Денитрификация и нитратные фильтры

Автор: Евгений Грановский

Вспомнилось, как давным-давно подслушал в зоомагазине разговор продавца и покупателя, в котором последний вопрошал: "Скажите, существуют ли самоочищающиеся аквариумы?" "Сифон и шланг тебе в помощь",— мысленно грустно ухмыльнулся я. И тут же взбодрил себя: "Но когда-нибудь это обязательно будет достигнуто. Вопрос только, каким образом, и придется ли нам жить в эту прекрасную пору"…

Денитрификация

Говоря о биологической фильтрации и азотном цикле в аквариуме, мы обычно имеем в виду нитрификацию, а вторую часть цикла, т.е. денитрификацию – восстановление нитратов до газообразных оксидов и молекулярного азота – не рассматриваем и не используем. Достаточно показательна статья "Основы биологической фильтрации", опубликованная в журнале "Aqua Animals" №2.2005. "Биологическая фильтрация,– пишут ее авторы,– это многостадийный, многоступенчатый процесс. Первая стадия – это минерализация. Специализированные бактерии переводят органические азотсодержащие вещества в неорганические, в основном в аммиак. Следующая стадия – нитрификация аммиака и перевод его в нитрит, осуществляется другой группой бактерий. Затем еще одна группа бактерий переводит нитриты в нитраты. По большому счету есть еще бактерии, которые умеют переводить нитраты в нейтральный азот и совсем выводить его из круговорота веществ в аквариуме, в пресноводной аквариумистике этот процесс, называемый денитрификацией (процесс протекает в анаэробной среде, т.е. без участия кислорода) используется крайне редко. Первые две стадии и есть суть биофильтрации… Надо помнить, что нитраты, конечный продукт распада органики, из воды уже не выводятся, а постепенно накапливаются. Поэтому биофильтрация ни в коем случае не заменяет подмену воды. Подмена воды в любом случае обязательна, какие бы биофильтры не стояли".

Нитраты не являются конечной стадией круговорота азота, но в силу современного уровня развития аквариумных технологий большинство аквариумистов использует только первую (окислительную) часть азотного цикла и борится с ростом нитратов подменами воды. Однако нитрат может быть удален и с помощью биологических методов. Наряду с фитометодами, т.е. непосредственно аквариумными растениями и применением специальных фитофильтров с посаженными в них растениями, которые потребляют содержащиеся в аквариумной воде нитрогены, нитраты используются в качестве поставщика кислорода для так называемых анаэробных реакций. Денитрификация, в отличие от нитрификация, которая является аэробным, окислительным процессом, т.е. может происходить лишь в среде, содержащей в достаточном количестве кислород, является процессом анаэробным и редуцирующим. Это означает, что процесс денитрификации происходит без кислорода и соответственно, поглощает электроны. Денитрификация определена как превращение нитрата в азот — безвредный газ, который уходит пузырьками наружу. Между начальным продуктом (нитратом) и конечным продуктом (газообразным азотом) существуют три промежуточных продукта: в порядке их возникновения, это нитрит (NO₂), окись азота (NO) и закись азота (N₂O). То есть мы видим, что денитрификация (как и нитрификация) — многоступенчатый процесс и его промежуточные продукты, и в частности нитрит, токсичны. Если денитрификация происходит не до конца, качество воды становится для рыб много хуже, чем до этого процесса. Существуют и еще два других процесса, которые могут происходить в аквариуме. Это диссимилятивное и ассимилятивное поглощение нитрата. Оба они опасны, т.к. производят аммоний. Фактически это полная противоположность нитрификации — нитрат редуцируется в нитрит, который затем редуцируется в гидроксиламин (NH₂OH) и затем в аммоний.

За все эти превращения ответственны бактерии. Важное различие между нитрификацией и денитрификацией заключается в видах бактерий, которые участвуют в этих процессах. Нитрификация производится так называемыми аутотропными бактериями. Это означает, что они получают углерод, необходимый для роста, из неорганических веществ, в частности, из углекислого газа. Денитрифицирующие бактерии (Bacillus, Denitrobacillas, Micrococcus, Pseudomonas и др.) являются гетеротрофными, то есть получают углерод из органических источников, как сахароза, глюкоза, спирты, органические кислоты, аминокислоты и др. Суть полезного действия бактерий-денитрифаторов в том, что в условиях анаэробной, т.е. крайне бедной кислородом среды, они извлекают необходимый для дыхания кислород из нитрата, при этом редуцируя его. Денитрифицирующие бактерии — это анаэробные бактерии. Хотя, если быть совсем корректным, есть бактерии, которые являются факультативными анаэробами и в зависимости от содержания в среде кислорода способны черпать его как из вне, так и извлекать из нитратов (поэтому, кстати, считается, что приспособление денитрифицирующих бактерий к анаэробным условиям — вторичного происхождения). Но в целом, как об этом пишет Мартин Сандер, "можно исходить из того, что кислород препятствует денитрификации".

Таким образом, для успешного протекания процесса денитрификации нужно соблюдение трех условий: наличие в аквариуме нитратов, бедная кислородом среда и наличие органических углеродосодержащих веществ. Углерод используется бактериями как основное питательное средство, в то время как потребность в кислороде удовлетворяется за счет нитрата. Четвертое условие, о котором позже будет рассказано, — это достаточно низкий окислительно-востановительный (или как его обычно называют, редокс) потенциал.

Реакцию денитрификации в классическом ее виде можно выразить уравнениями:

первая ступень 3NO₃^- + CH₃OH = 3NO₂^- + CO₂ + 2H₂O и

вторая ступень 2NO₂^- + CH₃OH = N₂ + CO₂ + H₂O + 2OH^-.

Как видно из уравнений, нитраты при этом не сразу трансформируются в газообразный азот, а прежде образуются токсичные нитриты. И лишь на второй ступени азот удаляется из цикла путем образования га