Азотный цикл в биореакторе

Задача аквариумиста - добиться баланса замкнутой экосистемы аквариума, чтобы весь Азот (в виде аммиака [NH3]) и Фосфор поступающие с кормом для рыб потреблялись растениями для роста, а остатки не окисленной органики и избыток образовавшихся нитратов [NO3] выводились из аквариума с подменой воды и стрижкой растений. При этом нужно достичь уровня нитратов и фосфатов близкого к нулю. Неспособность экосистемы аквариума переработать все поступающие питательные вещества является причиной накопления их избытка, дисбаланса пропорции N-P-K и роста водорослей. 
Практически, для аквариума балансирование количества азота (т.е. аммиака [NH3]) в течение недели выглядит так: число кормлений в нед. х содержание азота в корме ~= удаление азота подрезкой растений + (концентрация в воде х подмена воды). 
Основными условиями удаления избытка аммиака [NH3] из аквариума является высокоэффективная биологическая фильтрация и правильный субстрат создающий оптимальные условия роста нитрифицирующих бактерий. Понять как происходит разложение аммиака [NH3] и биологическая фильтрация поможет знание Азотного Цикла и Redfield ratio.

Круговорот Азота - важнейшая часть круговорота веществ в живой природе. Азот содержится в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, в хлорофилле, в рибонуклеиновых кислотах, витаминах. Без Азота невозможен фотосинтез, образование хлорофилла, белка и продолжение рода. 
Азот в атмосфере находится в виде газа [N2] и состоит из двух атомов азота так сильно связанных, что очень мало живых организмов имеют технику метаболизма позволяющую их разорвать чтобы использовать для своей жизнедеятельности. Растворенный в воде азот как и все атмосферные газы не участвует в обороте питательных веществ. Вместо этого весь Азот входит в оборот веществ как аммиак NH3.

Откуда берется Азот?
Мы постоянно поставляем Азот в аквариум с кормом для рыб*. Все что содержит белки содержит и Азот. Белки в среднем содержат 16% Азота. Белка в корме обычно 40-50%. Рыбы выделяют экскременты в которых содержится 20-50% аммиака [NH3]. 
Аммиак [NH3] это побочный продукт всех аэробных метаболизмов, включая метаболизм микроорганизмов. Он производится рыбами и выделяется через их жабры. Производится он грибками и бактериями. Аммиак также производится при разложении. Вся разлагающаяся живая материя - остатки корма, экскременты рыб, гниющие ткани растений, прочие органические отложения содержат белки, которые разлагаются** в грунте бактериями с образованием аммиака [NH3] окисляющегося далее (при pH<7) до аммония [NH4+].

Круговорот Азота состоит из двух частей - нитрификации и денитрификации***.

Преобразование аммиак NH3 -> нитрит NO2 -> нитрат NO3 называется процессом нитрификации. 
Преобразование нитрат -> нитрит -> азот называется денитрификацией. 
Эти процессы в основном происходят в грунте аквариума и биофильтре.

Рассмотрим первую часть процесса подробно:

Нитрификация.

Сначала гетеротрофные бактерии (Bacterium coli, Bactrium proteus, Bacterium sublitis) переводят белки в пептиды и аминокислоты. Другие виды гетеротрофных бактерий переводят аминокислоты в амины, которые преобразуются в органические кислоты, и в конечном итоге в аммоний [NH4+]. Белки разлагаются гетеротрофами до аммония [NH4+] и нитрита, а затем автотрофами до нитрита [NO2-] по формуле:

                                   Nitrosomonas
аммоний [NH4+] + [1.5O2] -----------> нитрит [NO2-] + [2H+] + [H2O] + энергия

Это уникальное окисление возможно только бактериями. Они используют высвободившуюся энергию для своей жизнедеятельности. Как видно из уравнения для этого процесса нужно много кислорода. Чтобы один миллиграмм аммония [NH4+] окислить до нитритов нужно 2,6 мг кислорода. Для окисления 1 мг нитритов в нитраты нужно 0,35 мг кислорода, и эта реакция протекает гораздо легче.

Далее аэробные нитрифицирующие бактерии Nitrospiramoscoviensis и Nitrospiramarina окисляют нитриты [NO2] до менее токсичных нитратов [NO3].

