Разумеется описать всё разнообразие биологических процессов, происходящих на дне наших аквариумов, в одной статье просто невозможно, да и не существует ещё пока таких научных изысканий. Данный вопрос настолько сложен и запутан, что многое основано чисто на теоретических предпосылках и не подтверждено in viva. Огромное количество тайн и секретов природы ещё предстоит узнать, чтобы в совершенстве овладеть наукой об аквариумистике. Однако именно от устройства и правильного функционирования биологической системы грунта наших водоемов зависит успешное содержание и разведение подводной флоры и фауны. Понимание основных процессов биохимических преобразований в иле нашего прозрачного мира позволит правильно сформировать и поддерживать в дальнейшем всю тонкую конструкцию жизни гидробионтов.
Основы биологии микроорганизмов аквариумного ила.
Биологический метод очистки аквариумной воды основан на способности некоторых видов микроорганизмов в определённых условиях использовать загрязняющие вещества в качестве своего питания. Сообщество микроорганизмов, составляющих активный ил, поглощает загрязняющие вещества внутрь клетки, где они под воздействием ферментов подвергаются биохимическим превращениям. При этом органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ используются бактериальной клеткой в двух направлениях:
Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды:
Органическое вещество + О2 (в присутствии ферментов) => СО2 + Н2О + Q (тепло)
___________________________________________________________________________________________
Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности
(движение, дыхание, размножение и т. п.).
Синтез новой клетки (размножение):
Органическое вещество + N + P + Q (в присутствии ферментов) => НОВАЯ КЛЕТКА
Интенсивность и глубина протекания процессов зависит от качественного состава активного ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации (приспособления) к конкретному составу загрязняющих веществ и условий проведения процесса.
Условия проведения процесса.
1. Наличие и оптимальное соотношение органического углерода, биогенных элементов (азота и фосфора) и микроэлементов (серы, марганец, железо, кобальт и др.);
2. Соблюдение предельно допустимых концентраций тех или иных веществ;
3. Отсутствие токсичных веществ (в т.ч. лекарственных препаратов для лечения рыб) для микроорганизмов веществ;
4. Достаточное количество кислорода и интенсивность аэрации;
5. Оптимальный температурный режим;
6. Нагрузка на ил по количеству органических веществ;
7. Конструктивные особенности организации и состава грунта (слоистые грунты, декоративные элементы, террасы и проч.);
и т. д.
Контроль состояния активного ила.
Микроорганизмы являются эффективным индикатором для определения качества ила. Для осуществления биоиндикаторного контроля в идеале проводят гидробиологический анализ водно-иловой смеси методом микроскопирования. Определяются структурные особенности биоценоза активного ила, организмы которого обладают способностью реагировать (качественным изменением и количественным распределением отдельных групп) на состав и свойства воды аквариума, а также на условия жизнеобеспечения всей системы в целом. Численное преобладание того или иного компонента биоценоза служит индикатором стабильности и эффективности процесса обмена. Данный метод позволяет определить отклонения микроорганизмов и изменение видового состава биоценоза от нормального состояния, причем по степени таких отклонений не только определять состояние, но и прогнозировать перспективы изменения нормального функционирования биологической системы.
Биологический состав активного ила.
Часто встречающиеся виды микроорганизмов в составе активного ила:
эуглифа (раковинная амёба)
арцелла (раковинная амёба)
инфузория туфелька
амёба протей
нитчатые бактерии
сосущая инфузория
политома (жгутиковые)
коловратка нотоммата
хлопья активного ила
амёба дисковидная
зоолгея «оленьи рога»
коловратка филодина
солнечник
оксидриха (брюхоресничная инфузория)
хармонихилл (инфузория)
кархезиум (колониальная инфузория)
амёба террикола
бодо (жгутиковые)
аспидиска (брюхоресничная)
эплотес (брюхоресничная инфузория)
эолозома (малощетинковый червь)
оперкулярия (колониальная инфузория)
циклидиум (инфузория)
сувойка
коловратка моностила
стилонихия (инфузория)
коловратка катипна
Биологический обмен органических веществ
имеет несколько вариантов, в зависимости от присутствия кислорода:
1. Анаэробный цикл;
2. Аэробный цикл;
АНАЭРОБНЫЙ ИЛ.
Биоценоз микроорганизмов, осуществляющих метановое брожение субстратов.
