Фосфаты в аквариуме || Фосфаты в аквариуме

Ингибирование кальцификации фосфатами

Важной проблемой, возникающей при повышенном уровне концентрации фосфата в рифовом аквариуме, является ингибирование (угнетение) процессов кальцификации фосфатами и фосфат-содержащими органическими соединениями. Как известно, фосфат ингибирует осаждение карбоната кальция в морской воде. Присутствие фосфатов в воде также замедляет скелетообразование у кораллов, например у Poccilopora damicornis.

Вероятно, это связано с присутствием фосфата в экстрацитоплазменной кальцифицирующей жидкости (ЭКЖ; extracytoplasmic calcifying fluid, ECF), где непосредственно у кораллов проходят процессы скелетообразования, и также с присутствием фосфата на поверхности растущего кристалла. Каким именно образом фосфат попадает в ЭКЖ до конца неясно.

Ингибирование кальцификации наступает при таких концентрациях фосфата, которые довольно часто регистрируются в рифовых аквариумах, и зачастую начинаются еще при значениях, которые не определяются любительскими тестами. Например, по данным одной исследовательской группы, длительное повышение уровня содержания фосфата (0,19 ррм в течение трех часов ежедневно) на естественном участке Большого Барьерного Рифа ингибировало общее скелетообразование у кораллов на 43%. Еще одна группа исследователей получила аналогичные результаты у нескольких видов акропор при идентичных концентрациях фосфата.

Органический фосфат и фосфонатные ингибиторы кальцификации, исходя из результатов исследований, работают по сходному принципу. Этидронат (бифосфонат, применяемый при лечении остеопороза) ингибировал кальцификацию у Stylophora pistillata на 36% при концентрации 2 ррм, и полностью приостанавливал (99% ) при концентрации 100 ррм (см.

Схема 3. Химическая структура этидроната, представленная

в полной протонированной форме. 

Способы удаления фосфата

Теперь, зная, откуда берется фосфат, и какое влияние он оказывает, рассмотрим, куда расходуется этот элемент и как максимально увеличить процессы его расходования. Разумеется, часть фосфора уходит на построение тканей растущих организмов, в том числе бактерий, водорослей, кораллов и рыб. Некоторые из этих организмов постоянно присутствуют в аквариумах, другие периодически удаляются путем прореживания водорослей, в результате работы скиммера и вследствие обрезки кораллов. Далее рассмотрим по отдельности каждый из этих способов.

Выведение фосфата бактериями

Одним из механизмов снижения концентрации фосфата в рифовом аквариуме может быть метод преципитации (осаждения) фосфата кальция Ca3(PO4)2. Вода во многих рифовых аквариумах перенасыщена этим веществом, его концентрация превышает равновесную концентрацию, которая по фосфату составляет все лишь 0.002 ppm (то есть теоретически при концентрации фосфата выше 0.

002 ppm фосфат должен выпадать в осадок в виде фосфата кальция). Так же как и с карбонатом кальция CaCO3, осаждение фосфата кальция Ca3(PO4)2 в морской воде ограничено скорее кинетическими факторами, чем равновесной концентрацией, так что невозможно сказать, сколько именно фосфата кальция выпадает в осадок в аквариумных условиях (если только, конечно, кто-либо не определит это экспериментально).

Реакция преципитации особенно вероятна в тех случаях, когда в аквариум вносятся добавки для поднятия уровня кальция и рН (например, кальквассера). Высокий рН преобразует значительное количество НРО42- в РО43- . А вместе с высоким уровнем кальция (также при добавлении кальквассера), высокий уровень РО43- может привести к перенасыщению Са3(РО4)2 до нестабильных значений, результатом чего станет эффект преципитации.

Многие рифоводы считают, что использование кальквассера снижает уровень фосфатов. Возможно, это верно, однако важно также понимать сам механизм такого процесса. Крейг Бингман провел ряд экспериментов на данную тему и опубликовал результаты в старом журнале Aquarium Frontiers. И, несмотря на то, что многие аквариумисты не вникают в детали механизма преципитации, знание того, что происходит, поможет нам оценить эффективность данного метода и определить наилучший способ его применения.

