Elementární analýza Skimmate: co vlastně proteinový Skimmer odstraňuje z akvarijní vody?

poněkud neintuitivní pozorování, že proteinové skimmery odstraňují pouze 20-35% měřitelného celkového organického uhlíku (TOC) ve vodě útesového akvária (Feldman, 2009; Feldman, 2010) vyvolává otázku: “co je to všechno “věci”, které se shromažďují v našich skimmerových šálcích?”Je to opravdu TOC, nebo alespoň labilní, nebo “skimmable”, zlomek TOC? Pokusy identifikovat TOC komponenty z autentické oceánské vody jsou stále v plenkách a dodnes tento materiál odolává podrobným chemickým analýzám. Nedávné úsilí především Hatcher a jeho kolegové (Mopper, 2007; De La Rosa, 2008) pomocí sofistikované hmotnostní spektrometrie a nukleární magnetické rezonanční spektroskopie techniky ukázaly, že autentický ocean TOC se skládá z desítek tisíc diskrétních sloučenin, které zahrnují chemické zástupce ze všech hlavních biochemických skupin; lipidy, peptidy, sacharidy, heterocykly, aromatické látky, atd. Vztah mezi ocean TOC a aquarium TOC ještě zbývá stanovit, ale zdá se pravděpodobné, že TOC v našich akváriích je stejně rozmanitý a bohatý na svou chemickou složitost. Je tedy stejně nepravděpodobné, že v blízké budoucnosti dojde k chemickému rozpadu akvária TOC. Nicméně existují analytické metody, které mohou odhalit a kvantifikovat většinu elementárních složek TOC a s trochou chemické intuice umožňují přiřazení některých z těchto složek k chemickým kategoriím. Tyto analytické metody se nazývají elementární (nebo spalovací) analýza a indukčně vázaná plazmatická Atomová emisní spektroskopie. Obě metody jsou k dispozici v mnoha komerčních operacích; pro naše vzorky skimmate jsme použili analytické služby Columbia v Tucsonu AZ (http://www.caslab.com/).

experimentální výsledky

všechny vzorky skimmate byly získány ze sběrného šálku skimmeru H& s 200-1260, který běží na 175 galonovém útesovém tanku pod dohledem autora. V době těchto sbírek obsahovala nádrž 10 ryb (pár Pterapogon kauderni (kardinálové Banggai), pár Liopropom carmabi (candy bass), Centropyge loriculus (flame angel), Centropyge interrupta (Japonský trpasličí anděl), Oxycirrhites typus (Longnose hawkfish), Zebrasoma flavescens (žlutý tang), Amblygobius bynoensis (byno goby) a Synchiropus splendidus (Mandarin)), přibližně 40 korálových kolonií z kategorií SPS, LPS a kalich a několik desítek hlemýžďů a krabů poustevníků. Nebyly přítomny žádné měkké korály ani škeble. Typické denní krmení zahrnovalo jednu kostku krevet Hikari mysis, jednu kostku krevet PE mysis, špetku vločkového jídla a špetku jídla na pelety. Třikrát týdně byly použity produkty Reef Nutrition Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast a Arctipods a jednou týdně byl přidán list nori. Pohár skimmeru byl čištěn každý týden a granulovaný aktivní uhlí (GAC), granulovaný oxid železitý (GFO), reaktor vápníku a UV sterilizátor byly používány nepřetržitě. Sedmnáct procent objemu vody bylo měněno týdně a parametry nádrže byly měřeny také jednou týdně; = 1.4 ppm (1 hodina po krmení) – 0,5 ppm (24 hodin po krmení), = 390-410 ppm, = 1230-1260 ppm, = 3,5-4 meq / L, slanost = 34,5 – 36 ppt, pH = 7,8 (rozsvícená světla) – 8,1 (zhasnutá světla), < 0,5 ppm, žádné měřitelné NH4, NO2 nebo PO4. Osvětlení bylo zajištěno dvěma 400W 14K halogenidovými žárovkami Geissmann a jednou 175W 15K Iwasaki halogenidovou žárovkou v cyklu 8-hod on, 16-hod off. Nebyly použity žádné přísady kromě CaCl2 * 2H2O.

