Ваша корзина пуста
Главная > Статьи > Нитратные фильтры и Денитрификация > Нитратные фильтры и Денитрификация

Нитратные фильтры и Денитрификация

Нитратные фильтры и Денитрификация

Денитрификация

Говоря о биологической фильтрации и азотном цикле в аквариуме, мы обычно имеем в виду нитрификацию, а вторую часть цикла, т.е. денитрификацию – восстановление нитратов до газообразных оксидов и молекулярного азота – не рассматриваем и не используем. Достаточно показательна статья «Основы биологической фильтрации», опубликованная в журнале «Aqua Animals» №2.2005. «Биологическая фильтрация,– пишут ее авторы,– это многостадийный, многоступенчатый процесс. <…> Первая стадия – это минерализация. Специализированные бактерии переводят органические азотсодержащие вещества в неорганические, в основном в аммиак. <…> Следующая стадия – нитрификация аммиака и перевод его в нитрит, осуществляется другой группой бактерий. Затем еще одна группа бактерий переводит нитриты в нитраты. По большому счету есть еще бактерии, которые умеют переводить нитраты в нейтральный азот и совсем выводить его из круговорота веществ в аквариуме, в пресноводной аквариумистике этот процесс, называемый денитрификацией (процесс протекает в анаэробной среде, т.е. без участия кислорода) используется крайне редко. Первые две стадии и есть суть биофильтрации… Надо помнить, что нитраты, конечный продукт распада органики, из воды уже не выводятся, а постепенно накапливаются. Поэтому биофильтрация ни в коем случае не заменяет подмену воды. Подмена воды в любом случае обязательна, какие бы биофильтры не стояли».

Нитраты не являются конечной стадией круговорота азота, но в силу современного уровня развития аквариумных технологий большинство аквариумистов использует только первую (окислительную) часть азотного цикла и борится с ростом нитратов подменами воды. Однако нитрат может быть удален и с помощью биологических методов. Наряду с фитометодами, т.е. непосредственно аквариумными растениями и применением специальных фитофильтров с посаженными в них растениями, которые потребляют содержащиеся в аквариумной воде нитрогены, нитраты используются в качестве поставщика кислорода для так называемых анаэробных реакций. Денитрификация, в отличие от нитрификация, которая является аэробным, окислительным процессом, т.е. может происходить лишь в среде, содержащей в достаточном количестве кислород, является процессом анаэробным и редуцирующим. Это означает, что процесс денитрификации происходит без кислорода и соответственно, поглощает электроны. Денитрификация определена как превращение нитрата в азот — безвредный газ, который уходит пузырьками наружу. Между начальным продуктом (нитратом) и конечным продуктом (газообразным азотом) существуют три промежуточных продукта: в порядке их возникновения, это нитрит (NO2), окись азота (NO) и закись азота (N2O). То есть мы видим, что денитрификация (как и нитрификация) — многоступенчатый процесс и его промежуточные продукты, и в частности нитрит, токсичны. Если денитрификация происходит не до конца, качество воды становится для рыб много хуже, чем до этого процесса. Существуют и еще два других процесса, которые могут происходить в аквариуме. Это диссимилятивное и ассимилятивное поглощение нитрата. Оба они опасны, т.к. производят аммоний. Фактически это полная противоположность нитрификации — нитрат редуцируется в нитрит, который затем редуцируется в гидроксиламин (NH2OH) и затем в аммоний.

За все эти превращения ответственны бактерии. Важное различие между нитрификацией и денитрификацией заключается в видах бактерий, которые участвуют в этих процессах. Нитрификация производится так называемыми аутотропными бактериями. Это означает, что они получают углерод, необходимый для роста, из неорганических веществ, в частности, из углекислого газа. Денитрифицирующие бактерии (Bacillus, Denitrobacillas, Micrococcus, Pseudomonas и др.) являются гетеротрофными, то есть получают углерод из органических источников, как сахароза, глюкоза, спирты, органические кислоты, аминокислоты и др. Суть полезного действия бактерий-денитрифаторов в том, что в условиях анаэробной, т.е. крайне бедной кислородом среды, они извлекают необходимый для дыхания кислород из нитрата, при этом редуцируя его. Денитрифицирующие бактерии — это анаэробные бактерии. Хотя, если быть совсем корректным, есть бактерии, которые являются факультативными анаэробами и в зависимости от содержания в среде кислорода способны черпать его как из вне, так и извлекать из нитратов (поэтому, кстати, считается, что приспособление денитрифицирующих бактерий к анаэробным условиям — вторичного происхождения). Но в целом, как об этом пишет Мартин Сандер, «можно исходить из того, что кислород препятствует денитрификации».