Один из механизмов – преципитация фосфата кальция как описано выше. Еще один механизм снижения фосфатов с помощью добавок с высоким рН – соединение фосфата с карбонатом кальция. Абсорбция фосфата из морской воды в арагонит зависит от величины рН, максимально абсорбция протекает при рН около 8,4 и менее интенсивно при показаниях ниже или выше 8,4.

Хабиб Секха (владелец Салиферта) указывал, что добавки кальквассера могут приводить к преципитации значительного количества карбоната кальция в аквариуме. Это абсолютно верная идея. В конце концов, дело не в том, что есть множество аквариумов, где четкий кальциевый баланс поддерживается за счет того, что вся испарившаяся вода восполняется насыщенным раствором кальквассера.

Фосфаты в аквариуме

Причем многие аквариумисты отмечают, что кальций и карбонатная жесткость остаются стабильными на протяжении длительного времени в результате применения именно такого способа. Такой результат имеет место, если избыток кальция и карбоната, обычно вносимый в аквариум с раствором кальквассера, в дальнейшем выводится за счет оседания карбоната кальция (на помпах, грелках, песке, камнях и т.д.).

Если кристаллы карбоната кальция статичны (не растут), то описанный процесс обратимый, а арагонит может действовать как резервуар фосфата. Этот резервуар может ингибировать полное выведение фосфата из аквариума с высокими его концентрациями, и может дать возможность низшим водорослям прекрасно себя в таких условиях чувствовать, несмотря на то, что все дополнительные источники фосфата будут исключены. В таких крайних случаях может потребоваться удаление самого субстрата.

А вы читали?  Выбираем лучший грунт для своего аквариума

Если запасы карбоната кальция растут, то фосфат оказывается заключенным внутри растущего кристалла, а последний становится абсорбентом фосфата, по крайней мере до тех пор, пока СаСО3 каким-то образом не начнет растворяться. Кроме того, если такие кристаллы находятся в толще воды (например, если они формируются в точках соприкосновения кальквассера и морской воды), они далее могут быть покрыты органикой и выведены скиммером.

Если фосфаты связываются с поверхностью карбоната кальция в значительных количествах, описанный механизм можно запустить с помощью других добавок с высоким показателем рН (например, с помощью двухкомпонентной добавки по моему рецепту №1 для моей самодельной системы). К сожалению, добиться преципитации фосфата на поверхности карбоната кальция не удастся при низких значениях рН (например, в системах, использующих кальцивые реакторы или системы, в которых показатель рН низкий в силу избыточного атмосферного углекислого газа), потому что низкий рН ингибирует преципитацию избыточного кальция и карбоната, а также ингибирует связывание фосфата с карбонатом кальция.

Выращивание макроводорослей может быть очень эффективным способом снижения уровня фосфатов (как и других питательных веществ) в рифовом аквариуме. В моей системе есть большой освещенные рефуджиум для выращивания каулерпы и хетоморфы (Caulerpa racemosa и Chaetomorpha sp.) – эти два вида водорослей однозначно самые активные потребители фосфата.

Аквариумы с большим количеством процветающих макроводорослей не сталкивается с проблемами избыточного роста микроводорослей или избыточного содержания фосфатов, которые могли бы ингибировать скелетообразование у кораллов. Неясно, является ли снижение уровня фосфатов причиной уменьшения количества микроводорослей;

недостаток других питательных элементов тоже может быть причиной. Хотя для аквариумистов, сталкивающихся с проблемой излишнего роста низших водорослей, четкие причины не имеют значения. Если быстро растущие макроводоросли в результате потребляют достаточное количество фосфора, в результате чего в воде остается очень малое количество ортофосфата, и в то же время не дают развиваться микроводорослям, то большинство аквариумистов будут довольны.

Для тех же, кому интересны конкретные факты, сколько фосфора потребляется макроводорослями, будет интересно ознакомиться с бесплатной статьей в pdf-формате из журнала Marine Biology. В статье приводится информация о содержании фосфора и азота у 9 различных видов макроводорослей, в том числе и тех видов, что часто встерчаются в морских аквариумах.

Например, в сухом веществе виноградной каулерпы (С. Racemosa), собранной на Гавайях, содержится 0,08% фосфора и 5,6% азота. Значит, с каждыми 10 граммами выращенной в аквариуме каулерпы (ее сухого вещества) из воды будет выведено 24 мг фосфата. Это количество равно снижению концентрации фосфата с 0,02 ррм до 0,01 ррм в 67-галлонном (250-литровом) аквариуме.

