|
Wprowadzenie:
Filtracja biologiczna, lub inaczej, rozkład produktów przemiany materii i nadmiaru składników odżywczych do form przyswajalnych przez metabolizm organizmów żywych, jest jednym z tych zagadnień, które wszyscy wydają się dobrze rozumieć. Jeśli zachodzi jakikolwiek spór odnośnie rozumienia samego terminu „filtracji biologicznej”, to odnosi się on do faktu, że każdy rozumie go w inny sposób. W najszerszym pojęciu oznacza on przemianę biologicznie wytworzonych trujących substancji do form znacznie mniej szkodliwych. W węższym sensie często jest używany jako oznaczenie przemiany amoniaku i jonów azotu do azotu w postaci czystego gazu. Bez względu na to, jak termin ten rozumiemy, pewnym jest, że akwaria ogólnie, a akwaria rafowe w szczególności, muszą posiadać jakiś rodzaj efektywnej filtracji biologicznej.
Jak, gdzie, w jaki sposób, jak efektywnie działają rozmaite substraty oraz jakimi różnorodnymi sposobami przeprowadzana jest biologiczna filtracja – to są tematy dyskutowane przez akwarystów i zawsze popierane przekonaniem, że to ich zdanie jest „jedyną prawdą”. Niestety, sporo ich argumentów poparte jest takimi samymi „dowodami naukowymi” jak wiele z zasad kultu religijnego. My akwaryści WSZYSCY „wierzymy” i w większości przypadków to, w co wierzymy, jest rzeczywiście bardziej kwestią wiary niż wynikiem jakiegokolwiek świadectwa naukowego. Argumenty „za” i „przeciw” często spotykają się z delikatnie zakamuflowanym żądaniem, by spalić heretyków. Więc ... jako miłośnik pirotechniki pomyślałem, że mógłbym dodać trochę benzyny do ognia.
Jedną ze sprawdzonych i rzeczywiście działających metod przeprowadzania procesu biologicznej filtracji jest użycie „żywej skały”. Praktycznie rzecz biorąc ta metoda jest sugerowana przez każdego autora, wliczając w to i mnie, który pisał o akwarystycznym hobby przez ostanie 15 lat. Pomysł, by używać żywą skałę jako filtr biologiczny, jest akceptowana od tak długiego czasu, że stała się właściwie już dogmatem. Łatwo i wygodnie jest być dogmatykiem, lecz postęp następuje wraz z występującymi od czasu do czasu krytycznymi powtórnymi ocenami „naszych sprawdzonych i pewnych” pomysłów i praktyk. Z tą myślą uważam, że już czas by ostro przeegzaminować „bezkrytyczne” użycie żywej skały w systemach akwariów rafowych.
Trochę podstaw:
Zaczątkiem pomysłu o użyciu “żywej skały” były lata 80-te, kiedy to zacząłem rozważać postawienie akwarium z rafą koralową. W owym czasie mieszkałem w wielkim mieście i tylko mgliście byłem świadomy możliwości zamawiania żywych stworzeń przez pocztę. Internet był w swym okresie niemowlęcym a i sklepy internetowe jeszcze nie istniały. W związku z tym nabyłem moją żywą skałę w pobliskim sklepie akwarystycznym. Każdy kawałek był długo i dokładnie sprawdzony jeśli chodzi o zwierzęta i glony w nim występujące. Zostały nawet przeprowadzone zawody w moim klubie akwarystycznym, kto zdobędzie najlepszy kawałek skały do swego akwarium. A tym, co stanowiło kryterium „dobrej” skały był jej kolor oraz różnorodność glonów i zwierząt na niej występujących.
Większość tej skały pochodziła z wód Florydy, choć pewna niewielka część wydaje się, że przybyła z innych egzotycznych miejsc. Była ona bujnie zamieszkała przez różnorodne formy życia i co oczywiste, pełna dziur i porów. W związku z tym faktem, gdy ktoś zaczynał mówić o tym jak skała działa jako filtr biologiczny łatwo było przyznać mu rację. Porowata struktura wnętrza żywej skały była gotowym podłożem dla bakterii denitryfikacyjnych. W owym czasie wydawało się to być logiczną myślą i my wszyscy bardzo chętnie ją zaakceptowaliśmy. Nie pamiętam nikogo, kto zadawałby wtedy naprawdę dociekliwe pytania typu: „jak dokładnie bakterie rosną wewnątrz skały?” czy nawet „ jak dokładnie woda dostaje i wydostaje się z żywej skały?”. Jeśli padłaby jakakolwiek odpowiedź, to przypominała by ona coś takiego: „ bakterie rosnące na powierzchniach wewnętrznych skały przeprowadzają proces denitryfikacji, ruch wody przez skałę jest powolny a więc są spełnione odpowiednie warunki do redukcji tlenu, co umożliwia przeprowadzenie całego procesu”. Brzmi jakby miało to sens, ale czy ma rzeczywiście? Chciałbym po kolei sprawdzić przesłanki popierające takie sądy.