Таким образом, для успешного протекания процесса денитрификации нужно соблюдение трех условий: наличие в аквариуме нитратов, бедная кислородом среда и наличие органических углеродосодержащих веществ. Углерод используется бактериями как основное питательное средство, в то время как потребность в кислороде удовлетворяется за счет нитрата. Четвертое условие, о котором позже будет рассказано, — это достаточно низкий окислительно-востановительный (или как его обычно называют, редокс) потенциал.

Реакцию денитрификации в классическом ее виде можно выразить уравнениями:

первая ступень 3NO3- + CH3OH = 3NO2- + CO2 + 2H2O и

вторая ступень 2NO2- + CH3OH = N2 + CO2 + H2O + 2OH-.

Как видно из уравнений, нитраты при этом не сразу трансформируются в газообразный азот, а прежде образуются токсичные нитриты. И лишь на второй ступени азот удаляется из цикла путем образования газообразного азота. Добиться, чтобы эти процессы происходили контролируемо, — непростая задача. Во всяком случае, это гораздо сложнее, чем наладить биологическое преобразование аммиака в нитрат. Кроме того, с денитрификацией связано немало заблуждений, в том числе исходящих от аквариумистистов, использующих эти технологии на практике. Процесс денитрификации не всегда происходит безмятежно. Наряду с полезным действием по удалению нитратов, в ходе денитрификационных процессов могут образовываться другие вещества, чрезвычайно вредные — метан (СН4) и сероводород (H2S), поскольку наряду денитрифицирующими бактериями в анаэробные процессы подключаются и другие виды микроорганизмов, в частности метанобразующие археи и сульфатвосстанавливающие бактерии, тоже анаэробы. В частности, такое происходит, при недостатке нитратов, либо очень низком редокс-потенциале. Тогда анаэробная микрофлора начинает удовлетворять потребность в кислороде за счет других кислородосодержащих химических соединений — с выделением сероводорода и метана, оба газа токсичны. Метанобразующие бактерии могут синтезировать метан, используя в качестве энергии реакции окисления углекислого газа (СО2). В природных водоемах метан является одним из конечных продуктов разложения органических веществ в донной анаэробной зоне и образуется узкоспециализированной группой строгих анаэробов — метанобразующих архей. Сульфатвосстанавливающие бактерии забирают кислород из сульфатов (SO42-). В этом процессе, который называется десульфуризация, возникает сероводород, который известен запахом тухлых яиц. Также выше упомянуты биопроцессы диссимилятивного и ассимилятивного восстановления нитратов до гидроксиламина (NH2OH) и затем аммония. Способностью к этому обладают различные бактерии, а также некоторые актиномицеты и грибы. Понятно, что всеми этими процессами, которые также происходят в природе, трудно управлять в аквариуме, стимулируя лишь полезные и препятствуя вредным процессам.

Примечание. Распространено однако мнение, что за образование сероводорода и метана ответственны все те же денитрифицирующие бактерии. В реальности в этих процессах участвуют бактерии Metanobacterium, Desulfvibrio, Desulfotomaculum, Сlostridium, Formikium и пр. Это совсем другие микроорганизмы, нежели классические денитрифицирующие бактерии, со своим метаболизмом, ферментами и т.д. Денитрифицирующие, метанобразующие и сульфатвосстанавливающие бактерии — разные и не могут использовать для дыхания одни и те же химические соединения (возможно, за редким исключением(?)). Иными словами, при исчерпании нитрата, денитрифицирующие бактерии не способны переориентироваться на переработку сульфата, но при наличии сульфата в анаэробной зоне может развиться и сульфатвосстанавливающая микрофлора.

Теперь несколько слов об окислительно-восстановительном потенциале — мере способности химического вещества присоединять электроны (восстанавливаться). Его величина определяет равновесие между восстановительными и окислительными реакциями в воде. Другое название — редокс-потенциал (от англ. redox — reduction-oxidation reaction). Этот показатель связан с уровнем загрязненности аквариумной воды органическими веществами, а также с возрастом аквариума. Недавно запущенный аквариум характеризуется, как правило, высокими значениями редокс потенциала, затем, по мере старения аквариума, его редокс-потенциал снижается. Поддерживать редокс-потенциал на определенном уровне можно путем регулярного ухода за аквариумом, чистки грунта, подмены воды и т.д. Высокий положительный редокс-потенциал (в нормальном аквариуме он составляет 200 – 400 mV (минивольт)) указывает на доминирование окислительных реакций над восстановительными. Отрицательный редокс потенциал указывает на отсутствие кислорода в воде, что смертельно для большинства беспозвоночных. А вот для нормального течения процесса денитрификации окислительно-восстановительный потенциал должен быть отрицательным и удерживаться в пределах примерно от -50 до -250 mV. Таким образом, реакция денитрификации не может происходить непосредственно аквариумной воде, а требует специальных анаэробных зон, которые могут образовываться, например, в грунте или фильтре. Если же окислительно-восстановительный потенциал будет выше, чем -50 mV (но меньше нуля), то процесс денитрификации скорее всего остановится на стадии образования нитритов. А если он упадет ниже -300 mV, то бактерии возьмутся за сульфаты.

