевый фильтр способствуют ассимиляции азота.

Следует помнить, что всем типам биологических фильтров требуется время для «запуска». Продолжительность фазы «запуска» нельзя предсказать, в этот период требуются регулярные замеры параметров воды. В этом отношении существует несколько общих правил:

• чем холоднее вода, тем длительнее фаза «запуска»;

• чем выше соленость, тем медленее «запуск»;

• фильтры и вода из «старого» юиума могут немного сократить время «запуска», но в какой степени - предсказать трудно; то же самое относится к так называемым «стартовым» бактериальным культурам;

• категорически не советуем проводить глобальную чистку аквариума с помощью химикатов, чтобы, к примеру, подготовить его к заселению новыми питомцами. В этом случае, будет нарушена работа фильтрующих систем, а присутствующие в них микроорганизмы дополнительно начнут загрязнять воду. Если по гигиеническим соображениям «банку» все-таки необходимо очистить, следует помнить, что биологический фильтр придется запускать с самого начала;

• необходимо тщательно продумывать каждую новую покупку животных. Резкое увеличение их числа приводит часто к сбою всей биологической системы. Это положение действительно и для «старых» аквариумов. С каждым изменением нагрузки на систему, популяции бактерий приходится приспосабливаться к нему. Поселение большого числа новых животных влечет за собой «взлет» аммиака, а спустя некоторое время и нитрита. Если концентрация этих веществ слишком высока, то потерь среди обитателей не избежать;

• приобретение новых животных возможно при условии, что аммиак и нитрит не превышают предельно допустимой нормы. Если предполагается покупка одновременно большого числа рыб (к примеру, для крупных аквариумов), то уже за несколько недель до этого события необходимо регулярно вносить минимальное количество корма, рассчитанного для новых обитателей. С одной стороны, бактерии успеют привыкнуть к таким изменениям, а с другой, концентрация аммиака и нитрита снизится до безопасного уровня;

• если, несмотря на применение вышеописанных способов, концентрация аммиака не уменьшается, то нужно резко снизить количество корма или на время вовсе прекратить кормление животных. Ведь опасность потерять своих питомцев из-за чрезмерного присутствия аммиака в воде выше, чем из-за их недоедания.

Авторы - Беате Р. Зеллнер и Буркхард Рамш - дипломированные биологи фирмы AquaCare GmbH.