Bakterie nitryfikacyjne i denitryfikacyjne

Niewidzialni, a bardzo pożyteczni mieszkańcy akwarium – bakterie nitryfikacyjne i denitryfikacyjne.

Opracował: dr Grzegorz Zygmunt
Konsultacja: Piotr Baszucki, Tomasz Bielski

1. Azot i jego związki

Azot (N) to jeden z głównych pierwiastków budulcowych wszystkich istot żywych, wchodzi w skład białek, kwasów nukleinowych, a także jest komponentem wielu soli mineralnych. Podstawowym jego źródłem jest azot atmosferyczny, którego zawartość w powietrzu wynosi aż 78%. Pomimo to jest on stosunkowo trudno dostępny dla organizmów.

Związki azotu znajdujące się w wodzie mogą być pochodzenia organicznego (stanowią go produkty biochemicznego rozkładu białek roślinnych i zwierzęcych, jego źródłem są organizmy wodne, a ponadto także ścieki miejskie i przemysłowe) i nieorganicznego, pochodzące z mineralnych nawozów azotowych, ścieków przemysłowych, opadów (szczególnie wtedy, gdy towarzyszą im burze z piorunami) oraz z powietrza atmosferycznego (azot wolny rozpuszczony).

Najczęściej występującymi w wodach nieorganicznymi związkami azotu są: azot azotanowy (NO₃^-), azot azotynowy (NO₂^-), amoniak (NH₃) i azot amonowy (NH₄⁺).
Ogólna zawartość nieorganicznych związków azotowych w wodach otwartych waha się od 0,02 mg/dm³ do 4,0 mg/dm³_.

Azotany to sole i estry kwasu azotowego HNO₃. Współcześnie w tzw. systemie Stocka związki te określane są mianem azotanów (V). Relatywnie nie są groźne dla ryb, ale zbyt wysokie ich stężenie nie pozostaje dla nich całkiem obojętne - uznaje się, że dopuszczalna ilość azotanów nie powinna przekraczać 50 mg/dm³, a powyżej 100 mg/dm³ mogą już wywierać skutki bardzo niekorzystne.

Sole i estry kwasu azotawego HNO₂ (w systemie Stocka azotowego III) to azotyny, a według nowej nomenklatury - azotany (III). Za górną granicę ich koncentracji tolerowanej jeszcze przez organizmy wodne przyjmuje się wartość 0,5 mg/dm³, ale nawet taka ich ilość, jeżeli utrzymuje się przez dłuższy czas, również nie pozostaje dla nich zupełnie neutralna, za śmiertelne dla ryb uważa się ich stężenie powyżej 5,0 mg/dm³.

Amoniak jest silnie toksyczny, u ryb działa drażniąco na błony śluzowe dróg oddechowych, skrzela, uszkadza oczy i skórę wywołując jej owrzodzenia, powoduje też hemolizę erytrocytów (czerwonych ciałek krwi). Ryby młode są bardziej wrażliwe niż dorosłe - letalna (śmiertelna) ilość NH₃ kształtuje się w zakresie od 0,2 mg/dm³ w przypadku narybku do około 2,0 mg/dm³ dla ryb starszych. Związek ten jest także szkodliwy dla wielu gatunków roślin. Uszkadzając im tkanki hamuje ich rozwój i wzrost. Za górną, bezpieczną dla organizmów wodnych ilość amoniaku w której mogą przebywać bez uszczerbku dla zdrowia, przyjmuje się wartość do 0,025 mg/dm³. Warto wiedzieć, iż jego stężenie rośnie wraz ze wzrostem temperatury i odczynu (w środowisku zasadowym jest go stosunkowo więcej), zależy też od rodzaju podłoża (nad glebami mineralnymi obniża się, nad torfem wzrasta).

Amoniak w akwariach powstaje przy udziale bakterii gnilnych, które przekształcają obumarłe szczątki roślin i zwierząt, a także podawany rybom pokarm; zarówno ten nie zjedzony jak również strawiony i wydalony w postaci odchodów. W wodach czystych, dobrze zbuforowanych, o obojętnym odczynie, przy zachowanej równowadze węglanowej i dostatecznej ilości tlenu przybiera formę zjonizowaną tzn. azotu amonowego (NH₄⁺), która nie stanowi poważnego zagrożenia dla organizmów wodnych. Niestety na skutek nieprawidłowo prowadzonego żywienia czy gwałtownych wahań pH (szczególnie jego wzrostu) np. w przegęszczonych akwariach, nie cały amoniak pozostaje w postaci nieszkodliwego jonu amonowego, a wręcz przeciwnie azot amonowy może na powrót przekształcić się poprzez wodorotlenek amonowy w wolny amoniak. Model zachodzących reakcji przedstawiono wzorem poniżej.

