Главная  /  Статьи и советы  /  Nitrospira – нитрит-окисляющие бактерии в аквариумах
Серга Татьяна
Познавая теоретические основы своего хобби любой аквариумист рано или поздно узнает об азотном цикле...

  Про Ассоциацию
Департамент содействия развитию аквариумного дизайна
Членство в Ассоциации
Устав Ассоциации
Представители в регионах
Kлубы аквариумистов
Справочная информация



Новости
Статьи и советы
Что и где купить - партнерская программа
Календарь выставок, семинаров, конкурсов
Аквафорум
Фотогалерея
Музей аквариумистики
Карта сайта

Nitrospira – нитрит-окисляющие бактерии в аквариумах
Серга Татьяна
Познавая теоретические основы своего хобби любой аквариумист рано или поздно узнает об азотном цикле...


Познавая теоретические основы своего хобби любой аквариумист рано или поздно узнает об азотном цикле. И, в связи с этим, о том, как описывают аквариумную нитрификацию уже более 30 лет в книгах и журналах, имеющих отношение к аквариумистике - бактерии рода Nitrosomonas (Nitrosomonas europaea) окисляют ам-миак до нитритов, а бактерии рода Nitrobacter (Nitrobacter winogradskyi) окисляют нитриты до нитратов.

Кроме того, такое представление об аквариумной нитрификации служило и служит основанием для произ-водства промышленных бактериальных добавок Nitrosomonas и Nitrobacter, предназначенных для ускорения установления азотного цикла в аквариумах.

Действительно, бактерии родов Nitrosomonas и Nitrobacter являются нитрифицирующими. Однако, научных доказательств их решающей роли именно в аквариумной нитрификации никогда не было. Каким же образом родилась эта догма аквариумистики?

 

Исследования нитрифицирующих бактерий проводились, в основном, для установок обработки сточных вод, где доминирующими нитрификаторами считали представителей родов Nitrosomonas и Nitrobacter. Предполагалось, что они же должны  доминировать и в других водных средах, содержа-щих предпочитаемый этими бактериями субстрат – то есть, и в аквариумах. Причем, строгих науч-ных доказательств доминирования Nitrosomonas и Nitrobacter в установках обработки сточных вод не было. Образцы из таких установок культивировали в лабораториях на обогащенных средах, а затем оценивали – какие бактерии преобладают количественно в выращенной культуре. Точность методов идентификации бактерий оставляла желать лучшего. К тому же, выяснилось, что культивирование в лабораторных условиях оказывает селекционное влияние на отдельные виды бактерий, в частности на Nitrosomonas europaea. Другими словами, клетки Nitrosomonas europaea численно доминируют в лабораторном сосуде, хотя другой вид бактерий доминирует в той среде, откуда был взят образец. 

Исследования нитрификации в аквариумных средах начались гораздо позже. Среди них преобладали изучения изменения концентраций аммиака, нитритов и нитратов в зависимости от различных пара-метров, без определения и количественной оценки видового состава бактериального сообщества.

Таким образом, утверждение о доминирующей роли Nitrosomonas и Nitrobacter в аквариумах было, по сути, теоретическим предположением, сделанным на основе неточных и искаженных результатов исследований установок сточных вод.

 

Тем не менее, завеса тайны над аквариумной нитрификацией была приоткрыта благодаря применению в иссле-дованиях современных методов молекулярной биологии, которые позволяют с высокой точностью определять и количественно оценивать видовой состав бактериальных сообществ. Некоторую роль сыграли также случай-ные стечения обстоятельств.
 
В 1990 г. ученый-биолог Тимоти Хованек организовал лабораторию для изучения разнообразных аспектов ак-вариумной химии и биологии, в том числе - эффективности различных систем биофильтрации. Для этого по-требовалось изучение бактериальных сообществ в аквариумах. До этого научная работа Хованека была, в ос-новном, связана с исследованием рыб.  Потому ему было привычно, что количественный подсчет изучаемых объектов не вызывает проблем. По его собственному признанию в интервью, когда он изучал научную литера-туру, составляя план исследований лаборатории, его просто поверг в шок тот факт, что при исследовании аква-риумных нитрификаторов не применяются методы количественной оценки бактерий. Он решил разработать такие методики. Он не собирался выяснять, кто осуществляет нитрификацию в аквариумах. Он просто плани-ровал оценивать в разных условиях количество тех бактерий, которых уже более 30 лет в литературе называли аквариумными нитрификаторами - Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi.

