Бактерии, играющие важную роль в аквариумах, можно сравнить с другими организмами по тем химическим веществам, которые они используют для своей жизнедеятельности:
Классификация организмов по химическим веществам, необходимым для поддержания жизни. Сокращения: CO2 - углекислый газ, HCO3- - бикарбонат, Fe - железо, Mn - марганец, NO2- - нитрит, NO3- - нитрат, SO42- - сульфат
Для выработки энергии животные и гетеротрофные бактерии используют органические соединения, а хемоавтотрофные бактерии используют неорганические химические вещества. Для дыхания большинство организмов в качестве акцептора электронов используют кислород.
Прим. Кислород дает гораздо больше энергии, чем другие акцепторы электронов. Например, аэробные бактерии, использующие кислород, получают 26,5 ккал/моль, а анаэробные, использующие нитраты и сульфаты, всего 18 и 3,4 ккал/моль соответственно [25].
В результате своей жизнедеятельности бактерии превращают одни химические вещества в другие. Некоторые важные для аквариума химические превращения показаны в таблице:
Вход и выход химических веществ в процессе бактериального метаболизма.
*Формы анаэробного разложения гетеротрофными бактериями.
Сокращения: CH4 = метан; H2S = сероводород; N2 = газообразный азот; NH4+ = аммоний; NH3 = аммиак; N2O = оксид азота; PO42- = фосфат
Любой обмен веществ, в том числе разложение органических соединений, генерирует электроны. Например, когда бактерии расщепляют глюкозу до пировиноградной кислоты, образуются 4 электрона:
C6H12O6 => 2CH3COCOOH + 4H+ + 4 электрона
Каждому электрону, выделенному в процессе обмена веществ, необходим акцептор электронов. В противном случае обмен веществ (и жизнь) прекращается.
Анаэробный обмен веществ отличается от аэробного тем, что не кислород является акцептором электронов. В анаэробных условиях бактерии должны находить другие, менее желательные соединения. Вместо кислорода бактерии используют нитраты, марганец, железо, сульфаты и т. д. Так, используя в качестве акцептора электронов сульфаты, бактерии превращают их в сероводород.
1. Разложение гетеротрофными бактериями
Разложение органического вещества обычными (то есть гетеротрофными) бактериями играет существенную роль в аквариумах с растениями. В органическом веществе есть все элементы, необходимые растениям, но они "заперты" в сложных органических соединениях. Гетеротрофные бактерии разлагают органическое вещество, будь то корм для рыб, части растений, мертвые бактерии и т. д. на питательные вещества, доступные растениям. Вот некоторые из таких превращений:
| Органическое вещество | => | Неорганические соединения (питательные вещества) |
|---|---|---|
| органический N | => | аммиак + CO2 |
| органический P | => | фосфаты + CO2 |
| органическая S | => | сульфиды + CO2 |
Поскольку органическое вещество обязательно содержит углерод, то при его разложении всегда выделяется CO2. Более того, не только N, P, S и C, но и другие элементы из своих органических форм превращаются в питательные вещества для растений.
Органика, которой питаются гетеротрофные бактерии, имеет две физические формы: дисперсный органический углерод (ДОУ) и растворенный органический углерод (РОУ). ДОУ, содержащийся в экскрементах рыб и волокнах растений, бактериям гораздо трудней переработать, чем более мелкий РОУ. (Вот где полезны грибки и улитки, которые уменьшают размер частиц, тем самым ускоряя процесс разложения [3, 4].)
По иронии судьбы, невидимый РОУ, является гораздо большим источником углерода в природе [5], к тому же из него питательные вещества высвобождаются для растений быстрее. Средняя концентрация РОУ для всех рек мира составляет 5,8 мг/л, в то время как его средняя концентрация для пятисот озер Висконсина составляет 15,2 мг/л. (Для всех природных вод этот диапазон составляет 1 - 30 мг/л [5].)
В аквариумах почти весь РОУ и остатки органики находятся на разных стадиях разложения и скорость высвобождения питательных веществ может значительно меняться. (Гетеротрофные бактерии имеют свои собственные предпочтения в отношении того, что им в первую очередь хочется употребить в пищу). В РОУ входят белки, органические фосфаты и простые сахара, которые при высоких температурах и нейтральном pH большинства аквариумов быстро, в течение нескольких часов, перерабатываются. Менее удобоваримые части РОУ, такие как гуминовые вещества, могут перерабатываться бактериями в течение нескольких месяцев или дольше.