В бионаселении анаэробного ила традиционно выделяют две группы бактерий: кислотообразующие и метаногенные. Первая, достаточно разнообразная по составу, получила название по конечному продукту метаболизма (обмена в-в) этих бактерий — жирным кислотам. Название второй объясняется их способностью продуцировать метан. Кислотообразующие бактерии представлены облигатными и факультативными анаэробами. Преобладание тех или иных видов бактерий определяется характером субстрата, подвергающегося брожению, и составом микрофлоры, уже присутствующей в нем.
Сложный химический состав органических веществ обусловливает развитие в бродящей массе различных физиологических групп бактерий, способных в процессе своей жизнедеятельности использовать все компоненты иловых осадков. Особое значение в процессах брожения принадлежит клостридиям.
Клостридии, обладающие сахаролитической активностью, сбраживают вещества углеводной природы. При этом одни из них окисляют только целлюлозу, другие используют пектиновые вещества, третьи — крахмал. Белки и продукты их гидролиза служат субстратом для клостридии, имеющих активные протеолитические ферменты. Некоторые виды клостридии способны разлагать сложные гетероциклические соединения, например, пурины и пиримидины. Характер конечных продуктов метаболизма клостридии определяет тип брожения.
Ведущая роль в разложении исходного субстрата принадлежит облигатным анаэробам. Их общее число в анаэробном иле на 1—3 порядка превышает суммарную численность факультативных анаэробов и аэробов. Наряду с бактериями в анаэробном иле обнаруживаются мицелиальные и дрожжевые фибы, принимающие участие в разложении органических субстратов, но количество их по сравнению с бактериями невелико.
Большое видовое разнообразие бактерий, объединенных в группу кислотообразующих, обеспечивает устойчивость этого сообщества в широком диапазоне значений рН и окислительно-восстановительного потенциала, а также его способность трансформировать сложный комплекс соединений разных классов. Бактерии этой группы широко представлены в иловых осадках, время генерации для некоторых видов составляет 20—30 мин, для др. измеряется часами.
Все метаногенные бактерии — облигатные анаэробы, очень чувствительны к окислительно-восстановительным условиям и реакции среды. Оптимальное значение рН для них ограничено узким интервалом 6,8—7,5, а оптимум окислительно-восстановительного потенциала составляет от —510 до —590 мВ. Метаногенные бактерии чувствительны к любым окислителям, даже в присутствии нитратов и сульфатов синтез метана задерживается. Почти все истинные метаногенные бактерии принадлежат к мезофилам. Для большинства их оптимальная температура составляет 35—40 С, хотя есть виды и с более низким температурным оптимумом роста (20~-25 С). К числу термофилов относится Methanobacterium termoautotropicum. Однако считают, что возбудителями метанового брожения осадков и в мезофильных, и в термофильных условиях являются одни и те же микроорганизмы, различающиеся температурным интервалом жизнедеятельности.
Источником азота для метанообразующих бактерий служат аммонийные соединения, хотя отдельные виды способны использовать некоторые аминокислоты. К числу наиболее характерных особенностей мета-ногенных бактерий относится специфичность отдельных видов по отношению к донору водорода, используемому в реакциях катаболизма. Большинство этих бактерий способно потреблять молекулярный водород, осуществляя энергетический метаболизм хемолитотрофного типа.
Однако для многих видов донором водорода могут быть органические вещества. В энергетических реакциях метанообразующие бактерии используют только относительно простые соединения: низшие жирные кислоты и соответствующие спирты. Избыточный активный ил, по-видимому, не содержит метаногенных бактерий, кол-во их в осадке незначительно (50—500 клеток в 1 мл). Это примерно на 6—7 порядков ниже численности кислотообразующих бактерий.
Между кислотообразующими и метаногснными бактериями в процессе брожения устанавливается экологическое равновесие, которое предполагает поддержание на определенном уровне численности бактерий обеих групп. В 1 мл бродящего осадка насчитывается 106—10г метаногенных бактерий и такое же количество облигатно анаэробных кислотообразующих бактерий. Т.к. в кислой стадии брожения наряду с облигатными принимают участие факультативные анаэробы, общая численность микроорганизмов первой стадии оказывается выше численности метаногенных бактерий. Последние растут и размножаются значительно медленнее кислотообразующих бактерий, поэтому устойчивый процесс брожения наблюдается только при обеспечении необходимых условий для интенсивного развития метаногенных бактерий. Взаимосвязь между этими группами бактерий не ограничена метаболическими взаимоотношениями, но приобретает более сложный ассоциативный характер благодаря взаимному влиянию через продукты обмена, например витамины группы В.
Аммонификация.
