1.2. Нитрификация


После того как органические соединения переведены гетеротрофными бактериями в неорганическую форму, биологическая очистка вступает в следующую стадию, получившую название «нитрификация».

Под этим процессом понимают биологическое окисление аммония до нитритов (NO,, определяемых как NO —N) и нитратов (NO3, определяемых в виде No3—N). Нитрификация осуществляется главным образом автотрофными бактериями. Автотрофные организмы в отличие от гетеротрофных способны усваивать неорганический углеро
* Под термином "аквариум" в данной книге понимается аквариальная замкнутая система с устройством для очистки циркулирующей в ней воды. — Прим. ред.
* Термин аммоний» относится к сумме ионов аммония NH, F) и свободного аммиака (NHa), определяемых аналитическим путем как NH, — N. 10
(главным образом CO2) для построения клеток своего организма.
Автотрофные нитрифицирующие бактерии в пресно водных, солоноватоводных и морских аквариумах представлены в основном родами Nitrosomonas и Nitrobac ter. Nitrosomonas окисляет аммоний до нитритов, а Nit Tobacter — нитриты 10 нитратов.

Автотрофные нитрифицирующие бактерии в пресно водных, солоноватоводных и морских аквариумах представлены в основном родами
(3) Обе реакции идут с поглощением энергии. Смысл уравнений (2) и (3) заключается в превращении токсичного аммония в нитраты, которые гораздо менее ядовиты. Эффективность процесса нитрификации зависит от следующих факторов: наличия токсикантов в воде, температуры, рН, содержания растворенного в воде кислорода, солености и площади поверхности фильтра,
Токсичные вещества. При определенных условиях Многие химические вещества подавляют нитрификацию. При добавления в воду эти вещества либо подавляют рост и размножение бактерий, либо нарушают внутри клеточный обмен бактерий, лишая их способности к окислению.
Коллинз с соавторами (Collins et al., 1975, 1976), а также Левайн и Мид (Levine and Meade, 1976) сообща ли, что многие антибиотики и другие средства, применяемые для лечения рыб, не влияли на процесс нитрификации в пресноводных аквариумах, в то время как другие оказывались в разной степени токсичными. Па тал.Тельные исследования в морской воде не проводились, а приведенные результаты не следует распространять на морские системы.
Приведенные в трех указанных работах данные представлены в табл. 1.1. Результаты исследований не впо 1 не сопоставимы из-за различий в применявшихся мето
* ДG = 3G — термодинамический потенциал, характеризующий Свободную энергию химической реакции. Знак при цифре определяет направление течения процесса (экзотермический или эндотермический), а абсолютное значение величины отражает термодинамические возможности данной реакции. — Прим. ред.

Таблица 1.1. Влияние терапевтических норм растворенных антибиотиков и лечебных препаратов на нитрификацию в пресноводных аквариумах (Collins et al., 1975, 1976; Levire and Meade, 1976)

Влияние терапевтических норм растворенных антибиотиков и лечебных препаратов на нитрификацию в пресноводных аквариумах