Прим. Хотя некоторые РОУ трудно перерабатываются бактериями, но они довольно чувствительны к разложению под действием света (то есть фотоокислению). Так в нескольких шведских озерах с чистой водой при фотоокислении РОУ выделялось от 0,086 до 0,41 мг C/л в день, а в результате работы бактерий 0,1 – 0,27 мг C/л в день. Такие металлы, как железо, марганец и медь действуют как катализаторы фотоокисления РОУ.
А полное усвоение ДОУ в анаэробной среде грунта может оказаться вообще невозможным, что приведет к постепенному накоплению осадочного гумуса («рыбьего мула»).
Понятно, что в процессе разложения питательных веществ, часть их (20 - 60%) бактерии расходуют на синтез собственного клеточного материала [8]. Однако, эти бактерии тоже умирают и тоже разлагаются. Так, в одном из озер, занимаясь разложением тростника, за 20 дней сменили друг друга четыре разные популяции бактерий [9]. Таким образом может понадобиться несколько циклов переработки, прежде чем питательные вещества станут, наконец, доступны растениям.
Аэробное разложение, задействующее кислород, происходит намного быстрее, чем анаэробное разложение. Таким образом, перемешивание воды с воздухом, а также фотосинтез растений, ускоряют разложение органики за счет дополнительного кислорода в воде.
Уровень pH может оказывать существенное влияние на процесс разложения, так как бактериям необходим нейтральный его уровень. Например, болота, содержащие сфагновые («торфяные») мхи, часто очень кислые (рН от 3 до 4,5), потому что сами растения кислые [6]. В такой кислой среде активность бактерий снижается, и снижается скорость разложения органики. Органическое вещество накапливается, потому что бактерии не превращают его в газы - метан, СО2 и водород. Все это приводит к тому, что сфагновое болото постепенно заполняется неразложившимися органическими веществами.
В конечном счете, разложение в экосистеме является совокупностью многих отдельных, непрерывных метаболических процессов. Таким образом, в озерах, также как и в устоявшемся аквариуме, разложение и высвобождение питательных веществ, как правило, является устойчивым, стабильным и непрерывным процессом.
Сфагнум остроконечный (Sphagnum cuspidatum). Сфагновые мхи, представленные здесь сфагнумом остроконечным, плотным губчатым ковром устилают болота и топи. S. cuspidatum - вид с длинными 5 "- 16" (13 - 40 см), перьевидными стеблями, часто растет полностью погруженным под воду. Эти мхи, кислые от природы, являются основным ингредиентом «торфа». Некоторые аквариумисты используют торф в аквариумных фильтрах для естественного смягчения и подкисления воды. (Са и Mg обмениваются на кислотные протоны в многочисленных связывающих рецепторах торфа.)
Разложения органики в грунте, как источник CO2
При разложении гетеротрофными бактериями отложений органического вещества в грунте, в воду выделяется метан и CO2. Почти во всех озерах содержится больше СО2, чем было бы в результате равновесия с атмосферным СО2 [10]. Большая часть этого избытка поступает в воду в результате разложения осадочных отложений в грунте.
Выход CO2 из осадочных отложений зависит от количества и типа содержащихся в них органических веществ. Так, исследователи [11] сравнили скорости разложения различных типов органических веществ, смешанных с озерными отложениями. Осадок, содержащий 5% -ную примесь свежих частей водных растений, выделял большое количество СО2 (1000 мкг/г сухого осадка в день). Осадок с 5% примесью опавших листьев дуба, напротив, выделял СО2 гораздо менее быстро (150 мкг/г в день).
Прим. В этих двух экспериментах выделялся также метан: 310 мкг/г/день из осадка со свежими частями растений и 15 мкг/г /день из осадка с отмершими листьями дуба.
Химический анализ подтвердил, что в свежих тканях растений питательных веществ больше, чем в отмерших листьях деревьев. В богатых органических веществах активность бактерий была выше и поэтому CO2 выделялся быстрее.
Вырабатывание гуминовых веществ (ГВ)
Переработка органики в СО2 и питательные вещества, которые могут использовать растения, не единственное преимущество разложения. Неполное разложение остатков растений приводит к образованию гуминовых веществ, которые накапливаются как в воде, так и в грунте [12].