náš počáteční experiment byl navržen tak, aby zkoumal složení pevného materiálu nerozpustného ve vodě odstraněného proteinovým skimmerem. Skimmate byl odebrán po dobu 4 dnů bez přídavku potravy do akvária, obr. 1. Kapalný a pevný obsah skimmeru H&s 200-1260 byl po této době opatrně odstraněn a koncentrován do sucha počátečním odpařováním kapaliny za sníženého tlaku a následným vakuovým sušením při 110 oC / 0,2 mm. tento postup účinně odstraňuje téměř veškerou vodu (viz níže) a samozřejmě všechny těkavé složky skimmátu. Vzniklo sedmnáct gramů šedohnědé pevné látky, viz obr. 1.

čtyři gramy tohoto surového skimmátu se suspendovaly ve 100 mL destilované vody a několik hodin se intenzivně míchaly. Směs se potom oddělí centrifugací při 6000 ot / min/10 min a supernatant se vylije a zlikviduje. Tento postup se opakoval 3x a pak se zbývající materiál vysouší ve vakuu při 110 oC / 0,2 mm po dobu 48 hodin, aby se dosáhlo 0,47 gm šedozelené pevné látky. Všimněte si, že CaCO3 musí být zahřát na > 900 oC, aby se vypálil CO2. Tato pevná látka byla podrobena elementární analýze, jak je popsáno výše v Columbia Analytical Services:

• C: 21,08 %
• H: 2,39 %
• N: 2,22 %
• Ca:17,43 %
• Mg: 1,35 %
• Si: 4,76 %
• P: 0.16 %

tyto údaje lze interpretovat s určitou aplikací chemické intuice a některými předpoklady.

1) Kalciová analýza

17.43% hmotnostních Ca znamená, že celkové množství Ca ve vzorku 470 mg je 82 mg. Za předpokladu, že všechny tyto Ca jsou ve formě uhličitanu vápenatého (CaCO3, MW = 100), pak 470 mg sušeného skimmátu obsahuje 205 mg (44 %) CaCO3. Vzhledem k tomu, že uhlík je 12% (hmotnostních) CaCO3, pak 470 mg sušeného skimmátu obsahuje ~ 25 mg (~5,2 %) (anorganického) uhlíku přispívaného z uhličitanu vápenatého.

2) Analýza hořčíku

1,35% hmotnostních Mg znamená, že celkové množství Mg ve vzorku 470 mg je 6,3 mg. Za předpokladu, že všechny tyto Mg jsou ve formě uhličitanu hořečnatého (MgCO3, MW = 84), pak 470 mg sušeného skimmátu obsahuje 22 mg (~4,7 %) MgCO3. Vzhledem k tomu, že uhlík je 14% (hmotnostních) MgCO3, pak 470 mg sušeného skimmátu obsahuje ~ 3 mg (~0,7 %) (anorganického) uhlíku přispívaného z uhličitanu hořečnatého.

3) Analýza dusíku

živé organismy jsou ~ 5 – 9% suchým hmotnostním dusíkem (pro jednoduchost použijeme 7%), (Sterner, 2002) a tak, pokud zanedbáme anorganické zdroje dusíku (NH4, NO3 a NO2, které jsou nesmírně nízké ve vodě v nádrži), 2.22% hmotnostních dusíku znamená, že v 470 mgs skimmate je 10,4 mgs dusíku, což počítá na 149 mgs (~32%) přítomného organického materiálu.

4) vodíková analýza

živé organismy jsou ~ 7% sušiny vodíku. (Sterner, 2002) 2,39% hmotnostních vodíku znamená, že v 470 mgs skimmate je 11,2 mgs vodíku, který počítá na 160 mgs (~34%) přítomného organického materiálu. Porovnejte tuto hodnotu s predikcí organických látek založenou na analýze dusíku z (3); 32% – velmi těsná shoda!