Nitrospira moscoviensis и Nitrospira marina
нитрит [NO2-] + [0.5O2] --------------> нитрат [NO3-]

Из двух последних уравнений видно, что процесс нитрификации протекает только в среде (воде) богатой кислородом. Но это только одна - аэробная часть круговорота Азота. В обычных условиях аквариума цикл метаболизма на этом заканчивается. Большинство нитрата потребляется растениями для своего роста, а часть выводится с еженедельными подменами воды. Но есть и вторая часть процесса: анаэробная (без растворенного в воде кислорода) называемая денитрификацией. В здоровом аквариуме при правильном грунте и достаточном количестве хорошо растущих растений полная анаэробность для образования цикла денитрификации возможна только на очень небольших участках глубоко в субстрате или внутри частиц грунта самого нижнего слоя из пористого материала (лава, Gravelit®, керамзит и т.п.).

Денитрификация.

"Денитрификация: Микробное преобразование (видами Pseudomonas spp.) нитрата [NO3] до газообразного азота [N2], и в меньшей степени оксида азота [N2O], которые уходят в атмосферу. Высвобождение оксида азота [N2O] вызывает беспокойство по причине влияния на слой озона атмосферы. Денитрификация происходит только в анаэробных, с недостатком кислорода участках грунта которые обычно существуют под его поверхностью." (Nitrogen Cycling in Wetlands by William F. DeBusk, University of Florida, Gainesville)

Образовавшиеся в первой части азотного цикла нитраты [NO3] вовсе не являются конечным продуктом разложения аммиака [NH3]. Они используются анаэробными, денитрифицирующими бактериями для извлечения кислорода. Часть нитратов преобразуется анаэробными обратно в нитриты, а они используются денитрифицирующими анаэробными бактериями, окисляясь до азота.

анаэробные бактерии 
нитраты [NO3]--> нитриты [NO2] -----------> газообразный азот [N2]

В верхнем слое грунта аквариума, где много кислорода, поселяются аэробные бактерии перерабатывающие аммоний [NH4+] до нитрата [NO3. Но уже на глубине нескольких сантиметров в грунте уже НЕдостаточно кислорода для протекания нитрификации. Здесь начинает развиваться другой вид бактерий - анаэробные, те что живут без кислорода. 

В обычных канистровых и внутренних фильтрах денитрификация на данный момент невозможна. Этот процесс возможен толькопри отсутствии кислорода в специальных фильтрах - денитрификаторах, например производства Energy Savers Unlimited, Summit Aquatics, Marine Technical Concepts, Thiel*Aqua*Tech или Sera Biodenitartor. 

Баланс разных культур бактерий в грунте. 
В грунте живут культуры множества бактерий. Есть бактерии анаэробные, а есть и те что в зависимости от содержания кислорода в воде становятся или аэробными, или анаэробными. Аэробные бактерии не только поставляют нитрат для анаэробных, но и благодаря большому потреблению кислорода создают умеренно анаэробные условия. Возникает взаимно выгодный обмен между двумя типами бактерий живущих в нескольких сантиметрах верхнего слоя грунта (поэтому беспокоить субстрат в Nature Aquarium чисткой грунта сифоном крайне нежелательно). Анаэробные бактерии разлагают нитрат до газообразного оксида азота [NO] - безвредного газа. Он растворится в воде и выветрится в атмосферу, завершая круговорот азота. 
Часть нитрата превращается анаэробными бактериями обратно в нитрит и аммоний. Если азот в этом случае не будет употреблен корнями растений, он превращается бактериями в газ азот [N2], химически инертный и безвредный газ, который растворится в воде и выветрится в обратно в атмосферу. Со временем процессы сбалансируются и денитрификация будет протекать одновременно с нитрификацией в грунте и фильтре в анаэробных зонах. Управлять процессом денитрификации в аквариуме практически невозможно.

Корни растений способны доставлять кислород в грунт предотвращая его от полной анаэробности. В субстрате из крупного гравия вообще не будет анаэробных условий. В субстрате составленном из гравия разного размера вероятнее всего будут образовываться локальные безкислородные (анаэробные) зоны денитрификации, что наверное будет идеальным случаем для аквариума с растениями - Nature Aquarium.