Гуминовые вещества (ГВ) представляют собой неспецифические молекулы или частицы, образующиеся в результате произвольного разложения растительного материала, особенно лигнина, неспецифическими бактериями. По своей химической природе ГВ зачастую являются фенольными, поскольку сохраняют некоторые фенольные группы исходного лигнина. До сих пор остается загадкой, как бактериям удается образовывать ГВ из "химического бульона", состоящего из белков, полифенолов и прочего растительного материала. Возможно они задействуют полимеризацию фенолов (после их окисления до хинонов) с белками [13]. Поскольку образование ГВ неизбежно связано с бактериальным окислением молекул растений для получения энергии, то ГВ могут содержать несколько групп карбоновых кислот. Даже при нейтральном рН группы карбоновых кислот заряжены отрицательно (R-COO-). Многочисленные отрицательные заряды увеличивают растворимость ГВ в воде. Они также связывают такие положительно заряженные ионы как железо (Fe3+) и марганец (Mn4+). Будучи связанными, они могут быть снова освобождены под действием света, который одновременно восстанавливает (химически) металл и окисляет органическое вещество.
Гуминовые вещества, которые иногда дают цвет водоемам, составляют около 50% РОУ природных пресных вод:
Состав РОУ в "усредненной" реке. Фульвовая, гуминовая и гидрофильная кислоты - это гуминовые вещества, имеющие одинаковую молекулярную массу (от ~1000 до 2000); они отличаются в основном своей растворимостью: гуминовые кислоты наименее растворимы, а гидрофильные кислоты наиболее растворимы. «Простые соединения» включают в себя аминокислоты, фосфолипиды, пептиды и т. д., чьи химические структуры и происхождение хорошо известны.
Гуминовые вещества в воде отличаются от гуминовых веществ на суше. Водные ГВ, как правило, содержат меньше фенольных групп, меньшую цветность и большую растворимость в воде, чем почвенные ГВ [12, 15]. Порой они обнаруживают себя только благодаря сильному поглощению УФ излучения [16].
Гуминовые вещества в аквариуме приносят пользу двумя основными способами: во-первых, они помогают сохранять микроэлементы в доступном для растении растворенном состоянии (без ГВ многие металлы, особенно железо и марганец, выпали бы в осадок и стали недоступны для поглощения растениями), и во-вторых, связывание и хелатирование металлов гуминовыми веществами помогает нейтрализовать отравляющее действие металлов на рыб и растений. Оба эти эффекта действуют и в воде, и в грунте.
2. Нитрификация
Нитрификация - это двухступенчатый процесс, при котором токсичный аммиак превращается в нетоксичные нитраты.
Прим. Stephen Spotte, к примеру, пишет [17], что 400 мг/л NO3-N не влияли на рост или смертность двух пресноводных рыб: большеротого окуня и канального сома. Немногие аквариумы по уровню нитратов могут даже близко приблизиться к этому уровню.
Нитрификация является в аквариумах критическим компонентом «биологической фильтрации». В установившихся аквариумах все поверхности будут заселены нитрифицирующими бактериями. Но больше всего их поселится в фильтре, где для них есть большая площадь поверхности и постоянный приток богатой кислородом воды. (Во «влажно-сухих» или «капельных» фильтрах, где фильтрующий материал постоянно подвергается воздействию кислорода воздуха, нитрификация усиливается.)
Нитрифицирующие бактерии пресноводных аквариумов, которых когда-то принимали за встречающиеся в природе Nitrosomonas и Nitrobacter, пока не идентифицированы.
Прим. Исследователи [18] методами рибосомной РНК гибридизации проанализировали нитрифицирующие бактерии 6-ти пресноводных и 3-х морских аквариумов. Во всех 13-ти пробах, взятых из морских аквариумов была обнаружена Nitrosomonas europaea. Однако, в пресноводных аквариумах обычные аммиачно-окисляющие бактерии из β-подотдела Proteobacteria, типичные для родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira и Nitrosolobus, как правило отсутствовали. Nitrobacter не была обнаружена ни в одном аквариуме. (Предыдущие исследования, которые часто зависели от изолирования и культивирования организмов, могли находиться под влиянием скорости роста бактерий и условий культивирования.)
Не смотря на то, что нитрифицирующие бактерии обнаружены почти во всех почвах и природных водах, во многих природных экосистемах они играют второстепенную, некритичную роль [19].