Te przesłanki to:
Przypuszczenie 1: porowatość żywej skały
Jedna rzecz powinna być oczywista, a mianowicie, że aby żywa skała mogła służyć jako medium filtracyjne to musi ona być porowata. Dodatkowo, porowatość ta powinna być na tyle małych rozmiarów, żeby skała mogła zawierać wiele porów i dziur . A to z tego powodu, iż duża ilość porowatej powierzchni da dostateczną wielkość powierzchni filtracyjnej – na tyle dużej, aby mogła ona przyjąć taką liczbę populacji bakterii, która byłaby w stanie faktycznie doprowadzić do odpowiednich zmian chemicznych. Reasumując, wnętrze skały musi być zasiedlone przez odpowiednie środowisko fizyczne, te najważniejsze to: powolny przepływ wody i niska koncentracja tlenu, aby umożliwić właściwy proces bakteryjny.
Żywa skała składa się z licznych składników mających różną charakterystykę ale uważanych wspólnie za porowate. Wiele badań udokumentowało porowatą naturę skał rafy koralowej. Nasza tzw. „żywa skała”, to ogólnie mówiąc, gruz raf koralowych zbierany i sprzedawany akwarystom. Ten „gruz” składa się ze szkieletów koralowców, lub mieszaniny takich szkieletów, scementowanych razem przez glony wapienne. Po dokładnym sprawdzeniu materiałów składających się na rafę koralową stało się oczywistym, że koralowce są tylko jednym z przejawów życia na takiej rafie i chociaż występują w wielkiej ilości i w zauważalny sposób, to ich faktyczny udział procentowy w ilości żywych stworzeń na rafie jest relatywnie mały. W swoich pionierskich badaniach nad rafą koralową na atolu Enewetak w roku 1955 E. i P. Odumowie (jedni z pierwszych badaczy raf) wykazali, że ogromna większość niebakteryjnej biomasy na rafie „koralowej” stanowią właściwie różne formy glonów. Odkryli oni, że wszędzie znajdywały się wielorakie typy glonów. Oczywiście, były tam glony rosnące w tkankach koralowców – takie jak zooxantele – ale ponadto były tam glony rosnące samodzielnie i gęsto pokrywające rafę koralową. Algi na powierzchni rafy były różnorodne w formie i należały do wielu grup, od wielkich zielonych glonów takich jak Codium, przez koralowate glony czerwone i zielone aż po diatomy (okrzemki) i dinoflagellaty (nocoświetliki – pierwotniaki z rzędu brudnic). Właściwie, to znaleźli oni wystarczającą ilość glonów na rafie, by rozważyć czy nie było by znacznie bardziej sensownie nazywać takie rafy „glonowymi” zamiast „koralowymi”. Zastanawiam się jak wielu akwarystów byłoby hobbystami dziś gdyby te biogeniczne struktury zostały nazwane według ich najbardziej obfitych form życia „rafami glonowymi” a nie „rafami koralowymi”.
Oprócz glonów rosnących na powierzchni skał, ku zaskoczeniu Odumów, odnaleźli oni również takie, które rosły WEWNĄTRZ wszystkich materiałów składających się na rafę. Glony – zwłaszcza włosowate glony zielone – żyły wewnątrz koralowców, wewnątrz szkieletów martwych korali oraz wewnątrz wszystkich skał i gruzu koralowego. Istotnie, na tak starym atolu koralowym jakim jest Enewetak, gdzie zanikły już wszelkie ślady działalności wulkanu (wulkaniczne podstawy Enewetaka znaleziono na głębokości 5000 stóp czyli 1515 m, a na nich odkryto ślady wzrostu koralowców z okresu ostatnich kilku milionów lat) wszystkie skały są pokryte glonami i a ich biomasa występuje w znacznych ilościach.