NH₃ +H₂O ↔ NH₄OH ↔ NH₄⁺ + OH^-

Akwaria są rodzajem sztucznego ekosystemu, w którym nie sposób jest uniknąć rotacji azotu. Utrzymanie równowagi tego obiegu jest jednym z podstawowych warunków zachowania zdrowia hodowanych organizmów. Trudności wynikają głównie z faktu, że cykl azotowy w małych, zamkniętych zbiornikach jest trochę upośledzony, a jego harmonię bardzo łatwo można zakłócić. Ogólnie jego istota polega na powolnym przepływie strumienia wody poprzez złoże filtracyjne gdzie, dzięki wykorzystaniu kolonii bakterii głównie tzw. nitryfikacyjnych egzystujących na tym substracie, odbywa się szereg procesów prowadzących do redukcji związków azotowych. Trzeba tu wspomnieć, iż znane i stosowane są również systemy oparte o rozwój glonów, a także wyższych roślin naczyniowych.

2. Nitryfikacja

Bakterie nitryfikacyjne to aerobowe (tlenowe), jednokomórkowe, kolonijne organizmy, autotroficzne (samożywne), mające zdolność wytwarzania energii i syntetyzowania niezbędnych do życia i wzrostu substancji pokarmowych poprzez utlenianie amoniaku (NH₃), do azotynów (NO₂^- ), a następnie do azotanów (NO₃^-), których sole są wykorzystywane przez rośliny w procesie asymilacji. W tym miejscu warto zaznaczyć, iż większość roślin hodowanych w akwariach preferuje jako źródło azotu związki amonowe, tylko nieliczne rosnące na obszarach bardzo ubogich w substancje odżywcze przedkładają azotany (tabelka 1).

Tabelka 1 Preferencje roślin w przyswajaniu związków azotowych

W warunkach naturalnych bakterie nitryfikacyjne są obecne w kurzu, piasku czy glebie. Biorą m.in. udział w procesie niszczenia kamiennych powierzchni zabytkowych budynków (powstałe na skutek ich działania kwasy azotowe wchodzą w reakcję z węglanem wapnia obecnym w kamieniach). Ich nazwa pochodzi od łacińskich słów „nitrum” - soda i „facio” - czynić.

W przyrodzie znanych jest wiele szczepów mikroorganizmów uczestniczących w nitryfikacji. W przemianach azotu amonowego w azotyny (pierwsza część cyklu) zaangażowane są m.in. bakterie z rodzajów Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolbus czy Nitrosospira, natomiast w transformacji związków NO₂ w NO₃ (druga część cyklu) bakterie z rodzajów Nitrococcus, Nitrobacter oraz Nitrospira. Odwołując się do badań profesorów T.A. Hovaneca i P.C. Burrella oraz ich współpracowników trzeba tu stwierdzić, że z dużym prawdopodobieństwem w akwariach za pierwszy z tych procesów odpowiadają szczepy Nitrosospira oraz inne blisko spokrewnione z gatunkiem Nitrosomonas marina, za drugi zaś Nitrospira.

Uproszczony schemat przekształcenia azotu amonowego w azot azotynowy wygląda następująco:

NH4+ +  1,5 O2 → (*) NO2- +  2H+ +  H2O  +  ENERGIA

(*) - NITROSOMONAS, NITROSOSPIRA

Zaś przemiany azotu azotynowego w azot azotanowy toczą się według wzoru:

NO2- + 0,5 O2 → (*) NO3- + ENERGIA

(*) - NITROSPIRA

Przebieg nitryfikacji zależy między innymi od:

