Азотный цикл, который в аквариуме циклом не является

В аквариумистике общепринят и часто употребляется термин «азотный цикл». На самом деле в огромном большинстве случаев в аквариуме полного цикла превращений соединений азота не складывается, а есть очень простая цепочка химических реакций (только часть цикла), в ходе которой аммиак окисляется, превращаясь сначала в нитрит-ион, а затем – в нитрат. Этот процесс называется нитрификацией и он, возможно, самый важный из всех химических превращений, совершающихся в аквариуме. От него напрямую зависит, будут ли рыбки жить в аквариуме или быстро умрут.

Азотный цикл, синдром нового аквариума, нитрификация.

Азотный цикл в аквариуме значительно проще того, что совершается в природе. Это всего лишь маленькая его часть и обычно вовсе не цикл, а простая цепочка превращений азотистых веществ, но зато какая она важная!

Рис.1 Круговорот азота в природе, или азотный цикл. Азот является одним из важнейших химических элементов, входящих в состав органических молекул (аминокислот и белков). Показана циркуляция азота между организмами и окружающей средой, а также участие микроорганизмов в ключевых этапах азотного цикла. Красными стрелками выделена часть азотного цикла, которая всегда должна осуществляться в благополучном аквариуме. Зеленым показаны процессы денитрификации. В пресноводном аквариуме их роль обычно крайне незначительна. Из Одум Ю. Экология, Т1, М.: "Мир" 1986

    В ходе аквариумного азотного цикла происходит окисление аммиака - нитрификация, которая осуществляется особыми бактериями-нитрификаторами. Сам по себе аммиак (NH₃) и его ионизированная форма – аммоний (NH₄⁺) ¹⁾ стойкие химические соединения. В воде аквариума они самопроизвольно не разрушаются и не окисляются. Справиться с ними могут только ферментные системы особых нитрифицирующих бактерий, которые окисляя аммиак, получают энергию.
    Откуда в аквариуме аммиак? Его выделяют рыбы. Аммиак является конечным продуктом азотистого обмена рыб. Азот входит в состав белков, поэтому, чем больше белка в корме, который Вы даёте своим рыбкам, тем больше, в конечном итоге, они выделят аммиака. Еще одним источником аммиака в аквариуме являются несъеденные остатки корма, умершие обитатели аквариума и отмирающие части растений. Гетеротрофные аммонифицирующие бактериии осуществляют их минерализацию (разложение сложных органических молекул до простых неорганических). Одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак.
    Таким образом, именно бактерии: разрушающие органику гетеротрофы и окисляющие аммиак нитрификаторы - являются исполнителями очень важной для благополучия аквариума части азотного цикла. 
    Аммиак очень вреден для рыб и должен удаляться из аквариумной воды или быть окисленным как можно скорее, иначе рыбы отравятся. В нормально работающем (как говорят аквариумисты «запущенном») аквариуме так все и происходит (см. рис.2). 

Рис.2 Азотный цикл в аквариуме. Рыбы выделяют аммиак в воду как конечный продукт белкового обмена, кроме того, источником аммиака являются разлагающиеся остатки корма, погибшие животные и отмирающие части растений. Основной путь удаления нитратов из пресноводного аквариума - подмена воды. В густо засаженном аквариуме-травнике существенную роль в удалении нитратов играют растения.

Первый этап нитрификации. Бактерии-нитрификаторы живут в основном на наполнителях фильтра (в простейшем случае на губке фильтра) и в грунте, и именно они расправляются с аммиаком, окисляя его до нитрит-иона. Для того, чтобы процесс окисления происходил быстро необходимо выполнение следующих условий:

• эти бактерии должны быть многочисленными, следовательно, фильтрующих материалов в фильтре должно быть достаточно много;
• в аквариуме должна быть налажена хорошая циркуляция воды (прокачиваемый объем через наполнители фильтра - не менее трех объемов аквариума в час, + течение в придонной зоне над грунтом);
• вода в аквариуме должна содержать достаточное количество кислорода (не менее 4 мг/л);
• вода должна быть теплой, оптимальная температура для процесса нитрификации лежит в интервале 25 - 30°С;
• нельзя допускать резкого снижения температуры воды более чем на 2°С, так как это приводит к временной температурной инактивации процесса нитрификации;
• показатель рН должен быть не ниже 6,5 и не выше 8,5 (оптимальные значения рН лежат в интервале 7,1 – 7,8 ).