Следующая проблема — наличие достаточного количества органического углерода, необходимого для этого виды бактерий. Органических веществ, находящихся в аквариуме, не достаточно для поддержки процесса, поэтому требуется вносить их дополнительно. В выше приведенных уравнениях в качестве органического вещества фигурирует метанол, однако на практике метиловый спирт — яд. Концепция классического углеродного нитратредуктора подразумевает использование лактозы. Еще вариант — этиловый спирт или водка. Кстати, несколько лет назад очень популярной была идея запуска денитрификации посредством внесения в аквариум водки. Правда, отваживались на это не многие, но обсуждали активно. На самом деле, как пишет об этом Дитер Брокманн, эта технология не имеет ничего общего с денитрификацией, то есть расщеплением нитратов для дыхания бактерий, а скорее ближе к ассимиляции и производству биомассы. «Алкоголем, в отличие от денитрифицирующих фильтров, мы стимулируем преимущественно аэробных бактерий и только затем анаэробных бактерий, играющих менее важную роль. Под ассимиляцией подразумевается усвоение нитратов и фосфатов, например, водорослями. Последние используют оба вещества для получения азота и фосфора, необходимых для собственного обмена веществ и, соответственно, жизнеобеспечения и роста. Из этого следует вывод, что усиленный рост водорослей влияет на понижение концентрации фосфатов и нитратов в аквариуме. Раньше этот эффект использовали в водорослевых фильтрах для редукции нитратов. Подливая водку в аквариум, мы тем самым поддерживаем ассимиляцию, стимулируя, правда, не водоросли, а бактерии. Мы предоставляем им источник легко перерабатываемой пищи — этанол в водке. За счет наращивания биомассы уровень содержания фосфатов и нитратов в аквариумной воде снижается. Однако практика показала, что денитрификация может протекать только в субстрате, содержащем анаэробные зоны. И о его наличии тоже надо позаботиться».

И еще. Нужно сбалансировать систему так, чтобы промежуточные продукты денитрификации не накапливались. Как выше указывалось, при переработке нитрата сначала производится нитрит, он токсичен и накапливаться в аквариуме не должен. Опасность роста концентрации нитрита — одно из слабых мест денитрифицирующих систем. Ну и чтобы совсем сгустить краски, надо напомнить, что кроме нитратов в аквариуме еще есть фосфаты и наверное еще много разных веществ и соединений, которые нельзя проконтролировать с помощью стандартного набора аквариумных тестов, из-за чего дискусы в зацикленном с помощью денитратора аквариуме вдруг становятся вялыми и отказываются нереститься. Селективным устранением нитратов мы добиваемся только видимости создания системы замкнутого цикла.

Впрочем все это не означает, что денитрификация, в принципе, недоступна или не имеет смысла для аквариумистики. Нитратные фильтры уже много лет успешно используются в морских аквариумах и сейчас начали внедряться для обслуживания в пресноводных. Но более всего хочется надеяться, что денитрификация все еще представляет собой перспективную область для исследований, и последнее слово в этом вопросе еще не сказано.

Нитратные фильтры

Как и в вопросах биофильтрации в целом, в этой области пионерами являются морские аквариумисты. Но еще раньше денитрифицирующие фильтры были разработаны и поныне применяются для очистки промышленных сточных вод. В морской аквариумистике нитратные фильтры или нитратредукторы, как их еще называют, обычно используются как часть системы фильтрации, состоящей из нескольких компонентов. Задача этих фильтров — превратить с помощью бактерий нитрат в газообразный азот и/или закись азота (веселящий газ), которые, испаряясь, покидают аквариумную систему. Принцип действия «классического» денитрифицирующего фильтра следующий: внутри него устанавливается крайне бедная кислородом среда, в которой живут денитрифицирующие бактерии-анаэробы, которые при отсутствии кислорода, необходимый для дыхания, извлекают его из нитрата. Под их воздействием происходит следующая химическая реакция:

5C + 4NO3- + 4H+ = 5CO2 + 2N2 + 2H2O

Нитратредуктор Aqua Medic, предназначенный для аквариумов объемом до 1000 литров и шарики Deniballs
Эту реакцию могут проводить многочисленные виды бактерий, среди них Pseudomonas denitrificans, Pseudomonas aeruginosa, Paracoccus denitrificans или Bacillus licheniformis. Главное условие для работы такого фильтра слабый проток воды. В зависимости от величины, объема и типа фильтра он может составлять от нескольких литров до 30 литров в час. Такая скорость необходима, чтобы гарантировать установление анаэробной среды, поскольку при сильном течении в него будет попадать много кислорода. В фильтре существует внутренняя циркуляция, способствующая равномерному распространению анаэробной среды.

