Откуда берется энергия нитрифицирующих бактерий?

Особенности нитрифицирующих бактерий (нитрификаторов)

Живые организмы по типу питания подразделяются на автотрофы и гетеротрофы. Последние самостоятельно строят новые элементы из углекислоты и других неорганических веществ. Нитрифицирующие бактерии являются известной формой жизни, часто использующейся в быту и хозяйстве. Эти виды входят в состав очищающих устройств для аквариумов.

Нитрифицирующие бактерии используются для очистки аквариума

Основная характеристика

Источники энергии, поддерживающие условия жизни организмов, определяют их деление на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы, которые зависят от солнечной энергии и минеральных компонентов. В зависимости от окислителя хемоавтотрофа, выделяют водородные и нитрифицирующие бактерии, серо- и железобактерии.

Предназначение и классификация

В начале XIX века ученые доказали, что нитрификация относится к биологии. Для этого к сточным водам они добавляли хлороформ.

Среди автотрофов, производящих сложную органику из простых неорганических молекул, известны организмы, применяющие энергию. Это водоросли, бактерии, вырабатывающие органические вещества из углекислого газа и воды. Присутствие автотрофов обусловлено наличием кислорода и невысокой влажностью.

Нитрифицирующие бактерии имеют большое значение в сельском хозяйстве

Организмы, принимающие энергию от окисления и восстановления (хемоавтотрофы), выявлены среди бактерий. По физиологическим, биологическим и химическим свойствам и значению эти микроскопические организмы представляют интерес для отдельных сфер сельского хозяйства.

Во время исследования завершался процесс окисления аммиака. Виноградский разделил нитрификаторы на бактерии, исполняющие первый этап этого процесса (окисление аммония до азотистой кислоты), и второй — переход этой кислоты в азотную. Грамотрицательные бактерии относятся к нитробактериям.

Представители первой фазы Nitro:

  • Somonas (Сомонас);
  • Socystis (Сосайстис);
  • Solobus (Солобус);
  • Sospira (Соспира).

Больше изучен вид Сомонас, хотя создание настоящих культур представляется сложным. Клетки овальной формы, размножаются образованием дочерних прокариотов из материнской клетки. В результате развития микроорганизмов в жидкой среде имеются подвижные формы с несколькими жгутиками и недвижимой зооглеей.

Нитрососайстис характеризуются круглой формой, размером до 2 мкм. Некоторые представители достигают 10 мкм. Передвигаются благодаря одному жгутику, образуют зооглеи и цисты. Нитросолобус равен 1−1,5*1−2,5 мкм. Клетки делятся на части, и поэтому внешняя форма неправильная.

Клетки Nitrosospira палочковидные или извивающиеся, размером 0,9−1*1,5−2,60 мкм, имеют до 5 жгутиков.

Бактерии имеют размер 0,9−1*1,5−2,60 мкм

Бактерии второй фазы Nitro:

  • Bacter (Бактер);
  • Spina (Спина);
  • Coccus (Кокус).

Пагубное влияние органических веществ на хемоавтотрофные организмы отмечено и в исследованиях ученых. Они не применяют экзогенные органические элементы и называются облигатными автотрофами. Применять отдельные соединения бактерии могут с ограниченными возможностями.

Улучшается рост Нитробактер при наличии нитрита дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутамата и серина, если они в слабой концентрации вносятся в среду.

Основное строение нитрификаторов:

  • Сформированная система мембран в виде стопки в центре клетки, посередине.
  • Чашеподобная структура, состоящая из нескольких листиков.

Клетки Nitrobacter по виду напоминают грушу. Размножаются путем почкования. Информация о бактериях Нитроспина и Нитрококус ограничена.

По строению клеток изученные бактерии аналогичны другим грамотрицательным микроорганизмам. У некоторых есть сформированные системы внутренних мембран, создающих стопку в середине клетки (Нитрососайстис), размещаются параллельно мембране цитоплазме (Нитросомонас) или формируют чашеподобную структуру из слоев (Нитробактер Виноградский). Кислород важен для окисления аммония в азотную кислоту:

По строению клеток изученные бактерии аналогичны другим грамотрицательным микроорганизмам

Нитробактер и Нитросомонас воссоздают нитриты с аммонием. Наряду с нитрифицирующими хемотрофами существуют гетеротрофы, имеющие похожие процессы.

Обратите внимание

К ним относятся грибы из рода Фусамм и бактерии Алкалигенес, Соринебактериум, Ахромоба-ктер, Псеудомонас, Арфробактер. Нокардиа окисляет аммоний с созданием гидроксиламина, нитритов и нитратов. В итоге образуется гидроксамовая кислота.

Азот является важным элементом, входящим в состав нуклеиновой кислоты и белка. Величины гетеротрофной нитрификации огромные. Создаются продукты с токсичным, ядовитым, канцерогенным, мутагенным действием и с химиотерапевтическим эффектом. По этой причине изучению процесса и выяснению его значения для гетеротрофных культур уделено большое внимание.

Образование химических соединений для создания энергии является хемосинтезом, благодаря которому растут и развиваются клетки. Хемоавтотрофные типы распространены в природе и наблюдаются в почве и водоемах. Производимые ими процессы совершаются в огромных масштабах и имеют важнейший смысл в круговороте азота.

Ученые прошлого века считали, что производительность нитрификаторов обогащает почву, поскольку они трансформируют аммоний в нитраты, которые легко всасываются растениями, а также увеличивают усвоение минералов. Растения, усваивая аммонийный азот и ионы аммония, лучше хранятся в почве, чем нитраты. Образовавшиеся нитраты подкисляют среду обитания, обедняют состав почвы по количеству азота.

Питание микроорганизмов

Бактерии нитрификаторы являются автотрофами, так как не используют экзогенные органические вещества. Основа с дрожжевым аутолизатом, серином и глутаматом в низкой концентрации влияет на рост бактерий. Это происходит из-за нитрита, находящегося в питательной среде. Окисление ацетата сокращается, но возрастает добавление его углерода в белок, аминокислоты и прочие компоненты.

В результате проведенных исследований получена информация о том, что бактерии переходят на гетеротрофное питание.

Среда обитания и опасность

Нитрифицирующие бактерии распространены в окружающей среде. Они присутствуют в грунте, разных субстратах и водоемах. Процесс их функционирования вносит существенный вклад в общий этап движения азота в природе.

