Bakterie beztlenowe – horror czy standard?

Gdyby zapytać napotkanego akwarystę czy w jego akwarium istnieją strefy beztlenowe, w których żyją bakterie beztlenowe, 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 bakterie beztlenowe są w ogóle potrzebne?

Czy życie bez tlenu jest możliwe?

Woda jest jednym 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. 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. Te organizmy świetnie sobie radzą w środowisku pozbawionym tlenu, sprytnie uzyskując go ze struktur związków chemicznych.

Strefa beztlenowa w Jeziorze Tanganika

Jezioro Tanganika jest bodaj najbardziej znanym zbiornikiem wodnym Afryki. Ma 677 km długości (tyle co z Zakopanego do Gdańska), średnią szerokość 50km i łączną powierzchnię 32 900 km². Przy głębokości dochodzącej do 1433 metrów (prawie 5 Wież Eifflea) i specyficznym ukształtowaniu terenu nie ma możliwości by zachodziło w nim mieszanie się wody (miksja) w całej toni wodnej. Oznacza to, iż występują w jeziorze warstwy, w których istnieją warunki beztlenowe. Ponadto 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?

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). Ukształtowanie terenu wokół Jeziora Tanganika sprawia, iż nie powstają tam wiatry zdolne do intensywnego mieszania się warstw wody. Jest to zatem przeciwieństwo Jeziora Bajkał. Ponieważ pomimo większej jego głębokości takie mieszanie, a więc i natlenianie, występuje w całej objętości.

Badania nad BCC w Jeziorze Tanganika 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.

Jak zmiana stężenia tlenu wpływa na BBC?

Różnorodność gatunków bakterii i ich przystosowań do warunków panujących na różnych głębokościach nasuwa myśl, iż w jeziorze wykształciła się równowaga. To właśnie ta równowaga zapewnia stabilność ekosystemu w jeziorze Tanganika. Stabilność, o którą mniej lub bardziej świadomie walczą akwaryści, także zwolennicy akwariów typu „low-tech” stosujący warstwę ziemi na dnie zbiornika.

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 azotanów (NO₃^–) ze względu na intensywne pobieranie ich przez fitoplankton.
2. Jony amonowe (NH₄⁺) pozostają na niskim poziomie aż do głębokości 150m (nawet w warunkach bez dostępu światła). Ma to związek z procesem nitryfikacji, który utlenia jony amonowe (NH₄⁺) do azotanów (NO₃^–) w obecności tlenu i przy ograniczonej ilości światła.
3. Poniżej głębokości 30 m zaczyna wzrastać poziom azotanów (NO₃^–) ze względu na zmniejszenie ilości światła, a tym samym ograniczenie działalności fitoplanktonu. Azotany (NO₃^–) kumulują się w wodzie za sprawą procesów nitryfikacji.
4. Poziom azotanów (NO₃^–) rośnie do głębokości około 75 m. Następnie 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 (NO₃^–), ponieważ stają się one jedynym źródłem tlenu dla bakterii środowiska beztlenowego. Azotany (NO₃^–) są denitryfikowane do azotu (N₂).
6. Wraz ze spadkiem ilości azotanów (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 azotanów (NO₃^–) do wnętrza warstwy. Dzięki obecności bakterii beztlenowych uwalniane są także uwięzione wcześniej jony metali, jak na przykład żelazo. Dokładnie opisałem to zagadnienie w artykule Żelazo (Fe) w akwarium.

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 azotany (NO₃^–) z akwarium. Będziemy w tym celu potrzebować reduktora azotanów. Jest to urządzenie w kształcie filtra kubełkowego (kanistrowego), najczęściej spięte z miernikiem potencjału RedOx.

Potencjał RedOx (dalej nazywany „potencjałem”) określany jest w jednostce miliwoltów (mV) i dostarcza nam informacji o zachodzących w zbiorniku reakcjach redukcyjnych i utleniających. Dzięki temu może być wskaźnikiem stabilności całego akwarium i jakości znajdującej się w nim wody.

Potencjał 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 potencjał 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.

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. 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 azotanów (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. Jony te 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.

Michał Wyskiel

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)