Раньше в денитрифицирующие фильтры углероды регулярно добавляли в форме лактозы (молочный сахар). Сегодня в качестве корма все чаще используются так называемые «Deniballs», шарики-наполнители для фильтра, состоящие из производного масляной кислоты.

К этому типу денитрификационных фильтров относится нитратный редуктор производства фирмы Aqua Medic, предназначенный для для аквариумов объемом до 1000 литров (на фото). Особенностями этого нитратного редуктора являются большая реакторная камера (10 л), встроенная помпа для внутренней циркуляции и низкая скорость прокачки воды (1–4 л/ч). Расходными материалами для этого фильтра являются Deniballs и порошок Denimar. Контролировать процесс можно используя редокс-электрод (не включен в комплект поставки), который вкручивается в предусмотренное в крышке отверстие с резьбой PG 13,5. Nitratreductor 1000 герметичен и может использоваться как часть общей фильтрующей системы или отдельно — в этом случае он устанавливается в тумбу под аквариум.

А вообще выбор и ценовой диапазон денитрификационных фильтров для морских аквариумов сейчас довольно велик. От высокотехнологичных систем с автоматической регулировкой тока воды, автоматической подкормкой бактерий и возможностью непрерывного измерения редокс-потенциала, а также подключаемым компьютером, обрабатывающим данные от редокс-контроллера и управляющим всеми этим процессами. Этот вариант может быть реализован, например, на оборудовании фирмы AquaMedic. До совсем незамысловатых, как Sera Bio-Denitrator — устройство производительностью 36 литров в сутки, лишенное возможности всего того, о чем было сказано выше. Бактерий в нем нужно кормить вручную, скорость потока воды должна контролироваться постоянно. Запускается сложно, может внезапно перестать работать. Но использовать можно, и есть данные, что в 200–300 литровом аквариуме при средней загрузке и практически не подменяемой воде такой фильтр уверенно способен обеспечить содержание нитратов в пределах 50 мг/л. Кроме того, по традиции нашей страны, богатой различными «самоделками», существует множество кустарных конструкций, смастеренных самими аквариумистами.

Здесь же следует сказать о так называемом DSB (deep sand bed), хотя он и не является фильтром в смысле отдельного устройства. Тем не менее эта система поддержания качества воды в небольших рифовых аквариумах по настоящий день достаточно популярна. DSB — это арагонитовый песок мельчайшей фракции до 0,6 мм, уложенный на дно аквариума слоем 7–12 см (и без сифонки). Как считается, именно такая фракция песка наиболее соответствует среде обитания донной микрофлоры, перерабатывающих все органические субстанции, и такая толщина слоя способствует формированию нижней анаэробной зоны, где происходят важнейшие процессы денитрификации. Опыт ряда аквариумистов позволяет говорить об эффективности такого денитратора, но одновременно нужно понимать, что денитрификатор внутри аквариума гораздо менее управляем и предсказуем, чем внешний фильтр. И вполне возможно, что далеко не во всех аквариумах с DSB, скорость переработки нитратов существенно ниже скорости их поступления в аквариум, т.е. такие денитраторы могут «не работать». Искусственное вмешательство в такую систему с целью понижения редокс-потенциала грозит ухудшением качества воды — ее загрязнением, а при допущении ошибок возможны снижение pH в аквариуме и выбросы сероводорода.

Более сложный вариант внутреннего нитратного фильтра — фальшдно без циркуляции воды и толстый слой крупного грунта (фракции 8–10 мм), плюс хорошая циркуляция и аэрация воды в самом аквариуме. Нитрат диффузией поступает в нижнюю часть системы, где в толще грунта начинается процесс денитрификации. Запуск такого фильтра занимает 2–3 месяца с регулярной подкормкой аквариумной воды аммонием. На определенном этапе после длительного периода повышения уровень нитрата начнет снижаться. В это время можно запускать гидробионтов. Сложновато, но тем не менее этой технологией много лет пользуются держатели рифовых систем.

До недавнего времени нитратные фильтры считались атрибутом морской аквариумистики, но в последнее время на них обратили внимание и пресноводные аквариумисты, в частности, дискусоводы. Такая система, описанная журнале «Diskus» Jahrbuch 2007, применяется аквариальном хозяйстве Йозефа Вастля. В качестве питания для бактерий здесь используется мондамин (немного неблагозвучное название… сами немцы называют его «штэрке») — кукурузный крахмал особо тонкой пылевидной структуры. Процедура приготовления подкормки следующая: порошок тщательно размешивают в холодной воде, не допуская образования комочков. Для нитратного фильтра с объемом 15 литров ежедневно требуется одна полная чайная ложка мондамина. Размешенная в половине чашки с холодной водой эта смесь закачивается через шланг в фильтр и распространяется по всему объему субстрата, становясь питанием для бактерий. Подробнее о нитратном фильтре Йозефа Вастля можно прочесть на сайте Ассоциации любителей и разводчиков дискусов.