Нитрификаторы обитают в простой минеральной среде, содержащей окисляемый субстрат в виде аммония, нитритов и углекислоты.

Нитрифицирующие бактерии довольно распространены в окружающей среде

В окружающем мире микроорганизмы обрабатывают неорганические вещества и создают условия для питания растений в грунте. Источником энергии для животных является флора. Человек питается растениями и животными. Остатки жизнедеятельности флоры и фауны служит пищей для бактерий. Круговорот замыкается.

Такой микроорганизм, как Нитрососайстис, выделен из вод Атлантики. Он относится к облигатным галлофилам и обитает в соленой среде. Уровень pH (реакция водорода) для роста бактерий равен 8,7, а оптимальное значение составляет 7,5.

Среди вида Сомонас распространены типы, имеющие температурный режим при 26 или около 40 °C, и штаммы, быстрорастущие при 4 °C. Благоприятным климатом является среда обитания (вода) 24−27 градусов. Должен быть устойчивый доступ кислорода и наличие водной растительности.

Простейшие бактерии относят к облигатным аэробам. Для окисления аммония в азотистую кислоту, а азотистой кислоты в азотную им необходим кислород. Место обитания не должно содержать органических соединений. В исследованиях подтверждено губительное действие глюкозы, гербицидов, мочевины, пептона, глицерина и другой органики на бактерии.

Простейшие бактерии относят к облигатным аэробам, тк им нужен кислород для переработки аммония

Некоторые штаммы нитробактерий при наличии органического составляющего окисляют аммоний, создавая гидроксиламин, нитриты и нитраты. Вследствие таких реакций появляются гидроксамовые кислоты. Бактерии выполняют процесс нитрификации разных соединений, в состав которых входит азот.

Объемы гетеротрофной нитрификации при особых обстоятельствах могут быть губительными. Опасность состоит в том, что образуются токсины, мутагены и канцерогены.

Применение в различных сферах

Использование в различных областях нитрифицирующих бактерий вносит свои достоинства и недостатки. Микроорганизмы создают благоприятные условия для обитания рыб в аквариуме, обогащения почвы, а также сельскохозяйственных процессов.

Биологический фильтр для аквариума

Нитробактерии играют важную роль в превращении токсического аммиака в нитраты. Это важно при запуске нового аквариума. Эти микроорганизмы составляют небольшую долю бактерий и являются биофильтром.

Они размножаются на любой поверхности (наполнитель фильтра, грунт или растения). Если водорослей в аквариуме находится большое количество, тогда аквариум полностью считается биофильтром.

Важно создать благоприятную обстановку для размножения полезных бактерий.

Нитробактерии превращают токсический аммиак в нитраты

Сократить популяцию бактерий в аквариуме могут дефицит кислорода, избыток углекислоты, снижение pH и использование дезинфекторов. Нитрифицирующие бактерии растений лишают питания водорослей. Живые бактерии для аквариума применяются во время подготовки резервуара к использованию.

Важность микроорганизмов велика, ведь они очищают воду от загрязнений, биологических и органических остатков, отложений и испражнений. Поэтому микрофлора в резервуарах, где они обитают, идеальная.

Нитрифицирующие бактерии — главные очистители обитаемых помещений с рыбками и моллюсками. Они активно размножаются в среде, насыщенной аммонием, нитритами, азотом и аммиаком.

Важно

Для запуска аквариума используются препараты марки «Сера», содержащие в составе живые нитрификаторы и вулканическую пыль — безупречную среду для скорейшего размножения и роста. Этот субстрат оседает на дно и становится частью грунта. В аквариум заселяются сразу несколько бактерий.



Большая часть продукции, поставляемой в специализированные зоомагазины, содержит культуры гетеротрофных бактерий.

Значение для сельского хозяйства

С целью повышения урожайности аграрии применяют всевозможные удобрения, содержащие нитрифицирующие бактерии.

Почва является идеальным субстратом для процессов роста, размножения растений и живых организмов, поэтому важно поддерживать ее правильное содержание и комплексный состав.

Биологическую обработку грунта проводят природные чистильщики — нитрифицирующие бактерии. Для них не обязателен доступ веществ из внешней среды — они могут вырабатывать их автономно. Например, автотрофным зеленым растениям нужен солнечный свет, а для нитробактерий безразличен.

Присутствуя в почве, перегное или водной среде, они превращают выделяемый аммиак в нитраты (соль азотной кислоты). Каждый этап проводится с помощью разных бактерий.

Биологическую обработку грунта проводят природные чистильщики — нитрифицирующие бактерии.

Процесс перехода аммиака в нитраты:

  • Окисление аммиака до нитрита. Этот процесс происходит не одним типом бактерий, а разными. Одни виды микроорганизмов превращают в нитрит, а другие — в нитрат. Важным условием должна быть температура от 4 градусов, влажность и обилие кислорода.
  • Окисление нитрита в нитрат.

Нитрификаторы положительно влияют на почву, повышая ее плодородность за счет расщепления аммония. Однако учеными выявлено также негативное влияние. Бактерии подкисляют почву, что не является благоприятным моментом, а также насыщают почву ионами аммония. Впоследствии почва истощается по количеству полезных веществ.

Энергетическим источником для хемотрофов являются разнообразные минеральные вещества. Экосистема создается искусственно, но для удачного развития запускают установленные процессы, регулировкой которых занимаются жители резервуара, например, аквариума.

Несмотря на крошечные размеры, эти живые организмы влияют на окружающий мир. Нитробактерии распространены в почвах, морской и пресной воде, играют важную роль в переработке сточных вод.

Источник: https://rybki.guru/kormlenie/nitrifikatorov.html

Бактерии в аквариуме как биофильтр и важный элемент баланса

Aquascape Promotion > Статьи об акваскейпинге > Бактерии как биофильтр для аквариума.

Почему-то так сложилось, что в литературе и на многих Интернет-ресурсах, когда поднимается вопрос о бактериях и биофильтрах в аквариуме, то в первую очередь пишут о нитрифицирующих бактериях.

Да, эти бактерии играют ключевую роль в превращении токсичного аммиака/аммония в нитраты и это особенно важно на этапе запуска нового аквариума, в первый месяц-два. Однако эти бактерии составляют лишь небольшую долю микроорганизмов в аквариуме и превращение аммония в нитрат это всего лишь одна функция бактерий из множества.

