КРЕМНИЙ - ВРАГ ИЛИ ДРУГ?
Перевод Craig Bingman, Ph.D. "SILICON — FOE OR FRIEND?"
оригинал статьи
http://web.archive.o..../1/default.asp
Для многих аквариумистов наличие рифового аквариума – возможность получить роль «маленького бога». Судьба мезокосмоса организмов находится в ваших руках, поскольку вы контролируете то, как система устроена и кем населена. Все что вы вкладываете в систему и все что от нее получаете, по крайней мере, зависит от вас, если не сказать больше.
Многие обнаруживают, что игра в "маленького бога" является значительно более трудной, чем они первоначально думали или надеялись. Различные моры и эпидемии опустошают утопический будущий подводный рай, заставляя искать опыт и мудрость других. Часть того, что они находят - ценная информация, часть - абсолютная неправда. Часть того, что они слышат, содержит щепотку правды, но преувеличенную и искаженную невежеством и бесконечными пересказами. Именно в эту "страну кремния", "сумеречную зону", полную тайн, разочарований и преувеличений, мы и направимся в этой статье.
Цветом страха американской Революции был красный. В 50-ых годах цвет страха снова был красным, с приобретением Советским Союзом статуса ядерной сверхдержавы. Но в 90-ых "цветом страха" для рифоводов стал коричнево-золотой: цвет диатомовых водорослей, которые вскармливает их союзник, силикат.
Если верить всему, что мы слышим о силикатах на конференциях аквариумистов, следует избавляться от диатомовых водорослей и силикатов любой ценой. Каждый слышит сказки об утопических аквариумах, на которые обрушиваются зловещие диатомовые водоросли, которые пожирают силикаты и душат дорогие кораллы. Эти истории приобрели такую силу и столь поляризовались в бесконечных пересказах, что я считаю себя вынужденным высказаться в защиту недооцененной и непонятой роли этого элемента. Если вы читали конференции или статьи в аквариумных журналах, вы знаете, что силикат и диатомовые водоросли - враг. Возможно, вы будете потрясены, встревожены и шокированы, когда узнаете что я... сторонник диатомовой водоросли.
Конечно, многие из Вас никогда не направятся в сторону коричнево-золотого цвета. Вам я скажу: познайте вашего врага. В то время как конференции заполнены историями тех, кто применяет против кремния с высокотехнологическое вооружение, я все же слышу детальное обсуждение роли силикатов в морских экосистемах в аквариумной литературе. Я сомневаюсь, что многие из вас знают концентрацию силикатов в типичной окружающей среде кораллового рифа, откуда он поступает и что с ним происходит.
Химия кремния
Кремний принадлежит той же самой группе элементов, что и углерод (см. рис.1) и разделяет с ним некоторые свойства. Элементарный кремний не играет никакой известной роли в биологии. Биологически значима +4 окисленная форма, которая в биологических системах почти всегда ковалентно связана с четырмя атомами кислорода, находящимися в углах четырёхгранника вокруг центрального атома кремния.
Есть множество разновидностей состояния гидратации этих центров SiO4. В кремниевой кислоте, самой простой форме, в четырех углах расположены гидроксильные группы, в таком виде: Si(OH)4. Кремниевая кислота - слабая кислота. Кислотная диссоциация происходит в две стадии – на первой половина молекул диссоциирует при pH 9.47, давая Si(OH)3OH-.(??наверное Si(OH)3O-, прим dr.moro ) вторая стадия диссоциации происходит при pH 12.6, диссоциирует половина молекул. Поэтому, в условиях морской воды (pH 8.1), приблизительно 96 процентов кремнёвой кислоты находятся в форме Si(OH)4 и четыре процента ионизированы.
С противоположной стороны находится кварц, SiO2, о котором можно было бы сказать как о полностью обезвоженной Si(OH)4. Кварц - наименее растворимая форма кремния, найденная в природе. Есть много (?) промежуточных форм гидратации, которые могли быть описаны формулой SiO2(H2O)x, где «x» изменяется между 0 (кварц) и 2 (кремниевая кислота). Биогенный опал, сформированный диатомовыми водорослями - пример аморфной, твердой, полимерной формы кремниевой кислоты, которая гидратирована больше чем кварц, но намного меньше, чем свободная кремниевая кислота. Биогенный опал существенно легче растворим, чем прозрачный кварц.
