piątek, lipiec 28, 2017
Witamy w pawiookie.pl!

Cykl Azotowy

Cykl azotowy – obieg azotu w przyrodzie i w warunkach małego zbiornika wodnego

N - Azot (ang. nitrogen, łac. nitorgenium) to pierwiastek chemiczny, z grupy azotowców. Cechy opisujące ten pierwiastek zostały zamieszczone w tabelce poniżej. Może mało to interesujące dla przeciętnego śmiertelnika, ale dla chemika mogą wiele powiedzieć o naturze pierwiastka.

 

Grupa

15 (V główna) – azotowce

Liczba atomowa

7

Masa atomowa

14,0067u

Konfiguracja elektronowa

1s22s22p3

Izotopy

14N (99,635%)

15N (0,365%)

Temperatura topnienia

- 209,87 °C

Temperatura wrzenia

- 195,80 °C

Stopnie utlenienia

-3; -2; -1; 0; +1; +2, +3; +4; +5

 

 

W przyrodzie azot występuje w powietrzu, stanowiąc jego 78,1 % objętości (75,5% masy). Jest ważnym elementem organizmów żywych wchodząc w skład aminokwasów budujących ich białka. W postaci soli mineralnych, głównie azotanów występuje w glebie (saletra chilijska). Pierwiastek ten znajduje szerokie zastosowanie w rolnictwie, laboratoriach, medycynie, metalurgii i innych dziedzinach przemysłu.

 

Dla akwarysty bardzo istotne, dla zrozumienia prawidłowego funkcjonowania zbiornika, jest poznanie i zrozumienie obiegu azotu (cyklu azotowego). Mając tą wiedzę można bez trudności zrozumieć, dlaczego nie powinno się przekarmiać ryb, dlaczego rośliny są bardzo przydatne w akwarium, dlaczego nie wolno dopuszczać do zalegania gnijących resztek pokarmu, fragmentów roślin, i wreszcie, po co jest potrzebna wydajna filtracja?

 

Skąd bierze się azot w akwarium? Najbardziej toksycznym związkiem azotu w naszym zbiorniku jest amoniak – NH3. Jego pochodzenie łatwo można wytłumaczyć. Wszystkie białka zawarte w pokarmach dla naszych podopiecznych, zbudowane są m.in. z aminokwasów. Aminokwasy, jeżeli nie są wykorzystywane, wraz z kałem zwierząt wydalane są do akwarium. Zalegając na dnie akwarium, lub wciągnięte przez wlot filtra do jego wnętrza ulegają rozkładowi. Produkty tego rozkładu, to dwutlenek węgla (CO2), woda (H2O), jony karboksylowe (COO--) i właśnie amoniak (NH3). Proces ten zwany jest amonifikacją. Amonifikacja dotyczy także innych przypadków. Pamiętać należy, że białka zawarte są nie tylko w kale zwierząt, ale przede wszystkim w ich organizmach, organizmach roślin, wchodzą też w skład wszystkich drobnoustrojów. Tak, więc ich rozkład jest też źródłem amoniaku. Właśnie, dlatego należy unikać zalegania martwych fragmentów roślin, padłych rybek, i nadmiernego karmienia ryb, ponieważ pokarm zalegający na dnie też generuje amoniak. Amoniak w czystej postaci jest także wydalany przez ryby za pomocą ich układu wydalniczego. Źródła amoniaku przedstawia rysunek 1.


