Нітритокисляючі бактерії в акваріумі (Nitrospira)

ПовідомленняRoman 26 Грудня 2011, 00:03

Пізнаючи теоретичні основи свого хобі, будь-який акваріуміст рано чи пізно дізнається про азотний цикл.

Пізнаючи теоретичні основи свого хобі, будь-який акваріуміст рано чи пізно дізнається про азотний цикл. І, у зв'язку з цим, про те, як описують акваріумну нітрифікацію вже більше 30 років у книгах і журналах, що стосуються акваріумістики - бактерії роду Nitrosomonas (Nitrosomonas europaea) окислюють аміак до нітритів, а бактерії роду Nitrobacter (Nitrobacte) окислюють нітрити до нітратів.

Крім того, таке уявлення про акваріумну нітрифікацію служило і служить основою виробництва промислових бактеріальних добавок Nitrosomonas і Nitrobacter, призначених для прискорення встановлення азотного циклу в акваріумах.

Справді, бактерії пологів Nitrosomonas та Nitrobacter є нітрифікуючими. Проте, наукових доказів їхньої вирішальної ролі саме в акваріумній нітрифікації ніколи не було. Яким чином народилася ця догма акваріумістики?

Дослідження нітрифікуючих бактерій проводилися, переважно, для установок обробки стічних вод, де домінуючими нітрифікаторами вважали представників пологів Nitrosomonas і Nitrobacter. Передбачалося, що вони ж повинні домінувати і в інших водних середовищах, що містять субстрат, що віддається перевагу цими бактеріями - тобто, і в акваріумах. Причому суворих наукових доказів домінування Nitrosomonas і Nitrobacter в установках обробки стічних вод не було. Зразки таких установок культивували в лабораторіях на збагачених середовищах, а потім оцінювали – які бактерії переважають кількісно у вирощеній культурі. Точність методівідентифікації бактерій залишала бажати кращого. До того ж, з'ясувалося, що культивування в лабораторних умовах селекційно впливає на окремі види бактерій, зокрема на Nitrosomonas europaea. Іншими словами, клітини Nitrosomonas europaea чисельно домінують у лабораторній судині, хоча інший вид бактерій домінує в тому середовищі, звідки було взято зразок.

Дослідження нітрифікації в акваріумних середовищах почалися набагато пізніше. Серед них переважали вивчення зміни концентрацій аміаку, нітритів та нітратів залежно від різних параметрів, без визначення та кількісної оцінки видового складу бактеріального співтовариства.

Таким чином, твердження про домінуючу роль Nitrosomonas і Nitrobacter в акваріумах було, по суті, теоретичним припущенням, зробленим на основі неточних та спотворених результатів досліджень установок стічних вод.

Тим не менш, завіса таємниці над акваріумною нітрифікацією була відкрита завдяки застосуванню в дослідженнях сучасних методів молекулярної біології, які дозволяють з високою точністю визначати та кількісно оцінювати видовий склад бактеріальних угруповань. Деяку роль відіграли також випадкові збіги обставин.

У 1990 р. учений-біолог Тімоті Хованек організував лабораторію вивчення різноманітних аспектів акваріумної хімії та біології, зокрема - ефективності різних систем біофільтрації. Для цього знадобилося вивчення бактеріальних угруповань в акваріумах. До цього наукова робота Хованека була переважно пов'язана з дослідженням риб. Тому йому було звично, що кількісний підрахунок об'єктів, що вивчаються, не викликає проблем. За його власним зізнанням в інтерв'ю, коли він вивчав наукову літературу, складаючи план досліджень лабораторії, йогопросто шокував той факт, що при дослідженні акваріумних нітрифікаторів не застосовуються методи кількісної оцінки бактерій. Він вирішив розробити такі методики. Він не збирався з'ясовувати, хто здійснює нітрифікацію в акваріумах. Він просто планував оцінювати в різних умовах кількість тих бактерій, яких уже понад 30 років у літературі називали акваріумними нітрифікаторами – Nitrosomonas europaea та Nitrobacter winogradskyi.

