Морской аквариум

Биологическая очистка воды (Антонов С.)

Биологическая очистка воды позволяет выращивать морские организмы вдали от морей, поддерживая ее стабильное качество. В процессе жизнедеятельности морских организмов в воде постепенно накапливаются токсические вещества, которые представляют опасность в замкнутых системах, следовательно, возникает необходимость их постоянного удаления.

В любом аквариуме обитают гетеротрофные и автотрофные бактерии, с помощью которых и происходит преобразование высокотоксичных соединений, выделенных морскими организмами, в менее токсичные.

На первом этапе биологической очистки происходит расщепление белков и нуклеиновых кислот и образование аминокислот и органических азотистых оснований. Этот процесс называется минерализацией. Минерализация азотсодержащих органических соединений осуществляется гетеротрофными бактериями.

На следующем этапе биологической очистки происходит биологическое окисление аммония до нитритов и нитратов, этот процесс называется нитрификацией. Нитрификация происходит за счет автотрофных бактерий, которые способны усваивать неорганический углерод. Автотрофные нитрифицирующие бактерии представлены родами Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas участвует в окислении аммония до нитритов, a Nitrobacter окисляет нитриты до нитратов. Таким образом высокотоксичный аммоний превращается в менее токсичные нитраты.

На процесс нитрификации большое влияние оказывает содержание в воде токсичных веществ, так как многие вещества подавляют этот процесс, воздействуя на рост и размножение бактерий или мешая окислению.

Температура воды в замкнутой системе тоже влияет на скорость процесса нитрификации. Повышение температуры всего на 4 °С приводит к ускорению окисления аммония и нитритов на 50 и 12 % по сравнению с исходным уровнем. При снижении температуры воды на 1 °С скорость окисления аммония уменьшается на 30 % (Sina and Baggaley, 1975).

Оптимальное значение рН для окисления аммония - 7,8, нитритов - 7,45, но морские животные лучше себя чувствуют при рН 8-8,5, и его следует поддерживать на этом уровне. Для увеличения рН на 0,1 необходимо добавить 7 г NaHCО₃ на 100 л; увеличение рН до нужных пределов следует производить постепенно, так как резкое его изменение может привести к отрицательным последствиям.

Биологический фильтр потребляет большое количество кислорода. Потребность биологического фильтра в кислороде обусловлена в основном активностью гетеротрофных бактерий. Если уменьшить содержание кислорода в аквариуме, то происходит увеличение численности анаэробных бактерий, или же осуществляется переход от аэробного дыхания к анаэробному; многие продукты анаэробного дыхания токсичны. Минерализация в анаэробных условиях идет вместо азотистых оснований и органических кислот до двуокиси углерода и аммония; эти вещества токсичны и наряду с метаном, сероводородом придают задыхающемуся фильтру запах гнили.

Бактерии, обитающие в биологическом фильтре, довольно устойчивы к колебаниям солености, но поскольку к таким изменениям чувствительны животные и водоросли, то соленость воды следует поддерживать в определенных пределах, а именно от 33-37 ‰. Контролировать соленость можно по удельному весу, т. е. ареометром определяется удельный вес, потом пересчитывается в плотность (в г/мл) при 15 °С, а затем пересчитывают плотность воды в соленость; для этого существуют специальные таблицы, которые будут приведены позже.

Производительность биологического фильтра зависит от многих факторов: скорости протекания воды через поверхность фильтра; насыщения воды кислородом; размера частиц; площади поверхности фильтра и др. Бактерии, присутствующие в фильтре, находятся и в воде, но содержание их в фильтре в 100 раз выше. Чем больше контактная поверхность фильтра, тем большее количество бактерий может к нему прикрепиться. В качестве субстрата для биологического фильтра подходят различные нетоксичные материалы - гравий и др. Материал, используемый в качестве субстрата, должен иметь как можно большую поверхностную площадь при наименьшем объеме. Чаще всего в биофильтрах применяют гравий (размер его частиц должен быть равным 3-5 мм) угловатой формы, так как он имеет большую поверхность, а размеры гравия выбраны с учетом обеспечения оптимального режима по кислороду. Наибольшая часть бактерий поселяется в верхнем слое гравия, так, в 1 г гравия верхнего слоя фильтра содержится 105 бактерий-окислителей аммония, а на глубине 5 см от поверхности плотность микроорганизмов снижается на 90 %. Таким образом толщина слоя гравия не должна превышать 5-7 см. Постепенно в гравии накапливается детрит, который представляет собой для бактерий дополнительную поверхность и улучшает нитрификацию. В некоторых биологических фильтрах на процессе нитрификации заканчивается биологическая очистка воды, т. е. из аквариума удаляются и преобразуются наиболее токсичные вещества и накапливаются менее токсичные нитраты (нужно отметить, что нитраты в пресной воде менее токсичны). Постепенно нитраты накапливаются в значительных количествах, что сначала начинает влиять на рост и развитие животных, а в дальнейшем может привести даже к их гибели; некоторые животные чувствительны даже к небольшим концентрациям нитратов. В последнее время все чаще стали применять денитрификаторы, с помощью которых появилась возможность восстановления окислов азота до свободного азота, который удаляется в атмосферу. Денитрификация - это анаэробный процесс, т. е. идущий без участия кислорода, с потреблением энергии. Для удовлетворения этого условия в систему в определенных количествах добавляется глюкоза или метиловый спирт.

Мы рассмотрели основные преобразования азота, происходящие в биологических фильтрах, и факторы, влияющие на скорость протекания этих процессов. Но очистка воды в морских аквариумах на этом не заканчивается. Морской аквариум, кроме системы биологической очистки, должен быть оборудован и другими нужными элементами: механическим фильтром, пеноотделительной колонкой, контактором с активированным углем, озонатором и т. д. Об этих и других устройствах, а также об их практическом исполнении, о составе воды и об определении ее параметров будет рассказано в следующих номерах журнала.