Image
(1), rys. Kamil Kielak
Co dzieje się dalej? Amoniak, lub jony amonowe (NH4+), jako związek toksyczny w naszych zbiornikach, jest bardzo szybko nitryfikowany do azotynów (azotanów III), mniej toksycznych związków. Dlatego, w ustabilizowanym zbiorniku poziom amoniaku w wodzie powinien być bardzo bliski 0. Za ten proces odpowiadają bakterie nitryfikacyjne, głównie z rodzaju Nitrosomonas. Są to mikroorganizmy, które czerpią energię właśnie z chemicznego utleniania azotu amonowego do azotynów. Są one obecne w podłożu naszego akwarium, oraz w pokładach materiałów filtracyjnych naszego filtra. Równanie chemiczne przedstawia się następująco:

 

NH4+ + 1,5 O2 --> NO2- + 2H+ + H2O + 352 kJ

 

Azotyny również ulegają nitryfikacji tylko, że w tej części procesu główną rolę odgrywają bakterie z rodzaju Nitrobacter. Utleniają one azotyny do azotanów (azotanów V). Ta reakcja w zbilansowanym i ustabilizowanym zbiorniku również zachodzi bardzo szybko, stąd azotyny nie powinny być mierzalne w takim zbiorniku.

 

NO2- + 0,5 O2 --> NO3- + 73 kJ

 

Bardzo istotne jest, aby pamiętać o warunkach niezbędnych dla bakterii nitryfikacyjnych. Są to organizmy, które preferują obecność tlenu na poziomie powyżej 2 mg O2 / l wody. Ciągła praca filtra zabezpiecza dopływ natlenionej wody do złóż filtracyjnych, będących siedliskiem bakterii. Trzeba starać się, żeby przerwy w pracy filtra były jak najkrótsze, aby nie doprowadzić do śmierci tych organizmów. Powszechnie uważa się, że przerwa w pracy urządzenia nie może być dłuższa niż trzy godziny. Lepiej tego nie sprawdzać. Istotnym parametrem wody jest też jej odczyn. Uważa się, że zakres funkcjonowania bakterii nitryfikacyjnych zawiera się w wartościach pH: 6 – 10. Optimum metabolizmu wykazują przy pH pomiędzy 7,5 – 8,5. Temperatura optymalna dla bakterii nitryfikacyjnych to wartość ponad 20 °C. Poniżej tej wartości proces zostaje wyhamowany, a poniżej 5 °C zostaje całkowicie zatrzymany. Woda, w której „pracują” nasze bakterie powinna być wolna od toksyn, chloru, metali ciężkich.

Sytuacja wygląda nieco inaczej, jeżeli w akwarium mamy deficyt tlenu. Zjawisko takie występuje w słabo „wentylowanym” podłożu. Tworzą się tam tzw. strefy beztlenowe. Wtedy nie dochodzi do amonifikacji. Procesem, który tutaj przebiega jest fermentacja. Związki organiczne są rozkładane do prostszych związków organicznych. Ubocznym produktem takiej reakcji jest siarkowodór (H2S), silnie toksyczny i nieładnie pachnący związek. W takich wypadkach należy zadbać o dobry przepływ natlenionej wody przez podłoże, nie dopuszczać do jego zamulenia. Pomocne są ślimaki świderki (Melanoides tuberculata), które żyjąc w podłożu nieustannie je przekopują.

Zakładając, że w naszym zbiorniku wszystko jest w porządku, ostatecznym produktem tej części przemian azotu jest stosunkowo nietoksyczna jego postać azotanowa. Dopuszczalne parametry dla wody akwariowej to azotany: < 40mg / dm3. Niektóre źródła zalecają poziom niższy, najlepiej około 10 ppm.

Nadmiar azotanów jest też stresujący dla zwierząt wodnych. W najlepszym wypadku, przy nadmiarze azotanów i niedostatku roślin wyższych, wysoki ich poziom może doprowadzić do plagi glonów (zakwit wody), które to nie mając konkurencji bardzo chętnie skorzystają z łatwego źródła azotu. Problem jednak pojawi się, gdy glony te zaczną obumierać. Dlatego najprostszą metodą pozbywania się stale produkowanego azotanu jest podmiana wody. W przypadku cotygodniowej podmiany wody w ilości około 25% objętości akwarium, możemy spodziewać się niskiego poziomu azotanów. Pamiętać należy, że polska norma dopuszcza w wodzie pitnej aż 50 ppm, co dla akwarysty jest parametrem niepożądanym. Dlatego konieczne jest sprawdzenie parametrów wody w kranie przed zastosowaniem jej do podmian.