Аммонификация(от Аммоний и лат. facio — делаю) - процесс разложения содержащих азот органических веществ с выделением аммиака. Аммонификация имеет большое значение в круговороте азота в природе и питании растений. В процессе Аммонификации трудноусвояемый азот органических соединений грунта (ила, гумуса, органических удобрений, растительных остатков, отмерших тел животных и микроорганизмов) переходит в доступную для растений форму.
Аммонификация белков осуществляется широко распространёнными в почве гнилостными бактериями, а также некоторыми актиномицетами и грибами. Выделяющийся при этом процессе аммиак частично используется самими микроорганизмами, а большая часть его нейтрализуется в грунте органическими и неорганическими кислотами с образованием аммонийных солей. Остатки молодых растений аммонифицируются быстрее, чем старых, одревесневших. Аммонификация происходит как при свободном доступе воздуха, так и при его недостатке; в анаэробных условиях Аммонификация приводит к образованию вредных для растений восстановленных промежуточных продуктов.
Денитрификация и восстановление нитрата.
Микроорганизмы используют нитрат для двух целей:
Во-первых, подобно большинству растений, многие бактерии способны извлекать из него азот для синтеза азотсодержащих клеточных компонентов. Такая ассимиляционная нитрат-редукция может протекать и в аэробных, и в анаэробных условиях.
Во-вторых, возможна также диссимиляционная нитрат-редукция, или «нитратное дыхание»; при этом нитрат в анаэробных условиях служит конечным акцептором водорода. В обоих случаях нитрат сначала восстанавливается до нитрита с помощью молибденсодержащего фермента (нитратредуктазы).
Ассимиляция нитрата.
В процессе ассимиляции нитрат сначала восстанавливается до нитрита, а затем до аммиака; последний используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих компонентов клетки. Первый этап
катализирует нитратредуктаза; этот фермент (нитратредуктаза В) находится в цитоплазме, и его синтез индуцируется в том случае, если нитрат оказывается единственным источником азота в питательной среде.
Нитрит восстанавливается до аммиака с помощью нитритредуктазы, на что затрачивается 6 электронов. Электроны поступают от NAD(P)H2 (у грибов и бактерий) или ферредоксина (у растений и некоторых бактерий). Нитритредуктаза - сложный фермент, его каталитические центры содержат атомы железа, из которых одни входят в состав тема (сирогем), а другие связаны с атомами серы. Нитритредуктазная реакция сходна с превращениями, катализируемыми нитрогеназой и сульфитредуктазой, так как при восстановлении субстрата происходит перенос 6 электронов и не высвобождается никаких промежуточных продуктов:
2е" 2*- 2е" 2е"
NOf -^-- N02- -^-- HN0 -^-- NHjOH -*-- NH3
Нитратредуктаза В Нитритредуктаза
Образование аммония из нитрата представляет собой процесс восстановления,
протекающий с большими затратами восстановительной силы:
8[Н] + Н+ + N03~ - NH+ + ОН" + 2Н20
Сравнивая рост клеток в аэробных условиях на средах, содержащих в качестве источника азота нитрат или соответственно аммоний, можно заметить, что в первом случае затрачивается больше восстановительной силы (донора водорода), чем при восстановлении аммония (при одинаковом выходе биомассы).
Нитратное дыхание: денитрификация.
Денитрифицирующие бактерии обладают способностью
восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N20) и азота (N2):
10[Н] + 2Н+ + 2N03_ -» N2 + 6Н20
___________________________________________________________________________
В отсутствие кислорода нитрат, таким образом, служит конечным акцептором водорода.
Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулярного азота широко распространена у бактерий. Этот процесс денитрификации до сих пор был обнаружен только у факультативных аэробов; по-видимому, среди облигатных анаэробов нет денитрифицирующих форм. Кроме того, бактерии чаще обладают полной дыхательной системой; синтез ферментов, необходимых для денитрификации (мембраносвязанные нитратредуктаза А и нитритредуктаза), индуцируется только в анаэробных условиях (рис. 9.2).
У многих денитрификаторов эта индукция происходит лишь в присутствии нитрата, хотя для некоторых достаточно создания анаэробных условий. Многие денитрификаторы могут расти, используя в качестве акцептора водорода не только нитрат, но и нитрит, а иногда даже закись азота. Из этого следует, что не только нитратредуктаза А, но и диссимиляционная нитритредуктаза связана у них с дыхательной цепью и участвует в выработке энергии.
Накопительная культура денитрифицирующих бактерий.