Прим. Растения устоявшихся лесов и лугов иногда выделяют аллелохимические вещества, которые определенно подавляют нитрификацию. Райс (Rice) [20] предполагает, что растения поступают так, потому что им живется лучше без нитрификации, удаляющей аммоний из экосистем.
Нитрифицирующие бактерии являются хемоавтотрофными и отличаются от большинства бактерий, являющихся гетеротрофными тем, что получают энергию путем окисления неорганических химических веществ (аммония и нитритов). (Некоторые хемоавтотрофные бактерии окисляют H2S.) Гетеротрофные бактерии получают энергию от разложения органических соединений, таких как белки и сахара.
Потребности нитрифицирующх бактерий настолько отличаются от потребностей обычных бактерий (то есть гетеротрофных), что поначалу ученые испытывали трудности при выращивании их в лаборатории.
Нитрифицирующие бактерии просто не будут расти на органических питательных средах, которые так хорошо себя показывают с другими бактериями; на самом деле, органические соединения их просто подавляют. Лишь в 1890 году русский ученый Виноградский обнаружил, что бактерии растут только тогда, когда он использует простую неорганическую среду, содержащую в основном карбонат аммония и кальция. Виноградский правильно предположил, что бактерии нуждаются в неорганическом источнике углерода, таком как бикарбонат [21].
На самом деле нитрифицирующие бактерии похожи на растения тем, что они синтезируют большие органические соединения, из которых сами состоят (белки, сахара и т. д.), из маленьких неорганических соединений, таких как СО2, железо, фосфаты и т. д. Растения в качестве топлива используют энергию света (фотосинтез), а нитрифицирующие бактерии - химическую энергию (хемосинтез).
На первом этапе нитрификации одна группа бактерий превращает аммоний в нитрит:
NH4+ + 11/2O2 => 2H+ + NO2- + H2O
На втором этапе другая группа бактерий превращает нитрит в нитрат:
NO2- + 1/2O2 => NO3-
В результате полной реакции нитрификации (NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+) образовывается кислота и потребляется кислород. Действительно, нитрифицирующие бактерии нуждаются в большем количестве кислорода, чем обычные бактерии, до 100 атомов кислорода на каждый атом углерода [21]. Таким образом, нитрифицирующие бактерии могут мешать очистке городской воды. Если во время очистки сточных вод, уровень аммония достигнет 2 мг/л, нитрификация может израсходовать весь кислород [22].
Нитрифицирующие бактерии полезны, а то и необходимы, в аквариумах без растений. Однако в аквариумах с растениями они конкурируют с ними за аммиак. Получаемая нитрифицирующими бактериями энергия от окисления аммония до нитратов, эквивалентна потере энергии растениями.
3. Денитрификация
Денитрификация является распространенным процессом, протекающим в почвах и грунтовых отложениях, при котором нитраты превращаются в газ N2:
Нитраты NO3- => Нитриты NO2- => Оксид азота NO => Закись азота N2O => Азот N2
Многие обычные бактерии (Pseudomonas, Achromobacter, Escherichia, Bacillus, Micrococcus и др.) способны к денитрификации [25, 26]. Наиболее распространенными такими организмами являются различные штаммы Pseudomonas, Flavobacterium и Alcaligenes [27].
Хотя денитрификация происходит везде, где есть нитраты, органические вещества и анаэробные условия, она зачастую сопряжена с нитрификацией [23,28]. Нитрификация дает нитраты, и, потребляя кислород, обеспечивает анаэробную среду.
Из-за нитрификации-денитрификации водные экосистемы могут лишаться значительного количества азота. Один исследователь обнаружил, что только 43% азота, попадающего в пруды рыбных хозяйств, остается в воде, почве и рыбе. Остальные 57% теряются в результате денитрификации [29]. Считается, что недостаток азота в озере Танганьика связан с процессом нитрификации-денитрификации [30]. Другие исследователи [31], изучающие азотный цикл в бухте Род-Айленда, пришли к выводу, что денитрификация снижает примерно на 50% уровенть азота, попадающий в бухту из рек, сточных вод и суши.
Еще один исследователь [32] следил за потерями азота в сточных водах, богатых питательными веществами. В 100 галлонные (~380 л) тестовые резервуары со сточной водой, илом и некоторыми растениями добавлялись нитраты и аммоний. По истечению 27 дней измерялось распределение азота между грунтом, растениями и водой:
Регенерация азотных питательных веществ в резервуарных системах по истечении 27 дней [32] (или куда подевался внесенный в емкости азот?) Во все резервуары были добавлены нитраты, и аммоний по 0,010 ppm N в каждом. В первом резервуаре радиоактивным азотом 15N был помечен только аммоний, а во втором только нитраты. Измерив радиоактивность воды, почвы и растений, исследователь мог отследить судьбу добавок. Эксперименты дублировались. Небольшие отклонения значений я представила в виде диапазонов.
