Beztlen. Co nieco o strefach beztlenowych w akwarium.

    O tym, jak ważny jest tlen, nie będę pisać, bo to oczywiste. To dzięki niemu istnieje życie, jakie znamy. Nam - akwarystom - jest on potrzebny szczególnie. Woda to trudne środowisko, gdzie rozpuszczalność gazów jest utrudniona i zależna od wielu czynników. Od zawartości tlenu w wodzie bezpośrednio zależy życie zwierząt akwariowych. Ale także i bez udziału tlenu wiele ważnych procesów chemicznych nie miałoby miejsca. Najważniejszy z nich to oczywiście nitryfikacja, czyli „unieszkodliwianie” toksycznych form azotu – amoniaku i azotynów. Jednak wbrew pozorom równie ważne jest, aby w akwarium występowały także warunki beztlenowe, oraz że nie ma powodu do obaw, a problemy związane ze strefami beztlenowymi są mocno demonizowane.

    Strefy beztlenowe – co to takiego?

    Ze strefami beztlenowymi mamy do czynienia w sytuacji, gdzie w jakimś miejscu w przestrzeni nie ma tlenu. Jeśli chodzi o warunki wodne, strefy beztlenowe mogą występować w dwóch miejscach: albo na dużych głębokościach w wodzie, albo w podłożu. Jeśli chodzi o akwaria, to strefy beztlenowe w wodzie nie występują, ponieważ akwaria są za płytkie. Warstwa beztlenowa w wodzie zaczyna się na głębokości kilkunastu, kilkudziesięciu, lub też kilkuset metrów, więc raczej trudno o to w zbiornikach o głębokości kilkudziesięciu centymetrów* Więc warunki beztlenowe mogą wytworzyć się głównie w podłożu. Jednak mogą one także występować w filtrach, a konkretniej w wysokoporowatych wkładach biologicznych, gdzie przepływ wody natlenowanej przez sam środek takiego wkładu jest na tyle niski, że tworzą się tam warunki beztlenowe. Zajmijmy się na początek podłożem, i od razu wsadzam kij w mrowisko, ponieważ moje zdanie jest takie: 

STREFY BEZTLENOWE W PODŁOŻU SĄ DEMONIZOWANE, A STRASZENIE NIMI PRZYPOMINA STRASZENIE DZIECI BUKĄ. 

    Szukałem, szukałem i szukałem. No i nie znalazłem informacji, na jakiej dokładnie głębokości tworzą się warunki beztlenowe w glebie lub w podłożu. Jedyne, co wywnioskowałem z lektury książki p. Walstad to to,  że mogą one występować w akwarium, ale ona także nie potrafiła odpowiedzieć na pytanie, na jakiej głębokości się one tworzą. Zapewne zależy to od wielu czynników, takich jak temperatura, ziarnistość podłoża, zawartość materii organicznej i nieorganicznej itp. Im drobniejsze podłoże, tym ciężej tlen dyfunduje do podłoża. Im drobniejsze ziarna, tym mniej materii organicznej trafia do podłoża (ponieważ podłoże jest ciaśniej upakowane) i tak dalej. Ponadto bakterie żyjące w podłożu także zużywają tlen, także ten zawarty w osadach dennych, przez co zawartość tlenu spada. Tak więc rzeczywiście nie wykluczam, że w akwarium z grubą warstwą bardzo drobnego podłoża mogą tworzyć się strefy beztlenowe. Jednak czy są one niebezpieczne? Wg mnie nie. Proste pytanie – czy ktoś z Was, drodzy Czytelnicy, jednoznacznie może powiedzieć, że brak tlenu w podłożu przyczynił się do jakiejś katastrofy? Nie sądzę, że ktoś taki by się znalazł.

    DEMON, KTÓRY ŚMIERDZI - SIARKOWODÓR

    W podłożu, w warunkach beztlenowych, zachodzi dużo ważnych procesów. Jednym z ważniejszych z punktu widzenia akwarysty jest denitryfikacja, czyli proces przetwarzania azotanów do m. in. wolnego, azotu (więcej o tym we wpisie o cyklu azotowym, o tutaj). Może ona zachodzić tylko i wyłącznie w warunkach beztlenowych i pozwala pozbyć się nadmiaru azotu z wody. O tym, że jest to ważny proces, już nie będę się rozwodził. Jednak jest jeszcze jeden proces, który jest związany ze strefami beztlenowymi – powstawanie siarkowodoru.