Управление работой денитратора

В нитратредукторе можно контролировать количество подкормки или поток воды. Добавление питания в денитратор и уменьшение протоки – понижает окислительно-восстановительный потенциал, уменьшение питание и увеличение проточности – сдвигает вверх.

Основные правила:
а) если в воде, вытекающей из нитратредуктора, концентрация нитратов (NO3-) такая же, как в аквариуме, следует уменьшить количество поступающей в нитратредуктор воды и/или увеличить подкормку;
б) если в воде, вытекающей из нитратредуктора, концентрация нитритов (NO2-) выше, чем в аквариуме, следует уменьшить количество поступающей в нитратредуктор воды и/или увеличить подкормку;
в) если вода, вытекающая из нитратредуктора, не имеет запаха сероводорода, концентрация нитратов в ней существенно меньше, чем в аквариуме (или они вообще практически отсутствуют в аквариуме), а нитриты отсутствуют, значит, нитратредуктор работает нормально;
г) если вода, вытекающей из нитратредуктора, имеет запах тухлых яиц (так пахнет сероводород), следует увеличить количество поступающей в нитратредуктор воды и/или уменьшить подкормку.

Выделение сероводорода в фильтре-денитраторе на самом деле менее опасно, чем когда тоже самое происходит непосредственно в аквариуме, поскольку сероводород образуется медленно и существенная его часть уходит в воздух, а запах можно почувствовать раньше, чем случится что-нибудь непоправимое. Кстати, если это может кого-то обнадежить, считается, что опасность образования сероводорода в пресноводном аквариуме ниже, чем в морском, поскольку у нас меньше сульфатов.

Необходимо также поддерживать нужный редокс-потенциал в нитратредукторе. Для нормального течения денитрификации этот показатель должен удерживаться в пределах от -50 до -250 mV. Редокс-потенциал можно замерять электронно с помощью специальных устройств. Наиболее практично и безопасно — использовать автоматику, которая исходя из этого показателя, будет включать или выключать дозирующую помпу, подающую воду в фильтр-денитратор.

Водочный фильтр

Еще одной версией денитрифицирующего фильтра является так называемый водочный фильтр. Его единственное отличие в источнике питательных веществ для бактерий. Если в классическом варианте это лактоза, то здесь используется алкоголь (этанол С2Н5ОН), который добавляется в фильтр, чаще всего в виде водки. Этанол — это наиболее легко расщепляемое бактериями вещество. А в остальном также работает принцип, заложенный в ранее приведенной химической реакции.

Запуск и наладка работы водочного фильтра — это достаточно сложное дело. Надо действовать осторожно и вносимую дозировку водки увеличивать постепенно, а в противном случае реакция денитрификации может пойти иным образом и привести к образованию ядовитых веществ. Согласно Брокманну, следует избегать попадания водки непосредственно в аквариум (см. ниже – В. Ковалев придерживается иного мнения), поскольку это может привести к интенсивному размножению гетеротрофных бактерий и к сильному помутнению воды. На начальной фазе работы фильтра, пока денитрифицирующие бактерии еще не начали нормально работать, на выходе в воде может наблюдаться небольшое повышение уровня нитрита. Здесь нужно следить за тем, чтобы в аквариуме не накопилось опасное для рыб количество этого токсичного соединения. Затем концентрация нитратов в аквариумной воде должна медленно понижаться, и соответственно количество вливаемой в фильтр водки тоже нужно сократить. Следует регулярно тестировать воду на нитраты, чтобы определить минимальную дозировку водки, при которой поступающая из фильтра вода будет практически свободна от нитратов. Таким образом, дополнительная регулировка водочного фильтра станет неизбежной. Кроме того, водочные фильтры требуют определенного ухода: регулярной замене подлежит часть субстрата (фильтрующего материала).