Несмотря на то, что часть внесенного азота была поглощена растениями, все же существенное его количество потерялось. Например, в первом резервуаре, где контролировался азот в аммонии, было потеряно 24 - 54% NH4+. Некоторую часть потери азота можно отнести на утечку газообразного аммиака («улетучивание аммиака»). (Во время интенсивного фотосинтеза, когда рН поднимается выше 8,0, значительное количество NH4+ будет превращаться в газ NН3.) Во втором наборе резервуаров, где контролировался уровень нитратов (NO3-), потери азота были еще выше - от 29 до 81%. Большую часть потери нитратов исследователи связывают с денитрификацией.
В аквариуме денитрификация также может снизить уровень азота. К примеру, один аквариумист [33] понизил уровень нитратов в своих морских рифовых аквариумах, просто насыпав песок на голое дно. (Песок дает денитрифицирующим бактериям многочисленные места прикрепления и анаэробные зоны.)
"У меня у самой в 15-ти галлонном аквариуме (~57 л), когда я держала его без песка, и где были только маленькие живые камни, актинии и мягкие кораллы на дне, уровни нитратов в виде нитрат-ионов были в среднем 5 - 20 ppm... довольно много. Даже после подмены воды нитраты быстро поднимались до своего «естественного» уровня. Через несколько недель после того, как я насыпала тонкий (1/4'') (0,64 см) слой песка, уровень нитратов (в виде нитрат-ионов) упал до 1 ppm. Когда я подсыпала еще немного песка, доведя его толщину до 1/2 дюйма (1,27 см), нитраты исчезли (теперь они составляют менее 0,01 ppm в виде нитратного азота). Так как денитрификация в песке не дает накапливаться итратам, то их новый уровень стал новым "естественным" уровнем нитратов для моего аквариума."
Таким образом, для аквариумистов денитрификация - это безвредный бактериальный процесс, помогающий предотвратить накопление нитратов.
В.
Можете ли вы предложить какие-нибудь быстрорастущие "нитратопотребляющие" растения? Мне нужно снизить уровни нитратов в аквариумах, а у меня не получается этого добиться еженедельными 25-ти процентными подменами воды.
О.
Я бы не полагалась на растения в решении проблемы нитратов. Даже у аквариумистов с феноменальным ростом растений не получается держать под контролем накопление нитратов без помощи денитрификации. Если аквариум не перенаселен рыбой, то я бы попыталась стимулировать денитрификацию. Этот процесс идет в любом аквариумном фильтре, в котором скопилось достаточно органики.
Однако грунт может оказаться даже более полезным для ускорения денитрификации, чем фильтр. У меня были проблемы с нитратами в аквариумах с голым стеклянным дном, хотя работал фильтр, и было много растений, растущих на камнях и в горшках. Субстраты с землей и илом, и большой площадью поверхности способствуют денитрификации.
В моих аквариумах с почвой нитраты особо не накапливаются даже после месяцев обильного кормления рыбы и практически без подмен воды.
Накопление нитритов
Нитриты, которые весьма токсичны для рыб, могут накапливаться в результате нескольких различных бактериальных процессов, а не только одного. Наиболее вероятными кандидатурами на роли источников накопления нитритов являются нитратное дыхание и неполная нитрификация. Однако есть еще два бактериальных процесса (DAP и денитрификация) также способных выделять нитриты. Все эти бактериальные процессы способствуют накоплению нитритов в аквариумах.
а) Нитратное дыхание
Нитратное дыхание является распространенным бактериальным процессом, осуществляемым рядом обычных бактерий в анаэробных условиях. Вот его уравнение:
NO3- + 2H+ + 2e- => NO2- + H2O
В отличие от денитрификации, где нитрит далее превращается в газы (N2O и N2), нитриты являются конечным продуктом этой реакции. Нитратное дыхание является основным анаэробным процессом, осуществляемым большим количеством видов обычных бактерий. Обширное исследование [27] бактерий почвы и донных отложений показало, что около 80% бактерий, способных существовать в анаэробных условиях, были нитратодышащими (вырабатывали нитриты при культивировании изолированных колоний). Оставшиеся 20% анаэробных бактерий были денитрифицирующими бактериями (т.е. при культивировании изолированной колонии на нитратах, вырабатывался N2, но не выделялись нитриты).