Если в среду, содержащую доноры водорода, субстраты для построения клеточных компонентов и нитрат, внести почву или ил и инкубировать культуру без доступа воздуха, то в ней будут расти различные бактерии:
а) при наличии следов пептона и этанола или пропионовой кислоты -Pseudomonas aeruginosa;
б) на глюкозе - Pseudomonas fluoresceins;
в) на тартрате, сукцинате или малате- Pseudomonas stutzeri;
г) на среде с органическими кислотами, спиртом, мясным экстрактом и при высо кой концентрации нитрата (5-12% KN03)-Bacillus licheniformis;
д) при наличии следов дрожжевого экстракта и Н2 в качестве донора водоро да -Paracoccus denitrificans;
e) в присутствии серы или тиосульфата-Thiobacillus denitrificans. Поскольку некоторые денитрификаторы исполь зуют нитрат исключительно или преимущественно как акцептор водо рода, но не могут восстанавливать его до NH4, необходимо добавлять в среду источник азота (пептон или соль аммония).
Обеднение грунта азотом вследствие денитрификации.
Временные потери азота на ограниченных участках грунта, несомненно, связаны с деятельностью денитрифицирующих бактерий. Она имеет большое значение, когда в зоне аквариума создаются анаэробные условия, например, при застое, закупорке грунта, чрезмерном использовании глины и песка, особенно если при этом применяются органические удобрения и нитраты. Нитрит аккумулируется также при недостаточном доступе воздуха. Зависимость обеднения грунта азотом от аэрации связана с особенностями регуляции нитратредуцирующей ферментной системы у бактерий. Эти ферменты индуцируются нитратом только в анаэробных условиях (рис. 9.2); молекулярный кислород подавляет (репрессирует) синтез нитрат- и нитритредуктаз.
В том случае, если ферменты уже были синтезированы до того, как клетки пришли в соприкосновение с кислородом воздуха, кислород вступает в конкуренцию с нитратом за электроны, поступающие из дыхательной цепи, а также подавляет функцию нитратредуцирующей системы.
Значение денитрификации в природе.
Денитрификация - единственный биологический процесс, благодаря которому связанный азот преобразуется в свободный N2. С глобальной точки зрения этот процесс имеет решающее значение для сохранения жизни на земной суше. В нормально аэрируемых водоемах нитрат представляет собой конечный продукт минерализации. Благодаря своей высокой растворимости в воде и слабому связыванию нитрат-ионы вымывались бы из грунта и накапливались в воде; содержание молекулярного азота в атмосфере стало бы уменьшаться, и процессы роста растений и продукции биомассы на суше в конце концов прекратились бы.
Нитратное дыхание: восстановление нитрата до нитрита.
Для целого ряда факультативно-анаэробных бактерий (Enterobacter, Escherichia coli и др.) нитрат может служить конечным акцептором водорода в процессе транспорта электронов, поставляющем энергию. Этот вид «нитратного дыхания» отличается от денитрификации тем, что здесь только первая ступень, а именно восстановление нитрата до нитрита с помощью нитратредуктазы А, сопряжена с переносом электронов и
преобразованием энергии:
При этом нитрит может накапливаться в культуральной жидкости-образования N2 не происходит.
Однако вместо этого нитрит может восстанавливаться до аммиака путем ассимиляционной нитритредукции с последующим выделением NH4 в среду. В таком случае говорят об аммонификации нитрата. Восстановление нитрита до аммиака не позволяет клетке получать энергию. Речь идет скорее о процессе брожения, в котором нитрит играет роль экзогенного акцептора электронов.
Таким образом, восстановление нитрита все же дает известное преимущество: при сбраживании глюкозы часть атомов водорода расходуется на восстановление нитрита, в результате чего образуется больше ацетата.
Использованы справочные материалы:
http://ru.wikipedia.org/
http://www.700a.ru/Baza-znaniyi/
http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/
http://micro.moy.su/
____________________________________________________
Дополнительные материалы нашего сайта:
Важные темы раздела "Общие вопросы аквариумистики".
Важные темы раздела "Аквариумное оборудование".
Важные темы раздела "Освещение аквариума".
Важные темы раздела "Аквариумные рыбки".
Важные темы раздела "Болезни обитателей аквариума".
Важные темы раздела "Корма и кормления".
Важные темы раздела "Дизайн и оформление аквариума".
Важные темы раздела "Беспозвоночные +".
Важные темы раздела "Водоросли и аквариумные растения".
Важные темы раздела "Морской аквариум".
Важные темы раздела "Очумелые ручки".
Важные темы раздела "Декоративные пруды".
Важные темы раздела "Общение и флуд".