    H₂S to jeden z bardziej toksycznych związków chemicznych. Wdychany przez ssaki na lądzie już w niewielkich stężeniach powoduje podrażnienie, a następnie uszkodzenie układu oddechowego i nerwowego, a następnie śmierć. Na szczęście ratuje nas fakt, że ma on bardzo nieprzyjemny zapach już przy śladowych stężeniach, więc mamy czas na ewakuację i przeciwdziałanie zatruciu. W akwariach związek ten jest wytwarzany przez bakterie rozkładające białka. Siarka to ważny pierwiastek biogenny, wchodzący w skład dwóch aminokwasów oraz innych związków chemicznych, np. witamin. Bakterie, rozkładając białka, wytwarzają siarkowodór. Drugim źródłem siarkowodoru jest redukcja siarczanów przez niektóre bakterie, także podczas rozkładu materii organicznej. Tak więc aby siarkowodór mógł się wytworzyć, potrzebne są dwie rzeczy – warunki beztlenowe i związki organiczne zawierające siarkę. Jednak w walce z siarkowodorem mamy sprzymierzeńców. Pierwszym z nic są bakterie utleniające siarkowodór. Są to bakterie tlenowe, które pracują podobnie do bakterii nitryfikacyjnych. Żyją one także w osadach, jednak na mniejszych głębokościach, gdzie przerabiają siarkowodór z głębszych warstw. Utlenianie bakteryjne to szybki i sprawny proces. Tak więc niebezpieczeństwo, że do wody trafi siarkowodór sam z siebie i zaszkodzi zwierzętom jest niewielkie. Jednak jeśli pogrzebiemy w podłożu i do wody trafi duża ilość siarkowodoru? Też nic wielkiego się nie stanie. Otóż siarkowodór bardzo łatwo rozpuszcza się w wodzie (to źle). Ale w wodzie zawierającej tlen praktycznie natychmiast ulega on utlenianiu do nieszkodliwych siarczanów. A fakt, że poczujemy jego zapach, to nic nadzwyczajnego – jego próg wyczuwalności to 0,0007 do 0,2 mg/m³.

    No tak powiecie, ale siarkowodór jest także szkodliwy dla roślin!

    Owszem, podwyższony poziom siarkowodoru w podłożu szkodzi roślinom. Powoduje zahamowanie wzrostu i nekrozę korzeni, już przy niskich stężeniach. Jednak by do tego doszło, muszą zajść specyficzne warunki – anaerobowe (beztlenowe) środowisko, bardzo duża zawartość osadów zawierających siarkę i słaba kondycja roślin. Najczęściej do zatrucia siarkowodorem roślin dochodzi w przypadku stosowania nawozów bogatych w siarczany (dostępnych w sklepach, przeznaczonych dla roślin doniczkowych) do substratu z ziemi bogatej w substancje organiczne. Wtedy rzeczywiście może dochodzić do degradacji korzeni, co udowodniła Walstad [1994]. Natomiast w tym samym badaniu wykazała, że jeśli w podłożu znajdowało się podłoże o mniejszej ilości substancji organicznych, za to zawierające większe ilości żelaza, nic złego się nie działo (żelazo działa ochronnie na korzenie). Ponadto wbrew pozorom bardzo ciężko o warunki beztlenowe przy korzeniach. Otóż okazuje się, że rośliny potrzebując tlenu do prawidłowej pracy korzeni, potrafią go transportować z innych tkanek w dół i doprowadzać do podłoża wokół (dotyczy to głównie roślin wodnych. Rośliny lądowe są w transportowaniu tlenu do korzeni gorsze, ponieważ nie mają aż tak trudnych warunków jak rośliny podwodne). A w takich warunkach świetnie sobie żyją i radzą bakterie utleniające siarkowodór i siarczany (patrz wyżej). Tak więc jak widać nie taki siarkowodór straszny, jak jego zapach. Problemem z utrzymaniem roślin w bardzo drobnym podłożu nie są najczęściej problemy z siarkowodorem, a raczej stricte z tlenem, a ściślej mówiąc jego brakiem. Jednak równie dużą przeszkodą dla roślin są czysto fizyczne właściwości podłoża. Drobny, mokry piasek jest bardzo twardy i zbity, powodując trudności w rozrastaniu się korzeni rośliny. Ponadto drobny piasek jest gęsto upakowany, przez co między ziarnami jest bardzo mało miejsca na substancje odżywcze, którymi rośliny się żywią. Jednak przyznaję – w tych specyficznych warunkach mogą występować problemy ze wzrostem roślin spowodowanych brakiem tlenu. Jednak dla zwierząt żyjących w wodzie siarkowodór nie sprawia żadnego zagrożenia.