Рост популяции бактерий – следующий способ выведения фосфатов. Рост популяции бактерий можно стимулировать с помощью внесения источников углерода в воду, к примеру, сахара, уксусной кислоты (уксус) и этанола (этиловый спирт, водка). Есть ряд коммерческих систем, таких как зеовит, построенных вероятно на методе внесения источника углерода, хотя в таких системах редко известно, на работе каких именно компонентов основан принцип работы.

Бактерии потребляют дополнительно вносимые источники углерода, преобразуя их в энергию. В процессе роста и размножения, бактерии в обязательном порядке потребляют азот и фосфор из толщи воды, идущие на построение разнообразных биомолекул (ДНК, РНК, фосфолипиды и пр.). Впоследствии бактерии обычно выводятся из системы с помощью скиммера.

У этого способа есть один недостаток по сравнению, например, с культивированием макроводорослей: в процессе жизнедеятельности бактерии потребляют еще и кислород. Еще один момент – видовой состав популяции бактерий постоянно меняется. Эта изменчивость иногда может иметь весьма негативные последствия.

Потребление фосфата живыми организмами

Каким образом живые организмы получают фосфат, практически во всех случаях остается малопонятным. Даже механизмы всасывания фосфата в организме человека по сей день до конца не изучены. Одна из областей моей научной деятельности включает использование медицинских препаратов для модификации абсорбции фосфата у людей.

Пациенты с заболеваниями почек часто страдают от повышенного содержания фосфата в крови, поскольку не могут эффективно выводить из организма фосфаты, попавшие в организм с продуктами питания. Одним из результатов моей работы стало широкое применение препарата, снижающего усвоение фосфата (Renagel ®).

Тем не менее, даже после многих лет работы, несмотря на потраченные миллионы долларов и время многих ученых в моей команде, я буду первым, кто признает, что механизмы поступления фосфора из пищи в кровь человека на молекулярном уровне до конца неясны. Неудивительно, что механизм абсорбции фосфата рифовыми обитателями тоже весьма мало изучен.

Принято считать, что снижение уровня фосфатов ограничивает рост водорослей в аквариуме. В целом это почти полностью верное мнение, хотя некоторые виды микроводорослей гораздо лучше себя чувствуют при более низких значениях фосфата. Некоторые виды микроводорослей также могут существенно регулировать собственные объемы потребления неорганического фосфата в зависимости от уровня концентрации последнего.

А вы читали?  Нано рыбки для маленьких аквариумов

Многие организмы также могут с помощью ферментов расщеплять органический фосфат до неорганического ортофосфата, а уже впоследствии его потреблять. Вывод: мы слабо представляем себе, какие именно организмы в аквариуме потребляют какие именно формы и какие именно количества фосфора. Более того, аквариумная вода, как правило, отличается от природной морской воды с точки зрения сбалансированности остальных питательных элементов (азот, железо и пр.), поэтому нельзя делать выводы о состоянии аквариума лишь на основании оценки уровня фосфатов.

И все же, многие аквариумисты добиваются хороших результатов в контролировании низших водорослей лишь за счет снижения уровня фосфатов с помощью методов, рассмотренных далее в настоящей статье. Даже при низких концентрациях фосфатах (например, 0,02 ррм и менее) можно контролировать излишний рост водорослей, если организовать выведение фосфата другими способами до того, как они станут доступны водорослям.

Как ранее отмечалось, при концентрации неорганического фосфата менее 0,03 ррм темпы роста многих видов фитопланктона зависит именно от количества доступного фосфата (при условии, что другие факторы, например азот или железо, не оказывают сдерживающего рост влияния). При концентрациях более 0,03 ррм уровень фосфата на темпы роста этих организмов влияния уже не оказывает. Следовательно, чтобы контролировать рост водорослей за счет уровня фосфатов, последний должен оставаться в пределах очень низких значений.

Наличие в системе достаточного количества микроводорослей может удерживать уровень фосфата ниже 0,02 ррм. То же относится к макроводорослям – достаточное количество макроводорослей может удерживать уровень фосфатов ниже 0,02 ррм – поэтому многие рифоводы используют макроводоросли для удаления фосфатов.