    Первый этап процесса нитрификации описывается следующим уравнением:
2 NH₃ + 3 O₂ → 2 NO₂^- + 2H⁺ + 2H₂O

Второй этап нитрификации. Перечисленные выше условия необходимы и для выполнения второго этапа нитрификации - окисления нитритов до нитратов:
2 NO₂^- + O₂ → 2 NO₃^-

    Этот этап также осуществляется бактериями, но это бактерии других видов ²⁾. Аквариумисту надо знать, что они капризнее, чем бактерии, задействованные на первом этапе азотного цикла. Слишком большая подмена воды, добавление в воду аквариума лекарств, тщательная промывка губки и других наполнителей фильтра, сифонка грунта, а также высокая концентрация аммиака угнетает их активность. В итоге в воде аквариума растет концентрация нитрит-ионов. А это очень вредно для рыбок, так как нитриты еще токсичнее, чем аммоний. Бактерии-нитрификаторы второго этапа всегда должны быть в добром здравии иначе нитритные отравления рыб будут неизбежными.

    Итоговое уравнение окисления аммиака до нитрат-иона выглядит так:
NH₃ + 2 O₂ → NO₃^- + H⁺ + H₂O 
    Если оба этапа процесса нитрификации (важнейшие звенья азотного цикла) проходят в аквариуме должным образом, то аквариумные тесты не будут определять ни аммиака, ни нитритов и именно к таким показателям необходимо стремиться.
    Рыбки некоторое время (несколько дней) могут пережить повышенные концентрации аммиака и нитритов…., но только некоторое время (и не все), за которое аквариумист должен принять все меры, чтобы снизить содержание этих опасных веществ, уменьшить их токсичность, наладить нитрификацию в аквариуме (как говорят «запустить аквариум»).

Рис.3 Изменение концентраций аммиака/аммония, нитрит-ионов и нитрат-ионов в ходе запуска нового аквариума - становление азотного цикла. График рассчитан для следующих условий: в сто литровый аквариум, оборудованный внешним фильтром, фильтрующие субстраты которого еще не были в работе, посадили рыбок общей массой 20 г и стали кормить их ежедневно задавая 1 г корма с содержанием белка 40%. В первые 10 дней каждый день вносили в аквариум препарат с нитрифицирующими бактериями. Бактериям, ответственным за первый этап нитрификации, понадобилось 13 дней для того, чтобы начать окислять весь образующийся в аквариуме аммиак в нитриты. Активность бактерий второго этапа нитрификации проявилась лишь через неделю после начала запуска аквариума и только к 19-му дню они стали окислять все образующиеся в аквариуме нитрит-ионы. Таким образом, на протяжении почти трех недель вода содержала повышенную концентрацию сначала аммиака, а затем нитритов. Это явление типично для запускаемых новых аквариумов с новыми фильтрами. Оно получило название синдром нового аквариума. Из-за синдрома нового аквариума нельзя сразу же сажать в него много рыб, а надо постепенно наращивать их численность, чтобы сгладить пики концентраций токсичных аммиака и нитритов.

    Как следует из приведенных выше химических уравнений, конечными продуктами нитрификации являются нитрат-ионы и ионы водорода.

По сути дела в аквариуме из аммиака в ходе азотного цикла образуется азотная кислота.