Нежелание кремниевой кислоты ионизироваться при нейтральном pH - одна из причин, почему ее трудно удалить из водопроводной воды - ионообменные колонки не связывают «неионные» формы. Кроме того, из-за "неионного" состояния молекулы кремниевой кислоты лишены напряженной гидратационной оболочки, которую простые ионы имеют в воде. Поэтому кремниевая кислота проходит через большинство осмотических мембран (нанофильтрация). Имеются новые мембраны с более высокими нормами сепарации чем старые из триацетата целлюлоза (CTA) или тонкопленочных композитов (TFC), и они доступны на аквариумном рынке.
Другая техника, используемая для удаления кремниевой кислоты, использует деионизирующую смолу, заряженную только гидрокисид анионами. Примеси в воде связываются со смолой, гидрокисид анион высвобождается, и pH в рабочей камере повышается. При увеличения pH, кремниевая кислота преобразуется в ионизированный силикат, который может быть связан смолой и удален из воды.
Геохимия кремния
Кремний - один из самых широко распространенных элементов земной коры. Упрощенно кремниевый цикл в природе выглядит так: кремний попадает в гидросферу из-за эрозии пород на суше. Реки несут его к морю и в растворимой форме и в виде взвешенных в воде маленьких минеральных частиц. В среднем концентрация кремния в “мировой речной воде” 218 микромоль на килограмм речной воды (13.1 ppm в пересчете на SiO2). На рисунке 2 показано распространение кремния в мировом океане (IRI/LDEO Data Explorer; Conkright et al. 1994, Levitus et al. 1994). Красные "перья" (высокий уровень силикатов) видны там, где реки впадают в океан, со свежей порцией силикатов. Однако, по большей части океанской поверхности концентрация силикатов очень низкая. Биологические процессы удерживают его концентрацию на низком уровне в поверхностной океанской воде.
Диатомовые водоросли и другие группы морских организмов поглощают силикаты из воды и преобразуют большую их часть в скелетные материалы. Диатомовые водоросли - главные потребители силикатов в океане, вслед за ними идут губки и различные представители простейших. Некоторые более высокоразвитые организмы имеют небольшие потребности в кремнии, что будет описано ниже. Скелеты мертвых диатомовых водорослей погружаются с поверхности на глубину океана, где постепенно распадаются. Силикаты, растворенные в океанских глубинах возвращается к поверхности в областях с восходящими течениями. Есть несколько таких мест, (рис.2), возможно наиболее значимое находится у западного побережья Южной Америки.
Жизнедеятельность диатом, их смерть, оседание и распад, поднятие продуктов их разложения восходящими потоками представляет биологический и физический "насос", который приводит распространению силикатов, наряду с вкладом, вносимым речной системой. По силикатам в океане нигде не происходит насыщения из-за биологических процессов на поверхности океана, в отличие от карбоната кальция, другого скелетообразующего элемента, который из-за удаления CO2 на океанской поверхности повсеместно достигает пересыщенного состояния.
Вы также заметите очень сильную корреляцию между концентрацией силикатов и широтой. Между 30* северной и 30* южной широт (примерный диапазон распространения коралловых рифов) концентрация силикатов весьма низка. На полюсах концентрация силикатов существенно выше. Концентрация 5 микромоль на килограмм морской воды или меньше является типичной. На рисунках 3, 4, 5, 6 и 7 показана концентрация силикатов в 0, 10, 20, 30 и 50 метров (глубины? dr.moro) соответственно (обратите внимание, масштаб для этой группы карт отличен от карты на рисунке 2). Хотя есть определенная тенденция к более высоким концентрациям силикатов в океанских глубинах, где средняя их концентрация превышает 100 мкМ/кг на 1000-метровой глубине, концентрация силиката очень мала в регионе тропического океана, где обитают организмы, населяющие наши аквариумы.