На одній із конференцій Хованек ознайомився з успіхами у вивченні походження та споріднених зв'язків цихлід, досягнутими завдяки аналізу ДНК риб. Потім він з'ясував, що один із провідних фахівців у галузі вивчення бактерій за допомогою аналогічних методів – професор Едвард де Лонг (Edward DeLong) – очолив одну з лабораторій у Каліфорнійському університеті. У лабораторії де Лонга Хованек освоїв сучасні молекулярні методи дослідження бактерій. Потім, вже у своїй лабораторії, він розробив методики, за допомогою яких мав намір оцінювати кількісні зміни Nitrosomonas europaea і Nitrobacter winogradskyi в акваріумних фільтрах. І приступив до досліджень.

Його одразу ж спіткала «невдача». Сучасні високоточні методи чомусь не виявляли Nitrobacter winogradskyi в жодному акваріумі. Nitrosomonas europaea не виявлялися в прісноводних акваріумах і були присутніми, але не домінували в морських акваріумах. У той же час, зміни концентрацій аміаку, нітритів і нітратів свідчили, що нітрифікація в акваріумах відбувається. Хованек повторював експерименти багаторазово - понад рік. Результати були ті самі. Так, завдання кількісної оцінки Nitrosomonas europaea і Nitrobacter winogradskyi було знято з порядку денного. Стало очевидно, що перш ніж оцінювати кількість бактерій, що нітрифікують,слід з'ясувати - які саме бактерії здійснює нітрифіцію в акваріумі.

Спершу Хованек вирішив зосередити увагу на нітрит-окисних бактеріях. За допомогою методів молекулярної біології він встановив, що окислення нітритів у прісноводних та морських акваріумах здійснюють бактерії роду Nitrospira. До цього вважалося, що ці бактерії не відіграють суттєвої ролі у нітрифікації у водних середовищах.

Хованек неодноразово повторив дослідження на зразках з фільтрів та ґрунту прісноводних та морських акваріумів з різними кількостями риб та з моделюванням динаміки вмісту аміаку за допомогою додавання хлориду амонію. У всіх випадках виявлялися в домінуючих кількостях нітрит-окисні бактерії Nitrospira. Бактерії Nitrobacter не виявляли в жодному разі. Хованек встановив, що поява бактерій Nitrospira у визначених кількостях відбувалася з 12 до 22 дня після запуску акваріума. Їхня поява та зміна кількості відповідала динаміці окислення нітритів до нітратів.

Також Хованек досліджував вплив промислових бактеріальних препаратів, що містять Nitrosomonas europaea та Nitrobacter winogradskyi та призначені для прискорення встановлення азотного циклу. Бактеріальні добавки не прискорювали встановлення нітрифікації та не змінювали склад бактеріального співтовариства порівняно з контрольними акваріумами. А концентрації нітритів та аміаку все одно досягали токсичних рівнів. Незважаючи на додавання препаратів, що містять Nitrobacter winogradskyi, ці бактерії не могли заселитися в прісноводних та морських акваріумах у визначених кількостях. При додаванні препаратів Nitrosomonas europaea бактеріальна картина також не змінювалася. Корисним ефектом застосування бактеріальної добавки було швидке збільшеннякількості бактерій Nitrospira. Оцінити, наскільки цей ефект був суттєвим, було неможливо через недостатність даних. Хованек висловив припущення, що ефект міг бути зумовлений впливом поживних речовин у добавках.

Таким чином, Хованеком була відкрита роль нітрит-окисних бактерій Nitrospira в акваріумах. Дослідження тривали близько п'яти років. За цей час у науковій літературі з'явилися роботи інших дослідників, які демонстрували, що Nitrospira-подібні бактерії є домінуючими нітрит-окислювачами та в установках з обробки стічних вод. аміаку помилкові. Використання методів молекулярної біології дозволило з'ясувати, що в установках з переробки стічних вод переважають, в основному, 3 групи аміак-окисних бактерій. Бактерії, споріднені з Nitrosomonas europaea; Nitrosococcus mobilis та споріднені бактерії; і третя група – невідомі бактерії, які вдалося ідентифікувати і культивувати. Чисельно переважаючими виявилися бактерії Nitrosococcus mobilis.

