Книги по аквариумистике

Анаэробная биологическая фильтрация

Из предыдущего описания следует, что нитраты являются конечной ступенью нитрификации, то есть бактериального окисления аммония. Хотя они не являются токсичным веществом, как нитриты или аммоний, но в более высоких концентрациях может угнетать чувствительных животных. Так, в теле животного нитраты могут снова восстановиться до нитритов. Поэтому целесообразно было бы использовать анаэробные бактерии, чтобы путем денитрификации удалить нитраты из воды. Типичными представителями денитрификационной микрофлоры являются Flavobacterium, Pseudomonas aeruginosa и P. denitrificans, Thiobasillus denitrificans, Rhodopseudomonas sphaeroides, Bacillus licheniformis или Paracoccus denitrificans. Эти бактерии денитрифицируют только при отсутствии кислорода, то есть в анаэробных условиях.

Конечно, использование анаэробно работающего фильтра – неоднозначно. Как мы видели в «Биологических основах», суть денитрификации – восстановление нитратов с образованием газообразного азота, который удаляется из воды. Этот путь важнее, чем используемый но многих аквариумах цикл, в котором выращиваются растения, поглощающие нитраты.

Цикл азота в аквариуме с аэробным и анаэробным фильтрами

К сожалению, процесс денитрификации не всегда происходит беспрепятственно. Существует большая опасность, что нитраты хотя и восстановятся до нитритов, но нитриты не восстановятся далее до азота. В этом случае возникает опасный источник нитритов в нашей системе. Техническая проблема при использовании нитритного фильтра состоит в том, чтобы найти источник углерода. Углерод используется бактериями как основное питательное средство, в то время как потребность в кислороде удовлетворяется за счет нитрата.

Восстановление нитратов до газообразного азота предполагает наличие источника углерода, который одновременно подвергается окислению

Активированный уголь не может служить в качестве углерода. В качестве питательного вещества для бактерий пригоден лишь углерод в растворенной форме.

Хороший источник углерода – метанол (метиловый спирт), но он ядовит для рыб. Проблема прежде всего в правильном дозировании. Согласно уравнению, приведенному в «Биологических основах», на восстановление 1 мг нитрата до азота необходимо 1,9 мг метанола. Эти расчеты, к сожалению, для практики мало пригодны, так как концентрация нитратов непрерывно изменяется.

Если метанола вводится немного, то денитрифицирующие бактерии не могут довести восстановление до азота.

Окислительно-восстановительный потенциал в биологическом анаэробном фильтре

Процесс останавливается на нитритах, так что теперь вместо небольшого количества относительно безвредных нитратов получаем ядовитые нитриты. Если метанол будет передозирован, это может привести к гибели рыб или беспозвоночных. Могут также активизироваться восстанавливающие сульфаты нежелательные культуры бактерий, которые необходимый им кислород берут из сульфатов (SO₄^2–) и при этом производят вредный H₂S. Соотношение углерода и азота должно находиться в постоянных узких границах, что возможно для содержания рыб и в домашних, и в больших аквариумах. На практике до настоящего времени денитрификация не используется. Если все-таки поставить цель ее применить, нужно поступать очень осторожно. В любом случае следует обращать внимание на окислительно-восстановительный потенциал. Так как положительные окислительно-восстановительные потенциалы приводят к преобладанию окислительных реакций, необходимо окислительно-восстановительный потенциал сдвигать в отрицательную область. В таблице на с. 96 приведены исходные данные. Важно, что это не происходит, если через фильтр медленно пропускать небольшое количество воды так, чтобы кислород потреблялся в фильтре, а анаэробные условия приводили бы к денитрификации, но в этом случае отсутствует источник углерода. Необходимо считаться с неконтролируемыми бактериальными реакциями, которые регенерируют токсичные вещества, которые мы с таким трудом удаляем. Уравнения денитрификации приведены в частности в «Биологических основах». Речь идет о двух фазах, которые должны полностью заканчиваться, во-первых, восстановлением нитрата до нитрита и, во-вторых, восстановлением нитрита до газообразного азота. Для обеих фаз необходима дозировка метанола. Метанол окисляется в этом процессе восстановления до СО₂ и воды, в то время как процесс восстановления заканчивается газообразным азотом. Оба газа выделяются в виде пузырьков газа из воды. Ученые на основе опытов с вспененным стеклом на ядерной исследовательской установке «Julick» предлагают использование другой реакции. Органические вещества, такие, как белки, жиры и углеводы, вначале гидролизуются с помощью ферментных бактерий. Продукты гидролиза: аминокислоты, жирные кислоты и многоатомные спирты – с помощью ацетогенных бактерий превращаются далее в уксусную кислоту, водород и оксид углерода, прежде чем они в лучшем случае метаболизируются метаногенными бактериями до метана и оксида углерода, Если также будет гарантироваться отношения сосуществования между всеми тремя группами микроорганизмов, для того чтобы экологическая система функционировала безупречно, то у ацетогенных и метаногенных «участников» возникает совершенно особенный симбиотический аспект. Продукт обмена веществ – водород – вызывает термодинамическую задержку микробного разложения жирных кислот, если его парциальное давление в системе превысит критическую границу (104 бар). Если при использовании метановых бактерий не позаботиться о быстром потреблении продуктов, то происходит накопление масляной и в особенности пропионовой кислоты («Закисание реакторов для сточных вод»). В действительности процессы очень сложны, и только имея определенный состав микроорганизмов, можно избежать недостатка субстратов и накопления промежуточных продуктов. Наряду с метанолом, донорами углерода могут быть другие вещества. Для гетеротрофных денитрификаторов можно добавлять вещества, приведенные в таблице на стр. 98 вверху, которые могут служить источником органического углерода. Одновременно они восстанавливают растворенный в воде кислород и сдвигают окислительно-восстановительный потенциал в отрицательную область. Другие реакции происходят при использовании автотрофных бактерий. Они получают энергию при окислении водорода или серы, в то время как источником углерода служит находящийся в воде природный органический углерод.

Гетеротрофная денитрификация

Автотрофная денитрификация

Такое течение реакции было бы оптимальным для аквариумистики, так как исключается дозировка органических веществ, которые при неполном превращении будут сильно загрязнять воду. Точное дозирование водорода можно также исключить из аквариумистики. При обоих реакциях необходимый кислород потребляется для окисления органической субстанции, а азот восстанавливается в виде газа.

Предыдущая || Следующая || Оглавление