О большинстве бактерий многие аквариумисты даже не имеют представления. В этой статье описаны виды и функции наиболее важных представителей микрофлоры водных сред.

Что такое биофильтр для аквариума?

Фактически бактерии и являются биофильтром. Ошибочно считать, что какие-то особые наполнители фильтра могут выполнять функцию биофильтра. До тех пор, пока на поверхности наполнителя не поселятся бактерии, такой фильтр не может называться биофильтром.

Читайте также:  Патогенные или болезнетворные микроорганизмы – причина инфекционных заболеваний

Без бактерий такие фильтры могут являться только механическими, которые собирают мелкие частицы. Более того, бактериям все равно на какой поверхности селиться. Они размножаются на любых безопасных для них поверхностях. Это может быть не только наполнитель фильтра, а и грунт и даже растения.

Если растений много, то они образуют большую поверхность. Поэтому весь аквариум и есть биофильтр.

Совет

Еще для понимания того как устроен микромир в аквариуме нужно отказаться от мысли, что бактерии это субстанция, которую можно добавить в аквариум или фильтр и сколько ее добавишь, столько ее в аквариуме и будет. Нужно знать две вещи: 1) Практически все бактерии, которые нужны в аквариуме, есть в нем; 2) Бактерии размножаются очень быстро от микроскопической колонии до миллионов.

Соответственно, добавление именно бактерий в аквариум не всегда обязательно. Ведь они с очень большой вероятностью в нем уже есть. Они вокруг нас, в воздухе, в воде, на поверхностях. И нужно очень постараться, чтобы не запустить бактерии в аквариум.

Тогда возникает вопрос — а что же содержится во всех препаратах, которые предложены на рынке аквариумистики? Как правило эти препараты содержат питание для бактерий, некоторые энзимы, стимулирующие рост бактерий и цисты (пассивное состояние) самих бактерий. Добавление этих препаратов создает благоприятные условия для развития бактерий, которые, как правило, уже есть в аквариуме.

К их числу относится и препарат AQUAYER Биостартер, который содержит питание для бактерий в аквариуме и цисты самих бактерий разных видов.

Теперь понятно, что важно не поместить бактерии в аквариум, а создать условия для их размножения, дать им питание. Именно питание для бактерий есть ключевым в понимании биобаланса в аквариуме. И в зависимости от того какое питание присутствует в определенных зонах аквариума, в этих зонах поселяются соответствующие виды бактерий, каждый их которых выполняет свою функцию.

Основные виды бактерий в аквариуме и их функции

До 60% бактерий в аквариуме это Actinobacteria. Эти бактерии разлагают такие органические полимеры как хитин (от беспозвоночных) и целлюлозу (от растений) до более простых органических соединений. В аквариуме актинобактерии формируют ил, который нужен растениям.

Большинство актинобактерий аэробы, то есть для их жизнедеятельности нужен кислород. Поэтому поселяются эти бактерии в зонах с хорошей циркуляцией воды: верхние слои грунта, фильтр(внешний или внутренний), поверхности растений, стекол.

К продуктам жизнедеятельности этих бактерий относятся органические вещества, ответственные за запах чернозема и того, что некоторые опытные аквариумисты называют «запахом здорового аквариума».

10-20% бактерий в аквариуме это Betaproteobacteria, к которым также относятся и нитрифицирующие бактерии. Среди этих бактерий встречаются аэробы и факультативные анаэробы (могут применять кислород, а могут и обходиться без него). Этот вид бактерий играет важную роль в азотном цикле, трансформируя аммоний в нитрит, а потом в нитрат.

Около 10% бактерий в аквариуме это анаэробы, которые могут получать кислород не из газообразного кислорода, а расщеплять молекулы, которые содержат кислород. В аквариуме эти бактерии обитают в анаэробных зонах, обычно это нижние слои грунта, куда поступает мало кислорода.

Среди этих бактерий наиболее интересными являются Paracoccus denitrificans, потому как они ответственны за целый ряд биохимических процессов в аквариуме. В первую очередь эти бактерии могут снижать уровень нитратов в аквариуме, превращая его в газообразный азот. Этот процесс называется денитрификацией.

Именно в процессе денитрификации эти бактерии получают кислород:

Свойство этих бактерий снижать концентрацию нитратов активно используется в морской и пресноводной аквариумистике аквариумистике. Для ускорения денитрификации в морском аквариуме в качестве подкормки можно использовать не что иное, как обычную водку.

Бактерии потребляют этанол как источник углерода, а для анаэробного дыхания потребляют нитрат. При этом еще снижается и уровень фосфатов, так как фосфаты нужны бактериям как строительный материал клеток. Ничего не добавляя в растительный аквариум эти бактерии хоть и незначительно, но будут снижать нитраты и фосфаты, если для этого будут благоприятные условия.

Ведь источником углерода для них могут быть углеводы из клеток отмерших листьев аквариумных растений. Для пресноводных аквариумов без растений, например, с цихлидами и другой крупной рыбой, в качестве стимуляции денитрификации можно использовать AQUAYER NO3 минус. При определенном питании эти бактерии могут даже повышать карбонатную жесткость.

Важным полезным свойством этих бактерий является их всеядность. Они могут потреблять в качестве источника углерода не только спирты и углеводы, а и многие другие органические соединения, тем самым очищая воду. Это их свойство применяется в процессе очистки сточных вод.

Простой эксперимент — «биовзрыв» в аквариуме

Для того чтобы оценить как бактерии в вашем аквариуме могут повлиять на баланс элементов в аквариуме, можно провести эксперимент с сахаром. 1 чайная ложка сахара на 100 литров аквариумной воды резко увеличит популяцию практически всех видов бактерий в аквариуме. Сахар это самый легкий для усваивания бактериями источник углерода.

В результате такого эксперимента в аквариуме в течение недели пройдет ряд процессов: 1) Аэробные бактерии снизят уровень кислорода и вы можете заметить недостаток кислорода у рыб. 2) Аэробы-нитрификаторы снизят уровень аммония и нитрита, если таковые присутствуют в воде. 3) Анаэробные бактерии снизят уровень нитратов и фосфатов.

4) Немного вырастит концентрация СО2, как продукта переработки сахара бактериями.

