Bakterie beztlenowe – horror czy standar...

Bakterie beztlenowe – horror czy standard?

| Michał Wyskiel | AktualnościAkwarystyka

Gdyby zapytać napotkanego akwarystę czy w jego akwarium istnieją miejsca, w których nie ma tlenu, z pewnością większość bez zastanowienia od razu odpowie „nie”. Trudno sobie bowiem wyobrazić, by w tak stosunkowo małym środowisku, w którym woda stale mieszana jest przez filtr, a często dodatkowo natleniana mechanicznie, udało się wydzielić miejsce, w którym trwa wieczna wojna o terytorium zajmowane przez bakterie beztlenowe. Dlaczego wojna? O czym mowa? Czy są one w ogóle potrzebne? Zapraszam do przeczytania artykułu.

Płynny dystrybutor tlenu

W środowisku zarówno całej planety, jak i domowego zbiornika, wszędzie możemy spotkać wodę. Jest to jeden z kilku niezbędnych warunków życia. Nie tylko ze względu na to, iż żyją w niej zwierzęta i rośliny. Równie ważny jest fakt właściwości samej wody. A jest ona świetnym rozpuszczalnikiem dla dużej ilości związków chemicznych i cząsteczek gazów, takich jak tlen. Ma duże ciepło właściwe, przez co dobrze akumuluje w ten sposób energię.

Czy bez tlenu nie ma życia?

Każdy fan filmów i książek science-fiction myśląc o życiu bez tlenu, od razu ma przed oczami wizję braku tlenu na stacji kosmicznej, a przez to śmierci ulubionego bohatera. Są jednak organizmy o wiele mniejsze niż ludzie, których nie sposób dojrzeć gołym okiem, a które świetnie sobie radzą w środowisku pozbawionym tego gazu, sprytnie uzyskując go ze struktur związków chemicznych.

Jezioro Tanganika wzorem środowiska beztlenowego

Jezioro Tanganika jest bodaj najbardziej znanym zbiornikiem wodnym Afryki. Ma 677km długości (tyle co z Zakopanego do Gdańska), średnią szerokość 50km i łączną powierzchnię 32 900km2. Przy głębokości dochodzącej do 1433 metrów (prawie 5 Wież Eifflea) i specyficznym ukształtowaniu terenu (które ma wpływ na wiejące tam wiatry) nie sposób zachować cyrkulacji wody. Oznacza to, iż występują w jeziorze warstwy, w których istnieją warunki beztlenowe. Podczas licznych badań tego środowiska zauważono, że nie występuje tam kumulacja azotu. Jak to możliwe, by w jeziorze o tak bogatej faunie i ogromnej objętości natura w tej kwestii radziła sobie doskonale?

Badania nad BCC w Jeziorze Tanganika

W 2002 roku grupa naukowców postanowiła sprawdzić tzw. skład społeczności bakteryjnej (BCC, ang. Bacterial Community Composition). Wcześniej tego typu badania przeprowadzano w płytkich jeziorach oraz morzach i oceanach. Tymczasem jeśli chodzi o stare głębokie jeziora (Jezioro Tanganika zaczęło powstawać około 12 milionów lat temu) badań takich doczekało się jedynie Jezioro Bajkał (najgłębsze jezioro na naszej planecie).


Badania nad BCC ujawniły, iż występują tam pionowe strefy ułożone wzdłuż gradientów temperatury i stężenia tlenu. Jak zauważymy na poniższym wykresie, jezioro to od głębokości średnio 150 m zawiera wodę pozbawioną tlenu. Jest to zatem największy na świecie pod względem objętości zbiornik wody beztlenowej. Różnorodność gatunków, a więc i przystosowań do panujących warunków, wśród bakterii na różnej głębokości nasuwa myśl, iż w jeziorze wykształciła się równowaga, która zapewnia stabilność ekosystemu. Stabilność, o którą mniej lub bardziej świadomie walczą akwaryści, także zwolennicy akwariów typu „low-tech” stosujący warstwę ziemi na dnie zbiornika.