5) analýza uhlíku

21.08% hmotnostních C znamená, že celkové množství C přítomné ve vzorku skimmátu 470 mg je 99 mg. Odečtením částky C od příspěvku CaCO3 (25 mgs C) a příspěvku MgCO3 (3 mgs C) zbývá 71 mgs C. Jaký je zdroj tohoto uhlíku? Dvě možnosti se zdají pravděpodobné; vysunutý uhlík částic z filtru GAC, nebo TOC pocházející z organických zdrojů. Živé organismy jsou 40-50% uhlíkem suché hmotnosti (pro jednoduchost použijeme 45%), (Sterner, 2002). Pokud by všech 71 mg uhlíku pocházelo z organických zdrojů (=TOC), pak by bylo přítomno ~ 158 mgs (~34 %) organického materiálu. Porovnejte tuto hodnotu s predikcí organických látek založenou na analýze dusíku z (3); 149 mgs (~ 32%) a predikcí založenou na analýze vodíku z (4); 160 mgs TOC (34%). Shoda mezi výpočtem na bázi TOC-uhlíku a nezávislými výpočty na bázi vodíku a dusíku nemůže být ignorována. Neexistuje tedy žádný důkaz, který by kontraindikoval závěr, že zbývajících 71 mgs uhlíku lze připsat organickým zdrojům jako TOC; není důvod vyvolávat GAC filtr ejecta jako zdroj tohoto uhlíku.

6) analýza křemíku

4,76% hmotnostních křemíku přítomného v 470 mgs skimmate naznačuje, že celkem Si je přítomno 22,4 mgs. Pokud předpokládáme, že Si přispívá biogenním opálem ze skelety rozsivek (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), pak Si je v hydratovaném polymeru SiO2 (cca. molekulární vzorec pro opál je SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si hmotnostních). Proto můžeme přiblížit množství biogenního opálu přítomného jako 53 mgs (~11%).

7) analýza fosforu

0,16% hmotnostních P přítomného v 470 mgs suchého skimmátu znamená, že je přítomno 0,75 mgs P. Za předpokladu, že všechny P jsou přítomny jako fosfát, PO43 – (MW = 95, Neznámý protiproud), pak je v 470 mgs suchého skimmátu přítomno ~ 2.3 mgs (~ 0.5%) PO43 -. Toto množství se rovná ~ 4900 ppm fosfátu, což je mnohem více než < 0,02 ppm fosfátu ve vodě v nádrži. Skimming tedy koncentruje fosfát.

shrnutí elementární analýzy

souhrnně řečeno, skimmer vytahuje pevnou, ve vodě nerozpustnou směs sloučenin, která se skládá z hmotnosti (přibližně):

• 44 % z CaCO3
• 5% mgco3
• 11% biogenního opálu
• 34% organického materiálu
• 0,5% fosfátu

proto se započítává celkem ~ 95% sušeného ve vodě nerozpustného skimmátu! Jaké jsou zdroje těchto chemických sloučenin ve skimmate? Biogenní opál je pravděpodobně ze skořápek rozsivek, malých členů fytoplanktonové rodiny mořských mikrobů. CaCO3 (a MgCO3) mohou mít biogenní i abiologické zdroje. Vápníkový reaktor fungoval po celou dobu experimentálního sběru skimmátu, a tak některé z CaCO3 mohly být jen mikročásticemi emitovanými z tohoto zařízení. Alternativně může CaCO3 vzniknout ze skořápek planktonických mikrobů z čeledí coccolithophore (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) a foraminifera. Tyto planktonové složky převládají za určitých podmínek v mořské vodě, ale přítomnost v akvarijní vodě nebyla stanovena. V současné době není možné rozlišovat mezi těmito biologickými a abiologickými zdroji CaCO3. Budoucí experimenty v
, které skimmate se shromažďují bez běžícího vápníkového reaktoru, by mohly v tomto bodě osvětlit. Fosfát přítomný ve skimmátu nemohl pocházet z anorganického fosfátu ve vodním sloupci; tento iont by byl odstraněn důkladným promytím vodou. Je možné, že část tohoto fosfátu je ve formě nerozpustného fosforečnanu vápenatého, ale tento výskyt by byl nepravděpodobný, protože Ca3 (PO4) 2 se vytváří při poměrně vysokém pH, což není charakteristické pro kapalinu skimmate (pH = 7,67, viz níže). Ve výchozím nastavení je tedy s největší pravděpodobností odvozen od organického fosfátu; to znamená, že mnoho biochemikálií v rozsivkách a všechny ostatní živé organismy (kokolitofory, foraminifera, bakterie, lidé atd.) Akvarijní organismy rekrutují tyto fosfátové molekuly z anorganického fosfátu ve vodním sloupci a poté je připojují k organickým biochemikáliím. Tak účinně koncentrují fosfát z vody a že
fosfát je poté odstraněn (v neporušeném organismu) po skimmingu. Z tohoto pohledu, skimming přispívá k odstranění anorganického fosfátu z akvarijní vody.