• temperatury – w warunkach naturalnych jej optimum jest bardzo szerokie i mieści się w granicach 28 - 360 oC, próg przy którym proces ulega całkowitemu zahamowaniu wynosi około 5 ^oC
• dostępności tlenu rozpuszczonego w wodzie – optymalne stężenie tlenu dla rozwoju bakterii to około 2,0 mg O₂/dm³, zaś stężenie krytyczne, poniżej którego proces nitryfikacji ustaje, wynosi dla czystych kultur bakterii 0,08 mg O₂/dm³
• odczynu wody - optimum pH dla procesu nitryfikacji kształtuje się w granicach 7,6 – 8,0
• obecności różnych substancji, które mogą być rozpuszczone w wodzie – są m.in. wrażliwe na związki metali ciężkich oraz chlor i jego pochodne
• czynników zakłócających równowagę biologiczną, które prokurują sami akwaryści np. przerybienie, nieodpowiedni, złej jakości pokarm, dopuszczanie do zalegania na dnie zbiornika dużej ilości zanieczyszczeń
• rodzaju powierzchni, na której się rozwijają
  
  

Model czasowy przebiegu procesu nitryfikacji w sztucznym ekosystemie (bez wykonywania jakichkolwiek czynności wspomagających) obrazuje wykres 1.
Zgodnie z tym schematem wygląda on następująco:

• pojawienie się i namnożenie bakterii odpowiedzialnych za pierwszą część cyklu – około 7 – 14 dni
• pojawienie się i namnożenie bakterii odpowiedzialnych za drugą część cyklu – około 10 – 21 dni
• uzyskanie równowagi biologicznej w akwarium po około 40 – 45 dniach

Wykres 1. Przebieg nitryfikacji w sztucznym ekosystemie

W celu ułatwienia i przyspieszenia rozwoju odpowiedniej ilości bakterii nitryfikacyjnych można zastosować następujące zabiegi:

• obsadzić akwarium roślinami i wpuścić niewielką ilość ryb z planowanej obsady
• dopełnić akwarium pewną ilością wody z innego, biologicznie już stabilnego zbiornika
• wykorzystać media filtracyjne, w których znajdują się już kultury bakterii nitryfikacyjnych
• dodać do akwarium odpowiednich kultur bakterii (można je zakupić w wielu sklepach zoologicznych)
• niektórzy hodowcy podają, że w pewnych specyficznych sytuacjach, gdy w akwarium nie ma roślin, a zasadowy odczyn wody nie pozwala na wcześniejsze wpuszczenie ryb można użyć artykułów spożywczych zawierających białko np. pokarmu dla ryb albo dolać czystego amoniaku lub chlorku amonowego.

Bakterie nitryfikacyjne prowadzą osiadły tryb życia. Bytują w akwarium przez cały czas jego użytkowania o ile nie dojdzie do sytuacji zaburzających ich egzystencję. Należy wiedzieć, że są wrażliwe na światło (szczególnie w pierwszych kilku dniach rozwoju) oraz promienie UV. Ulegają zniszczeniu pod wpływem działania niektórych substancji czynnych, które są składnikami większości leków używanych w akwarystyce np. chlortetracycliny, oxytetracycliny, formaliny czy błękitu metylenowego. Są również czułe na związki metali ciężkich, giną także pod wpływem chlorowanej wody.

Problemy może też spowodować okresowa, dłuższa przerwa w zasilaniu, lub awaria filtra trwająca ponad kilkanaście godzin. Sytuacje te powodują zmniejszenie ilości tlenu, a niedotlenienie znacznie ogranicza liczebność populacji tych mikroorganizmów. Początki procesu spowalniania ich funkcji życiowych można zaobserwować już po kilku godzinach. Kluczowy wydaje się tu też stopień zanieczyszczenia złoża. Jeśli w odłączonym od prądu filtrze znajduje się dużo mułu, należy spodziewać się rozwoju bakterii odpowiedzialnych za rozkład tej materii organicznej. Rozrost ich koloni staje się szybszy niż zwykle, dodatkowo zużywają pozostały jeszcze w wodzie tlen, tym samym pozbawiając bakterie nitryfikacyjne warunków do bytowania i zmuszając je niejako do przejścia w stan tzw. uśpienia. Chcąc zmniejszyć ryzyko utraty pożytecznych mikroorganizmów, w przypadku wielogodzinnych awarii, należałoby w jednej porcji wody pobranej z akwarium wypłukać materiał filtracyjny, a następnie umieścić go na czas usuwania usterki, w pojemniku zalanym drugą jej częścią. Krótsze okresy braku prądu raczej nie powinny im szkodzić.