    Wkłady biologiczne w filtrach. Możliwości i zagrożenia.

    Drugim miejscem występowania stref beztlenowych w akwariach jest wnętrze biologicznych wkładów filtracyjnych. Wielu producentów chwali się, że wewnątrz kawałków ich ceramik występują warunki dla bakterii beztlenowych, gdzie zachodzi denitryfikacja. Czy tak jest, niech każdy sobie odpowie. Ogółem wnętrze wydajnych filtrów nie jest optymalnym miejscem dla bakterii beztlenowych, bo pompy potrafią przetłoczyć bardzo duże ilości bogatej w tlen wodę, więc o warunki beztlenowe jest ciężko. Jednak jeśli filtry są już dojrzałe, nieco zapchane, to wewnątrz dużych granul ceramik mogą się faktycznie wytwarzać warunki anaerobowe. Wtedy to denitryfikacja może także zachodzić, aczkolwiek na o wiele mniejszą skalę, niż w specjalnie skonstruowanych urządzeniach, tzw. denitryfikatorach (na Wikipedii można sobie o nich poczytać). Jednak niedawno na grupach facebookowych jeden po drugim pokazało się kilka postów odnośnie awarii prądu. Właściciele akwariów dotkniętych przerwą w dostawie byli zmartwieni, że biologia im „zdechnie” po kilku godzinach. Komentujący wróżyli śmierć w męczarniach nie tylko bakterii w filtrze, ale i całych akwariów z powodu zatrucia związkami azotu. Ale czy faktycznie jest się czego obawiać? Sam się nad tym zacząłem zastanawiać i trochę pogrzebałem. I się okazało, że wbrew pozorom nie tak łatwo wymordować populację bakterii w filtrach.

    Znalazłem ciekawe badania traktujące o zużywaniu tlenu przez bakterie nitryfikacyjne oraz ich odporność na niedobory tego pierwiastka. I okazuje się, że bakterie AOB i NOB (z angielskiego Ammonia-Oxidizing Bacteria oraz Nitrite-Oxidizing Bacteria, czyli bakterie utleniające amoniak oraz azotyny) są dość wytrzymałe na niedobory tlenu. Oto, co najprawdopodobniej dzieje się wewnątrz filtrów.

    1. Pierwszy etap – nic strasznego

    Po tym, jak woda przestaje krążyć w filtrze, przyjmijmy, że nie będzie wzrastać w nim poziom tlenu (sytuacja najbardziej ekstremalna). Bakterie z racji braku dopływu tlenu, zużywają to, co się nagromadziło w filtrze. Jednak okazuje się, że ilość tlenu zużywana przez bakterie wbrew pozorom jest niewielka, a to dlatego, że w dojrzałym akwarium w wodzie znajdują się niewielkie ilości zarówno amoniaku jak i azotynów (często niewykrywalnych zwykłymi testami kropelkowymi). Natomiast w wodzie znajduje się przeważnie przynajmniej 4 – 5 mg tlenu na 1 l wody. Więc bakterie nie mają za bardzo do czego zużywać tego tlenu. Początkowo więc nie ma żadnego problemu.

    2. Drugi etap – rozkład materii organicznej

    Po pewnym czasie do głosu dochodzą inne bakterie – rozkładające materię organiczną. To one w głównej mierze zużywają tlen znajdujący się w filtrach. Wtedy to zaczyna ubywać tlenu w kuble. Niestety nie znalazłem informacji, jak szybko zachodzi ten proces. Jednak co z naszymi bakteriami nitryfikacyjnymi? Otóż okazuje się, że bakterie te nie tylko żyją, ale i pracują w niesamowicie niskich stężeniach tlenu – rzędu 2 μM (mikromoli) tlenu! Dla porównania – minimalne niezbędne stężenie tlenu w wodzie, aby ryby przeżyły, to stężenie około 1 200 μM tlenu, czyli 600x większe. Tak więc jak widać, wbrew pozorom tego tlenu może być naprawdę niewiele, żeby bakterie te przeżyły i pracowały. Jednak w końcu ten tlen się skończy, i co wtedy?