На одной из конференций Хованек ознакомился с успехами в изучении происхождения и родственных связей цихлид,  достигнутыми благодаря анализу ДНК рыб. Затем он выяснил, что один из ведущих специалистов в области изучения бактерий при помощи аналогичных методов – профессор Эдвард де Лонг (Edward DeLong) - возглавил одну из лабораторий в Калифорнийском университете. В лаборатории де Лонга Хованек освоил со-временные молекулярные методы исследования бактерий.  Затем, уже в своей лаборатории, он разработал ме-тодики, с помощью которых намеревался оценивать количественные изменения Nitrosomonas europaea и Nitro-bacter winogradskyi в аквариумных фильтрах. И приступил к исследованиям.

Его сразу же постигла «неудача». Современные высокоточные методы почему-то не обнаруживали Nitrobacter winogradskyi ни в одном аквариуме. Nitrosomonas europaea не обнаруживались в пресноводных аквариумах,  и присутствовали, но не доминировали в морских аквариумах. В то же время  изменения концентраций аммиака, нитритов и нитратов свидетельствовали, что нитрификация в аквариумах происходит. Хованек повторял экс-перименты многократно - более года. Результаты были все те же. Так, задача количественной оценки Nitro-somonas europaea и Nitrobacter winogradskyi была снята с повестки дня. Стало очевидно, что прежде, чем оце-нивать количество нитрифицирующих бактерий, следует выяснить - а какие именно бактерии осуществляет нитрифицию в аквариуме.

Сперва Хованек решил сосредоточить внимание на нитрит-окисляющих бактериях. При помощи методов мо-лекулярной биологии он установил, что окисление нитритов в пресноводных и морских аквариумах осуществ-ляют бактерии рода Nitrospira. До этого считалось, что эти бактерии не играют существенной роли в нитрифи-кации в водных средах.

Хованек неоднократно повторил исследования на образцах из фильтров и грунта пресноводных и морских ак-вариумов с различными количествами рыб и с моделированием динамики содержания аммиака посредством добавления хлорида аммония. Во всех случаях обнаруживались в доминирующих количествах нитрит-окисляющие бактерии Nitrospira. Бактерии Nitrobacter не обнаруживались ни в одном случае.  Хованек устано-вил, что появление бактерий Nitrospira в определяемых количествах происходило с 12 по 22 день после запуска аквариума. Их появление и изменение количества соответствовало динамике окисления нитритов до нитратов.

Также Хованек исследовал влияние промышленных бактериальных препаратов, содержащих Nitrosomonas eu-ropaea и Nitrobacter winogradskyi и предназначенных для ускорения установления азотного цикла. Бактериаль-ные добавки не ускоряли установление нитрификации и не изменяли состав бактериального сообщества по сравнению с контрольными аквариумами. А концентрации нитритов и аммиака все равно достигали токсичных уровней. Несмотря на добавление препаратов, содержащих Nitrobacter winogradskyi, эти бактерии не могли заселиться в пресноводных и морских аквариумах в определяемых количествах. При добавлении препаратов Nitrosomonas europaea, бактериальная картина также не изменялась. Полезным эффектом применения бактери-альной добавки было более быстрое увеличение количества бактерий Nitrospira. Оценить, насколько этот эф-фект был существенным, было невозможно из-за недостаточности данных. Хованек высказал предположение, что эффект мог быть обусловлен влиянием питательных веществ в добавках.

Примерно в это же время три другие исследовательские группы (одна в Австралии и две в Германии) опубли-ковали результаты исследований, показывающие, что Nitrospira-подобные бактерии, а не бактерии рода Nitro-bacter ответственны за нитрификацию во многих различных типах аквариумных систем.