Отечественный рецепт водочного фильтра для пресноводного аквариума можно почерпнуть у Владимира Ковалева. При этом подразумевается, что в биофильтре при подкормке спиртом могут одновременно одинаково успешно происходить аэробные и анаэробные процессы и таким образом достигается полный цикл азота. Безопасность и эффективность такой методики вызывает определенные сомнения, чтобы советовать ее к применению, но это несомненно заслуживает интереса. Ковалев пишет: «Для денитрификации нужен биофильтр. Процесс происходит при недостатке свободного кислорода в воде. Эти условия складываются в достаточно толстом слое фильтрующего наполнителя. Например, если использовать аэрлифтный цеолитник, то слой цеолита в бутылке должен быть не менее 12 см или еще выше. Важно, чтобы и микрофлора была подходящей, случаи резкого «мутняка» связаны с отсутствием как микрофлоры, так и нужных бактерий. Чтобы запустить денитрификацию надо установить цеолитник или одну из кассет внешнего фильтра полностью заполнить цеолитом не крупнее 5 мм. Оптимальна фракция 3–5 мм. Эта кассета ставится после механической очистки. Для начала несколько дней подряд можно использовать гомеопатические дозы 5 мл водки на 100 л, при появлении даже незначительной мутности надо делать паузу в спаивании бактерий. Постепенно формируется пул потребителей спирта и они входят во вкус. Тут все как у людей: готовность к приему все больших доз развивается неотвратимо. Вскоре система будет готова принимать 10 мл на 100 л без проблем. Обычно уже этого хватает, чтобы сбить нитраты до уровня 5 мг/л. В ту банку, что показана на моей личной страничке, я лил спиртовой раствор эхинацеи пурпурной, 10 мл через день. И нитраты сбил, и рыбок подлечил. Эхинацея крепче водки, там, кажется, 75%. Муть возникла только один раз, когда я сразу и без предварительного разгона фильтра внес 25 мл, потом все проходило отлично. Что еще важно, в воде с высокой окисляемостью нельзя проводить спиртово-коньячных опытов. Тут гораздо легче спровоцировать замор и получить мощный выхлоп нитритов из фильтра. То есть нитраты будут восстанавливаться не до азота, а всего лишь до нитритов, а это очень опасно. Вот почему при спиртовых опытах надо обязательно контролировать нитриты. Вот и весь рецепт: спаивать бактерий надо постепенно. Что еще не ясно? Каковы долгосрочные эффекты применения спиртовых вливаний, для этого надо продолжать эксперименты».

Серный денитратор

Нитратный фильтр H&S 110-F1000
Еще один ныне достаточно распространенный тип нитратного фильтра — серный, известный также как ASD (Autotrophic Sulfur Denitrification). Суть его работы заключается в восстановлении нитратов до газообразного азота с помощью серы, являющейся питательной средой для серных бактерий. В отличие от гетеротрофных денитрифицирующих бактерий, серные бактерии — автотрофы. Само по себе изучение этих бактерий относится к началу 1950-х гг., но применение их природных способностей в аквариумной технике началось лишь сорок лет спустя. Первые эксперименты были проведены Марком Лангу во Франции. В настоящее время такие фильтры производятся ведущими брендами морской аквариумистики. По сравнению с классическими нитратредукторами — это следующее поколение. Они удобнее в эксплуатации и эффективнее в работе. Принципиальная идея такая, же как и у обычного «углеродного» денитратора. В качестве субстрата и одновременно корма для микрофлоры здесь используются шарики серы, а реакцию денитрификации осуществляют серные бактерии, как Thiomicrospira denitrificans и Thiobacillus clenitrificans. Они расщепляют нитраты до водорода и в то же время окисляют серу, превращая ее в сульфат:

5S + 6NO3- + 2H2O = 3N2 + 5SO42- + 4H+

Для этой реакции требуется анаэробная среда и очень медленный ток воды через фильтр. В начале эксплуатации серного фильтра может наблюдаться повышенный уровень нитрита на выходе. В этом случае необходимо понизить объем протока воды. Помимо этого (пожалуй, главный недостаток серного денитратора), отфильтрованная вода получается кислой из-за образования серной кислоты. Для ее нейтрализации некоторые модели фильтров имеют еще один отсек, наполненный карбонатом кальция. С одной стороны, происходит нейтрализация серной кислоты, а, с другой, в аквариуме повышается содержание кальция. В других моделях шарики серы смешиваются вместе с карбонатом кальция и при этом кислая среда, развивающаяся в фильтре нейтрализуется напрямую. Однако все равно карбонатная жесткость может падать очень быстро. За ней необходимо следить и при необходимости доводить до нормы.

Уход за серным фильтром, в принципе, несложен (если обслуживание денитратора вообще можно назвать простым). Кроме регулярного замера нитритов и нитратов в отфильтрованной воде, это восполнение использованных шариков серы и гранулированного карбоната кальция. Регулярная подкормка бактерий молочным сахаром или алкоголем, как в двух предыдущих случаях, не нужна. Однако проблематичным является насыщение аквариумной воды ионами сульфата (в частности, это может вызвать некоторое понижение уровня кальция, т.к. растворимость сульфата кальция невелика). Насколько пагубным для биосистемы аквариума может быть такое насыщение, или каким образом расщепляется сульфат, на настоящий момент детально не исследовано.