Следующим этапом бактерии, как стремительно увеличат популяцию также стремительно ее и уменьшат, ведь сахар они уже весь съели. При этом вода насытится продуктами их распада (органика), которые со временем перерабатываются опять же бактериями. Такой метод используют для снижения уровня нитратов и фосфатов в цихлидниках. А чтобы не нарушить баланс и не вводить в такой стресс жизнь в аквариуме, сахар добавляется меньшими порциями — не разово 1 чайную ложку в неделю, а разбив ее на 7 дней.

Как не навредить бактериям в аквариуме и что делать если навредили

Что может сократить популяцию бактерий и нарушить баланс в аквариуме? 1) Недостаток кислорода. Даже если это растительный аквариум, нужно понимать, что растения не всегда выделяют много кислорода. Если их лишить питания, то фотосинтез сильно замедляется. В итоге может резко снизиться уровень растворенного кислорода в воде.

По мере снижения уровня кислорода будет снижаться популяция бактерий аэробов. Это в свою очередь приведет к накоплению тех веществ, которые служили пищей для этих бактерий.

Концентрация кислорода в растительном аквариуме колеблется в течение суток.

Обратите внимание

При 25оС вода насыщается кислородом до 8 мг/л, но в аквариумах с большим количеством растений и активным их фотосинтезом может пересыщаться и достигать к вечеру 10 мг/л. Ночью концентрация кислорода падает до 4-5 мг/л даже при включенной аэрации, так как воздух содержит лишь 23% кислорода, а потребление кислорода ночью увеличивается.

Следует избегать падения концентрации кислорода до 2 мг/л. Малейшее волнение на поверхности воды обеспечивает поддержку концентрации кислорода в течение ночи на уровне не ниже 4 мг/л.

2) Передозировка СО2 и снижение рН. Кислая вода является антисептиком, чем ниже рН тем выше ее антисептические свойства. Не всем бактериям это нравиться, поэтому лучше следить чтобы рН не был ниже значения 6.0.
3) Применения дезинфекторов. К сожалению, препараты которыми аквариумисты лечат рыб или борются с водорослями являются дезинфекторами и они сильно нарушают биофильтрацию в аквариуме. После их применения лучше провести курс восстановления с помощью биостартеров, которые уже упоминались в статье.

Конкуренция бактерий, водорослей и растений

Не только растения и водоросли являются конкурентами. Бактерии потребляют такие же макро- и микроэлементы как и растения с водорослями. Поэтому в аквариуме с работающим биофильтром реже возникают проблемы с водорослями. Бактерии с растениями просто лишают питания водоросли. Если же растения по какой-то причине остановились в росте, или популяция бактерий была снижена, например, действием дезинфекторов, то в аквариуме появляется свободное питание для водорослей. В общем, если один из этих трех участников биобаланса резко уменьшает свою биомассу, остальные участники могут ускорить рост.

Источник: https://aquascape-promotion.com/bakterii-biofiltr-aquarium

Публикации

Добавлено: 28.03.2014

Каждый владелец искусственного водоёма, населённого рыбой, желает, чтобы он был максимально похож на естественный, но при этом вода в искусственном пруду была прозрачной, высшие водные растения вокруг росли нормально, а водоросли, наоборот, чтобы сильно не развивались, рыба была здоровой. Поэтому основная задача каждого владельца искусственного водоёма, чтобы пруд выглядел замечательно – добиться баланса замкнутой экосистемы водоёма.

Почему нарушается баланс азота в искусственном водоёме??

В воду искусственного пруда постоянно попадает корм и продукты жизнедеятельности рыб. В процессе разложения этих остатков в воде образуется большое количество фосфора (P) и азота (N) в виде аммиака (NH3). Аммиак, в процессе окисления кислородом, преобразуется в нитрат (NO3). Фосфор и нитрат – это питательные вещества для растений.

Правильное планирование искусственного водоёма позволяет удерживать количество нитратов и фосфатов в воде близким к нулю – и ваш искусственный водоём чувствует себя хорошо. Неправильное планирование приводит к сбою баланса и неспособности экосистемы искусственного пруда перерабатывать все поступающие питательные вещества.

Происходит накопление их избытка и как следствие – неконтролируемый рост водорослей.

Эта опасность грозит любому виду искусственного водоёма – плавательному водоёму, декоративному водоёму, живому бассейну, садовому аквариуму, – неправильно спланированному и неправильно «настроенному» с точки зрения биологического баланса.

Азот.

Азот – важнейший элемент живой природы, поэтому важно правильно «настроить» его круговорот в любом искусственном водоёме.

Азот содержится в молекулах белка, пептидах, аминокислотах, в хлорофилле, в рибонуклеиновых кислотах, витаминах. Азот очень важен для жизни – без азота невозможен фотосинтез, образование хлорофилла, белка и продолжение рода. Азот в атмосфере находится в виде газа.

Важно

Молекула азота состоит из двух атомов азота (N2) очень сильно связанных друг с другом. Редкие живые организмы имеют «механизм», позволяющий разорвать эту связь, поэтому газообразный азот, даже растворённый в воде не участвует в обороте питательных веществ.

Вместо этого весь азот входит в оборот веществ в виде аммиака (NH3).

Откуда азот берётся в воде искусственного водоёма?

Рыбы, поедая корм, загрязняют водоём экскрементами. Растения обновляются, какие-то части их отмирают. В остатках корма, в продуктах жизнедеятельности рыб, в гниющих тканях растений, в прочих разлагающихся органических отложениях есть белок.

Всё что содержит белок, содержит и азот. Бактерии минерализуют (минерализация это разрушение органической субстанции до неорганических веществ) все перечисленные органические остатки, в результате из белка получается аммиак (NH3), который далее окисляется до аммония (NH4+).

Также, аммиак производится рыбами и выделяется в воду через их жабры, производится грибками и бактериями. Вообще аммиак это побочный продукт биологических процессов всех организмов.

Азот в виде аммиака попадает в водоём и начинается процесс, который можно назвать «круговорот азота в природе» или азотный цикл.

Читайте также:  Эта странная хеликобактер пилори и как ее лечить

Круговорот азота в природе.

Круговорот азота состоит из двух частей – нитрификации и денитрификации.

Нитрификацией называется процесс, при котором аммиак (NH3) преобразуется в нитрит (NO2), а нитрит преобразуется в нитрат (NO3).