б) Неполная нитрификация
В течение нескольких недель после запуска аквариума в воде накапливаются нитриты. Это связано с тем, что сначала в аквариуме появляются бактерии, превращающие аммоний в нитриты. Еще около 4-х недель уходит на образование устойчивой колонии бактерий, превращающих нитриты в нитраты. Нитрификация начинает работать на полную где-то после 8-ми недель [23, 24].
Процесс нитрификации не всегда доходит до конца. Бывает, что в стрессовых условиях (рост кислотности, падение температуры и т. д.) деятельность бактерий, ответственных за окисление нитритов тормозится больше, чем деятельность бактерий, окисляющих аммиак. Накопление нитритов происходит как раз тогда, когда на втором этапе (NO2- => NO3-) больше не перерабатываются нитриты, полученные на первом этапе (NH4+ => NO2-).
в) Неполная диссимиляционная выработка аммония (ДВА) и неполная денитрификация
Помимо денитрификации и нитратного дыхания бактерии могут идти еще одним путем по переработке нитратов. По-видимому, большое количество бактерий превращают нитраты в аммоний по цепочке, которую называют «диссимиляционной выработкой аммония » или ДВА. Этот путь связан с брожением и выработкой энергии, поэтому он действует даже при наличии достаточного количества аммония.
Прим. ДВА отличается от "ассимиляционного восстановления нитратов", когда бактерии превращают нитраты в аммоний, который затем может ассимилироваться (включаться) в аминокислоты и белки [34]. Бактерии идут по этому пути, когда аммоний не доступен.
Химическая реакция ДВА:
Нитраты NO3- => Нитриты NO2- => Закись азота N2O => Аммоний NH4+
ДВА вырабатывает значительное количество аммония в некоторых донных отложениях, как пресноводных, так и морских. Отслеживая судьбу добавленных нитратов, исследователи обнаружили, что при переработке нитратов ДВА часто соперничает с денитрификацией [34, 35, 36]. Хотя большая часть аммония, вырабатываемого ДВА, рециркулируется обратно в нитраты (посредством нитрификации), ДВА, по-видимому, является основным бактериальным процессом азотного цикла.
Иногда цепочка ДВА не может завершиться, тогда накапливаются нитриты. Так, одна почвенная бактерия (Citrobacter sp) при определенных условиях превращала 97% добавленных нитратов в нитриты [37]. (При других условиях она вырабатывала N2O и NН4+.)
Аналогичным образом не всегда завершается и денитрификация. Неполная денитрификация приводит к кратковременному повышению уровня нитритов [25]. Вполне вероятно, что и в нормальных условиях, как ДВА, так и денитрификация могут приводить к повышению нитритов в аквариумах.
5. Восстановление железа и марганца
Когда больше нет ни кислорода, ни нитратов, многие грунтовые бактерии могут использовать железо (Fе) или марганец (Мn) в качестве акцепторов электронов, которые вырабатываются в результате их метаболизма. Такое "химическое восстановление" растворяет оба металла, что делает их доступными для поглощения корнями растений. Таким образом, анаэробные бактерии играют решающую роль в обеспечении растений железом и марганцем.
Хотя в почве марганца меньше, чем железа, зато окисленный Мn является лучшим акцептором электронов, чем окисленное железо. Поэтому, если есть марганец, то сначала будет использоваться он, а железо потом. Следующая реакция описывает восстановление Mn электронами, образующимися в результате метаболизма бактерий:
MnO2 + 4H+ 2e- => Mn2+ + 2H2O
В этой реакции Мn переходит из выпавшего в осадок оксида (МnO2) в растворимый катион (Mn2+), который теперь может проникать в корни растений. А MnO2 может использоваться многими бактериями и грибками в качестве акцептора электронов [4].
Когда марганец заканчивается, бактерии начинают использовать в качестве акцептора электронов трехвалентное железо:
Fe(OH)3 + 3H+ + e- => Fe2+ + 3H2O
Как и в случае с марганцем, нерастворимый оксид Fe(OH)3 превращается в растворимый ион Fe2+. Корни растений легко усваивают железо в форме Fe2+.