    Ионы водорода по мере образования уменьшают карбонатную жесткость воды, что в емкостях с мягкой водой приводит к заметному снижению показателя рН. Этот эффект хорошо знаком питерским аквариумистам, в аквариумах которых невская вода (KH=1–2, GH=3). Если грунт в аквариуме не содержит карбонатов (не фонит), то рН может опуститься до значения 6,0 и ниже. Такое падение практически полностью прекращает нитрификацию, так как интенсивность этого процесса сильно зависит от значения активной реакции воды: оптимум для первого этапа в пресноводном аквариуме - 7,8, для второго - 7,1 ³⁾. Ситуация может быть исправлена добавлением к грунту небольшого количества коралловой крошки - 200 г на столитровый аквариум или размещением коралловой крошки в одном из лотков внешнего фильтра.
    Образующиеся в ходе азотного цикла в аквариуме нитрат-ионы значительно менее токсичны по сравнению с аммиаком и нитритами. Если допустимой суммарной концентрацией аммиака/аммония (NH₃/NH₄⁺) при рН<7,6 и температуре 24 - 28°С является 0,5 мг/л, нитрит-иона – 0,2 мг/л, то концентрация нитратов, без вреда для огромного большинства аквариумных рыб, может быть в 100 раз большей – 20 – 50 мг/л.  И, тем не менее, нитраты из аквариумной воды надо удалять, иначе их концентрация быстро превысит все допустимые значения и может легко достигнуть нескольких сотен мг/л. 
    Естественный путь удаления нитратов – это поглощение их водными растениями. Но, чтобы этот процесс был заметен, растений в аквариуме должно быть действительно много и они должны хорошо себя чувствовать, что, в первую очередь, зависит от подходящего освещения. Поглощение нитрат-ионов растениями является следующим звеном азотного цикла. Очевидно, что в аквариуме с небольшим количеством растений или с медленно растущими растениями, такими как, например, анубиасы роль этого звена крайне незначительна. Ну а в аквариуме с пластмассовыми имитациями наших «зеленых друзей» это звено и вовсе отсутствует. Подумайте об этом, если решили «засадить» аквариум пластмассой, чтобы не «парится» с живыми растениями. 
    Нитрат-ионы удаляются из воды аквариума также и в процессе денитрификации. Определенные виды бактерий в анаэробных условиях (например, в глубине грунта, уложенного толстым слоем) могут использовать входящий в состав в нитрат-ионов кислород для окисления органических веществ. Сам по себе этот процесс в пресноводном аквариуме запускается далеко не просто и может привести не к образованию безобидных молекул азота, которые улетают из аквариума, а к росту концентрации высокотоксичных нитритов, что очень опасно. В общем, игры с денитрификацией не для начинающих аквариумистов. Впрочем, фирмы TETRA и DENNERLE создали ряд инновационных продуктов, позволяющих запустить безопасную (по утверждениям производителей) денитрификацию даже неопытному аквариумисту-новичку. Вот они: Tetra Nitrat Minus Pearls, BalanceBalls ProLine, Dennerle BIOTROP-Stabilisator. Однако, до сих пор они не снискали заметной популярности. Скорее всего, по той причине, что нитратов в среднестатистическом аквариуме образуется гораздо больше, чем могут переработать эти средства. 

    Еще одним способом удаления нитрат-ионов является использование специальных поглотителей (ионообменных материалов), которые помещаются в сетчатые мешочки и закладываются во внешний фильтр. К примеру, один из них специальный фильтрующий материал для удаления нитратов из аквариумов DENNERLE NitratStop Supra.  Поглощение ими нитратов не является звеном естественного азотного цикла в аквариуме, однако это хороший способ без труда, но, правда, с затратой немалых денег, от нитрат-ионов избавиться. В целом ряде случаем, например, в аквариумах с плотным населением из малавийских цихлид, использование сорбентов необходимо, иначе придется подменивать воду несколько раз в неделю. 