Водопроводная вода обычно имеет состав подобный “средней речной воде”, концентрация силикатов в которой приблизительно в 40 раз выше чем в поверхностной морской воде в тропиках. Вода из-под крана перегружена силикатами, и это может стимулировать расцвет диатомовых водорослей в рифовых аквариумах.
Кремний и аквариумистика
Диатомовые водоросли интересны тем, что они - главная группа морских водорослей, которые имеют абсолютную потребность в силикатах. Нам известно, что требуется азот, фосфор и другие основные нутриенты для роста нитчатки и других неприглядных типов морских водорослей в рифовом аквариуме . Диатомовые водоросли имеют те же самые потребности, но с дополнительной, безусловной потребностью в кремнии для своего роста. Для их роста требуются не только силикаты, и если диатомовые водоросли растут, они растут, используя питательные вещества, которые могли бы в противном случае обеспечивать рост других типов морских водорослей. К сожалению это полностью упускается в популярной аквариумной литературе.
Кроме того, диатомовые водоросли очень легко контролируются животными. Большинство улиток -водорослеедов, представленных торговлей, являются поедателями диатомовой водоросли в первую очередь. Ограничивая поступление силикатов в аквариум без подобного внимания к другим веществам, вы боретесь только против диатомовых водорослей. Вы оказываете "предпочтение" другим типам водорослей, многие из которых значительно труднее контролировать биологически. Если бы я должен был выбрать один тип нежелательных морских водорослей в моем аквариуме, я выбрал бы диатомовые.
Диатомовые водоросли также изолируют питательные вещества в маленькие "пакеты", которые относительно легко удаляются пенным фракционированием. Часть "песка", заметного в высушенном скиммате состоит из скелетов диатомовой водоросли. Они относительно легко смещаются с поверхностей аквариума при помощи магнитной щетки. Каждый раз, когда вы очищаете стекло от диатомовых водорослей, вы, по-сути, кормите систему фитопланктоном. Диатомовые водоросли также доминируют в ассимиляции нитратов в мировом океане. Выходит, они весьма полезны в преобразовании того, что вы не хотите копить в вашем аквариуме - нитратов - в ценный пищевой продукт для многих морских организмов.
Я буду первым, чтобы признать, что при высокой концентрации силикатов в водопроводной воде и, соответственно, в системе, содержащей другие неорганические питательные вещества, имеются преимущества наличия умеренного роста диатомовой водоросли в риф-аквариуме, и они не являются "бичом" аквариумного мира. Я даже пойду дальше, чтобы предложить, что иметь достаточно силикатов в воде может быть хорошо для вашей системы в целом, при условии чистки переднего стакана магнитом каждый день или два. Я полагаю, что "центр массового мнения" в сообществе аквариумистов в настоящее время в том, что силикаты должны быть в относительно малых концентрациях для минимизации потребности в чистке стекол.
Дополнительное обоснование важности силикатов в морских системах может быть найдено в научной литературе. В 1997 Barthel с соавторами опубликовали две ценные статьи по усвоению силикатов губкой Halichondria panicea. Первая статья демонстрировала положительную корреляцию между пищевым статусом губки и поглощением кремния. Положительная корреляция была найдена между концентрацией силикатов и поглощением силикатов Halichondria panicea.
Вторая статья была еще более интересна. Reincke и Barthel показали, что в экспериментальных условиях, потребление силикатов Halichondria panicea следовало обычной в биологических системах гиперболической кинетике. Эта указывает на то что работает некий механизм насыщаемости потребления. Механизм усвоения силиката этой губки работает в половину максимальной скорости при 46 мкМ/кг силикатов. Это намного больше чем типичная концентрация силикатов на поверхности океана, и на один - два порядка больше чем того же самого кинетического параметра, измеренного на диатомовых водорослях (Brzezinksi and Nelson 1996). Что это означает, очень просто: если вы фактически ограничиваете рост диатомовых водорослей в вашей системе, ограничивая поступление силикатов в систему, вы, вероятно, тем самым также строго ограничиваете потребление силиката губками, потому что механизм усвоения кремния губками, кажется, намного менее эффективен, чем механизм усвоения кремния диатомовых водорослей. Возможно это отчасти объясняет впечатляющие неудачи добиться процветания декоративных губок в культуре аквариума. Имели бы ценность данные относительно кинетических параметров механизма усвоения силикатов другими разновидностями губок.
