Нитрит-окисляващи бактерии в аквариума (Nitrospira)

СъобщениеРоман » 26 декември 2011 г., 00:03

Изучавайки теоретичните основи на своето хоби, всеки акварист рано или късно ще научи за цикъла на азота.

Изучавайки теоретичните основи на своето хоби, всеки акварист рано или късно ще научи за цикъла на азота. И в тази връзка за това как нитрификацията на аквариума е описана повече от 30 години в книги и списания, свързани с акваристиката - бактериите от рода Nitrosomonas (Nitrosomonas europaea) окисляват амоняка до нитрит, а бактериите от рода Nitrobacter (Nitrobacter winogradskyi) окисляват нитрита до нитрат.

В допълнение, тази идея за нитрификация на аквариума е служила и продължава да служи като основа за производството на индустриални бактериални добавки Nitrosomonas и Nitrobacter, предназначени да ускорят установяването на азотния цикъл в аквариумите.

Действително, бактериите от родовете Nitrosomonas и Nitrobacter са нитрифициращи. Въпреки това никога не е имало научни доказателства за тяхната решаваща роля в нитрификацията на аквариума. Как се роди тази догма за акваристика?

Изследванията на нитрифициращи бактерии са проведени главно за пречиствателни станции за отпадъчни води, където представителите на родовете Nitrosomonas и Nitrobacter се считат за доминиращи нитрификатори. Предполага се, че те трябва да доминират и в други водни среди, съдържащи субстрата, предпочитан от тези бактерии - тоест в аквариумите. Освен това няма строги научни доказателства за доминирането на Nitrosomonas и Nitrobacter в пречиствателните станции за отпадъчни води. Пробите от такива инсталации се култивират в лаборатории върху обогатени среди и след това се оценява кои бактерии преобладават количествено в отглежданата култура. Точност на методаидентифицирането на бактериите остави много да се желае. Освен това се оказа, че култивирането в лабораторни условия има селективен ефект върху определени видове бактерии, по-специално върху Nitrosomonas europaea. С други думи, клетките на Nitrosomonas europaea са числено доминиращи в лабораторния съд, въпреки че друг бактериален вид е доминиращ в средата, от която е взета пробата.

Изследванията върху нитрификацията в аквариумни среди започват много по-късно. Сред тях преобладават изследванията на промените в концентрациите на амоняк, нитрити и нитрати в зависимост от различни параметри, без определяне и количествено определяне на видовия състав на бактериалната общност.

По този начин, твърдението за доминиращата роля на Nitrosomonas и Nitrobacter в аквариумите е по същество теоретично предположение, направено въз основа на неточни и изкривени резултати от проучвания на инсталации за отпадни води.

Въпреки това, завесата на тайната над нитрификацията на аквариума е повдигната благодарение на използването на съвременни методи на молекулярна биология в изследванията, които позволяват определянето и количественото определяне на видовия състав на бактериалните общности с висока точност. Роля изиграха и случайностите.

През 1990 г. учен-биолог Тимъти Хованек създава лаборатория за изследване на различни аспекти на химията и биологията на аквариума, включително ефективността на различни системи за биофилтрация. Това наложи изследването на бактериалните общности в аквариумите. Преди това научната работа на Чованек е свързана главно с изучаването на рибите. Следователно той беше свикнал с факта, че количественото изчисление на изследваните обекти не създава проблеми. По собствено признание в интервю, когато изучаваше научна литература, съставяйки план за лабораторни изследвания, тойПросто бях шокиран от факта, че при изучаване на аквариумни нитрификатори не се използват методи за количествено определяне на бактериите. Той реши да разработи такива методи. Той нямаше да разбере кой извършва нитрификация в аквариумите. Той просто планира да оцени при различни условия броя на онези бактерии, които повече от 30 години в литературата се наричат аквариумни нитрификатори - Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi.

На една от конференциите Хауанек се запознава с напредъка в изучаването на произхода и родствените връзки на цихлидите, постигнат чрез анализа на ДНК на рибите. Тогава той разбра, че един от водещите експерти в изследването на бактерии с помощта на подобни методи - професор Едуард Де Лонг (Edward DeLong) - ръководи една от лабораториите в Калифорнийския университет. В лабораторията на де Лонг Хованек усвоява съвременните молекулярни методи за изследване на бактерии. След това, вече в своята лаборатория, той разработва методи, чрез които възнамерява да оцени количествените промени на Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi в аквариумни филтри. И започна да проучва.

Той веднага беше "провален". По някаква причина съвременните високоточни методи не откриха Nitrobacter winogradskyi в нито един аквариум. Nitrosomonas europaea не се среща в сладководни аквариуми и присъства, но не доминира в морските аквариуми. В същото време промените в концентрациите на амоняк, нитрити и нитрати показват, че в аквариумите се извършва нитрификация. Хованек повтаря експериментите многократно - повече от година. Резултатите бяха еднакви. По този начин задачата за количествено определяне на Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi беше премахната от дневния ред. Стана ясно, че преди да се оцени броят на нитрифициращите бактерии,необходимо е да разберете кои бактерии извършват нитрификация в аквариума.

Първоначално Хованек решава да се съсредоточи върху бактериите, окисляващи нитритите. Използвайки методите на молекулярната биология, той установява, че окисляването на нитритите в сладководни и морски аквариуми се извършва от бактерии от рода Nitrospira. Преди това се смяташе, че тези бактерии не играят съществена роля в нитрификацията във водна среда.