Хованек продовжив дослідження. Наступним завданням стало дослідження аміак-окисних бактерій. Отримані на сьогодні результати такі. У бактеріальних спільнотах фільтрів прісноводних акваріумів переважають аміак-окисні бактерії, близькі до споріднених Nitrosomonas marina. У морських акваріумах види Nitrosomonas становлять близько 20% складу бактеріальних угруповань. Дослідження зараз тривають.

У зв'язку з відкриттям ключової ролі бактерій Nitrospira в окисленні нітритів у різних середовищах Університету Відня створено міжнародний проект з вивчення цих бактерій. Серед основних цілей досліджень – секвенуваннягеному цих бактерій, вивчення їх особливостей нітрит-окислювальних механізмів та взаємодії з іншими бактеріями.

Для акваріуміста важливо знати, які саме бактерії є нітрит-окисними і аміак-окисними в акваріумах. Це необхідно, щоб грамотно вирішити питання доцільності застосування бактеріальних препаратів, а також, щоб розумно підійти до вибору такого препарату. Знаючи, які бактерії здійснюють процес, а отже, знаючи особливості біохімії та фізіології цих бактерій, можна підтримувати умови, сприятливі для максимально ефективної біофільтрації, та усувати проблеми, що виникають. Наприклад, одна з поширених проблем - період токсичних концентрацій нітритів, що значно затягнувся. Вивчивши особливості життєдіяльності нітрит-окисних акваріумних бактерій, можна зрозуміти, які обставини пригнічують їх зростання і як вирішити цю проблему.

На жаль, достовірних повторюваних наукових даних про бактеріальні спільноти в акваріумах нині вкрай недостатньо. Величезна частина того, що написано в популярній акваріумній літературі, є теоретичними припущеннями або заснованим на результатах старих досліджень, виконаних ще до початку застосування високоточних методів молекулярної біології. Тому, ймовірно, дуже багато буде переглянуто. Як це і сталося з акваріумними бактеріями, що нітрифікують.

Тімоті Хованек (Dr. Timothy A. Hovanec, Ph.D) – науковий керівник «Aquaria Inc.». Консультант приватних і урядових контрактів щодо установок аквакультури у кількох країнах. Автор кількох патентів. За освітою – біолог (Державний університет San Diego, де він здобув наукові ступені B.S. та M.S.), науковий ступінь Ph.D. отримав у 1998 р., захистившидисертацію у Каліфорнійському університеті.

Бактерії роду Nitrospira.

Грамнегативні, хемолітоавтотрофні нітритокисляючі бактерії. Облігатні аероби. Виявляються в прісних та солоних водах, донних відкладах, ґрунтах, нагрівальних установках, установках обробки стічних вод, установках аквакультури та акваріумах. Використовують як джерело вуглецю неорганічний вуглець (HCO3- і CO2), а також здатні використовувати піруват в аеробних умовах. За даними деяких досліджень, певні концентрації доступного органічного вуглецю в середовищі можуть сприятливо впливати на зростання цих бактерій. Зростання пригнічується при концентрації органічних речовин 0.75 г/л і вище. Час подвоєння популяції – 12 – 32 год. Оптимальні умови зростання в мінеральному середовищі – 39 0 C, pH 7.6-8.0, концентрація нітритів – 0.35 mM. В даний час у науковій літературі бактерії Nitrospira вважаються домінуючими нітрит-окисними бактеріями у водних середовищах. Ідентифіковано та охарактеризовано два види - Nitrospira marina та Nitrospira moscoviensis.

Велика різноманітність і широка поширеність в природних і штучних середовищах свідчать, що ці нітритокисляючі бактерії дуже конкурентні, мають високу адаптованість і відіграють ключові ролі в азотному циклі багатьох екосистем.