Оригинал статьи здесь
Аквариумные растения – это гораздо больше, чем просто украшения. Они помогают рыбкам расти здоровыми и веселыми.
Азотные соединения, особенно аммиак и нитрит - чрезвычайно токсичны для рыб. В течение многих лет аквариумисты полагались на бактериальную нитрификацию (биологическую фильтрацию) по переработке этих ядовитых соединений в безвредные нитраты. И в то же время не только любители, но и продавцы аквариумных растений игнорируют факт потребления азота, предполагая (неправильно), что растения поглощают в основном одни только нитраты.
Многие наземные растения, например, горох и помидоры, лучше растут питаясь нитратами, чем аммиаком. На этом основании некоторые ботаники сделали предположение, что водные растения также будут лучше расти на нитратах. Однако фактические эксперименты показали обратное.
Ученые всего мира занимались изучением поглощения азота водными растениями в различных условиях. Мне удалось найти исследования по 33 различным видам. И только 4 из них предпочитали нитраты. Но и они происходили из нетипичной для аквариумных растений среды с низким уровнем питательных веществ.
Более того, степень предпочтения аммиака (аммония) растениями просто огромна. К примеру, ряска Lemna gibba поглощала из питательного раствора 50% аммония за пять часов, хотя раствор содержал в сто раз больше нитратов, чем аммония. Помещенная в смесь аммония и нитратов Elodea nuttallii, удаляла из раствора 75% аммония за 16 часов, оставляя нитраты практически нетронутыми. И только когда заканчивался весь аммоний, она всерьез бралась за нитраты. Аналогичным образом, при выращивании гигантской ряски, Spirodela oligorrhiza, в среде, содержащей смесь аммония и нитратов, аммоний уходил быстро, в то время как нитраты практически игнорировались.
Поскольку для этого конкретного исследования растения выращивались в стерильных условиях, расход аммония не мог быть связан с процессом нитрификации. Кроме того, исследования показали, что во время экспериментов растения быстро росли, подтверждая, что поглощение аммония не является экспериментальным артефактом, но что оно, вероятно, сопровождается увеличением биомассы растений и потреблением азота. Концентрация азота (N) в водных растениях составляет от 0,6 до 4,3% от их сухой массы
В таблице ниже демонстрируется то, с какой скоростью Пистия или Водяной салат (Pistia stratiotes) удаляет из воды нитраты и аммоний.
Растения, помещенные в питательный раствор нитратов, с азотной составляющей, равной 0.025 мг/л, затратили 18 часов на потребление всех нитратов. Тем же растениям, но помещённым в питательный раствор аммония, с такой же азотной составляющей, равной 0.025 мг/л, на потребление всего аммония потребовалось 3,9 часов. Когда исследователи увеличили концентрацию азота, то разница оказалась еще больше. На поглощение 13 мг/л азота в виде нитратов требовался 71 час, а на потребления того же количества азота, представленного аммонием, потребовалось всего 4,3 часа.
По-видимому, на потребление нитратов водные растения затрачивают больше сил, чем на потребление аммония. Например, водяной салат в темноте потреблял нитраты гораздо медленнее, чем на свету, зато он потреблял аммоний с одинаковой скоростью, как в темноте, так и на свету. Это говорит о том, что поглощение нитратов требует больше энергии, чем поглощение аммония.
Максимальное поглощение водяным салатом нитратов не происходило до тех пор, пока растения не приспосабливались к чистым нитратам, что занимало у них 24 часа. Наличие аммония вообще предотвратило бы потребление нитратов.
Исследователи помещали растения в колбы со все увеличивающейся концентрацией азота (N), представленной либо чистыми нитратами, либо чистым аммонием. Предполагалось, что на 1л раствора будет приходиться 1 г сухой массы растения, и что раствор будет постоянно перемешиваться.
Фактически, аммоний подавляет поглощение и усвоение нитратов растениями, водорослями и грибами. Например, водоросли не поглощают нитраты, если концентрация аммония превышает примерно 0,02 мг/л. Поглощение нитратов ряской быстро прекращается, когда к растворам питательных веществ добавляется аммиак. Это подавление обычно обратимо, потому что растения начинают принимать нитраты через день или два после того, как весь аммоний удаляется из воды. Можно сделать предположение о защитном механизме растений от затрачивания лишней энергии на потребление нитратов.
Растения могут использовать нитриты в качестве источника азота, но аквариумистов больше интересует вопрос, будут ли они сначала потреблять токсичные нитриты, до того, как примутся за нетоксичные нитраты? Я не смогла найти в литературе достаточного количества исследований, чтобы дать однозначный положительный ответ на этот вопрос. Однако, химическое восстановление нитритов до аммония требует меньше энергии, чем химическое восстановление нитратов до аммония. Растение должно преобразовать нитриты и нитраты в аммоний, прежде чем сможет использовать его для строительства своих белков. Поэтому нет ничего удивительного в том, что выращиваемая в средах с нитратами и нитритами, Spirodela oligorrhiza преимущественно потребляя нитриты.
Если бы растениям больше нравилось получать аммоний корневым питанием из грунта, а не листовым из воды, то их способность удалять аммиак и тем самым защищать наших рыбок, была бы весьма сомнительна. К счастью для аквариумистов, растения, похоже, больше любят получать питательные вещества из воды, чем из грунта. К примеру, в эксперименте с морской Zostera marina, помещенной в разделенную камеру, поглощение корнями уменьшалось на 77%, когда в область листьев добавлялся аммоний. В то же время, когда аммоний добавлялся в область корней, листовое питание не уменьшалось.