zajímavým a možná neočekávaným pozorováním je, že pouze 34% tohoto pevného materiálu skimmate lze přiřadit k “organickému uhlíku”, TOC. 2/3 pevné, ve vodě nerozpustné části skimmátu tedy není TOC, ale spíše anorganický materiál, který může (nebo nemusí) mít biogenní původ. Pokud podstatné množství tohoto anorganického materiálu pochází ze skořápek planktonu, pak je logické, že velká část detekovaného organického materiálu (TOC) pravděpodobně představuje “vnitřnosti” těchto organismů. Možná tedy ne tolik TOC odstraněných skimmingem jsou ve skutečnosti volně plovoucí organické molekuly. Jednou z námitek této interpretace je samozřejmě skutečnost, že ~ 90% surového původního skimmátu bylo odplaveno vodou. Možná, že ve vodě rozpustná frakce obsahovala významná množství rozpuštěného organického uhlíku, což by výše uvedená analýza nezjistila.

za účelem řešení tohoto problému byla provedena druhá, komplexnější chemická analýza skimmate. V tomto experimentu, nádrž byla denně krmena směsí krevet PE a Hikari mysis, vločky Ocean Nutrition Formula 1, Omega One Veggie vločky, a Aqueon Marine granule, jak je popsáno výše. Toto denní krmení činilo suchou hmotnost (110 oC/0,2 mm po dobu 48 hodin) 0,87 gms/den. Během tohoto experimentu nebyly použity žádné produkty pro výživu útesů. Po 7 dnech tohoto režimu krmení byl pevný a kapalný skimmát shromážděný skimmerem H& s 200-1260 opatrně odstraněn z misky skimmeru a oddělen odstředěním (6000 ot / min, 40 min). Světle hnědý čirý supernatant se vylije a změří se jeho objem; 125 ml. Pevný zbytek se suší ve vakuu při 110 oC/0,2 mm po dobu 24 hodin => 5,18 gm hnědá pevná látka. 110 mL kapaliny se zahustí za sníženého tlaku a potom se vysuší ve vakuu (110 oC/0,2 mm / 24 hod), čímž se získá 2,91 g hnědé pevné látky (=>
3,31 gms pevné látky z původních 125 mL získané kapaliny). 15 mL zbývajícího tekutého skimmátu bylo testováno Salifertovou testovací soupravou pro alkalitu: = 8,0 meq / L. Kromě toho index lomu 1,023 indikoval 31 ppt slanost a pH = 7,67. U souprav Ca nebo Mg Salifert, sady Merck phosphate kit nebo sady Salifert NO3 nebylo možné zjistit koncový bod kvůli interferující světle hnědé barvě kapaliny skimmate. Všimněte si, že mimořádně vysoké měření nemusí nutně naznačovat, že koncentrace HCO3-nebo CO32 – jsou vysoké; mohou existovat karboxyláty organických kyselin ze skupiny TOC, které jsou detekovány tímto testem zásaditosti (viz níže).

pevná látka získaná odpařováním kapalné části odstředěného materiálu i pevná látka získaná po centrifugaci byly oba předloženy Kolumbijské analytické službě pro elementární analýzu. Výsledky jsou uvedeny v Tabulce1. Kromě toho byla sušená potravina analyzována na vybrané prvky. Pro srovnání je zahrnut obsah prvků přírodní mořské vody.