* Соответствует 10 мг/л формальдегида, ## Жесткость воды 30 мг СаСОл.
ин* a - Collins et al., 1975; б — Collins et al., 1976; в — Levine and Meade, 1976.
диках. Коллинз с соавторами изучал влияние лекарственных препаратов в пробах воды, взятых непосредственно из работающих бассейнов с биофильтрами, где содержалась рыба. Левайн и Миз использовали для опытов Чистые бактериальные культуры. Примененные ими методы, по-видимому, отличались более высокой чувствительностью по сравнению с обычными. Так, в их опытах формалин, малахитовый зеленый инифурпиринол обладали средней токсичностью для нитрифицирующих бактерий, в то время как Коллинз с соавторами (Collins et al., 1975, 1976) показал безвредность тех же препаратов. Левайн и Мид полагали, что расхождения связаны с более высоким содержанием автотрофных
бактерий в чистых культурах и порог инактивации был бы выше в присутствии гетеротрофных бактерий. и при более высокой концентрации растворенных органических веществ.
Из данных табл. 1.1. видно, что эритромицин, хлоротетрациклин, метиленовый синий н сульфаниламид обладают четко выраженной токсичностью в пресной воде. Наиболее токсичным среди изучавшихся веществ оказался метиленовый синий. Результаты, полученные при испытаний хлорамфеникола и перманганата калия, противоречивы.
и Коллинз с соавторами (Collins et al., 1975) и Левайн и Мид (1976) сходятся в том, что сульфат меди существенно не подавляет нитрификацию (см. табл. 1.1). Возможно, это результат связывания свободных ионов меди с растворенными органическими соединениями. Томлинсон и другие (Tomlinson et al., 1966) обнаружили, что ионы тяжелых металлов (Cr, Cu, Hg) гораздо сильнее воздействуют на Nitrosomonas в чистой культуре, чем в активном иле. Они предположили, что это объясняется образованием химических комплексов между ионами металлов и органическими веществами. Дли тельное воздействие тяжелых металлов оказывалось более эффективным, чем кратковременное, по-видимому, из-за того, что адсорбционные связи органических молекул были полностью использованы.
Температура. Многие виды бактерий могут переносить значительные колебания температуры, хотя их активность временно уменьшается. Период адаптации, называемый временной температурной инактивацией (вти), часто проявляется при резких изменениях температуры. Обычно вТИ заметна при резком охлаждении воды; повышение температуры, как правило, ускоряет биохимические процессы и поэтому период адаптации может остаться незамеченным. Срна и Баггали (Srna and Baggaley, 1975) изучали кинетику нитрификационных процессов в морских аквариумах. Повышение температуры всего на 4°С приводило к ускорению окисления аммония и нитритов на 50 и 12% соответственно по сравнению с исходным уровнем. При снижении температуры воды на 1°С скорость окисления аммония уменьшалась на 30%, а при понижении температуры на 1,5°С скорость окисления нитритов уменьшалась на 8% по сравнению с исходным уровнем.
pH. ?авая и др. (Kawai et al., 1965) обнаружили, что при рН менее 9 нитрификация в морской воде подавляется сильнее, чем в пресной. Они объяснили это пониженным природным рН пресной воды. По данным Секи (Saeki, 1958), окисление аммония в пресноводных аквариумах при снижения рН подавляется. Оптимальное значение рН для окисления аммония 7,8, для окисления нитритов 7,1. Оптимальным диапазоном рН для процесса нитрификации Секи считал 7,1 — 7,8. Срна и Баrrали (Srna and Baggaley, 1975) показали, что морские бактерии-нитрификаторы были наиболее активны при рН 7,45 (диапазон 7—8,2).
Растворенный в воде кислород. Биологический фильтр можно сравнить с огромным дышащим организмом. При правильной работе он потребляет значительное количество кислорода. Потребности водных организмов в кислороде измеряют в единицах БПК (биологическое потребление кислорода). БПК биологического фильтра частично зависит от нитрификаторов, но в основном бно обусловлено активностью гетеротрофных бактерий. Хираяма (Hirayama, 1965) показал, что при высоком биологическом потреблении кислорода фильтром активно действовала многочисленная популяция нитрификаторов. Он пропускал морскую воду через слой песка действующего биологического фильтра. Перед фильтрованием содержание кислорода в воде составляет по 6,48 мг/л, после прохождения слоя песка толщиной 48 см оно снизилось до 5,26 мг/л. В то же время содержание аммония снизилось с 238 до 140 мг • экв./л, а Нитритов — со 183 до 112 мг • экв./л.
В фильтровальном слое присутствуют как аэробные, так и анаэробные бактерии, однако в хорошо аэрируемых аквариумах преобладают аэробные формы. В при сутствии кислорода рост и активность анаэробных бактерий подавляются, поэтому нормальная циркуляция воды через фильтр сдерживает их развитие. Если содержание кислорода в аквариуме снижается, происходит либо увеличение численности анаэробных бактерий, ли бо переход от аэробного дыхания к анаэробному. Многие продукты анаэробного обмена токсичны. Минерализация может происходить и при пониженном содержании кислорода, но механизм и конечные продукты в этом случае другие. В анаэробных условиях этот процесс идет скорее как ферментативный, чем как окислительный, с образованием вместо азотистых оснований органических Кислот, двуокиси углерода и аммония. Эти вещества на ряду с сероводородом, метаном и некоторыми другими соединениями придают задыхающемуся фильтру характерный гнилостный запах.
Соленость. Многие виды бактерий способны обитать в водах, ионный состав которых значительно колеблется, при условии, что изменения солености будут происходить постепенно. ЗоБелл и Мнченер (ZoBell and Michener, 1938) обнаружили, что большинство бактерий, выделенных из морской воды в их лаборатории, можно выращивать и в пресной воде. Многие бактерии переносили даже прямую пересадку. Все 12 видов бактерий, считавшихся исключительно «морскими», были успешно переведены в пресную воду путем постепенного разбавления морской воды (каждый раз добавляли по 5% пресной воды).
Бактерии биологического фильтра очень устойчивы к колебаниям солености, хотя, если эти изменения значительны и внезапны, активность бактерий подавляется. Срна и Баггали (Srna and Baggaley, 1975) показа ли, что снижение солености на 8% и повышение на 5% не оказывали влияния на скорость нитрификации в морских аквариумах. При нормальной солености воды в морских аквариальных системах нитрифицирующая активность бактерий была максимальной (Kawai et al., 1965), Интенсивность нитрификации уменьшалась как при разбавлении, так и при увеличении концентрации раствора, хотя некоторая активность сохранялась даже после повышения солености воды вдвое. в пресноводных аквариумах активность бактерий была максимальной перед добавлением в воду хлористого натрия. Сразу после того, как соленость сравнялась с соленостью
морской воды, нитрификация прекратилась.
Есть данные о том, что соленость влияет на скорость нитрификации и даже на количество конечных продуктов. ?ул и Манн (?uhl and Mann, 1962) показали, что нитрификация протекала быстрее в пресноводных аквариальных системах, чем в морских, хотя нитритов 1 нитратов больше образовывалось в последних. Каваи и др. (Kawai et al., 1964) получили сходные результаты, которые представлены на рис. 1.3.
Площадь поверхности фильтра, Каваи и др. (Kawai et al., 1964) обнаружили, что концентрация бактерий нитрификаторов в фильтре в 100 раз выше, чем в про текающей через него воде. Это доказывает важность величины контактной поверхности фильтра для процессов нитрификации, поскольку она обеспечивает возможность прикрепления бактерий. Наибольшую площадь поверхности фильтрующего слоя в аквариумах обеспечивают частицы гравия, причем процесс нитрификации происходит в основном в верхней части гравийного фильтра (Kawai et al., 1965; Yoshida, 1967), как показано на рис. 1.4. Каваи и др. (1965) определили, что в 1 г песка из верхнего слоя фильтра в морских аквариумах содержится 10 бактерий — окислителей аммония и 108 — окислителей нитратов. На глубине всего 5 см число микроорганизмов обоих типов снижалось на 90%.