Таким образом, Хованеком была открыта роль нитрит-окисляющих бактерий Nitrospira в аквариумах.
Исследования длились около пяти лет.  За это время в научной литературе появились работы других исследо-вателей, которые демонстрировали, что Nitrospira-подобные бактерии являются доминирующими нитрит-окислителями и в установках по обработке сточных вод.
Эти исследования также показали, что выводы о доминирующей роли бактерий Nitrosomonas europaea в окис-лении аммиака ошибочны. Использование методов молекулярной биологии позволило выяснить, что в уста-новках по переработке сточных вод преобладают, в основном, 3 группы аммиак-окисляющих бактерий. Бакте-рии, родственные Nitrosomonas europaea; Nitrosococcus mobilis и родственные бактерии; и третья группа – не-известные бактерии, которые не удалось идентифицировать и культивировать. Численно преобладающими оказались бактерии Nitrosococcus mobilis.

Хованек продолжил исследования. Следующей задачей стало исследование аммиак-окисляющих бактерий. Полученные к настоящему времени результаты таковы. В бактериальных сообществах фильтров пресноводных аквариумов преобладают аммиак-окисляющие бактерии, близкородственные Nitrosomonas marina. В морских аквариумах виды Nitrosomonas составляют около 20% состава бактериальных сообществ. Исследования в на-стоящее время продолжаются.

В связи с открытием ключевой роли бактерий Nitrospira в окислении нитритов в различных средах в Универси-тете Вены создан международный проект по изучению этих бактерий. Среди основных целей исследований - секвенирование генома этих бактерий, изучение их особенностей нитрит-окисляющих механизмов и взаимо-действия с другими бактериями.

Для аквариумиста важно знать, какие именно бактерии в являются нитрит-окисляющими и аммиак-окисляющими в аквариумах. Это необходимо, чтобы грамотно решить вопрос о целесообразности применения бактериальных препаратов, а также, чтобы разумно подойти к выбору такого препарата. Зная, какие бактерии осуществляют процесс, а следовательно, зная особенности биохимии и физиологии этих бактерий, можно под-держивать условия, благоприятные для максимально эффективной биофильтрации, и устранять возникающие проблемы.  Например, одна из распространенных проблем – значительно затянувшийся период токсичных концентраций нитритов. Изучив особенности жизнедеятельности нитрит-окисляющих аквариумных бактерий, можно понять, какие обстоятельства ингибируют их рост, и как решить эту проблему.

К сожалению, достоверных повторяемых научных данных о бактериальных сообществах в аквариумах в на-стоящее время крайне недостаточно. Огромная часть того, что написано в популярной аквариумной литерату-ре, представляет собой теоретические предположения или основано на результатах старых исследований, вы-полненных еще до начала применения высокоточных методов молекулярной биологии.  Поэтому, весьма веро-ятно, что очень многое будет пересмотрено. Как это и произошло с аквариумными нитрифицирующими бакте-риями.

 

Методы, использованные Хованеком в исследованиях.
Выделение бактериальной ДНК из аквариумных образцов. Определение и количественная оценка видового состава бактериальных сообществ в образцах на основе анализа выделенной  ДНК (секвенирование и клониро-вание ДНК; применение молекулярных зондов, специфичных для определенных видов бактерий; электрофорез в градиенте денатурирующего агента DGGE; амплификация фрагментов полученного генетического материала с использованием полимеразной цепной реакции PCR и др.). Подробнее о методах исследований можно узнать из научных работ Хованека (см. список литературы).
 


Тимоти Хованек (Dr. Timothy A. Hovanec, Ph.D) -  научный руководитель «Aquaria Inc.». Консультант част-ных и правительственных контрактов по установкам аквакультуры в нескольких странах. Автор нескольких патентов. По образованию – биолог (Государственный университет San Diego, где он получил научные степени B.S. и M.S.), научную степень Ph.D. получил в 1998 г., защитив диссертацию  в Калифорнийском университете.