Денитрификацией называется процесс, при котором нитрат (NO3) преобразуется в нитрит (NO2), а нитрит преобразуется в азот (N2).

Эти процессы в основном происходят в грунте искусственного водоёма.

Нитрификация.

Находящиеся в водоёме нитрифицирующие бактерии окисляют аммоний до нитрита, в результате реакции помимо нитрита получается водород и вода и выделяется энергия. Эту энергию бактерии используют для своей жизнедеятельности.

Совет

Полученный нитрит другие нитрифицирующие бактерии окисляют до менее токсичного нитрата. Оба процесса проходят в водной среде и в верхних слоях грунта, для обоих процессов нужно, чтобы в воде было большое количество кислорода.

По этой причине нитрификация – это так называемый аэробный процесс.

Большинство получившегося нитрата потребляется растениями для своего роста, часть выводится с ежедневными подменами воды, а часть участвует во втором процесс – денитрификации.

Денитрификация.

Денитрификация – это процесс анаэробный, проходящий без потребления кислорода. Если нитрификация проходит в воде и в верхних слоях грунта, то денитрификация проходит в нижних слоях грунта водоёма, куда не попадает кислород.

Одни микроорганизмы, находящиеся в грунте, преобразуют нитрат (NO3), полученный в процессе нитрификации, в нитрит (NO2). Другие, находящиеся в грунте микроорганизмы – денитрифицирующие, преобразуют нитриты в газообразный азот (N2), который покидает водоём.

И те и другие бактерии в этих процессах получают из соединений азота кислород для своей жизнедеятельности.

Баланс разных культур бактерий в грунте.

В грунте живут культуры множества бактерий. Есть бактерии анаэробные, а есть те, что в зависимости от содержания кислорода в воде становятся или аэробными, или анаэробными. Аэробные бактерии не только поставляют нитрат для анаэробных, но и благодаря большому потреблению кислорода создают умеренноанаэробные условия.

Возникает взаимновыгодный обмен между двумя типами бактерий живущих в нескольких сантиметрах верхнего слоя грунта (поэтому беспокоить субстрат в водоёме чисткой грунта водным «пылесосом» крайне нежелательно). Анаэробные бактерии разлагают нитрат до газообразного оксида азота [NO] – безвредного газа.

Он растворяется в воде и выветривается в атмосферу, завершая круговорот азота.

Часть нитрата превращается анаэробными бактериями обратно в нитрит и аммоний.

Если азот в этом случае не будет употреблен корнями растений, он превращается бактериями в газ азот [N2], химически инертный и безвредный, который растворяется в воде и выветривантся обратно в атмосферу.

Обратите внимание

Со временем процессы выравниваются, и денитрификация протекает одновременно с нитрификацией в грунте в анаэробных зонах.

Важно!

Корни водных растений способны доставлять кислород в грунт, уничтожая анаэробные зоны. В субстрате из крупного гравия вообще не будет анаэробных условий. В субстрате, составленном из гравия разного размера вероятнее всего будут образовываться локальные бескислородные зоны, в которых возможно протекание денитрификации.

Конкуренция за аммоний.

Лабораторные тесты показали, что растения и водоросли НЕ потребляют нитрат в заметных количествах пока есть аммоний.

Не стоит беспокоиться о полной нитрификации потому что в водоёме с большим количеством растений, любая дополнительная конкуренция за азот (в составе аммония) будет ухудшать рост растений.

Слишком активное преобразование бактериями аммония [NH4+] в нитрит [NO2] отнимает основной источник азота для питания растений.

Влияние уровня pH воды на круговорот азота.

Уровень pH играет решающую роль в нитрификации: интенсивнее этот процесс протекает при pH более 7,2 и достигает своего максимума при pH=8,3.

При pH менее 7,0 интенсивность нитрификации составляет 50%, при pH=6,5 только 30%. Таким образом в водоёме в котором pH=6.8-7.

2 создаются благоприятные условия для потребления аммония [NH4+] именно растениями, а не нитрифицирующими бактериями в грунте и фильтре.

Нитрифицирующие бактерии плохо конкурируют за кислород с бактериями разлагающими органику в грунте – теми, что образуют “биологическую потребность в кислороде”, что еще больше увеличивает шансы растений употребить весь доступный аммиак [NH3] раньше нитрифицирующих бактерий.

Важно

В искусственном водоёме с большим количеством растений при pH=6.8-7.2 почти весь образовавшийся аммоний будет потреблен растениями до того, как его успеют переработать нитрифицирующие бактерии. Этим растения способствуют снижению уровня нитратов. Позднее при подрезке растений азот (нитраты) выведется из водоёма.

Вред, наносимый аммиаком.

Аммиак (NH3) ОЧЕНЬ токсичен для рыб, уже при содержании аммиака всего около 0,05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Со временем оно становится необратимым. Поэтому важно, чтобы как можно быстрее попавший в воду аммиак преобразовался бактериями во много раз менее токсичное соединение – аммоний (NH4).

Процесс преобразования аммиака в аммоний зависит от pH фактора воды. С падением pH все больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний, например, при понижении pH на один градус токсичного аммиака становится в десять раз меньше. При pH=7.0 аммиака примерно 0,33%, при pH=6.0 – только 0,03%.

На деятельность нитрифицирующих бактерий, которые окисляют аммиак, также влияют температура воды и концентрация в воде кислорода.

Чем выше температура – тем больше доля токсичного аммиака. При 28 градусах в воде содержится вдвое больше токсичного аммиака, чем при 20 градусах (при равном pH).

Нитрифицирующие бактерии требуют много кислорода. Для протекания нитрификации содержание кислорода в воде должно быть не менее 1 мг/л.

Для обогащения воды кислородом используются аэраторы, которые подбираются исходя из объёма искусственного водоёма.

Оценка количества, попадающего в воду, азота.

Белки в среднем содержат 16% Азота. Чтобы посчитать сколько Азота вы вносите в аквариум с кормом для рыб, посмотрите содержание белка в корме, посчитайте его массу и умножьте на 0,16.

Совет

Вы получите количество азота в данном корме. Например, если на банке корма массой 1 кг. написано, что в корме содержится 48% белка, это значит, что в данной банке 1000 х 0,48 = 480 грамм белка, который содержит 16% азота, т.

е. – 480 х 0,16 = 76,8 грамм азота.