Jak to wygląda w samym Jeziorze?

Ukształtowanie terenu wokół Jeziora Tanganika sprawia, iż nie powstają tam wiatry zdolne do intensywnego mieszania się warstw wody. Jest to zatem przeciwieństwo Jeziora Bajkał, gdzie pomimo większej jego głębokości takie mieszanie, a więc i natlenianie, występuje w całej objętości.
Zmiany zachodzące wraz z głębokością idealnie pokazuje poniższy wykres pochodzący z pracy badawczej pt. Nitrogen Dynamics in Northern Lake Tanganyika z 1999r. Na potrzeby tego artykułu został on przerysowany ze względu na słabą jakość oryginału.

Analizując ten jeden tylko wykres możemy dojść do bardzo wielu wniosków, które w skali mikro występują także w domowym akwarium.

  1. Zauważamy, iż w strefie powierzchniowej występuje niewielkie stężenie jonu amonowego (NH4+) oraz jonów azotanowych(V) (NO3) ze względu na intensywne pobieranie ich przez fitoplankton.
  2. Jony amonowe pozostają na niskim poziomie aż do głębokości 150m (nawet w warunkach bez dostępu światła). Ma to związek z procesem nitryfikacji, który utlenia jony amonowe do azotanów w obecności tlenu i przy ograniczonej ilości światła.
  3. Poniżej głębokości 30 m zaczyna wzrastać poziom NO3 ze względu na zmniejszenie ilości światła, a więc tym samym zaprzestanie działalności fitoplanktonu. Samo NO3 kumuluje się w wodzie za sprawą procesów nitryfikacji.
  4. Poziom azotanów rośnie do głębokości około 75m, po czym ich stężenie zaczyna spadać na skutek zmniejszenia się ilości tlenu w wodzie. Do akcji wchodzą bakterie beztlenowe, które są przystosowane do wykorzystania tlenu zawartego w jonie NO3.
  5. Gdy w wodzie stężenie tlenu spada do zera, drastycznie zmniejsza się także poziom azotanów(V), ponieważ stają się one jedynym źródłem tlenu dla bakterii środowiska beztlenowego. NO3 jest denitryfikowane do cząsteczki gazu N2.
  6. Wraz ze spadkiem ilości NO3 wzrasta stężenie amonu NH4+. Na tej głębokości nie występuje w wodzie rozpuszczony tlen, więc nitryfikacja jest niemożliwa do przeprowadzenia. Z tego względu stężenie jonu amonowego wzrasta, po czym następuje proces nazywany mineralizacją azotu organicznego, na skutek którego kumuluje się on w osadach dennych.

Bakterie beztlenowe w domowym akwarium

Wbrew pozorom w każdym domowym zbiorniku występują strefy beztlenowe. Możemy na nie natrafić w warstwie żwiru, osadu, biologicznym wkładzie filtracyjnym o odpowiedniej porowatości lub przytkanym filtrze. Wszędzie tam w małej skali przeprowadzana jest denitryfikacja na skutek dyfuzji NO3– do wnętrza warstwy. Dzięki obecności tego rodzaju bakterii uwalniane są także uwięzione wcześniej jony metali, jak na przykład żelazo, o którym pisałem w artykule Parowóz w akwarium – żelazo.

Bakterie beztlenowe pod pełną kontrolą

O ile do tej pory rozważaliśmy przykłady występowania bakterii beztlenowych w warunkach naturalnych, wytworzonych bez ingerencji człowieka, o tyle nic nie stoi na przeszkodzie, by stworzyć miejsce, dzięki któremu na bieżąco i pod pełną kontrolą będziemy usuwać NO3– ze zbiornika. Będziemy w tym celu potrzebować reduktora azotanów.