Бактерии рода Nitrospira.
Грам-отрицательные, хемолитоавтотрофные нитрит-окисляющие бактерии. Облигатные аэробы. Обнаружива-ются в пресных и соленых водах, донных отложениях, почвах, нагревательных установках, установках обра-ботки сточных вод, установках аквакультуры и аквариумах. 
Используют в качестве источника углерода неорганический углерод (HCO3- и CO2), а также способны исполь-зовать пируват в аэробных условиях. По данным некоторых исследований определенные концентрации дос-тупного органического углерода в среде могут благоприятно влиять на рост этих бактерий.
Рост ингибируется при концентрации органических веществ 0.75 г/л и выше. Время удвоения популяции - 12 - 32 ч. Оптимальные условия роста в минеральной среде  - 39 0 C, pH 7.6-8.0, концентрация нитритов - 0.35 mM.
В настоящее время в научной литературе бактерии Nitrospira считаются доминирующими нитрит-окисляющими бактериями в водных средах.
Идентифицировано и охарактеризовано два вида - Nitrospira marina и Nitrospira moscoviensis.
Большое разнообразие и широкая распространенность в естественных и искусственных средах свидетельству-ют, что эти нитрит-окисляющие бактерии весьма конкурентноспособны, имеют высокую адаптируемость и играют ключевые роли а азотном цикле многих экосистем.

 


Список литературы.

Публикации Т. Хованека об исследованиях нитрифицирующих бактерий.

В профессиональных научных изданиях.
1. Hovanec T. A. 1995. «New Trends in Biological Filtration.» In Annual Conference Proceedings of the 1995 AZA/CAZPA Conference. pp. 217-223. Seattle Washington, September 15-19, 1995.
2. Hovanec T. A. and E. F. DeLong. 1996. «Comparative Analysis of Nitrifying Bacteria Associated with Freshwater and Marine Aquaria». Applied and Environmental Microbiology 62(8): 2888-2896.
3. Hovanec T. A.,  L. T. Taylor, A. Blakis and E. F. DeLong. 1998. «Nitrospira-like bacteria associated with nitrite oxidation in freshwater aquaria». Applied and Environmental Microbiology 64(1): 258-264.
4. Hovanec T. A.,  Burrell, P.C. and  C. M. Phalen. 2001. «Identification of Bacteria Responsible for Ammonia Oxida-tion in Freshwater Aquaria». Applied and Environmental Microbiology 67(12): 5791-5800.

В изданиях, посвященных аквариумистике.
«Nitrifying Bacteria-Part 1: Without them there is no aquarium hobby.»,  «Nitrifying Bacteria-Part 2: The mystery of the missing bacteria.»,  «Radical approach to aquarium starter kits.»,  «Nitrospira not Nitrobacter.»  (в «Aquarium Fish Magazine»). «Nitrospira: the real nitrite-oxidizing bacteria in aquaria.»,  «Nitrospira, not Nitrobacter... Again!»,  «What are the ammonia-oxidizing bacteria really?»  (в «Aquarium Frontiers»).  «Who are the bacteria really responsi-ble for nitrification.» (в  «Pet Dealer»).

Некоторые публикации других авторов в профессиональных научных изданиях.