Плюс к этому азот, получаемый из продуктов жизнедеятельности рыб и от гниющих остатков растений.

При неправильном планировании искусственного водоёма биологические процессы не нормализуются, и поступивший в пруд азот начинает потребляться водорослями. При этом, из 1 грамма азота получается до 3-х килограммов биологической массы. Ваш искусственный водоём быстро превращается в болото!

Подводя итоги.

Для того чтобы процессы в Вашем водоёме нормализовались быстрее необходимо учесть и провести следующие действия:

– запланировать достаточную зону регенерации – площадь зоны должна соответствовать площади открытой воды для купания

– при засыпке зоны регенерации использовать грунт разных фракций, для создания условий нормального существования анаэробных бактерий

– засадить зону регенерации достаточным количеством высших водных растений

– внести в воду комплекс прудовых бактерий

– создать условия для нормальной аэрации воды – фонтаны, аэраторы, циркуляция воды – ручьи, каскады

– не производить механическую очистку дна водоёма, чтобы не нарушить условия существования анаэробных бактерий

– вовремя осуществлять подрезку высших водных растений

– не добавлять в водоём химические вещества, применяемые для очистки воды в бассейнах.

– следить за pH фактором воды.

Ознакомьтесь также:

«Плавательный водоём: определение, состав, планирование, строительство»

«Растения в искусственном водоёме и вокруг него»

Источник: http://shop.gidrologia.ru/publikatsii/krugovorot-azota-v-iskusstvennom-vodoeme.html

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 3

Р’СЃРµ известные нитрифицирующие бактерии являются облигатными аэробами.  [31]

Вследствие жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий содержание аммиака в водоемах снижается при одновременном образовании нитратов.

Повышенное содержание аммиака РІ поверхностных водах объясняется СЃРїСѓСЃРєРѕРј РІ РЅРёС… бытовых сточных РІРѕРґ Рё некоторых промышленных РІРѕРґ, содержащих значительные количества аммиака или солей аммония, являющихся отходами производства.  [32]

При развитии нитрифицирующих бактерий в среде постепенно появляются азотистая и азотная кислоты.

�х содержание со временем возрастает.

Образование окисных соединений азота рекомендуется проверять РЅР° 5 – 7 – Р№ день после посева Рё вторично-РЅР° 14 – 15 – Р№ день.  [33]

Р’ распределении нитрифицирующих бактерий наблюдается обратная картина, количество РёС… увеличивается СЃ глубиной загрузки, достигая максимума РІ нижних слоях.  [34]

Для адаптации нитрифицирующих бактерий I фазы берется среда СЃ аммонийно-магнезиальным фосфатам.  [35]

Обратите внимание

Для адаптации нитрифицирующих бактерий II фазы берется среда Виноградского для нитробактера.  [36]

Данные относительно таких нитрифицирующих бактерий, как Nitrospina gracilis Рё Nitrococcus mobilis, РїРѕРєР° весьма ограниченны.  [37]

Получение чистых культур нитрифицирующих бактерий представляет – значительные трудности РІРІРёРґСѓ того, что трудно избавиться РѕС‚ РёС… спутников, Р° сама чистая культура зачастую через несколько пересевов теряет СЃРІРѕСЋ активность.  [38]

Для количественного учета нитрифицирующих бактерий 1 – Р№ Рё 2 – Р№ фаз были использованы среды Виноградского, денитрифицирующих-среда Гильтея, сульфатредуцирующих – среда Тау-СЃРѕРЅР°.  [39]

Эффективность использования энергии нитрифицирующими бактериями очень невелика [ 5 % для реакции ( 39) Рё 7 % для реакции ( 40) ], поэтому для усвоения 1 моля углекислоты РёРј необходимо окислить соответственно 35 молей аммиака Рё 101 моль азотистой кислоты.  [40]

РћСЃРѕР±СѓСЋ РіСЂСѓРїРїСѓ хемосинтетиков образуют нитрифицирующие бактерии. РћРЅРё получают энергию Р·Р° счет окисления таких соединений, как аммиак, РІРѕРґРѕСЂРѕРґ, без участия энергии Солнца.  [41]

По строению клеток исследованные нитрифицирующие бактерии похожи на другие грам-отрицательные микроорганизмы.

Видимо, с этими образованиями связаны ферменты, участвующие в окислении нитрификато-рами специфических субстратов.

 [42]

Важно

Следует отметить, что нитрифицирующие бактерии не являются единственными хемоавтотрофными организмами, которые могут оказывать влияние на ВПК.

Бактерии, использующие Рќ2, бесцветные серобактерии, использующие H2S, S Рё 52РћР“2 – Рё железобактерии, использующие Fe 3 РІ качестве РґРѕРЅРѕСЂРѕРІ электронов, также обладают этой способностью.

Однако количество указанных источников энергии обычно не столь значительно и не вызывает значительного истощения кислорода.

�спользование сульфата в качестве источника кислорода следует расценивать как признак неблагоприятных условий, так как по крайней мере на дне принимающей реки при этом должен быть анаэробиоз.

Аэробный автотрофный метаболизм, ведущий Рє образованию связанного кислорода, следует рассматривать как показатель истощения доступных запасов кислорода РІ принимающей реке.  [43]

�з автотрофных бактерий общеизвестны нитрифицирующие бактерии, окисляющие соли аммония в азотную кислоту.

Рљ ав-тотрофам относятся также железобактерии, превращающие закисные соли железа РІ гидрат РѕРєРёСЃРё железа, Рё серобактерии, вызывающие окисление серы РІ серную кислоту.  [44]

Как уже отмечалось, нитрифицирующие бактерии являются автотрофами и не нуждаются в органических веществах. Углерод ассимилируется ими из углекислоты воздуха.

Совет

Окислительный процесс, осуществляемый нитрификаторами, имеет энергетическое значение. Получаемая при этом энергия используется бактериями для жизненных процессов.

 [45]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id141357p3.html

азотный цикл

Задача аквариумиста – добиться баланса замкнутой экосистемы аквариума, чтобы весь Азот (в виде аммиака [NH3]) и Фосфор поступающие с кормом для рыб потреблялись растениями для роста, а остатки не окисленной органики и избыток образовавшихся нитратов [NO3] выводились из аквариума с подменой воды¬ и стрижкой растений.