Эксперименты с другими видами растений подтвердили вышеупомянутые выводы. Морская водоросль Amphibolis antarctica, по-видимому, может потреблять аммоний листьями в 5 – 38 раз быстрее, чем корнями. А Уруть колосо?вая (лат. Myriophyllum spicatum) высаженная в питательный субстрат, но без какого-либо аммония в воде, истончалась. Если в воду добавляли аммоний (0,1 мг/л в пересчете на азот), то растения потребляли больше азота из воды, чем из грунта.
Было обнаружено, что несколько водных растений (Cитник луковичный Juncus bulbosus, сфагнум извилистый Sphagnum flexuosum, полеви?ца соба?чья Agrostis canina и дрепанокладус плавающий Drepanocladus fluitans) на 71 – 82% получают аммоний через листья, а корни принимают в этом лишь незначительное участие. Аквариумистам, подкармливающим свои растения корневыми таблетками необходимо учитывать этот факт. В прудах и аквариумах растения должны иметь возможность восполнять свои потребности в азоте аммиаком, выделяемом рыбами. Более того, азот, добавленный в субстрат может быть вредным. Аммоний токсичен для корней. Даже нитраты, добавленные в корневые таблетки, могут стать причиной проблем. Это происходит, потому что бактерии в грунте быстро превращают нитраты в ядовитые нитриты.
Все фотосинтезирующие организмы - и растения, и водоросли, для производства белков используют азот из аммония, но не из нитратов. Если растение потребляет нитраты, то ему сначала необходимо превратить их в аммоний, на что требуется затратить энергию. Такой процесс называется нитратным восстановлением.
Нитратное восстановление, по-видимому является зеркальным отображением бактериального процесса нитрификации. Нитрифицирующие бактерии получают энергию, необходимую для их жизненных процессов, исключительно от окисления аммония до нитратов. От двухступенчатой нитрификации общий выход энергии составляет 84 ккал/моль. Вот уравнение реакции нитрификации:
NH4+ + 2O2 >> NO3- + H2O + 2H+
Теоретически, растения должны затрачивать такое же количество энергии (83 ккал/моль) на превращение нитратов в аммоний в двухступенчатом процессе восстановления нитратов. Уравнение нитратного восстановления:
NO3- + H2O + 2H+ >> NH4+ + 2O2
Энергия, необходимая для восстановления нитратов, эквивалентна 23,4% энергии, получаемой при сжигании глюкозы.
Таким образом, если нитрифицирующие бактерии в биологических фильтрах превращают весь доступный аммиак в нитраты, то растения вынуждены платить за энергию, необходимую для превращений нитратов обратно в аммоний.
Многие любители аквариумов неверно представляют себе азотный цикл, при котором нитрифицирующие бактерии превращают аммоний в нитраты, которые в свою очередь являются питательными веществами, доступными растениям. Азотный цикл скорее надо представлять, как цикл, в котором бактерии и растения конкурируют между собой за доступ к аммонию. Нитратами же растения питаются только от нужды, когда аммоний совсем отсутствует. Таким образом нитраты могут накапливаться даже в засаженных растениями аквариумах и прудах.
Нитрификация, усиленная фильтрами, необходима для защиты рыбы от токсичного аммиака в аквариумах без растений. Аквариумы же с растениями - это совсем другая тема. Фактически растения предоставляют нитрифицирующим бактериям чрезвычайно большую площадь поверхности для поселения. Как было установлено, заросшие растениями площади (в отличие от областей без растений) природных водоемов: рек, озер и т.д., обеспечивают экспоненциально большее число мест поселений бактерий. Можно быть уверенным, что вся поверхность каждого листа и стебля растений в установившемся аквариуме, покрыта слоем нитрифицирующих (и других) бактерий.
Я удивилась тому, как мало биологической фильтрации действительно необходимо моему растительному аквариуму. Когда я постепенно уменьшала ее, удаляя из канистрового фильтра наполнитель, рыбы продолжали чувствовать себя прекрасно. Наконец, спустя годы, сделала решающий шаг и удалила внешний фильтр совсем, оставив одну дешевую внутреннюю помпу для течения. Рыбы никогда не болели. Растительный аквариум сам по себе является фильтром!
Таким образом, водные растения - это гораздо больше, чем украшение аквариума или элементы аквадизайна. Они удаляют аммиак из воды. Более того, они удаляют его за несколько часов. При запуске аквариума нет нужды ждать 8 недель пока пройдет «синдром нового аквариума». (Нитрифицирующим бактериям требуется несколько недель на то, чтобы утвердиться на новом месте и сделать биологическую фильтрацию полностью работоспособной.) Я таким образом несколько раз запускала новые аквариумы с рыбами и растениями одновременно.
Итак, в научной литературе имеются значительные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что водные растения в качестве источника азота в большей степени предпочитают аммиак, а не нитраты. Даже имея в изобилии нитраты, растения будут 24 часа в сутки анализировать воду в поиске аммония. Они ускоряют удаление аммония даже просто одним своим присутствием, предоставляя нитрифицирующим бактериям места обитания.
Надеюсь эти факты объясняют почему так важны растения в аквариуме для здоровья его обитателей.
(Большая часть этой статьи была взята из книги Дианы Вальштад «Экология растительного аквариума».)