Примером серного фильтра промышленного производства могут служить Denitrateur H&S 110-F1000 и H&S 150-F2000, предназначенные соответственно для аквариумов объемом до 1000 и 2000 литров. Внутренний объем такого денитратора заполняется на 2/3 серным наполнителем HS-025018, на 1/3 — коралловой крошкой (эти два наполнителя разделены в фильтре губкой). Устройство устанавливают во внешний орошаемый фильтр так, чтобы помпа оказалась погружена в воду. При этом надо добиться (открывая и закрывая краник), чтобы выливалась примерно капля в секунду. Через 4 дня следует сделать анализ выливающейся из денитратора воды; если показатели по нитратам равны нулю, то можно усилить ток воды из него до 3 капель в 2 секунды. Через 3–4 дня провести измерения и добиться нулевых показателей. Наполнитель подлежит замене примерно через 5–6 месяцев.

Волшебные препараты

Одновременно с совершенствованием конструкции фильтрующих устройств усилия производителей аквариумной продукции направлено на разработку специальных препаратов, в т.ч. денитраторов. Некоторые из них достаточно хорошо знакомы российским аквариумистам.

Препарат Nitra-Zorb фирмы Aquarium Pharmaceuticals представляет собой смесь ионообменных смол для удаления из аквариумной воды аммиака, нитритов, нитратов. Фирма Tetra предлагает препараты Easy Balance и Nitrate minus. Последний выпускается в виде жидкости для заливки в аквариум или гранул для помещения в грунт или фильтр и по действию схож с этанолом (водкой) — (цитирую) «мутняк в воде, недостаток кислорода, практически нулевой уровень нитратов и полностью забитый слизью фильтр». Все эти средства есть в наших зоомагазинах. Однако в целом, эти и другие подобные им препараты можно охарактеризовать как относящиеся к разряду вещей, о которых почти все слышали, но мало кто применяет. Причин тому несколько, а именно высокая стоимость, неспособность устранять весь комплекс атрибутов старения аквариума (не одними нитратами стареет вода, в ней накапливается еще много другого вредного, не улавливаемого нашими тестами), сомнительные побочные эффекты, существенным недостатком продуктов Tetra является также то, что производитель не раскрывает их состав и принцип действия, и, наконец, обычные регулярные подмены воды или протока достаточно хорошо решают проблему. В данном контексте нас может интересовать скорее перспектива, обусловленная простотой и удобством такого метода борьбы с нитратами (пусть не с помощью ныне предлагаемых препаратов, но с теми, которые появятся в будущем), хотя для ряда западноевропейских стран, где плата за водоснабжение очень высока, данные средства является вполне актуальными уже сегодня.

Из того, что уже имеется, но не продается в наших зоомагазинах, имеет смысл рассказать о продукте Baсteria Right Now (на фото), выпущенном в 2004 г. американской Hiatt Distributors Ltd. (сокращенно — HDL), предназначенный для запуска полного азотного цикла, включая нитрификацию и денитрификацию в обычном внешнем биофильтре, причем уже в первые 24 часа использования. Для успешного запуска и функционирования системы в аквариуме обязательна интенсивная аэрация.

Изобретение HDL запатентовано (U.S. Patent Number 6.025.152) 15 февраля 2000 г. Его суть в том, что были найдены аэробные виды денитрифицирующих бактерий и подобрана комбинация видов, дающая устойчивую микрофлору и способная противопоставить себя микрофлоре традиционной нитрификации. Согласно описанию патента, препарат состоит из двух основных элементов: смеси штаммов девяти разных видов бактерий рода Bacillus и бактерии Enterobacter sakazakii и смеси четырех ферментов: целлюлозы, амилазы, протеазы и липазы, предназначенных для жизнеобеспечения бактерий. Третьим неотъемлемым элементом патента является производимый той же фирмой Activated Tri-Base Pelletized Carbon — некий особый активированный уголь, содержащий также скорлупу кокоса и синтетический лигнин, предназначенный к использованию в качестве биосубстрата фильтра и одновременно служащий источником элементарного углерода для гетеротрофных бактерий. Уголь сделан в форме твердых таблеток, которые не разрушаются со временем и не засоряют фильтр. Форма таблеток такова, что не позволяет создаваться анаэробным зонам в фильтре. Для поддержания полного цикла аэробной денитрификации в фильтре должен быть именно такой активированный уголь, а не какой-либо иной субстрат. Его можно закладывать в любой тип внешнего фильтра — канистровый, орошаемый (wet/dry, trickle), сампы, карбоновые трубки. Технология работает только в аквариумах, прудах и других замкнутых водоемах. В реках внесение такой культуры бактерий дает значительное, но временное снижение загрязненностью органикой, и не заменяет собой процесс нитрификации. В условиях аквариума стандартный цикл нитрификации сразу же заменяется работой специально подобранных набор культур бактерий, которые преобразуют аммиак (NH3) и гидроксид аммония (NH4OH) в аммоний (NH4+), а благодаря наличию в субстрате особой формы углерода эти вещества преобразуются в газообразный азот (N2), углекислый газ (СО2) и другие безвредные вещества денитрифицирующими бактериями. Нитратам и нитритам после такого преобразования почти неоткуда браться. Это значительно снижает биологическую нагрузку на замкнутую экосистему аквариума и облегчает его обслуживание. А кроме того, при запуске аквариума не нужно ждать несколько недель пока наладится традиционный процесс нитрификации. Процесс полностью аэробный, поэтому нет риска образования сероводорода, сернистого газа или метана. Использование продуктов HDL не требует их регулярной замены и соответственно большего расхода. Культуру бактерий достаточно внести всего один раз, а запаса углерода в активированном угле фильтра хватает на пять лет. Через шесть месяцев рекомендуется добавить совсем немного Baсteria Right Now, потому что при первоначальном запуске аквариума определенные виды бактерий употребили все вредные вещества и вымерли.

