Skocz do zawartości
Gość

Akwarium rafowe jako system. Przepływ składników odżywczych

Rekomendowane odpowiedzi

Gość

Akwarium rafowe jako system. Przepływ składników odżywczych

Angel Cegarra

 

 

Akwarium rafowe można traktować jako system zasilany wkładami, które są przetwarzane w celu wytworzenia biomasy, co daje produkty wyjściowe. System wykorzystuje nakłady do swojego działania, przekształcając je w rozwój organizmów i wytwarzając produkty odpadowe, które muszą zostać w jakiś sposób zredukowane, usunięte lub poddane recyklingowi. Zobaczmy, jak ten przepływ działa w przyrodzie, aby spróbować go w miarę możliwości odtworzyć.

W ekologii rafy większość szlaków wymiany składników odżywczych jest znana jako cykle węgla, azotu i fosforu, z niesamowitą liczbą zaangażowanych organizmów i zmiennych. Można uznać, że te trzy cykle należą do tego samego globalnego procesu, w którym istotne są również cykle geochemiczne. Cykle geochemiczne przeprowadzają transfer składników odżywczych na dużą skalę, napędzany przez zjawiska atmosferyczne, oceanograficzne lub hydrologiczne.

Ta gigantyczna sieć transferu i recyklingu składników odżywczych jest konsolidowana przez miliony lat i działa z wydajnością przewyższającą najbardziej wyrafinowaną ludzką inżynierię. Wszystkie funkcje pełnią różne gatunki i żadna nie jest niezbędna; brak jednych daje możliwości innym. Produkty odpadowe jednych są pożywieniem dla innych i nic się nie marnuje. Ta złożona sieć stanowi podstawę solidności i stabilności raf koralowych.

Całkowite odtworzenie natury w zamkniętym sztucznym systemie jest niemożliwe, ale możemy podejść stosunkowo blisko. Możliwe jest zmodyfikowanie wielu naturalnych procesów i zarządzanie chemią wody tak, aby ryby, koralowce i bezkręgowce miały wszystko, czego potrzebują. Akwarium rafowe to kompletny ekosystem, w którym wyższe zwierzęta współistnieją z milionami mikroorganizmów, więc interakcje między nimi warunkują ogólny stan.

Sieć pokarmowa jest kluczowym elementem tej ogromnej sieci recyklingu i obejmuje wszystkie żywe istoty, od najmniejszych bakterii po największe skorupiaki planktonowe, ryby, koralowce i bezkręgowce. Wszystkie organizmy w sieci pokarmowej wymieniają składniki odżywcze z otaczającą wodą i samoregulują swoje populacje poprzez rywalizację i/lub współpracę, w zależności od warunków środowiskowych. Członkowie sieci pokarmowej wykorzystują składniki odżywcze jako pożywienie lub uwalniają je jako produkty odpadowe, zamykając cykl.

Ta sieć pokarmowa zapewnia dużą część zdolności akwarium do przetwarzania produktów odpadowych i przetwarzania ich na żywność. Pierwsze poziomy sieci są zajęte przez mikroorganizmy, takie jak bakterie, protisty, fitoplankton i mikroskopijny zooplankton, które świetnie sobie radzą z recyklingiem, przyswajając w nadmiarze wiele rozpuszczonych jonów i składników odżywczych. Rysunek 1 przedstawia uproszczony schemat sieci pokarmowej w zbiorniku rafowym.

 

imagen-1-png.2321878

Sieć pokarmowa w zbiorniku rafowym (uproszczony) Autotroficzne mikroorganizmy przyswajają nieorganiczne składniki odżywcze, np. amoniak, azotany, fosforany i CO2, podczas gdy heterotrofy żywią się prostą materią organiczną lub trawią inne mniejsze organizmy. DOC (rozpuszczony węgiel organiczny) to podstawowy pokarm organiczny dostępny w akwarium. Ten maleńki pokarm pochodzi ze związków uwalnianych przez bakterie, cyjanobakterie, protisty, fitoplankton, zooplankton, koralowce i glony. DOC jest tak pierwiastkowy i maleńki, że zooplankton nie jest w stanie go bezpośrednio przyswoić. Istnieje jednak niezwykle liczna grupa mikroorganizmów, głównie heterotroficznych bakterii i heterotroficznych protistów, które żywią się tą prostą materią organiczną i przetwarzają ją poprzez procesy wzrostu, drapieżnictwa i wydalania.