Соответственно, сама по себе концентрация фосфатов не есть четким критерием в вопросе, поможет ли снижение уровня фосфатов в решении проблем с нежелательными водорослями. На самом деле, в большинстве случаев такой подход оказывается эффективным, хотя не всегда оказывается простой задачей выведение адекватных количеств фосфата, особенно если их уровень очень высок (скажем, выше 0,2 ррм).

Экспорт фосфата адсорбентами

Органическое вещество, выводимое скиммером из аквариумной системы, обобщенно содержит углерод, водород, азот, фосфор и серу, а также ряд других элементов. Так что скимминг и удаление органики имеют весьма полезную функцию: они удаляют из воды вышеуказанные молекулы до того, как те будут преобразованы в фосфат, нитрат, сульфат и т.п.

Ряд живых организмов, от рыб до бактерий, потребляют органику как источник энергии и выделяют избыточный азот, серу и фосфор, которые не задействованы в процессах роста. Во многих случаях в аквариуме эти выделенные элементы превращаются в фосфат (нитрат, сульфат и т.д.): это либо собственно продукты жизнедеятельности (как в случае с фосфатом и нитратом), либо промежуточные продукты (аммоний, мочевина и прочие азотистые соединения), которые далее в результате деятельности бактерий в конечном итоге превращаются в нитрат.

Неорганический ортофосфат сам по себе не адсорбируется на границе воды с воздухом, поэтому он не будет напрямую выводиться скиммером. Более того, такие сильнозаряженные ионы как ионы фосфата наоборот отталкиваются поверхностью воды и воздуха, что препятствует их гидратации. 

В морской аквариумистике применяется множество различных коммерческих адсорбентов фосфата. Многие из этих адсорбентов являются неорганическими твердыми субстанциями, которые присоединяют фосфат к своим поверхностям. Одним из типичных адсорбентов является оксид алюминия (например, Seachem PhosGuard, Kent Phosphate Sponge).

Многие рифоводы ( в том числе и я) успешно применяют перечисленные продукты, однако у последних есть ряд побочных свойств, которые следует учитывать. Далее в статье мы более детально рассмотрим эти побочные свойства, но в целом можно сказать, что фосфатные адсорбенты имеют свойство частично растворяться в аквариумной воде, высвобождая свои компоненты (а именно алюминий и железо), а также примеси, которые могут в них содержаться. Эти примеси также могут обратимо связывать фосфат, но могут и высвобождать фосфат в воду при определенных условиях.

Активированный уголь в принципе не связывает больших количеств неорганического ортофофсфата, но при этом связывает значительное количество фосфат-содержащей органики (например, фосфолипидов). Тем не менее, если снижение уровня фосфатов является основной задачей, то есть более эффективные методы, нежели использование активированного угля.

Некоторые органические полимеры (например, мой препарат Renagel) разработаны с целью связывания фосфатов в различных формах. При том, что ряд подобных полимеров продаются в аптеках и предназначены для связывания фосфата, такие вещества не слишком эффективны в борьбе с неорганическим ортофосфатом в условиях морского аквариума.

В настоящее время я занимаюсь сравнением относительной эффективности различных фосфатных адсорбентов, и надеюсь в скором времени опубликовать результаты своих исследований. К несчастью, такие сравнительные исследования занимают много времени, поскольку может пройти много дней, прежде чем конкретный реагент достигнет равновесного состояния (то есть, прекратит связывать или высвобождать фосфат) в насыщенной фосфатом морской воде, и понадобится не одна серия тестов различной концентрации фосфата (на основании которых ученые сравнивают эффективность различных адсорбентов).

А вы читали?  Декоративные камни для аквариума – выбор, подготовка

Оксид алюминия

Оксид алюминия – основной компонент ряда выпускаемых фосфатных адсорбентов, например, Seachem PhosGuard. Это твердое вещество белого цвета, хотя не все адсорбенты белого цвета являются оксидами алюминия. Фосфат присоединяется исключительно к поверхностно расположенным ионам алюминия. Считается, что фосфат связывается с поверхностными ионами алюминия за счет прямого ионного взаимодействия между одним или двумя негативно заряженными ионами кислорода в молекуле фосфата и ионами алюминия (Al 3 ), расположенными на поверхности вещества-адсорбента.