Таким образом, можно сделать вывод, что продукт Baсteria Right Now является разновидностью бактериальной закваски, но с более широким и пролонгированным действием, чем обычные биостартеры. Согласно патенту, препарат Baсteria Right Now может быть использован не только для удаления из воды аммония, нитрата и нитрита, но и ортофосфатов, тяжелых металлов, органических и неорганических соединений серы. В общем, «панацея» от всех несчастий. Однако из инструкции по применению можно прийти к заключению, что данное средство позиционируется не как альтернатива регулярным подменам воды, а должно дополнять их для полного устранения вредных веществ из аквариума, поскольку в инструкции сказано: «подмены воды каждую неделю 30–50%». (При обычной практике в цихлидариуме довольно проблематично добиться содержания нитратов ниже 20 мг/л, даже при сильных подменах воды, особенно если сразу из-под крана мы уже получаем 5–10 мг/л.) Примечательно также указание при инсталляции продукта в старый аквариум не класть в фильтр сразу весь уголь Tri-Base Pelletized, т.к. при этом из воды будет очень быстро поглощен кислород, и это приведет к замору рыбы, а заменять биосубстрат в фильтре порционно. А для растительного аквариума использование Tri-Base Pelletized Carbon и вовсе противопоказано, иначе растения останутся без питания, и предлагается использовать биокультуру Baсteria Right Now совместно с продуктом Earth Pellets, высокопористым субстратом, похожим на керамзит (впрочем, очевидно, здесь может быть задействован любой стандартный биосубстрат), а биокультура станет работать как биостартер, стимулирующий процесс нитрификации.

По данным фирмы-изготовителя, положительную оценку разработке HDL дал известный аквариумист и предприниматель Оливер Луканус, рекомендовавший данный препарат зоомагазинам для быстрого запуска торговых и карантинных аквариумов. Естественно, вся эта информация должна быть тщательно проверена, чтобы отделить правду от вымыслов и маркетинговых уловок, в том числе и на предмет возможных побочных воздействий, а они наверняка имеются. В рунете мне удалось найти всего два упоминания о применении чудодейственного заморского средства. В одном случае бактериальная закваска была заказана и применена без фирменного субстрата, и сколько-нибудь ощутимого эффекта денитрификации не отмечено, что впрочем вполне согласуется с описанием. Во втором случае технология использовалась с полным комплексом элементов в соответствии с рекомендациями производителя, в том числе в аквариумах с дискусами, без живых растений, и было отмечено, во-первых, снижение нитратов до минимума, во-вторых, очень высокая потребность в содержании в воде кислорода. В том же сообщении на форуме указывалось, что при заказе из США препарат необходимо пересылать почтой, в которой нет проверки ультрафиолетом, и других типов излучений, и из американских почтовых сервисов для этого, к сожалению, годится только дорогостоящий UPS.

Использованная литература:
М. Сандер, Д. Брокманн, М.В. Гусев и Л.А.Минеева, А.А. Кубасов, И.Г. Хомченко и соавторы, Т. Хованек, В.В. Хахинов и соавторы, R. Holmes-Farley.

Выражаем благодарность пользователю Akeika за предоставленный материал для форума http://coralreef-aqua.ru/forum/

Любое использование материалов с полным или частичным копированием без письменного разрешения администрации сайта запрещено и будет рассматриваться как нарушение Закона об авторских правах. При получении прав на использование материалов ссылка на сервер CoralReef-Aqua (coralreef-aqua.ru) обязательна!