При этом нужно достичь уровня нитратов и фосфатов близкого к нулю. Неспособность экосистемы аквариума переработать все поступающие питательные вещества является причиной накопления их избытка, дисбаланса пропорции N-P-K и роста водорослей. Практически, для аквариума балансирование количества азота (т.е. аммиака [NH3]) в течение недели выглядит так: число кормлений в нед.

х содержание азота в корме ~= удаление азота подрезкой растений + (концентрация в воде х подмена воды).

Основными условиями удаления избытка аммиака [NH3] из аквариума является высокоэффективная биологическая фильтрация¬ и правильный субстрат¬ создающий оптимальные условия роста нитрифицирующих бактерий.

Понять как происходит разложение аммиака [NH3] и биологическая фильтрация поможет знание Азотного Цикла и Redfield ratio¬.

Круговорот Азота – важнейшая часть круговорота веществ в живой природе. Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, в хлорофилле, в рибонуклеиновых кислотах, витаминах.

Без Азота невозможен фотосинтез, образование хлорофилла, белка и продолжение рода. Азот в атмосфере находится в виде газа [N2] и состоит из двух атомов азота так сильно связанных, что очень мало живых организмов имеют технику метаболизма позволяющую их разорвать чтобы использовать для своей жизнедеятельности.

Растворенный в воде азот как и все атмосферные газы не участвует в обороте питательных веществ. Вместо этого весь Азот входит в оборот веществ как аммиак NH3.

Откуда берется Азот?

Обратите внимание

Мы постоянно поставляем Азот в аквариум с кормом для рыб*. Все что содержит белки содержит и Азот. Белки в среднем содержат 16% Азота. Белка в корме обычно 40-50%.

Рыбы выделяют экскременты в которых содержится 20-50% аммиака [NH3].

Аммиак [NH3] это побочный продукт всех аэробных метаболизмов, включая метаболизм микроорганизмов. Он производится рыбами и выделяется через их жабры. Производится он грибками и бактериями. Аммиак также производится при разложении.

Вся разлагающаяся живая материя – остатки корма, экскременты рыб, гниющие ткани растений, прочие органические отложения содержат белки, которые разлагаются** в грунте бактериями с образованием аммиака [NH3] окисляющегося далее (при pH нитрит NO2 -> нитрат NO3 называется процессом нитрификации.
Преобразование нитрат -> нитрит -> азот называется денитрификацией.

Эти процессы в основном происходят в грунте аквариума и биофильтре.

Рассмотрим первую часть процесса подробно:

Нитрификация.

Сначала гетеротрофные бактерии¬ (Bacterium coli, Bactrium proteus, Bacterium sublitis) переводят белки в пептиды и аминокислоты.

Другие виды гетеротрофных бактерий переводят аминокислоты в амины, которые преобразуются в органические кислоты, и в конечном итоге в аммоний [NH4+]. Белки разлагаются гетеротрофами до аммония [NH4+] и нитрита, а затем автотрофами до нитрита [NO2-] по формуле:

                                   Nitrosomonas
аммоний [NH4+] + [1.

5O2] ———–> нитрит [NO2-] + [2H+] + [H2O] + энергия

Это уникальное окисление возможно только бактериями. Они используют высвободившуюся энергию для своей жизнедеятельности. Как видно из уравнения для этого процесса нужно много кислорода. Чтобы один миллиграмм аммония [NH4+] окислить до нитритов нужно 2,6 мг кислорода. Для окисления 1 мг нитритов в нитраты нужно 0,35 мг кислорода, и эта реакция протекает гораздо легче.

Далее аэробные нитрифицирующие бактерии Nitrospiramoscoviensis и Nitrospiramarina¬ окисляют нитриты [NO2] до менее токсичных нитратов [NO3].

Nitrospira moscoviensis и Nitrospira marina
нитрит [NO2-] + [0.5O2] ————–> нитрат [NO3-]

Из двух последних уравнений видно, что процесс нитрификации протекает только в среде (воде) богатой кислородом. Но это только одна – аэробная часть круговорота Азота.

Важно

В обычных условиях аквариума цикл метаболизма на этом заканчивается. Большинство нитрата потребляется растениями для своего роста, а часть выводится с еженедельными подменами воды¬. Но есть и вторая часть процесса: анаэробная (без растворенного в воде кислорода) называемая денитрификацией.

В здоровом аквариуме при правильном грунте¬ и достаточном количестве хорошо растущих растений полная анаэробность для образования цикла денитрификации возможна только на очень небольших участках глубоко в субстрате или внутри частиц грунта самого нижнего слоя из пористого материала (лава, Gravelit®, керамзит и т.п.).

Денитрификация.

“Денитрификация: Микробное преобразование (видами Pseudomonas spp.) нитрата [NO3] до газообразного азота [N2], и в меньшей степени оксида азота [N2O], которые уходят в атмосферу. Высвобождение оксида азота [N2O] вызывает беспокойство по причине влияния на слой озона атмосферы.

Денитрификация происходит только в анаэробных, с недостатком кислорода участках грунта которые обычно существуют под его поверхностью.” (Nitrogen Cycling in Wetlands by William F.

DeBusk, University of Florida, Gainesville)

Образовавшиеся в первой части азотного цикла нитраты [NO3] вовсе не являются конечным продуктом разложения аммиака [NH3]. Они используются анаэробными, денитрифицирующими бактериями для извлечения кислорода.

Часть нитратов преобразуется анаэробными обратно в нитриты, а они используются де-нитрифицирующими анаэробными бактериями, окисляясь до азота.

анаэробные бактерии
нитраты [NO3]–> нитриты [NO2] ———–> газообразный азот [N2]

В верхнем слое грунта аквариума, где много кислорода, поселяются аэробные бактерии перерабатывающие аммоний [NH4+] до нитрата [NO3.

Но уже на глубине нескольких сантиметров в грунте уже НЕдостаточно кислорода для протекания нитрификации. Здесь начинает развиваться другой вид бактерий – анаэробные, те что живут без кислорода.

В обычных канистровых и внутренних фильтрах денитрификация на данный момент невозможна. Этот процесс возможен только при отсутствии кислорода в специальных фильтрах – денитрификаторах, например производства Energy Savers Unlimited, Summit Aquatics, Marine Technical Concepts, Thiel*Aqua*Tech или Sera Biodenitartor.