W zbiorniku roślinnym, azotany są wykorzystywane bardzo sprawnie przez rośliny. Jest to przecież najłatwiej dla nich przyswajalna forma azotu. Wtedy stosuje się podmiany bardzo rzadko, lub w mniejszej objętości. Istnieją zbiorniki, w których roślinność jest tak bujna, że azotany trzeba wprowadzać do wody pod postacią nawozów, wraz z innymi substancjami wykorzystywanymi przez rośliny. Z reguły są to zbiorniki z nielicznymi przedstawicielami królestwa zwierząt, więc i źródła azotowych związków są znikome. Oprócz tego są bardzo dobrze oświetlone. Najkorzystniejsze jest, więc stworzenie równowagi biologicznej w akwarium tak, aby zbiornik stanowił swego rodzaju ustabilizowany ekosystem. Chodzi o to, aby masa roślin w pełni wychwytywała to, co wytwarzają zwierzęta. Nieodzowna jest tutaj stabilna i wydajna filtracja. Jest to niezwykle trudne, chociaż według niektórych osób możliwe.

Wróćmy jednak do akwarium z pawiookimi. Tutaj ciężko sobie wyobrazić taką sytuację. Przyczyny to: duża masa zwierząt (szybka przemiana materii, obfite karmienie pokarmami zwierzęcego (głównie) pochodzenia i idące za tym obfite wydalanie), często brak roślin, zawsze niewielka objętość akwarium. Niestety często obserwuje się też mało wydajną filtrację!!! Nieliczni posiadacze tych pięknych ryb zdają sobie sprawę z zagrożeń z tego wynikających. Zakładając jednak, że świadomy akwarysta dba o swoje ryby najlepiej jak potrafi (dobry pokarm, możliwie małe zagęszczenie ryb, bardzo wydajna filtracja, udana próba utrzymania roślinności w zbiorniku) nie może on jednak zahamować metabolizmu swoich bestii. Zawsze będą produkować odchody i amoniak („mocz”). Liczyć musimy na to, że nasza flora bakteryjna (podłoże, filtr) poradzi sobie z tymi produktami. Wtedy pozostaje nam już tylko dbanie o niski poziom azotanów w wodzie.

Istnieją pomocne drobnoustroje denitryfikacyjne. W warunkach niedotlenionych, czyli z zawartością tlenu poniżej 0,5 mg O2 / dm3 wody. Wtedy właśnie drobnoustroje te do oddychania wykorzystują tlen zawarty w azotanach. Produktem tych przemian jest forma cząsteczkowa N2. Jest to postać gazowa azotu i ulatnia się ona do atmosfery. Reakcja wygląda w skrócie tak:

 

NO3- + 0,5 H2O --> 0,5 N2 + 2,5 O + OH-

 

Oprócz wyżej opisanej niskiej zawartości tlenu, istotne jest zapewnienie pokarmu dla bakterii, czyli tzw. LKT – lotnych kwasów tłuszczowych, także etanolu, metanolu, kwasów organicznych, glukozy, i innych łatwo przyswajalnych prostych związków organicznych. Niektórzy akwaryści, podczas używania „bimbrowni” jako źródła dwutlenku węgla dla roślin, zaniechali wstępnej filtracji gazu, który dostawał się do wody akwarium razem z niewielką ilością produktów fermentacji drożdżowej. Stanowiło to doskonałą pożywkę dla bakterii denitryfikacyjnych i nie miało szansy zaszkodzić rybom.