6. Выделение сероводорода
Сероводород (H2S), который легко образуется в аквариумных субстратах, обладает чрезвычайно неприятным запахом и крайне токсичен. На самом деле для мелких млекопитающих он более токсичен, чем аммиак [38].
Есть два источника H2S. Одним из них является обычное разложение белков гетеротрофными бактериями, во время которого SH-группа белка выделяется в виде H2S:
Протеин-SH + H+ + e- => H2S
Вторым источником H2S является специализированное восстановление сульфатов бактериями Desulfovibrio и Desulfotomaculm. Во время анаэробного разложения органических веществ эти бактерии используют сульфат в качестве акцептора электронов.
SO42- + 10H+ + 8e- => H2S + 4H2O
Сульфатодышащие бактерии строго анаэробны [39].
Прим. Для сульфатодышащих бактерий кислород - это яд, поскольку у них нет цитохром и каталаз, необходимых для предотвращения накопления смертельной для них перекиси водорода в присутствии кислорода.
Их деятельность проходит в сильно анаэробных условиях (редокс-потенциал грунта от -120 мВ до -300 мВ) [40]. Сочетание в грунте большого количества сульфатов и органических веществ стимулирует деятельность этих бактерий и выработку ими сероводорода.
7. Разрушение сероводорода
В присутствии кислорода бактерии быстро окисляют сероводород (H2S) до сульфатов. (Эта реакция аналогична реакции нитрификации, когда очень токсичная молекула превращается в безвредную соль.) Полная реакция окисления сероводорода:
H2S + 2O2 => HSO4- + H+
Окисление H2S осуществляется либо аэробно, такими хемоавтотрофными бактериями, как Thiobacillus, Thiothrix и Beggiatoa, либо анаэробно на свету фотосинтезирующими бактериями Chlorobacteriaceae и Thiorhodaceae [4, 41].
Хемоавтотрофные бактерии являются наиболее полезными в аквариумах. Во-первых, они защищают корни растений, уничтожая токсичный сероводород в грунте.
Во-вторых, они защищают рыбу. Образующийся в грунте или в любых других анаэробных зонах залежей органики сероводород, быстро окисляется соответствующими бактериями. Эти бактерии населяют поверхностный слой субстрата и окисляют любой H2S, пробивающийся снизу.
8. Брожение и метаногенез
В строго анаэробных условиях органическое вещество лишь частично перерабатывается бактериями, что приводит к накоплению этилового спирта и различных органических кислот. (Напротив, когда присутствует кислород, бактерии перерабатывают органическое вещество до СО2 и воды.) В озерных осадочных отложениях большое количество органического вещества разлагается в результате связанных процессов брожения и метаногенеза [4,42]. Так происходит, когда неорганические акцепторы электронов (NO3-, Fe3+, Mn4+, SO42-) заканчиваются и больше не доступны. После исчерпания кислорода и неорганических акцепторов электронов, органическое вещество само высвобождает и получает электроны. (Одна часть органической молекулы окисляется, в то время как другая часть той же молекулы восстанавливается.)
Брожение включает в себя разложение ферментативными бактериями органического вещества на различные жирные кислоты, спирты, уксусную кислоту, газообразный водород и СО2. Некоторые из органических кислот и спиртов немного угнетают корни растений.
Метаногенез осуществляется четырьмя основными родами бактерий: Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus и Methanosarcina. Эти строго анаэробные бактерии используют образующиеся в процессе брожения уксусную кислоту, газообразный водород и СО2 для получения метана, СО2 и воды. Вот две соответствующие реакции:
CO2 + 4H2 => CH4 (метан) + 2H2O
CH3COOH (уксусная кислота) => CH4 (метан) + CO2
В аквариуме метаногенез и брожение происходят в основном в грунте. Несмотря на то, что эти два процесса могут оказать некоторое негативное влияние на рост растений, в целом они, скорее, приносят пользу аквариумным экосистемам, поскольку грунтовая органика перерабатывается в доступные растениям питательные вещества. Метан выделяется из грунта в воду путем диффузии либо пузырьками.