    Вот мы и дошли до важнейшего способа удаления нитрат-ионов из аквариума – это подмена воды. На самом деле без нее никак не обойтись, сколько бы препаратов для ленивых не придумывали аквариумные фирмы. Почему не обойтись – рассказано в другой статье, так как это отдельная самостоятельная и большая тема. Здесь же отметим, что главным звеном азотного цикла в аквариуме является сам аквариумист, который просто выливает из аквариума часть занитраченной воды и заливает туда новую, свободную от нитратов, тем самым этот цикл разрывая. 
    Однако, вернемся к естественной биологической составляющей азотного цикла в аквариуме. Напомним, что он осуществляется с помощью особых бактерий и этих бактерий при запуске нового аквариума или перезапуске старого необходимо в аквариум поселить. Они продаются в аквариумных магазинах в составе специальных препаратов, предназначенных для запуска процессов нитрификации в аквариуме. А можно ли обойтись без них, ведь по нынешним временам стоят они совсем не дешево? Оказывается можно, но этот секрет раскрыт на другой страничке Аквариумка.

    Рассказывая об азотном цикле в аквариуме, хочу еще раз обратить внимание аквариумистов, что полезные бактерии – это далеко не только одни нитрификаторы. Кроме них в аквариуме должны поселиться бактерии-гетеротрофы. Это они разлагают органические вещества (остатки корма и отмирающие части растений, погибших животных – см. рис. 2) до минеральных составляющих: аммиака, сульфатов, фосфатов. Эти бактерии вездесущи и, как правило, заводятся в аквариуме сами. Но! Важно, чтобы поселились правильные бактерии, те, что делают воду аквариума кристально прозрачной. И живут они, опять же, в грунте и на фильтрующих материалах, а мы уже знаем и помним, что к грунту и наполнителям фильтра надо относиться бережно.
    В новом аквариуме, или в старом после его генеральной чистки, когда был тщательно просифонен весь грунт и начисто отмыты либо заменены наполнители фильтра, могут поселиться и неправильные гетеротрофные бактерии. Они парят в воде и, размножаясь в огромных количествах, делают ее неприятно мутной. К сожалению, такое происходит довольно часто. Устранить эту муть можно подливая в аквариум препарат с правильными бактериями. И вот тут надо избежать путаницы. Внося в аквариум общеизвестные препараты с бактериями-нитрификаторами с мутью не справиться. А именно так зачастую и поступают, забывая, что функция нитрификаторов – осуществлять лишь два звена азотного цикла - окислять аммиак и нитрит-ионы. С мутью же должны бороться совсем другие бактерии-гетеротрофы, которые, поселившись в грунте и в фильтре, лишат питания парящих в воде бактерий. В продаже есть препараты с такими бактериями и путать их со средствами для запуска азотного цикла никак нельзя!

    В заключении этого материала отвечу на один очень популярный вопрос, который теперь все чаще слышу от начинающих аквариумистов:
- Я оборудовал свой аквариум сразу двумя мощными внешними фильтрами, они хорошо очищают воду, она чистая и прозрачная, зачем же мне делать подмены, раз фильтры работают отлично? 
Надеюсь, что те, кто прочитал данную статью от начала до конца, без труда дадут правильный ответ. Но на всякий случай: эти два «внешника» отлично переводят аммиак/аммоний в нитраты, ну а дальше в дело должен вступать сам аквариумист, чтобы с помощью регулярных подмен воды оные нитраты из аквариума удалять, вспомним, кто на самом деле является важнейшим звеном азотного цикла в аквариуме? 

1) Подробно об аммиаке и аммонии, об опасных для рыб концентрациях этих соединений и о соотношении концентраций аммиака и аммония в зависимости от температуры воды и величины показателя рН в аквариуме рассказано в специальной статье.
Назад к тексту

2) Видовой состав нитрифицирующих бактерий, участвующих в первом и втором этапах нитрификации постоянно расширяется и уточняется. Аквариумисту нет необходимости знать их латинские названия, так фирмы-производители на препаратах с нитрифицирующими бактериями не указывают их названия. Но для любознательных перечислю основные виды:
первый этап - Nitrosomonas europaea, Nitrosospira briensis, Nitrosovibrio tenuis
второй этап - Nitrobacter winogradskyi, Nitrospira sp.
Назад к тексту