В других источниках имеются указания, что за время эволюции, силикаты, возможно, оказали драматические эффекты на состав и разнообразие рифовых сообществ. Maldonato и соавт. (1999) отмечали, что драматическое сокращение колоний губок от Юрского к Меловому периодам может быть связано с уменьшением содержания в воде океана растворенных силикатов. Они указывают, что губки, формирующие массивные спикулы, состоящие из биогенного опала, были вынуждены уйти в более глубокие воды из-за уменьшения концентрации силикатов, что совпадало с массивным эволюционным распространением диатомовых водорослей на границе Мелового и Третичного периодов. Эти исследования показывают, что лимитирование силикатов, возможно, формировало рифовое сообщество в прошлом, и это возможно имеет значение для способности успешно содержать некоторые типы губок в наших системах. Если изобилие силикатов формировало разнообразие их разновидностей в течение геологического времени (Racki 1999), то могло бы формировать изобилие требующей силиката жизни в наших аквариумах.
Кремний в искусственной морской воде
Несколько лет назад, концентрация силиката или его отсутствие в различных марках синтетической морской воды (наверное соли? dr.moro), было главным моментом влиявшим на продажи. Atkinson и Bingman (1999) анализировали элементарный состав восьми типов синтетической морской воды. Результаты того исследования представлены на рисунке 8. Большинство марок по концентрациям силикатов относительно близко к океанической воде. Несколько из марок содержат намного больше общего кремния (определенного спектроскопически) чем растворено в тропиках в поверхностных слоях.
Однако, общая кремниевая концентрация всех марок составляет от менее четверти концентрации в “средней мировой речной воде”, вплоть до1/10. Здравый смысл подсказывает, что вода из-под крана внесет намного больший вклад кремния чем - "сухая" синтетическая солевая смесь. Т.е., только те, кто используют супер-очищенную воду, могут беспокоится о концентрации силикатов в синтетических смесях.
У меня есть чувство, что, по крайней мере, часть презрения, которое испытывают некоторые аквариумисты к частичным водным подменам объясняется тем, что поступающая синтетическая морская вода имеет более высокую концентрацию кремния чем вода в аквариуме, где силикат был исчерпан ростом диатомовых водорослей. Поскольку аквариумисту промыли мозги и заставили верить в безоговорочную вредность диатомовых водорослей, выполнения водных подмен стараются избегать. В областях, где концентрация силиката патологически высока, это, возможно, было бы существенной проблемой до недавних успехов в технологии водной очистки. Учитывая, что частичные водные подмены - очень простой способ исправить химические проблемы в аквариуме, очень неправильно, что некоторые избегают того, что могло бы оказать глубоко стабилизирующее влияние в их системах, стараясь избежать роста нескольких диатомовых водорослей.
Резюме и направления будущего исследования
Если бы я сказал вам, что есть организм, который может помочь конкурировать с вредными морскими водорослями за питательные вещества, и позволит вам кормить ваш систему фитопланктоном ценой протирки магнитом переднего стекла вашего аквариума, вы могли бы захотеть заплатить довольно много денег, чтобы установить такое существо в вашей системе. Поскольку этот организм активно уменьшает нитраты и упаковывает питательные вещества в легко скиммируемые пакеты, вы бы захотели заплатить даже больше. Я надеюсь, что вы не будете слишком разочарованы узнав, что уже имеете их в вашем аквариуме, ни слишком испуганы, когда поймете, ради чего вы дошли до пределов возможного пытаясь, извести их. Они не кто другой, как ваш старый враг - диатомовые водоросли. Каждый иногда задается вопросом, всегда ли знают маленькие аквариумные боги то, что они делают, и какое значение их выбор может иметь для их водных миров.
Перевел dr.moro
Статья взята с
http://aqa.by
Вопрос решен