Bakterie, zarówno autotroficzne, jak i heterotroficzne, to mikroskopijne organizmy, które mają największy wpływ na stężenie składników odżywczych w wodzie akwariowej. Powodem jest to, że ich populacje są gigantyczne w porównaniu do protistów i fitoplanktonu. Odpowiednie techniki stymulujące wzrost pożytecznych społeczności bakterii w akwarium rafowym są teraz dobrze poznane. Ten wzrost obejmuje usuwanie organicznych i nieorganicznych składników odżywczych z wody, które są zawracane do biomasy bakteryjnej. Jedną z tych technik jest wykorzystanie sztucznych źródeł węgla organicznego.

Protisty to bardzo proste organizmy jednokomórkowe, zarówno autotroficzne, jak i heterotroficzne, których nie można sklasyfikować jako zwierzęta lub rośliny. Większość żywych dryfuje jako część planktonu lub zakotwiczona do podłoża. Najczęstszymi protistami występującymi w akwarium są orzęski, kokolitofory, cynowce, otwornice, radiolariany i bruzdnice. Otwory i promieniowce to organizmy heterotroficzne lub miksotroficzne, które wykorzystują muszlę oddzieloną węglanem wapnia lub krzemionką. Są one głównymi czynnikami przyczyniającymi się do powstawania plaż, a niektóre z nich przechowują w swoich tkankach mikroskopijne glony, podobnie jak polipy koralowe zawierają zooxantelle.

Zarówno mikroorganizmy, jak i wyższe organizmy w sieci pokarmowej modyfikują stężenie składników odżywczych w wodzie poprzez szereg naturalnych procesów. W tabeli 1 przedstawiono ich nazwy i ich wpływ na rozpuszczone składniki odżywcze. Strzałki skierowane w górę wskazują wytwarzanie, a strzałki w dół wskazują zużycie.

 

imagen-2-png.2321883

 

 

 

 Poprzez wiązanie azotu organizmy diazotroficzne rozkładają cząsteczkę azotu rozpuszczonego w wodzie (N2), uwalniając amoniak (NH3). Proces ten nie przyczynia się znacząco do całkowitego stężenia amoniaku w zbiorniku, ale warto zrozumieć, jak to działa, ponieważ wykonują go organizmy, takie jak sinice, z których niektóre są niepożądane, a czasami stanowią szkodniki. Cyjanobakterie to organizmy autotroficzne zdolne do rozwoju w wodach o bardzo niskim stężeniu azotanów i fosforanów, bezpośrednio asymilujące rozpuszczony azot z wody w celu uwolnienia amoniaku.

Powstający w tym procesie amoniak jest doskonałym składnikiem odżywczym, który może być wykorzystany przez inne autotrofy obecne w piasku i skałach, na przykład okrzemki i niektóre bruzdnice. Z tego powodu, gdy pojawia się plaga sinic, towarzyszą inne gatunki inwazyjne, które współistnieją w tym samym sprzyjającym środowisku. Stąd trudność w ich wykorzenieniu, gdy rozkwit się utrwali.

Karmienie. Wkład pokarmu do zbiornika oznacza bezpośredni wzrost wszystkich organicznych i pośrednio nieorganicznych składników odżywczych. Zawieszone w wodzie odpadki spożywcze to materia organiczna, która pod wpływem bakterii heterotroficznych zaczyna się rozkładać, uwalniając amoniak, który uruchamia procesy nitryfikacji. Pokarm dostarcza również fosforany do akwarium.

Rozkład heterotroficzny.Rozkład materii organicznej to proces, który rozpoczyna się, gdy w zbiorniku umiera jakakolwiek forma życia. Praca jest wykonywana przez bakterie heterotroficzne, które żywią się szczątkami organicznymi unoszącymi się w toni wodnej, do osadów lub żywych skał. Jest to proces mający największy wpływ na stężenie amoniaku w wodzie akwariowej.