Конкуренция за аммоний. 
Лабораторные тесты показали, что растения и водоросли НЕ потребляют нитрат в заметных количествах пока есть аммоний (0,02мг/л). Не стоит беспокоиться о полной нитрификации потому что в аквариуме с большим количеством растений, каким является Nature Aquarium, любая дополнительная конкуренция за азот (в составе аммония) будет ухудшать рост растений. Слишком активное преобразование бактериями аммония [NH4+] в нитрит [NO2] отнимает основной источник азота для питания растений. 
Уровень pH играет решающую роль в нитрификации: интенсивнее этот процесс протекает при pH более 7,2 и достигает своего максимума при pH=8,3. При pH менее 7,0 интенсивность нитрификации составляет 50%, при pH=6,5 только 30%. Таким образом в Nature Aquarium, в котором pH=6.8-7.2, создаются благоприятные условия для потребления аммония [NH4+] именно растениями, а не нитрифицирующими бактериями в грунте и фильтре.

Нитрифицирующие бактерии плохо конкурируют за кислород с гетеротрофными бактериями разлагающими органику в грунте - теми, что образуют "биологическую потребность в кислороде" (biological oxygen demand - BOD) что при еще больше увеличивает шансы растений употребить весь доступный аммиак [NH3] раньше нитрифицирующих бактерий.

В Nature Aquarium с большим количеством растений при pH=6.8-7.2 почти весь образовавшийся аммоний будет потреблен растениями до того, как его успеют переработать нитрифицирующие бактерии, особенно учитывая хелатирующее действие смеси лавы и торфа. Этим растения способствуют снижению уровня нитратов. Позднее при подрезке растений азот (нитраты) выведется из аквариума. Подробнее о конкуренции за аммоний смотри в разделе чрезмерная биологическая фильтрация.

Баланс аммиак NH3/аммоний NH4+. 
Основной источник азота в аквариуме это аммоний [NH4+]. Но он может существовать и в форме аммиака [NH3]. Аммиак (ammonia) [NH3] ОЧЕНЬ токсичен для рыб, уже при содержании аммиака [NH3] всего около 0,05% у рыб возникает хроническое поражение жабр. Со временем оно становится необратимым. Но есть во много раз менее токсичная его форма - аммоний (ammonium) [NH4+]. В кислой воде при pH менее 7,0, к аммиаку [NH3] присоединяется еще один водородный ион H+: NH3 + H2O ---> NH4+ + OH- . 
Эта гораздо менее токсичная позитивно заряженная, или ионизированная, форма аммиака [NH3] называется аммоний (ammonium) [NH4+]. С падением pH все больше аммиака превращается в нетоксичный аммоний [NH4+] - при понижении pH на один градус токсичного аммиака [NH3] становится в десять раз меньше. В нормальных условиях аквариума с pH=6.5-7.2 почти весь токсичный аммиак [NH3] ионизируется до нетоксичного аммония [NH4+]. При pH=7.0 аммиака [NH3] примерно 0,33%, при pH=6.0 - только 0,03%. 

На деятельность нитрифицирующих бактерий которые окисляют аммиак влияют также температура и концентрация кислорода в воде. Чем выше температура - тем больше доля токсичного аммиака [NH3]. При 28 градусах вдвое больше токсичного аммиака [NH3] чем при 20 градусах (при равном pH). Для протекания нитрификации содержание кислорода должно быть не менее 1 мг/л. Нитрифицирующие бактерии требуют много кислорода. Именно поэтому фильтры типа EHEIM Professional INTERVALL(Wet/Dry), Hydor BRAVO, KENT MARINE BioRocker, и Marineland BIO-Wheel неприменимы - они сильно выветривают CO2 из воды.

*чтобы посчитать сколько Азота вы вносите в аквариум с кормом для рыб, посмотрите содержание белка в корме, посчитайте его массу и умножьте на 0,16 - получите количество азота в данном корме. (например в банка хлопьев Sera Vipan массой 60 грамм содержит 48% белка, это 60 х 0,48 = 28,8 гр белка, который содержит 16% азота: 28,8 х 0,16 = 4,6 гр) 
** разложение органики происходит путем минерализации осуществляемой гетеротрофными бактериями. Минерализация это разрушение органической субстанции до неорганических веществ. При этом образуются неорганические вещества - азот, фосфор, углерод и их соединения. 

The cycle of nitrogen byMarco Pagni (microbiologist), Version 2.0 of the 01/03/98 
Cycling Your New Aquarium (особенно про гетеротрофные бактерии работающие в Hamburger Mattenfilter)
The Nitrogen Cycle, by Marc Elieson 
Различные типы анаэробной денитрификации и азотный цикл - Aquaculture nitrogen waste removal.