Denitryfikator. Jest to mniej, lub bardziej skomplikowane urządzenie coraz częściej stosowane przez akwarystów. Zasada działania umożliwia stworzenie warunków ubogich w tlen i zapewnienie rozwoju bakterii denitryfikacyjnych. Bardzo prostym denitryfikatorem jest wąż o średnicy 6 – 10 mm i długości kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. Woda przepływać powinna przez niego stosunkowo wolno (mała pompka wodna), aby w pierwszym odcinku tlen został szybko wyłapany przez żyjące tam bakterie. Kolejne metry woda pokonuje już będąc ubogą w tlen. O to właśnie chodzi. Rozwijające się w wężu bakterie denitryfikacyjne skutecznie wytwarzają gazowy azot, który to ulatnia się do atmosfery na drugim jego końcu. Mamy, zatem sytuację pozostawiającą wodę czystą od azotu. Woda ta dostaje się z powrotem do akwarium. Można też spowodować, mając odpowiednio duży filtr, że to w nim zachodzić będzie denitryfikacja. W takiej sytuacji woda przepływając przez kolejne złoża filtracyjne, staje się coraz bardziej uboga w tlen i coraz bardziej zasobna w azotany. W takich warunkach dochodzić będzie do denitryfikacji. Nie jest to proste, ponieważ musimy ustalić odpowiedni przepływ wody w filtrze, zapewniając doskonałe warunki bakteriom nitryfikacyjnym i denitryfikacyjnym.

Istnieją doniesienia, że możliwe jest całkowite usuwanie azotu w warunkach, które utleniają jony amonowe wykorzystując azotyny. Proces ten wymaga pH ok. 8 i temperatury ok. 36 °C. W takich parametrach środowiska niezidentyfikowane jeszcze bakterie przeprowadzają reakcję:

 

NH4+ + NO2- --> N2 + 2H2O

 

Niektóre bakterie nitryfikacyjne, są w stanie przeprowadzić denitryfikację w warunkach tlenowych.

 

Image
(2), rys. Kamil Kielak
Uwolniony azot, aby zamknąć cykl, o którym mówimy, w przyrodzie dostaje się do gleby wraz z opadami atmosferycznymi, podczas wyładowań atmosferycznych, lub za pomocą niektórych bakterii, które potrafią wyłapywać azot atmosferyczny i wykorzystywać go do własnego metabolizmu. Są to bakterie z rodzaju Azotobacter, Clostridium, oraz żyjące w symbiozie z roślinami motylkowymi bakterie Rhizobium. W ten sposób powstają nieorganiczne związki azotu przyswajane przez rośliny, które to stają się pokarmem roślinożerców i cykl się zamyka. Oczywiście ostatni akapit prawie nie dotyczy warunków w akwarium, oprócz tego, czym karmimy nasze ryby. Jest to przecież pokarm roślinny, lub (i) zwierzęcy. Azot będący składnikiem jego białek jakoś musiał się w nich znaleźć. Cały cykl azotowy prezentuje rysunek 2.


Autor: Kamil Kielak

na podstawie:

http://www.sciaga.pl/tekst/42672-43-jaka_role_w_obiegu_azotu_pelnia_bakterie_nitryfikacyjne_i_denitryfikacyjne
http://www.malawi.pl/artykuly/filtracja_biologiczna.htm
http://nano-reef.pl/page.php?id=165
http://medycyna.linia.pl/azotyny.html
http://portalwiedzy.onet.pl/10310,,,,azotu_obieg_w_przyrodzie,haslo.html
http://www.panoramix.net.pl/chemia/uklad/N.html
http://www.ewamalecka.republika.pl/elements/n.htm

{mos_fb_discuss:13}

{visualrecommend}

Ważne
  • Osoby, którym padła dorosła pawiooka o w miarę proporcjonalnej budowie,  proszone są o zrobienie jej zdjęcia i umieszczenie zapakowanej w torebkę ryby (koniecznie w pozycji wyprostowanej!) w zamrażalniku. Następnie proszę o skontaktowanie się z administratorem.
  • Portal pawiookie.pl poszukuje osób biegle posługujących się jednym z języków: angielskim, niemieckim lub też rosyjskim, w celu przetłumaczenia treści artykułów. Osoby chętne do pomocy proszone są o skontaktowanie się z administratorem.