Howanek многократно повтори изследването върху проби от филтър и почва от сладководни и морски аквариуми с различен брой риби и моделира динамиката на нивата на амоняк чрез добавяне на амониев хлорид. Във всички случаи в доминиращи количества са установени нитритокисляващи бактерии Nitrospira. В нито един случай не са открити бактерии Nitrobacter. Хаунек установи, че бактериите Nitrospira се появяват в измерими количества между 12 и 22 дни след стартирането на аквариума. Техният външен вид и промяна в количеството съответстват на динамиката на окислението на нитритите до нитрати.

Хованек също изследва ефекта на промишлени бактериални препарати, съдържащи Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi и предназначени да ускорят установяването на азотния цикъл. Бактериалните добавки не ускоряват установяването на нитрификация и не променят състава на бактериалната общност в сравнение с контролните аквариуми. И концентрациите на нитрити и амоняк все още достигат токсични нива. Въпреки добавянето на препарати, съдържащи Nitrobacter winogradskyi, тези бактерии не могат да се установят в сладководни и морски аквариуми в откриваеми количества. Когато се добавят препарати от Nitrosomonas europaea, бактериалният модел също не се променя. Благоприятен ефект от бактериалната добавка е по-бързото нарастванеброя на бактериите Nitrospira. Не беше възможно да се оцени колко значим е този ефект поради недостатъчни данни. Howanek предполага, че ефектът може да се дължи на влиянието на хранителните вещества в добавките.

Така Хауанек открива ролята на нитрит-окисляващата бактерия Nitrospira в аквариумите. Проучването продължи около пет години. През това време в научната литература се появиха други изследователи, които демонстрираха, че бактериите, подобни на Nitrospira, са доминиращите нитритни окислители в пречиствателните станции за отпадни води. Тези проучвания също така показаха, че заключенията за доминиращата роля на бактериите Nitrosomonas europaea в окисляването на амоняка са погрешни. Използването на методите на молекулярната биология позволи да се установи, че в пречиствателните станции за отпадни води преобладават предимно 3 групи амонячно-окислителни бактерии. Бактерии, свързани с Nitrosomonas europaea; Nitrosococcus mobilis и сродни бактерии; и третата група - неизвестни бактерии, които не могат да бъдат идентифицирани и култивирани. Числено преобладаваща се оказва бактерията Nitrosococcus mobilis.

Хаунек продължи изследванията си. Следващата задача беше да се изследват бактериите, окисляващи амоняка. Получените до момента резултати са следните. Бактериалните общности на филтрите за сладководни аквариуми са доминирани от окисляващи амоняк бактерии, тясно свързани с Nitrosomonas marina. В морските аквариуми видовете Nitrosomonas съставляват около 20% от състава на бактериалните общности. Проучванията продължават в момента.

Във връзка с откриването на ключовата роля на бактериите Nitrospira в окисляването на нитритите в различни среди, във Виенския университет е създаден международен проект за изследване на тези бактерии. Сред основните цели на изследването е секвениранетогенома на тези бактерии, изследване на техните характеристики на нитрит-окислителни механизми и взаимодействие с други бактерии.

За аквариста е важно да знае кои бактерии са нитрит-окисляващи и амонячно-окисляващи в аквариумите. Това е необходимо, за да се реши компетентно въпросът за целесъобразността на използването на бактериални препарати, както и разумно да се подходи към избора на такъв препарат. Знаейки кои бактерии извършват процеса и следователно познавайки характеристиките на биохимията и физиологията на тези бактерии, е възможно да се поддържат условия, благоприятни за най-ефективната биофилтрация и да се елиминират възникващите проблеми. Например, един често срещан проблем е значително удължен период на токсични концентрации на нитрити. Чрез изучаване на характеристиките на жизнената активност на нитрит-окисляващите аквариумни бактерии може да се разбере какви обстоятелства възпрепятстват растежа им и как да се реши този проблем.

За съжаление надеждните, повтарящи се научни данни за бактериалните общности в аквариумите в момента са изключително оскъдни. Голяма част от написаното в популярната аквариумна литература е теоретична спекулация или се основава на стари изследвания, направени преди използването на високо прецизни техники на молекулярна биология. Затова е много вероятно много неща да бъдат преразгледани. Както се случи с аквариумните нитрифициращи бактерии.

Тимъти А. Хованек (доктор) е научен директор на Aquaria Inc. Консултант за частни и държавни поръчки за инсталации за аквакултури в няколко страни. Автор на няколко патента. Биолог по образование (държавен университет в Сан Диего, където получава бакалавърска и магистърска степен), доктор по философия. получава през 1998 г., след като е защитилдисертация в Калифорнийския университет.

Бактерии от рода Nitrospira.

Грам-отрицателни, хемолитоавтотрофни нитрит-окисляващи бактерии. облигатни аероби. Намира се в прясна и солена вода, седименти, почви, отоплителни инсталации, пречиствателни станции за отпадъчни води, растения за аквакултури и аквариуми. Те използват неорганичен въглерод (HCO3- и CO2) като източник на въглерод и също могат да използват пируват при аеробни условия. Според някои изследвания определени концентрации на наличен органичен въглерод в околната среда могат да повлияят благоприятно на растежа на тези бактерии. Растежът се инхибира при концентрации на органична материя от 0,75 g/L и повече. Време за удвояване на популацията - 12 - 32 ч. Оптимални условия за растеж в минерална среда - 39 0 С, pH 7,6-8,0, концентрация на нитрити - 0,35 mM. Бактериите Nitrospira понастоящем се считат за доминиращи нитрит-окисляващи бактерии във водна среда в научната литература. Два вида, Nitrospira marina и Nitrospira moscoviensis, са идентифицирани и характеризирани.

Голямото разнообразие и широкото разпространение в естествена и изкуствена среда показват, че тези нитрит-окисляващи бактерии са силно конкурентни, силно адаптивни и играят ключова роля в азотния цикъл на много екосистеми.