Oddychanie. Wykonywane jest przez wszystkie organizmy heterotroficzne w celu utlenienia materii organicznej przyswajalnej podczas żywienia. W ten sposób uzyskują energię do swoich procesów metabolicznych. Podczas oddychania asymilowany jest tlen i uwalniany jest dwutlenek węgla. Uwalniany CO2 przyczynia się do spadku pH. W nocy efekt ten jest bardziej wyraźny, ponieważ glony, zooxantelle i inne organizmy wykonujące fotosyntezę również uwalniają dwutlenek węgla.

Wydalanie.Wydalanie ma miejsce, gdy jakikolwiek organizm heterotroficzny, np. zooplankton, ryby lub koralowce, uwalnia amoniak i szczątki organiczne jako materiał odpadowy. Ten amoniak jest „azotem pozostałym” z ich aktywności budującej tkanki i innych procesów metabolicznych. Odpady organiczne powstałe w wyniku wydalania służą jako pokarm dla wielu innych organizmów, bezpośrednio jako materia organiczna dla heterotrofów lub później, po przekształceniu w azotan i fosforan dla autotrofów.

Nitryfikacja biologiczna.Aby akwarium mogło przetworzyć cały amoniak wytworzony w procesach wiązania, wydalania i rozkładu bakterii heterotroficznych, musi istnieć społeczność drobnoustrojów nitryfikacyjnych. Ta społeczność składa się głównie z bakterii autotroficznych, które asymilują węgiel z rozpuszczonego CO2 i wykorzystują cząsteczki amoniaku i azotynów jako źródła energii. Produktem końcowym nitryfikacji jest jon azotanowy (NO3-). Przemiana amoniaku w azotan przebiega dwuetapowo.
 

Etap 1: Przekształcenie amoniaku w azotyn, w którym uczestniczą gatunki takie jak Nitrosomona europaea, Nitrosococcus oceanus y Nitrosomonas mobilis.

Etap 2: Przekształcenie azotynu w azotan z udziałem gatunków takich jak Nitrobacter winogradski, Nitrococcus mobilis i Nitrospira gracilis.


Nitryfikacja, prawdopodobnie najistotniejszy proces w akwarium, zachodzi w środowiskach bogatych w tlen, dlatego odpowiedni ruch wody jest niezbędny do ułatwienia wymiany gazowej z otaczającym powietrzem. W tych warunkach tlenowych populacje bakterii nitryfikacyjnych są odpowiedzialne za unikanie akumulacji amoniaku i azotynów w stężeniach przekraczających toksyczne.

Denitryfikacja biologiczna.W tym procesie bakterie wykorzystują do wzrostu azotany i fosforany rozpuszczone w wodzie, uwalniając azot cząsteczkowy jako produkt odpadowy. Denitryfikacja obejmuje bakterie autotroficzne i heterotroficzne w warunkach tlenowych i beztlenowych. Ma to niezwykłe znaczenie dla obniżenia stężenia azotanów i fosforanów w akwarium rafowym. Przykładem systemów realizujących autotroficzną denitryfikację są reaktory siarkowe, w których bakterie zużywają CO2 i związki siarki. Niektóre szczepy przydatne w tym procesie to Paracoccus denitrificans, Pseudomonas denitrificans, Thiobacillus denitrificans i Thiomicrospira denitrificans. Reaktory te z biegiem lat straciły popularność na rzecz heterotroficznej denitryfikacji, która jest bardziej wydajna i łatwiejsza do wdrożenia. W trybie heterotroficznym

