Азотный цикл в аквариуме

Азот (N), поступающий с кормом, всегда находится в составе сложных химических соединениях, в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, в хлорофилле, в РНК, ДНК и даже в витаминах.

Азот неотъемлемая часть в различных ключевых аспектах жизни: фотосинтезе, образовании белка, репродуктивной функции. Образование хлорофилла невозможно при отсутствии доступного азота.

С экскрементами или погибшими животными в воду поступают готовые органические соединения, прежде всего белки, которые перерабатываются бактериями Bacterium coli, Bacterium proteus, Bacterium subtilus до пептидов и аминокислот. Различают два вида аминокислот. Одна группа, содержащая серу, обладает сильными восстанавливающими свойствами и может при больших количествах значительно снижать окислительно-восстановительный потенциал (rH). При анаэробных в этом случае может образовываться сероводород (H2S). Чему способствует очень толстый слой мелкозернистого грунта на дне аквариума, это так называемое закисание грунта. Ароматические аминокислоты имеют слабые восстановительные свойства, но легко окисляются. В качестве промежуточных продуктов образуются фенолы и крезолы, из которых первые очень ядовиты. Фенолы, однако, легко окисляются до неопасных меланинсодержащих красителей.

Далее бактерии переводят аминокислоты в амины, которые опять превращаются в органические кислоты и аммиак. Нельзя допускать накопление органических кислот в аквариуме во избежание понижения рН. При этом бактерии трансформируют органические кислоты в угольную кислоту и воду.

На следующем этапе в круговороте участвуют аммоний при низких значениях рН или аммиак при высоких. Аммоний (NH4) достаточно токсичен и действует на рыб в малых концентрациях, но следовать учитывать что аммиак образуется только при высоком рН и его токсическое действие увеличивается при повышении температуры. Например, при рН 6,5 его доля невелика, несколько процентов, но при смещении рН до 8-8,3 его доля резко повышается до 10%. Именно поэтому это опасно для цихлид Малави, они гибнут именно из-за токсического действия аммиака. Смещение рН такого порядка в густозаросшем аквариуме с растениями может происходить в течение дня без последствий. Подобное может происходить в аквариуме, которые заселены в основном беспозвоночными.

Трансформация аммония (или аммиака) посредством бактериального окисления приводит к образованию нитритов. Этот процесс осуществляют аэробные (требующие кислорода) бактерии Nitrosomonas. Для того, чтобы существовать и окислять аммоний или аммиак в нитриты им необходима вода, богатая кислородом:

2NH₄⁺ + 3O₂ => 2NO₂^- + 4H⁺+ 2H₂0 + Энергия

Эта реакция преобразования аммония в нитриты идет только с помощью бактерий. Растворенный в воде кислород не может самостоятельно окислять аммоний или аммиак. Только гораздо более активный озон (О3) может это сделать.

Подобно им действуют аэробные бактерии Nitrobacter, которые перерабатывают высокотоксичные нитриты в малотоксичные для рыб нитраты.

2NO₂^-+ O₂ => 2NO₃^-

Первая реакция наиболее энергозатратная, чем вторая. Но та и другая реакция требует большого количества кислорода, это надо помнить при закладке аквариума и обеспечить его приток для нормального функционирования аквариума. Это могут быть помпы или фильтры, обеспечивающие перемешивание воды, которая обогащается кислородом. Также это могут быть живые растения, которые вырабатывают кислород при насыщении углекислым газом воды.

Следует заметить, что эти бактерии живут на грунте, точнее в поверхностном слое, где есть кислород, так и в наполнителях фильтрах, где также поддерживается его высокая концентрация.  Именно поэтому грунт должен быть пористый. См. грунт.

Далее происходит разложение нитратов анаэробными бактериями до атомарного азота.

Как следует из рисунка  нитраты не являются конечной стадией разложения вещества, наряду с потреблением его растениями, они используются в качестве поставщиков кислорода для так называемых анаэробных реакций, которые происходят при отсутствии кислорода. Существуют бактерии, которые в зависимости от содержания кислорода в воде могут нитрифицировать или денитрифицировать азот. Другие могут функционировать только в однозначных ситуациях: чисто анаэробные или чисто анаэробные.  Кислород препятствует денитрификации. Окисление органических соединений служит аэробных бактериям источником энергии. Использованный кислород переходит в нитраты, в то время как органический кислород в лучшем случае поглощается из воды в растворенной форме. При этом нитраты не сразу транформируются в газообразный азот, сначала образуются в токсичные нитриты.

Это происходит согласно ниже приведенным формулам:

3NO₃^-  + СH₃OH => 3NO₂^-+ CO₂  + 2H₂O

2NO₂^-  + СH₃OH => N₂+ CO₂  + H₂O + 2OH^-

Первую ступень надо рассматривать особенно внимательно, так как нитрит более токсичен чем нитрат, следовательно, нужно быть уверенным, что следующая ступень реакции будет протекать, иначе неизбежно отравление нитритами. Фактически только на второй стадии азот удаляется из цикла путем образования газообразного азота. Денитрификация происходит в природе в основном в грунтовых осадках, не непосредственно на поверхности, а на глубине нескольких сантиметров.

В железосодержащем грунте автотрофные бактерии Thiobacillus denitrificans могут окислять железо и добывать необходимый им кислород из нитратов.

2NO₃^-  + 10Fe²⁺ + 14H₂O => 2N₂ + 10 FeOOH + 18H⁺

Другие автотрофные бактерии используют кислород, полученный из нитратов, окисляя атомарный водород до воды:

2NO₃^-  + 12H⁺ => N₂ + 6H₂O

Итак, что нужно знать аквариумисту при запуске?

           Аммоний и аммиак опасны в концентрации свыше 1 мг/л,

      Нитриты опасны в концентрации свыше 0,5 мг/л, но они быстро окисляются до нитратов,

      Нитраты опасны при концентрации 20-40 мг/л.
      Лучшим способом  удаления нитратов из аквариума является подмены воды, эмпирическими методами было рассчитано, что оптимальны подмены 30-35% воды в неделю, лучше конечно это делать чаще.

     График распределения во времени азотного цикла, при котором происходит превращение аммония в нитриты, а затем нитритов в нитраты.

Следовательно, проходит 2-3 недели с момента заполнения аквариумной водой аквариума до нормализации всех жизненных процессов, с этого момента можно запускать рыб и беспозвоночных.

Желательно, но не обязательно, при запуске иметь тесты на азот: нитриты и нитраты. Проводя тесты, вы сможете определить, можно сажать гидробионтов в аквариум или следует подождать.

Еще один немаловажный вывод: нитраты (и фосфаты) накапливаются в аквариуме, их надо удалять подменами воды, желательно это делать 1-2 раза в неделю, объем подмен 30-35%.

Косвенно определить (без тестов) наличие нитратов можно понюхав воду аквариума, она имеет специфический запах. Вода в нормальном аквариуме ничем пахнуть не должна, ну может быть должен быть слышен легкий запах травы.