Недостаток данного метода в том, что оксид алюминия частично растворим в морской воде. Я показал экспериментально, что алюминий может высвобождаться из PhosGuard, и что добавление схожих концентраций алюминия в морскую воду может вызывать раздражение у кораллов, последние втягивают полипы и сжимаются.

Это объясняет те побочные эффекты, которые отмечались рядом рифоводов еще до проведения тестов. Промывание адсорбента перед его использованием поможет снизить риск того, что мелкие частицы, содержащие алюминий, попадут в аквариум, но не исключит вероятности высвобождения ионов алюминия с поверхности адсорбента.

При всем сказанном, многие аквариумисты успешно применяют адсорбенты на основе оксида алюминия и при этом не сталкиваются с негативными последствиями. Я сам ранее применял такие адсорбенты без видимого ущерба для аквариума, однако я использовал весьма небольшие количества. Промывание перед использованием и использование малых количеств адсорбента снизит риск побочных эффектов.

В последние годы в рифовой аквариумистике стали пользоваться адсорбенты на основе железа. Такие материалы используются для очистки питьевой воды (например, от мышьяка) или очистки сливных вод (для удаления ряда примесей, в том числе и фосфатов). Адсорбенты на основе железа продаются под различными названиями и торговыми марками (PhosBan, Phosphate Killer, ROWAPhos и пр).

Несмотря на то, что выпускаемые сегодня адсорбенты на основе железа имеют довольно крупный размер частиц (на этикетке Салиферта указан размер 0,2 – 2 мм), у этих частиц на самом деле довольно большая внутренняя поверхность взаимодействия (сходно с активированным углем). Соответственно, внешний размер частиц адсорбента не является абсолютным критерием оценки доступной площади поверхности (в отличие от непористых твердых веществ, например, столовой соли).

Я не встречал данных о размерах доступных площадей поверхности у доступных аквариумистам гранулированных оксидов железа, ГОЖ (granular ferric oxide, GFO). Компания Warner Marine выпустила ГОЖ (PHOSaR), размер частиц у которого намного больше, чем у большинства аналогов других брендов, что позволяет использовать данный адсорбент в стандартных мешочках для адсорбентов без риска, что мелкие частицы попадут в аквариум. Я сам этим адсорбентом не пользовался.

Фосфат, присоединенный к поверхности ГОЖ, может высвобождаться обратно в воду, то есть связывание носит временный, а не постоянный характер. Этот факт описан в литературе и может быть показан экспериментально. Детальному описанию я посвящу одну из своих последующих статей, вкратце же продемонстрирую следующий момент: допустим, определенное количество фосфата адсорбировалось на поверхности ГОЖ, а в воду добавлено количество фосфата, которое определяется тестами (например, 0,01 ррм) и находится в равновесном состоянии с количеством твердого вещества.

Одним из возможных побочных эффектов применения гранулированного оксида железа является вероятность попадания растворимого железа в морскую воду. Это железо, скорее всего, будет способствовать росту макроводорослей и я рекомендую добавки растворимого железа для стимуляции роста макроводорослей. В то же время, нехватка железа может быть сдерживающим фактором в развитии нежелательных водорослей (что наблюдается в некоторых областях мирового океана), поэтому добавление железа может способствовать еще и избыточному росту нежелательных микроводорослей.

Еще одним побочным эффектом использования ГОЖ в некоторых случаях может стать избыточная преципитация карбоната кальция вокруг ГОЖ или непосредственно на его поверхности. Оказывается, растворимое железо может вызывать преципитацию карбоната кальция. Такое явление может превратить целый мешок ГОЖ в единый комок и способствовать засорению помп, хотя в целом, если и будет иметь место, то, скорее всего, локально в области расположение ГОЖ.

Наконец, важно промывать гранулированный оксид железа в пресной или соленой воде перед использованием его в аквариуме, поскольку мелкие частицы могут высвобождаться, окрашивая и засоряя воду, а также создавая другие проблемы. Не существует каких-либо особых требований к промыванию ГОЖ. Аквариумистам, использующим ГОЖ в реакторах или канистровых фильтрах, достаточно несколько минут прополоскать порцию адсорбента пресной или морской водой.

В заключение: буду ли я применять гранулированный оксид железа для экспорта фосфатов? Ответ утвердительный, и я часто закладываю ГОЖ в канистровый фильтр, где также содержится активированный уголь. 

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

Adblock detector