W akwarium w normalnych warunkach denitryfikacja biologiczna potrzebuje trochę czasu, aby działać wydajnie. Powodem jest to, że denitryfikujące zbiorowiska bakterii heterotroficznych są ograniczone przez niską zawartość węgla organicznego w wodzie. W tych warunkach denitryfikacja odbywa się wyłącznie w strefach beztlenowych, takich jak wnętrze żywych skał lub głębokie strefy osadów, gdzie brakuje tlenu. Po dodaniu sztucznego węgla organicznego znacznie zwiększa się wydajność denitryfikacji. W tym celu wygodnie jest stosować związki organiczne o bardzo prostej budowie molekularnej, aby bakterie mogły je szybko przyswajać, rosnąć, rozmnażać i usuwać z wody zarówno azotany, jak i fosforany. Powszechnie wiadomo, że mieszanina metanolu, etanolu, kwasu octowego i glukozy działa całkiem dobrze. Akwaryści również używają wódki, który zawiera glukozę i etanol, również z dobrymi wynikami. Istnieją również produkty komercyjne do tego celu, które zapewniają doskonałą wydajność.

Sztuczne źródło węgla organicznego faworyzuje tlenowy heterotroficzny szlak denitryfikacji, który obejmuje zbiorowiska bakteryjne gromadzące polifosforany, które asymilują fosforany w środowiskach bogatych w tlen i uwalniają je w środowiskach beztlenowych. Przykładami tlenowych bakterii denitryfikacyjnych są Nitrosomonas eutropha, Pseudomonas aeruginosa, Paracoccus denitrificans lub Microvirgula aerodenitrificans. Proces ten zużywa dużą ilość tlenu, dlatego niezbędny jest energiczny ruch wody, aby uniknąć uduszenia ryb i koralowców. Jednym ze znaków, które możemy zaobserwować, gdy te bakterie się rozmnażają, są nagromadzenie jasnoszarych biofilmów na filtrach mechanicznych, pompach recyrkulacyjnych, ścianach zbiornika i studzience.

Fotosynteza.Zooxanthellae przeprowadzają fotosyntezę, aby wytworzyć związki organiczne, które są przenoszone do koralowców jako pożywienie (translokacja). Proces ten przeprowadzają również inne organizmy fotoautotroficzne, takie jak fitoplankton i wszystkie rodzaje glonów. Fotosynteza usuwa z wody akwariowej amoniak, azotany, fosforany i CO2, przekształcając je w tkanki roślinne i organiczne związki węgla, np. aminokwasy czy węglowodany. Refugia alg i reaktory alg wykorzystują fotosyntezę do redukcji nieorganicznych składników odżywczych w akwarium.

Na rysunku 3 pokazano mapę przepływu składników odżywczych, w tym niektóre kluczowe procesy naturalnego recyklingu. Ścieżki transferu składników odżywczych przedstawiono na szczycie niektórych typowych środowisk fizycznych, w których zachodzą procesy.

imagen-3-png.2321916

 Substancje odżywcze i procesy naturalne są połączone ścieżkami transferu

 

„Idealne akwarium rafowe” zachowywałoby się jak ekosystem otwarty, tj. z doskonale zrównoważonym recyklingiem składników odżywczych. Byłby w stanie przekształcić w biomasę całą żywność i energię dostarczaną z zewnątrz, utrzymując stężenie organicznych i nieorganicznych składników odżywczych w swoich zakresach. Na rysunku 4 widzimy schemat przepływu składników odżywczych w tym idealnym akwarium. Wkładami materii i energii byłyby: żywność, zwierzęta, światło, tlen i atmosferyczny CO2 otaczający zbiornik.

 

imagen-4-png.2321938

 

Rysunek 4. Przepływ składników odżywczych w „idealnym” akwarium rafowym



W prawdziwym akwarium naturalna sieć recyklingu przetwarza dane wejściowe, ułatwiając rozwój mikroorganizmów, koralowców, ryb i bezkręgowców. Sieć recyklingu jest tworzona przez naturalne procesy, które wcześniej przedstawiliśmy, oraz sztuczne systemy, które akwarysta wykorzystuje do redukcji eksportu organicznych i nieorganicznych składników odżywczych, takich jak odpieniacze białek, mechaniczne i chemiczne media filtracyjne, węgiel organiczny lub schronienie glonów. Jeśli sieć recyklingu nie jest odpowiednio dostosowana lub następuje bardzo szybki wzrost nakładów, np. przekarmienie lub przeludnienie, następuje nadmierna akumulacja organicznych i nieorganicznych składników odżywczych. Te dodatkowe składniki odżywcze nie są potrzebne, a nawet mogą być szkodliwe. Podobnie, jeśli nakłady są niskie lub akwarium ma nadmierną zdolność do ich wyczerpywania, dochodzi do deficytu składników odżywczych.