Odumowie odkryli, że w średniej wielkości koralowcu, w okolicy jego polipów, ciężar właściwy komponentów glonowych wynosił około 0,004 grama na cm3 a ciężar właściwy komponentów zwierzęcych wynosił około 0,021 g/cm3, Natomiast u podstaw polipów glony włosowate miały gęstość około 0,022 g/cm3. Poniżej strefy z polipami glony miały ciężar właściwy 0,037 g/cm3. Innymi słowy, w części koralowca, gdzie mieści się żywa tkanka, komponenty zwierzęce wynosiły około ¼ całkowitej masy (0,021 g/cm3), a różnorodne komponenty glonowe wynosiły 0,063 g/cm3. Co ciekawe, biomasa glonów włosowatych w głowowej części koralowców była szesnastokrotnie większa niż biomasa zooxanteli.
Glony w głowowej części koralowca nie obumierają wraz ze zwierzęciem a ilość glonów koralowych w różnorodnych komponentach skalnych składających się na rafę jest pokazany na ilustracji 1. Ilustracja ta, zmodyfikowana z publikacji Odumów z 1955, pokazuje względną biomasę różnorakich środowisk skalnych raf koralowych. Pokolorowałem łączną biomasę glonów na zielono a biomasę wewnątrz skały, która może być uważana za „żywą skałę”, na żółto. Ilość glonów żyjących wewnątrz różnorodnych składników gruzu koralowego jest dość duża a ich znaczenie jest istotne w naszych rozważaniach o porowatości żywej skały. Jeśli koralowce rosną w środowisku wolnym od glonów, które zamieszkują w ich szkieletach, to owe szkielety są typowo dość porowate. Jednakże, algi rosnące wewnątrz skały, dodają jej porowatości poprzez tworzenie dziur dla swoich włosków.
|
Ilustracja 1:. sucha biomasa różnorakich stref na rafie koralowej Enewetak
Zmodyfikowana wersja Odumów z 1955 r.
|
Przypuszczenie 2: wnętrze skały zawiera bakterie denitryfikujące
To jest prawdopodobnie najłatwiejsze do zweryfikowania przypuszczenie. Większość autorów (np. Capone, 1992) uważa, że takie bakterie są wszechobecne. Są znajdywane, przynajmniej w ilościach śladowych, we wszystkich środowiskach ale ich bujny rozkwit jest obserwowany w warunkach, które im odpowiadają. Wnętrze żywej skały wydaje się być dobrym dla nich miejscem i okazało się, że najprawdopodobniej one tam są (Risk i Muller, 1983). Wydaje się więc, że stwierdzenie, iż żywa skała zawiera właściwe bakterie denitryfikujące jest zweryfikowane pozytywnie.
Przypuszczenie 3: woda przepływa przez skałę z odpowiednią prędkością aby umożliwić denitryfikację
To przypuszczenie jest prawdopodobnie najtrudniejsze do ocenienia. Podstawowym pytaniem, które musimy sobie zadać, to: „jak woda przepływa przez skałę?” Jedni od czasu do czasu słyszą od akwarystów, że woda „dyfuzuje” przez żywą skałę, a znów inni słyszą stwierdzenie, że woda „przemieszcza” się przez piach. Żadne z tych stwierdzeń nie jest poprawne. Woda nie przemieszcza się, nie przesiąka przez żaden z tych materiałów. Materiały rozpuszczone w wodzie mogą przemieszczać się z regionów o większym stężeniu do miejsc z mniejszą koncentracją tychże, lecz woda sama w sobie się nie przemieszcza w takich sytuacjach. Jedynym wypadkiem, gdy woda przemieszcza się dzięki zjawisku zwanym „dyfuzją”, jest zjawisko zwane „osmozą” i w takiej sytuacji membrana musi oddzielać dwa regiony o różnej koncentracji roztworów w wodzie. Takich warunków nie spotkamy w żywej skale i nie ma takich połączeń, które umożliwiły by ruch wody do i z niej dzięki dyfuzji czy osmozie. Co ciekawe, możliwym jest, że rozpuszczone materiały, takie jak różnorodne chemiczne produkty cyklu denitryfikacyjnego, mogą dyfuzować z i do wnętrza skały. Jednakże, nieprawdopodobne jest by taka dyfuzja przenosiła jakieś znaczne ilości materiałów. Oszacowanie wielkości takiej dyfuzji do i ze skały jest skomplikowane i zawiera takie zmienne jak przepływ wody wokół skały, mocne prądy wody, rozmiar skały i wydajność materiałów biorących udział w takiej dyfuzji w wodzie. Gdy wszystkie te różnorodne parametry są już zebrane dla różnych gazów i jonów, które nas interesują, możemy określić wielkość pasywnej dyfuzji na 1 x 10-4 m2/sek. Przyjmując stały stopień nachylenia koncentracji oraz jednolitą porowatość jako wskaźnik okazało by się, że dyfuzując przez całą wielkość skały z przybliżoną prędkością mikrometru na sekundę, a więc w ciągu godziny, mogły by przeniknąć o około 3,6 milimetra lub 1/8 cala. Jednakże możemy rozważać znacznie powolniejszy ruch gazów przez żywą skałę niż przez pustą przestrzeń. Mała średnica kanalików i porów w znaczący sposób może ograniczać taki przepływ. Jest również mało prawdopodobne, by szybkość takiego przepływu choć zbliżyła się do otrzymanej powyżej wartości, a jeśli nawet udało by się jej osiągnąć taką prędkość, to ilość wymienionych w ten sposób gazów byłaby minimalna.