9. Окисление метана
Такие метаноокисляющие виды бактерий, как Methanomonas methanica, Pseudomonas methanica и Тhioploca являются обычными, часто встречающимися видами [44, 45]. Они обитают в поверхностном слое осадочных отложений и быстро превращают поднимающийся из анаэробных зон метан в CO2. Например, около 91% метана, образующегося в торфяных отложениях болот национального парка Эверглейдс во Флориде, было окислено до СО2 и воды [4]. Полная реакция окисления метана:
5CH4 + 8O2 => 2(CH2O) + 3CO2 + 8H2O
Водные растения также увеличивают окисление метана, так как предоставляют окисляющим бактериям поверхность для жизнедеятельности. Так, один исследователь [46] выявил, что у полупогружного растения понтедерия сердцелистная (Pontederia cordata) метаноокисляющие бактерии не только прикрепляются к поверхности корня, но и живут внутри самих корней.
Окисление метана в аквариумах гарантирует, что образующийся в грунте метан, который не может быть использован растениями, превратится в СО2, который растения могут использовать. А поскольку углерод часто является лимитирующим питательным веществом для аквариумных растений, то метаноокисляющих бактерий можно считать полезными.
В.
Я внес в грунт в качестве подложки горшочную почвосмесь и заметил, что из грунта стали обильно выходить пузырьки газа. Это что, типа "болотный газ"? Не потравит ли он мне рыб?
О.
Я бы не переживала о грунтовых газах, которые могут содержать СО2, Н2, N2, N20, СН4 и H2S. Я бы беспокоилась только если корни растений стали бы чахнуть, увядать и чернеть, и/или рыба потеряла бы аппетит. А выход газа из грунта вещь полезная, так как дает возможность насыщенной кислородом воде проникать в субстрат, не позволяя ему сделаться слишком уж анаэробным. "Пузыряние" грунта указывает на то, что он «живой».
Многие представления о бактериях основаны на лабораторных исследованиях, в которых бактерии существуют как отдельные особи, плавающие в толще питательных сред. Однако те же самые бактерии в природных условиях ведут себя совсем по-другому. Это потому, что в природе еды мало, а хищников много, и вообще, природа гораздо более суровая среда, чем лаборатория. Чтобы выжить, бактерии научились прикрепляться к поверхностям, взаимодействовать с другими видами и защищаться от врагов. Этот микрокосм, удерживаемый вместе полисахаридным "клейстером", вырабатываемым бактериями, и называется биопленкой.
В природе биопленки являются нормой. Аквариумисты знакомы с биопленками по забитым фильтрам и "пенкой" на поверхности воды. Но, конечно же, лучше других изучены те явления, что доставляют нам наибольшие проблемы, как то: (1) зубной налет, (2) хронические легочные заболевания у пациентов с муковисцидозом, (3) коррозия водопроводных труб и корпусов судов и (4) загрязнение контактных линз, искусственного сердца и других медицинских имплантантов [47, 51]
Причиной, по которой бактерии прикрепляются к поверхностям и образуют на них биопленки, является скапливание на таких поверхностях питательных веществ. А собираются они на них потому, что все поверхности имеют отрицательный заряд, который притягивает катионы и растворенный органический углерод (РОУ). Скопление положительно заряженных соединений, в свою очередь, притягивает отрицательно заряженные соединения. Таким образом, даже в обедненной питательными веществами воде достаточно часто органические соединения будут прилипать к поверхностям, и способствовать развитию бактерий [48]. Когда органические соединения оседают на поверхности воды, они привлекают различных, ищущих еду бактерий, водорослей и простейших, которые со временем могут превратиться в биопленку, иногда называемую «нейстоном» [49].
Бактерии прикрепляются к поверхности, следуя различным стратегиям. Некоторые бактерии изначально липкие. По сути, они представляют собой «клубочки», покрытые липкими липополисахаридными капсулами или белковыми отростками. Другие бактерии синтезируют компоненты прикрепления только при наличии поверхности. Например, в течение 15 мин после того, как Pseudomonas aeruginosa столкнулась со стеклянной поверхностью, ею был активизирован ген (AlgC), нужный для синтеза полисахаридов [50].
Как только бактерии прикрепляются к поверхности, они начинают делиться и непрерывно производить большое количество полисахаридов, образуя "зрелую" биопленку. Зрелая биопленка может иметь толщину от 600 до 900 мкм [23], что в несколько сотен раз больше отдельной бактерии. (Бактерия имеет длину около 1 мкм [51]). Биопленка не является аморфной, желеобразной массой полисахаридов и бактерий, как когда-то предполагалось - она обладает организацией и структурой. Даже самая плотная область биопленки пронизана водными каналами. Вода течет через грибовидные структуры скоплений бактерий, принося