 

imagen-5-png.2321950

Rysunek 5. Przepływ składników odżywczych w akwarium Real Reef.



Nadmiar składników odżywczych można usunąć na dwa sposoby: poprzez redukcję lub eksport. Redukcja obejmuje techniki, które modyfikują chemię wody w celu faworyzowania procesów, które je zużywają, np. denitryfikacji. Eksport wiąże się jednak z ekstrakcją za pomocą mediów filtracyjnych, filtracją chemiczną, podmianą wody lub specyficznymi urządzeniami, takimi jak filtry mechaniczne i odpieniacze białkowe. Ze względu na efektywność kosztową, systemy redukcji i eksportu muszą być dostosowane do nakładów i zdolności akwarium do ich przetworzenia.

Krótko mówiąc, jest to nieustanny dopływ, recykling i odpływ, które należy dostosować, aby osiągnąć stabilną sytuację równowagi, w której wszystkie organizmy mają dostęp do pożywienia, a stężenia materii organicznej, amoniaku, azotynów, azotanów i fosforanów mieszczą się w zalecanych zakresach. Jeżeli bilans przepływów jest dodatni, konieczne jest ograniczenie nakładów lub zwiększenie redukcji i/lub eksportu. Jeżeli bilans przepływu jest ujemny, konieczne jest zwiększenie nakładów lub ograniczenie redukcji i/lub eksportu. Przepływ składników odżywczych można opisać za pomocą następującego równania:

Nakłady + Sieć recyklingu = Wzrost + ΔSkładniki odżywcze

Gdzie ΔSkładniki odżywcze, to nadmiar składników odżywczych, zarówno materii organicznej, jak i amoniaku, azotynów, azotanów i fosforanów. Następnie, aby prawdziwe akwarium zachowywało się jak system otwarty, ΔN składników pokarmowych musi wynosić zero. Jeżeli ΔSkładniki odżywcze są dodatnie, należy wprowadzić redukcję i/lub eksport, natomiast jeżeli Składniki odżywcze są ujemne, konieczne jest ich sztuczne zwiększenie lub dodanie. Ogólnie rzecz biorąc, naturalne procesy recyklingu w akwariach są w stanie zredukować nadmiar amoniaku i azotynów w ciągu kilku godzin, jednak eliminacja azotanów i fosforanów zajmuje znacznie więcej czasu, gromadząc się w nieskończoność, jeśli nic nie zostanie zrobione.

Zachęcając do rozwoju solidnej sieci pokarmowej i odpowiednio regulując nakłady, możliwe jest doprowadzenie akwarium do stanu, w którym niektóre zwykłe systemy eksportu składników odżywczych mogą zostać zredukowane, przy oszczędnościach w utrzymaniu. Na przykład są akwaryści, którzy odczuwają zauważalne zmniejszenie ilości materii organicznej usuwanej przez odpieniacz, kilka miesięcy po ustawieniu. To prowadzi do myślenia, że urządzenie traci swoją wydajność, ale w rzeczywistości akwarium utrwala swoje dojrzewanie; tak, aby naturalne procesy były zdolne do samodzielnego przetwarzania całej dostarczonej żywności i wytwarzanych produktów odpadowych.

 

Angel Cegarra jest autorem książki „Reefkeeping Fundamentals”

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Jeśli chcesz dodać odpowiedź, zaloguj się lub zarejestruj nowe konto

Jedynie zarejestrowani użytkownicy mogą komentować zawartość tej strony.

Zarejestruj nowe konto

Załóż nowe konto. To bardzo proste!

Zarejestruj się

Zaloguj się

Posiadasz już konto? Zaloguj się poniżej.

Zaloguj się

×