Reduktor azotanów

Jest to urządzenie w kształcie filtra kubełkowego (kanistrowego), najczęściej spięte z miernikiem przewodności elektrycznej. Przewodność wody mierzy się w szerokim zakresie, od wartości ujemnych do dodatnich. W przypadku obecności procesów związanych z warunkami tlenowymi, miernik zawsze pokaże wartość dodatnią, np. +100mV. Przy warunkach beztlenowych przewodność przyjmuje wartość ujemną, np. -100mV. Jest to zatem niezawodny sposób błyskawicznego określenia warunków, z jakimi mamy do czynienia.

Woda przez reduktor przepływa bardzo wolno (jeśli jest spięty z miernikiem, to sterownik uruchamia pompę w zależności od wskazań przewodności wody). Tak niewielki przepływ pozwala na zużycie tlenu w reakcjach zachodzących w wodzie w jednostce objętości zanim trafi ona do reaktora, do którego tlen dostać się nie może.

Proces denitryfikacji w reduktorze

Do przeprowadzania procesu denitryfikacji konieczne jest dostarczenie dużej ilości protonów i elektronów. Z tego względu obsługa reduktora azotanów polega na „karmieniu” bakterii. W profesjonalnych reduktorach stosuje się do tego celu biodegradowalne polimery, ale równie dobrym źródłem protonów i elektronów jest sól kwasu octowego. Omawiana reakcja sumarycznie wygląda następująco:

5CH3COO + 8NO3 + 3H+ → 10HCO3 + 4N2 + 4H2O

Z powyższego schematu każdy, kto interesuje się akwarystyką morską, już wie, że stanowi to podstawy metody VM oraz VSVM. Ten temat rozwinę być może w przyszłości. Stosowanie reduktora azotanów wiąże się oczywiście z możliwością występowania pewnych problemów technicznych. Jest to jednak temat na kolejny artykuł.

Nie przeszkadzajmy im

Jak już wiemy, bakterie beztlenowe w domowym akwarium nie tylko istnieją, ale także są bardzo potrzebne. Redukują poziom NO3, uwalniają do wody pierwiastki niezbędne dla funkcjonowania roślin. Rozkładają także martwą materię organiczną. Dzięki nim cykl życia pięknie się zamyka.
Z pewnością wielu początkujących akwarystów myślących, że „sterylne” warunki gwarantowane przez częste czyszczenie filtra i odmulanie dna są prawidłowym działaniem boleśnie przekonało się, iż w czasie tych czynności do wody uwalniane są między innymi gigantyczne ilości jonów azotanowych, które spokojnie czekały zdeponowane w podłożu na swoją kolej w drodze do poświęcenia się bakteriom beztlenowym, by te mogły żyć i sprawiać, że nasz zbiornik zachowuje stabilne parametry, a rośliny i zwierzęta cieszą swoim wyglądem.

Bibliografia:

N. Brion, E. Nzeyimana, L. Goeyens D. Nahimana and W. Baeyens Nitrogen Dynamics in Northern Lake Tanganyika (1999)

A. De Wever, K. Muylaert, K. Van der Gucht, S. Pirlot, Ch. Cocquyt, Jean-Pierre Descy, Pierre-Denis Plisnier, W. Vyverman Bacterial Community Composition in Lake Tanganyika: Vertical and Horizontal Heterogeneity (2002)

Artykuł ukazał się 20/03/2020. Link do artykułu: http://akwariumwkazdymdomu.pl/bakterie-beztlenowe-w-akwarium/

Michał Wyskiel

Michał Wyskiel

Specjalista chemii wody, miłośnik wykorzystania fitoremediacji w oczyszczaniu wód. Związany z zoologią od ponad 10 lat, z wykształcenia chemik. Autor artykułów traktujących o chemii i mikrobiologii w środowisku wodnym. Zwolennik łączenia zalet i korzyści akwariów typu 'low-tech' i 'high-tech'. Zawsze otwarty na nowe pomysły i projekty.
czytaj