Численность бактерий фильтровального слоя в малых пре ново дных и морских акварнальных системах через 134 дня (Kawai
Рис. 1.3. Численность бактерий фильтровального слоя в малых пре ново дных и морских акварнальных системах через 134 дня (Kawai

Концентрация (а) и активность (б) нитрифицирующих бактерий на разной глубине фильтра в морском аквариуме (Yoshida, 1967)

Рис. 1.4. Концентрация (а) и активность (б) нитрифицирующих бактерий на разной глубине фильтра в морском аквариуме (Yoshida, 1967)
Форма и размер частиц гравия так же важны: мелкие зерна имеют большую поверхность для прикрепления бактерий, чем такое же количество по мая 2 крупного гравия, хотя очень мелкий гравий нежелателен, так как он затрудняет фильтрацию воды. Зависимость между размерами частиц и площадью их поверхности легко продемонстрировать на примерах. Шесть кубиков массой по 1 г имеют в общей сложности 36 единиц поверхности, в то время как один кубик массой бг имеет только 6 поверхностей, каждая из которых больше Отдельной поверхности маленького кубика. Общая площадь шести Однограммовых кубиков в 3,3 раза больше площади поверхности одного 6-граммового кубика. По данным Секи (Saeki, 1958), оптимальный размер частиц гравия для фильтров 2—5 мм.
Угловатые частицы имеют бoльшую поверхность, чем округлые. Шар имеет минимальную площадь поверхности на единицу объема по сравнению со всеми остальными геометрическими формами.
Накопление детрита в фильтре обеспечивает дополнительную поверхность и улучшает нитрификацию. Согласно данным Секи (Saeki, 1958) 25% нитрификации в аквариальных системах приходится на долю бактерий, населяющих детрит.