Aby osiągnąć znaczącą ilość wymiany gazowej musi tam istnieć stały ruch do i ze skały. Biorąc pod uwagę maleńki rozmiar tych porów ruch wody nie może być generowany przez prądy wodne wokół skały. Opór przeciw ruchowi wody w małych rurkach, takich jak pory w żywej skale, jest znaczny. Jedyną siłą zdolną poruszyć wystarczającą ilość wody przez skałę, w takim stopniu by przeprowadzić efektywną denitryfikację, jest moc wygenerowana przez zwierzęta, głównie robaki, zamieszkujące swe norki. Robaki te, poruszając się w te i we w te w swoich korytarzach przemieszczają wodę w sposób pulsacyjny. Wiele z takich nor i porów jest wewnętrznie połączonych, w sposób zamierzony lub przez przypadek, i w rezultacie właśnie te połączenia umożliwiają ruch wody wewnątrz i poza skałę. Dodatkowo, wiele z tych robaków i innych zwierząt przepompowuje wodę przed sobą podczas ruchu w tych korytarzach. Robią to, aby ułatwić wymianę gazową nad swoimi otworami gębowymi, ale w rezultacie powodują widoczny, stały i umiarkowany przepływ wody przez skałę. Taki ruch wody, w połączeniu z wykorzystaniem tlenu przez zwierzęta w skale, może zaowocować tym, że wnętrze skały stanie się efektywnym denitryfikatorem. Czyli tym, o czym wcześniej myśleliśmy.
 |
|
Ilustracja 2:. Osobniki z tego gatunku małych robaków, prawdopodobnie z gatunku Polydora, mające średnicę około 1/25 cala, żyją w substracie wapiennym gdzie chemicznie drążą jamy. Ruch w górę i w dół takich małych robaków w swych norkach pomaga w powolnym, ale regularnym, przepompowywaniu wody przez żywą skałę.
|
Problem ze skałą:
Jest właściwie tylko jeden problem związany z użyciem żywej skały jako wydajnego źródła filtracji biologicznej. Aby mogła ona być efektywną częścią takiej filtracji woda powinna powoli i stale przepływać przez skałę. Najbardziej prawdopodobnym sposobem, w jaki się to odbywa, jest działalność ogromnej ilości zwierząt żyjących w takiej skale. Oczywiście, żeby takie procesy mogły się tam odbywać, to takie zwierzęta muszą tam żyć i to w ogromnej liczbie. I tu leży problem z użyciem żywej skały jako filtra biologicznego. Żywa skała dostępna w handlu pochodzi dzisiaj z wielu źródeł i z tego powodu nie posiada jednolitej umiejętności przeprowadzania filtracji biologicznej.
Żywa skała może być zbierana i transportowana “tak jak jest” lub “traktowana” czy też “leczona” na różne sposoby, aby usunąć z niej różne składniki. Szczególnie odnosi się to do zwierząt bytujących w i na niej. Część z eksporterów i handlowców czyni wielkie starania, by mieć pewność, że ich skała jest wolna od możliwie największej ilości rzeczy, które mogłyby zepsuć lub zanieczyścić system. Tacy sprzedawcy dostarczają skałę, która zawiera wielką ilością glonów wapiennych i prawie nic więcej. Taki produkt wolny jest od materiałów, które mogłyby zginąć podczas transportu i zgnić w docelowym akwarium. Jest również wolny od większości zwierząt. Skała taka może być piękną podstawą czy podłożem w zbiorniku, ale, na nieszczęście, po prostu nie będzie w stanie w znacznym stopniu przeprowadzać filtracji biologicznej. Małe żyjątka wymuszające przepływ wody wewnątrz skały są nie tylko martwe i usunięte, ale również prawdopodobnie nie ma tam fauny potrzebnej do zasiedlenia żywej skały i zastąpienia ich w zbiorniku do którego w końcu trafią. Taka skała jest pełna martwej przestrzeni i glonów. W efekcie końcowym taka skała zostanie skolonizowana przez glony i to w ilościach znacznie większych niż w naturze. Przez małe kanaliki i pory nie będzie płynęła woda i w efekcie zostaną one wypełnione głównie przez glony. Taka skała ma duży potencjał do wewnętrznego składowania szkodliwych substancji. Jeśli znacząca ilość biomasy glonów i robaków zostanie zniszczona przez procesy „leczenia” skał, to taki materiał w swej znakomitej większości pozostanie w skale, gdzie po prostu zacznie gnić. I, zamiast funkcjonować jako filtr biologiczny, zacznie powoli uwalniać ze swego środka do systemu pokłady takich gnijących materiałów i ich produktów przez wiele miesięcy.