1.Altmann, Dorte, P. Stief, R. Amann, D. de Beer and A. Schramm. 2003. «In situ distribution and activity of nitrifying bacteria in freshwater sediment.» Environmental Microbiology, vol. 5, no. 9. Society for Applied Microbiology. (798-803).
2. Burrell P. C., Keller J. and Blackall L. L. 1998. «Microbiology of a nitrite-oxidizing bioreactor.» Appl. Environ. Microbiol. 64: 1878-1883.
3. Burrell P. C., Keller J.  and Blackall L. L.. 1999. «Characterisation of the bacterial consortium involved in nitrite oxidation in activated sludge.»  Water Science and Technology, Volume 39, Issue 6, March 1999, Pages 45-52.
4. Daims H., Nielsen J. L., Nielsen P. H., Schleifer K.-H.  and Wagner M.. 2001. «In Situ Characterization of Nitro-spira-Like Nitrite-Oxidizing Bacteria Active in Wastewater Treatment Plants.» Applied and Environmental Microbiol-ogy, November 2001, p. 5273-5284, Vol. 67, No. 11
5. Daims H., Purkhold U., Bjerrum L., Arnold E., Wilderer P. A. and Wagner M. 2001. «Nitrification in sequencing biofilm batch reactors: lessons from molecular approaches.» Wat. Sci. Tech. 43: 9-18.
6. Daims H., Ramsing N. B., Schleifer K.-H. and Wagner M. 2001. «Cultivation-independent, semiautomatic determi-nation of absolute bacterial cell numbers in environmental samples by fluorescence in situ hybridization.» Appl. Envi-ron. Microbiol. 67: 5810-5818.
7. Daims H., Nielsen P., Nielsen J.L., Juretschko S., Wagner M. 2000. «Novel Nitrospira-like bacteria as dominant nitrite-oxidizers in biofilms from wastewater treatment plants: Diversity and in situ physiology.» Wat. Science Tech-nol. 41: 85-90.
8. Ehrich S., Behrens D., Lebedeva E., Ludwig W. and Bock E. 1995. «A new obligately chemolithoautotrophic, ni-trite-oxidizing bacterium, Nitrospira moscoviensis sp. nov. and its phylogenetic relationship.» Arch. Microbiol. 164: 16-23.
9. Grommen R., Dauw L.  and Verstraete W.. 2005. «Elevated salinity selects for a less diverse ammonia-oxidizing population in aquarium biofilters.» FEMS Microbiology Ecology, Volume 52, Issue 1, 1 March 2005, Pages 1-11.
10. Juretschko S., Timmermann G., Schmid M., Schleifer K.-H., Pommering-Röser A., Koops H.-P. and Wagner M. 1998. «Combined molecular and conventional analyses of nitrifying bacterium diversity in activated sludge: Nitroso-coccus mobilis and Nitrospira-like bacteria as dominant populations.» Applied and Environmental Microbiology. Vol. 64:3042-3051.
11. Juretschko S., Loy A., Lehner A.  and Wagner M.. 2002. «The Microbial Community Composition of a Nitrifying-Denitrifying Activated Sludge from an Industrial Sewage Treatment Plant Analyzed by the Full-Cycle rRNA Ap-proach.»  Systematic and Applied Microbiology, Volume 25, Issue 1, 2002, Pages 84-99.
12. Kelly J. J., Siripong S., McCormack J., Janus L. R., Urakawa H., Fantroussi S. El, Noble P. A., Sappelsa L., Ritt-mann B. E. and Stahl D. A.. 2005. «DNA microarray detection of nitrifying bacterial 16S rRNA in wastewater treat-ment plant samples.»  Water Research, In Press, July 2005.
13. Schramm A., de Beer D., Wagner M.  and Amann R.. 1998. «Identification and Activities In Situ of Nitrosospira and Nitrospira spp. as Dominant Populations in a Nitrifying Fluidized Bed Reactor.» Applied and Environmental Mi-crobiology, September 1998, p. 3480-3485, Vol. 64, No. 9
14. Sugita H., Nakamura H.  and Shimada T.. 2005. «Microbial communities associated with filter materials in recircu-lating aquaculture systems of freshwater fish.»  Aquaculture, Volume 243, Issues 1-4, 3 January 2005, Pages 403-409.
15. Tal Y., Watts J. E. M., Schreier S. B., Sowers K. R.  and Schreier H. J.. 2003. «Characterization of the microbial community and nitrogen transformation processes associated with moving bed bioreactors in a closed recirculated mariculture system.»  Aquaculture, Volume 215, Issues 1-4, 10 January 2003, Pages 187-202.
16. Third K.A., Sliekers A. O., Kuenen J.G.  and Jetten M.S.M..2001.  «The CANON System (Completely Autotrophic Nitrogen-removal Over Nitrite) under Ammonium Limitation: Interaction and Competition between Three Groups of Bacteria.»  Systematic and Applied Microbiology, Volume 24, Issue 4, 2001, Pages 588-596.
17. Toonen R. J.  and Wee C. B.. 2005. «An experimental comparison of sediment-based biological filtration designs for recirculating aquarium systems.»  Aquaculture, In Press, June 2005

Всеукраинская Ассоциация Аквариумистов
Серга Татьяна





Версия для печати

Контактная информация

 
Вся информация, находящаяся на данном сервере
защищена законом об авторских правах.
Распространение информации с сервера на любых
носителях и в любом виде возможна только после
согласования с администрацией



Наша почта: info@aquariumist.in.ua   Телефон: +38 067 419-64-34