    3. Etap trzeci – brak tlenu

    Nie mam pojęcia, kiedy to następuje. Natomiast pogrzebałem w literaturze i znalazłem odpowiedź na pytanie, co się dzieje z bakteriami. Otóż podczas pracy bakterii nitryfikacyjnych rośnie stężenie kwasów azotowych w wodzie, które są ogniwem pośrednim między amoniakiem a azotynami a następnie azotanami. Przy wzroście stężenia tych kwasów i jednoczesnym braku tlenu w wodzie, bakterie AOB i NOB przechodzą w stan inaktywacji, czyli uśpienia. W tej formie mogą przetrwać niekorzystne dla siebie warunki, dopóki ponownie nie wzrośnie w wodzie poziom tlenu. Powrót do pełni wydajności przy wzroście zawartości tlenu następuje szybko. Natomiast jest jedna grupa bakterii, którym to w ogóle nie przeszkadza. Otóż bakterie beztlenowe mogą zacząć pracę na pełnych obrotach, przerabiając dużą ilość NO_3-, która teraz znajduje się w filtrze. I sytuacja ta będzie sobie trwać aż do zużycia całego zapasu azotanów.

    Oczywiście przedłużający się brak prądu, a co za tym idzie brak dostępu tlenu jest zjawiskiem niepożądanym, ponieważ podczas rozkładu beztlenowego materii organicznej uwalnia się m. in. omawiany już siarkowodór i inne niechciane związki. Jednak jeżeli przydarzyła się awaria prądu, to aby zminimalizować występowanie niechcianych zjawisk, po prostu otwórzmy kubeł. Tlen atmosferyczny będzie sobie wnikać do wody, wystarczy od czasu do czasu potrząsnąć kubłem. W tym czasie zadbajmy o ryby, a nie o bakterie – radziły sobie one przez miliony lat, więc i teraz zapewne dadzą sobie radę.

     * Strefy beztlenowe występują wtedy, gdy nie ma w ogóle cząsteczek O₂ rozpuszczonych w wodzie. Nie należy tego mylić z niedoborami tlenu, wywołanymi przyduchą z braku tlenu, np. podczas awarii sprzętu lub przesycenia wody dwutlenkiem węgla.

 

Na koniec klasycznie literatura:

Avnimelech, Yoram; Zohar, Gill. The Effect Of Local Anaerobic Conditions On Growth Retardation In Aquaculture Systems. Aquaculture, 1986, 58.3-4: 167-174.

Carvajal-Arroyo, José M., Et Al. Inhibition Of Anaerobic Ammonium Oxidizing (Anammox) Enrichment Cultures By Substrates, Metabolites And Common Wastewater Constituents. Chemosphere, 2013, 91.1: 22-27.

Cho, S.‐Ja; Okabe, S.; Lee, S.‐J. Bacterial Community Dynamics And Conversion Of Inorganic Nitrogen Under Aerobic And Micro‐Aerobic Conditions. Environmental Technology, 2008, 29.4: 463-471.

Fang F, Ni Bj, Li Xy, Sheng Gp, Yu Hq. Kinetic Analysis On The Two-Step Processes Of AOB And NOB In Aerobic Nitrifying Granules. Appl Microbiol Biotechnol. 2009 Jul;83(6):1159-69. DOI: 10.1007/S00253-009-2011-Y. Epub 2009 May 14.

Sliekers Ao, Haaijer Sc, Stafsnes Mh, Kuenen Jg, Jetten Ms. Competition And Coexistence Of Aerobic Ammonium- And Nitrite-Oxidizing Bacteria At Low Oxygen Concentrations. Appl Microbiol Biotechnol. 2005 Oct;68(6):808-17. DOI: 10.1007/S00253-005-1974-6. Epub 2005 Oct 13.

Strous, Marc, Et Al. Effects Of Aerobic And Microaerobic Conditions On Anaerobic Ammonium-Oxidizing (Anammox) Sludge. Applied And Environmental Microbiology, 1997, 63.6: 2446-2448.

Völker, Johannes, Et Al. Extended Anaerobic Conditions In The Biological Wastewater Treatment: Higher Reduction Of Toxicity Compared To Target Organic Micropollutants. Water Research, 2017, 116: 220-230.

Walstad D. Rośliny W Akwarium. Ekologia Roślin Wodnych Dla Akwarystów. Wyd. Oriol, 2007.

Walstad D. Soil Substrate Experiment. The Aqatic Gardener. 1994, 7 (5), 171-183.