Wzrost glonów koralowych na powierzchni skały zamknie większość małych kanalików i korytarzyków w znacznej mierze pogarszając jej możliwości filtracyjne. Akwaryści mogą również mieć udział w dalszym zmniejszaniu tych możliwości poprzez przyklejanie szczepek koralowców do powierzchni skały i przez to zamykaniu większej ilości porów. Może to też zaczopować wewnętrzne struktury skały i - o ile - jest tam dużo materii organicznej, zacznie ona gnić a następnie, jeśli będzie ona wystawiona na działanie środowiska w zbiorniku, to taki materiał może być bardzo szkodliwy.
Część z większych otworów pozostanie. W niektórych przypadkach zostaną one zasiedlone przez większe robaki. Ruch takich stworzeń może pomóc przy filtracji biologicznej zachodzącej w skale, ale nie jest w stanie zastąpić jej w stopniu w jakim mogłaby to zrobić znacznie liczniejsza populacja mniejszych robaków uprzednio z niej usuniętych.
Dobra skała:
Jedną z cech, których powinniśmy szukać w żywej skale, jest to, czy oprócz swej roli w biologicznej filtracji dostarczy ona powierzchni do dobrego i bujnego wzrostu zwierząt. Jeśli tak, to jest wielce prawdopodobne, że potrzebne mniejsze zwierzęta są w niej również obecne. Skała, która jest naturalnie porowata i ma względnie lekką wagę w stosunku do swej wielkości , najprawdopodobniej ma również bardziej porowate wnętrze i będzie znacznie bardziej przydatna w procesie filtracji. Skała ożywiona (wrzucona do oceanu aby nabrała „życia”) o dobrym wzroście zwierząt na swej powierzchni, powinna być równie dobra jak skała naturalna, gdy tylko włączy się w proces filtracji biologicznej. Dobry wzrost na samej powierzchni skały oznacza także taki sam wzrost mniejszych form życia w samej skale. Możliwym jest fakt, że niektóre z tak zwanych „żywych skał” osiągalnych w naszym akwarystycznym hobby, mogą w znaczącym stopniu przeprowadzać proces takiej filtracji; jednakże taka skała musi być starannie wybierana ze względu na zestaw żyjątek obecnych w niej. Jeśli w niej ich nie ma nie będzie wartościowa w procesie filtracji, jako, że nie będzie w niej wewnętrznej porowatości i siedlisk dla bakterii, przez które przepływałaby woda. A jedynym sposobem na to, by taki przepływ wody umożliwić, jest działalność zwierząt w samej skale.
Prośba o informacje:
Przez parę następnych miesięcy, Eric Borneman i ja będziemy testowali wiele typów żywej skały i będziemy określali ile „życia” znajdziemy w tych skałach oraz jak wydajnie mogą one działać jako filtry biologiczne. Rezultaty naszych badań będą opublikowane w Reefkeeping Magazine. Chciałbym prosić by, jeśli ktokolwiek z akwarystów posiadał 1) test do badania związków siarki 2) rozpuszczonego tlenu i strzykawkę z długą cienką podskórną igłą, przeprowadził takie badania ze środka kawałków żywej skały. Igła powinna być włożona głęboko o ostrożnie w głąb skały przez jakąś szczelinę czy por. Woda powinna być ostrożnie i bardzo powoli pobrana ze skały i zmierzona. Te dane proszę przesyłać do mnie gdzie zostaną włączone do bazy danych. W chwili obecnej, dane o środowisku wewnątrz skał są wieloznaczne; ale jednocześnie są nieliczne i znacznie większa ilość takich danych jest potrzebna do naszych badań.
|