Dla efektywnego rozwoju bakterii, bardzo ważnym elementem jest odpowiednie podłoże, które mogą zasiedlić. Zdecydowanie najlepszym miejscem, jak pisałem wcześniej jest filtr, gdzie mają zapewniony stały przepływ wody. Ponieważ bytują na powierzchni materiału filtracyjnego, dlatego im większa jest ta przestrzeń, im bardziej jest porowaty, tym więcej bakterii może się rozwinąć.

Do najczęściej używanych materiałów, z których wykonane są biologiczne złoża filtracyjne należą:

• wkłady z tworzywa sztucznego: gąbki, biokulki
• wkłady ceramiczne
• wkłady naturalne: mineralne (zeolity), z wypalanej glinki (keramzyt), pumeks, lawa itp.

3. Denitryfikacja

Proces ten zachodzi przede wszystkim wtedy, kiedy pojawiają się warunki niedotlenione, czyli takie, w których tlen nie występuje w stanie cząsteczkowym (O₂), ale jest obecny w formie związanej chemicznie np. w postaci azotanów. Powszechnie przebiega w glebach i osadach. Praktycznie, w filtrach akwariowych opisane powyżej warunki pojawiają się wtedy, gdy stężenie tlenu rozpuszczonego w przepływającej przez złoże z odpowiednią prędkością wodzie spada do poziomu 0,1 – 0,2 mg O₂/dm³. W wyniku aktywności życiowej mikroorganizmów następuje przekształcenie azotu azotanowego w formę cząsteczkową (N₂), która będąc gazem w dużej mierze ulatnia się z wody w powietrze. Proces ten realizowany jest głównie przez cały szereg bakterii z rodzajów Pseudomonas, Escherichia, Bacillus, Thiobacillus, Micrococcus czy Paracoccus.

Uproszczony wzór reakcji przeprowadzanej na przykład przez bakterie z rodzaju Pseudomonas ma następującą postać:

NO3- +  0,5 H2O→ (*) 0,5 N2 +  2,5 O  +  OH-

(*) - PSEUDOMONAS

Przebieg denitryfikacji zależy m.in. od następujących parametrów:

• temperatury – jej optimum mieści się w granicach 28 - 30 ^oC
• ilości tlenu rozpuszczonego w wodzie - maksymalne jego stężenie, przy którym proces denitryfikacji jeszcze nie ustaje, wynosi około 0,2 mg O₂/ dm³
• odczynu wody – wartości optymalne kształtują się w przedziale około 6,5-7,5, zaś pH poniżej 6,5 powoduje obumieranie bakterii i zahamowanie procesu
• rodzaju i porowatości powierzchni, na której mikroorganizmy się rozwijają

4. Podsumowanie

Opisane powyżej procesy przeciwdziałają akumulacji związków azotowych w akwarium i jako takie są bardzo przydatne w prawidłowym funkcjonowaniu tego ekosystemu. Należy jednak pamiętać, że bakterie o te substancje konkurują z roślinami. Po pewnym czasie, może ich po prostu dla obydwu grup zacząć brakować. Aby zapobiec takiej sytuacji w zbiornikach z dużą ilością roślin wodnych należy je sukcesywnie uzupełniać poprzez odpowiednie nawożenie.

5. Literatura

1. Arszyński M. i współ. 1975 – Profilaktyczna konserwacja kamiennych obiektów zabytkowych, Toruń
2. Burrell P.C. i współ. 2001 - Identification of Bacteria Responsible for Ammonia Oxidation in Freshwater AquariaApplied and Environmental Microbilogy – Moorpark, California
3. Hovanec T.A. i współ. 1998 - Nitrospira-Like Bacteria Associated with Nitrite Oxidation in Freshwater Aquaria – Applied and Environmental Microbilogy – Moorpark, California
4. Kowal A., Świderska – Bróż M. 1997 – Oczyszczanie wody – Wyd. Nauk PWN Warszawa-Wrocław
5. Popek W., Górecki W., Zygmunt G. 2010 – Nowoczesna hodowla ryb akwariowych – Wyd. IRŚ, Olsztyn
6. Prost M. 1994 – Choroby ryb – Polskie Towarzystwo Nauk Weterynaryjnych, Lublin
7. Walstad D. 2007 – Rośliny w akwarium – Wyd. ORIOL, Kórnik