Баланс разных культур бактерий в грунте.
В грунте живут культуры множества бактерий. Есть бактерии анаэробные, а есть и те что в зависимости от содержания кислорода в воде становятся или аэробными, или анаэробными.

Совет

Аэробные бактерии не только поставляют нитрат для анаэробных, но и благодаря большому потреблению кислорода создают умеренно анаэробные условия. Возникает взаимно выгодный обмен между двумя типами бактерий живущих в нескольких сантиметрах верхнего слоя грунта (поэтому беспокоить субстрат в Nature Aquarium чисткой грунта сифоном крайне нежелательно).

Анаэробные бактерии разлагают нитрат до газообразного оксида азота [NO] – безвредного газа. Он растворится в воде и выветрится в атмосферу, завершая круговорот азота.
Часть нитрата превращается анаэробными бактериями обратно в нитрит и аммоний.

Если азот в этом случае не будет употреблен корнями растений, он превращается бактериями в газ азот [N2], химически инертный и безвредный газ, который растворится в воде и выветрится в обратно в атмосферу. Со временем процессы сбалансируются и денитрификация будет протекать одновременно с нитрификацией в грунте и фильтре в анаэробных зонах.

Управлять процессом денитрификации в аквариуме практически невозможно.

Корни растений способны доставлять кислород в грунт предотвращая его от полной анаэробности. В субстрате из крупного гравия вообще не будет анаэробных условий.

В субстрате составленном из гравия разного размера¬ вероятнее всего будут образовываться локальные безкислородные (анаэробные) зоны денитрификации, что наверное будет идеальным случаем для аквариума с растениями – Nature Aquarium.

Конкуренция за аммоний.

Лабораторные тесты показали, что растения и водоросли НЕ потребляют нитрат в заметных количествах пока есть аммоний (0,02мг/л). Не стоит беспокоиться о полной нитрификации потому что в аквариуме с большим количеством растений, каким является Nature Aquarium, любая дополнительная конкуренция за азот (в составе аммония) будет ухудшать рост растений.

Слишком активное преобразование бактериями аммония [NH4+] в нитрит [NO2] отнимает основной источник азота для питания растений.

Уровень pH играет решающую роль в нитрификации: интенсивнее этот процесс протекает при pH более 7,2 и достигает своего максимума при pH=8,3. При pH менее 7,0 интенсивность нитрификации составляет 50%, при pH=6,5 только 30%. Таким образом в Nature Aquarium, в котором pH=6.8-7.2, создаются благоприятные условия для потребления аммония [NH4+] именно растениями, а не нитрифицирующими бактериями в грунте и фильтре.

Нитрифицирующие бактерии плохо конкурируют за кислород с гетеротрофными бактериями разлагающими органику в грунте – теми, что образуют “биологическую потребность в кислороде” (biological oxygen demand – BOD) что при еще больше увеличивает шансы растений употребить весь доступный аммиак [NH3] раньше нитрифицирующих бактерий.

В Nature Aquarium с большим количеством растений при pH=6.8-7.2 почти весь образовавшийся аммоний будет потреблен растениями до того, как его успеют переработать нитрифицирующие бактерии, особенно учитывая хелатирующее действие смеси лавы и торфа¬. Этим растения способствуют снижению уровня нитратов.

Позднее при подрезке растений азот (нитраты) выведется из аквариума. Подробнее о конкуренции за аммоний смотри в разделе чрезмерная биологическая фильтрация¬.

Баланс аммиак NH3/аммоний NH4+. Основной источник азота в аквариуме это аммоний [NH4+]. Но он может существовать и в форме аммиака [NH3].

Обратите внимание

Аммиак (ammonia) [NH3] ОЧЕНЬ токсичен для рыб, уже при содержании аммиака [NH3] всего около 0,05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Со временем оно становится необратимым. Но есть во много раз менее токсичная его форма – аммоний (ammonium) [NH4+].

В кислой воде при pH менее 7,0, к аммиаку [NH3] присоединяется еще один водородный ион H+: NH3 + H2O —> NH4+ + OH- . Эта гораздо менее токсичная позитивно заряженная, или ионизированная, форма аммиака [NH3] называется аммоний (ammonium) [NH4+].

С падением pH все больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний [NH4+] – при понижении pH на один градус токсичного аммиака [NH3] становится в десять раз меньше. В нормальных условиях аквариума с pH=6.5-7.2 почти весь токсичный аммиак [NH3] ионизируется до нетоксичного аммония [NH4+]. При pH=7.0 аммиака [NH3] примерно 0,33%, при pH=6.

0 – только 0,03%.

На деятельность нитрифицирующих бактерий которые окисляют аммиак влияют также температура и концентрация кислорода в воде. Чем выше температура – тем больше доля токсичного аммиака [NH3]. При 28 градусах вдвое больше токсичного аммиака [NH3] чем при 20 градусах (при равном pH).

Для протекания нитрификации содержание кислорода должно быть не менее 1 мг/л. Нитрифицирующие бактерии требуют много кислорода. Именно поэтому фильтры типа EHEIM Professional INTERVALL¬ (Wet/Dry), Hydor BRAVO, KENT MARINE BioRocker, и Marineland BIO-Wheel неприменимы – они сильно выветривают CO2¬ из воды.
^

*чтобы посчитать сколько Азота вы вносите в аквариум с кормом для рыб, посмотрите содержание белка в корме, посчитайте его массу и умножьте на 0,16 – получите количество азота в данном корме. (например в банка хлопьев Sera Vipan массой 60 грамм содержит 48% белка, это 60 х 0,48 = 28,8 гр белка, который содержит 16% азота: 28,8 х 0,16 = 4,6 гр)
** разложение органики происходит путем минерализации осуществляемой гетеротрофными бактериями¬. Минерализация это разрушение органической субстанции до неорганических веществ. При этом образуются неорганические вещества – азот, фосфор, углерод и их соединения.

The cycle of nitrogen byMarco Pagni (microbiologist), Version 2.0 of the 01/03/98
Cycling Your New Aquarium (особенно про гетеротрофные бактерии работающие в Hamburger Mattenfilter)
The Nitrogen Cycle, by Marc Elieson
Различные типы анаэробной денитрификации и азотный цикл – Aquaculture nitrogen waste removal.

Источник: http://www.amania.org/Tech/azot-main.html

Ссылка на основную публикацию