Tabulka 1. Výsledky elementárních analýz vzorků skimmátu a potravin.

prvek	tuhý skimmát (hmotnost %)	tekutý skimmát (hmotnost %)	přírodní mořské vody (hmotnost %)	potraviny (hmotnost %)
C	22.50	4.50	0.08
N	2.72	0.68	0.04
H	2.37	1.33
V	1.18	2.47	2.6
Ca	10.52	0.60	1.1
Mg	1.99	3.21	3.7
Pokud	8.94	1.40	< 0.01
Na	3.45	27.25	30.9
Cl	0.40	43.2	55.4
K	0.38	1.17	1.1
Fe	0.93	<0.02	< 0.01
P	0.46	0.08	< 0.01	1.57
Já			< 0.01	< 0.1
Cu			< 0.01	< 0.006
V	55.84	85.89	95

potravinová analýza

vysušená potravina byla testována na obsah fosforu, mědi a jodu. V těchto analýzách není zaznamenána ani měď, ani jod; v potravinách nesmí být více než 100 ppb. Obsah fosforu byl však detekovatelný a 1, 57% hmotnostních P odpovídá přibližně 14 mg fosforu PF v 0, 87 g sušených potravin přiváděných do nádrže denně. Za předpokladu, že všechny P jsou přítomny jako fosfát, PO43 – (MW = 95), pak je v 0,87 g sušených potravin přítomno ~ 42 mgs (~ 5%) PO43 -. Všimněte si, že zmrazené kostky krevet mysis byly důkladně omyty vodou z vodovodu, dokud se nerozmrazily, a proto může být obsah fosfátů ve vodě pro zmrazení zlevněn. Denní přídavek 42 mg fosfátu k 168 galonům objemu akvarijní vody představuje nominální přídavek přibližně 0,06 ppm fosfátu denně. Vzhledem k tomu, že analýza testovací sady Merck fosfátů ukazuje hladinu fosfátů < 0,02 ppm (limit testovací sady), zdá se, že přidaný fosfát je snadno odstraněn z vodního sloupce.

analýza Skimmate kapaliny

1) Analýza síry

2.47% hmotnostních síry přítomné v 3,31 g pevné látky odvozené od skimmátové kapaliny odpovídá přibližně 82 mg s. tato síra s největší pravděpodobností pochází ze síranu, SO42 – (MW = 96, 33% hmotnostních S). V DOC je jistě malé množství “organické” síry, ale to pravděpodobně nepřidá mnoho k celkovému % síry, protože síra je pouze ~ 0, 1% suché hmotnosti živé hmoty. (Sterner, 2002) 82 mg S v sušené kapalině skimmate odpovídá 248 mg (7,5%) síranu v sušené kapalině skimmate.

2) Analýza dusíku

0.68% sušiny dusíku v 3,31 g sušené odstředěné kapaliny odpovídá 23 mg N.zdroje dusíku zahrnují organickou hmotu (DOC) a samozřejmě anorganické ionty; amonium (NH4+), dusitan (NO2–) a dusičnan (NO3–). < 1 ppm) NH4, NO2 nebo NO3 v akvarijní vodě, takže při první aproximaci lze dusík ve skimmatu připsat “organickému” dusíku. Vzhledem k tomu, že organický materiál získaný ze živých zdrojů je přibližně 7% dusíkem suché hmotnosti (viz výše), 23 mg N přítomných v kapalině skimmate naznačuje, že celkově je přítomno přibližně 329 mg (~ 10%) organického materiálu.

3) Analýza uhlíku

4,50% hmotnostních uhlíku přítomného v 3,31 g sušené skimmátové kapaliny odpovídá 149 mg C přítomného. Zdroje uhlíku v kapalině skimmate zahrnují anorganický uhlík jako součást uhličitanových rovnováh, organický uhlík (DOC) a uhlíkové částice vysunuté z filtru GAC. Na základě argumentu uvedeného v (5) výše se zdá nepravděpodobné, že filtr GAC je zdrojem tohoto uhlíku. Není možné rozlišit mezi zbývajícími dvěma zdroji na základě měření elementární analýzy nebo nezávislého měření, protože tento druhý test detekuje (organické) karboxyláty i anorganické formy, hydrogenuhličitan HCO3 – a uhličitan CO32-. Je však možné stanovit horní hranici obsahu anorganického (hydrogenuhličitanu a uhličitanu) odstředěné kapaliny z měření salifertovy zásaditosti. Naměřená alkalita pomocí Salifertovy testovací soupravy byla 8 meq / L. Pokud pro účely stanovení této horní hranice předpokládáme, že veškerá tato alkalita byla způsobena karbonátovým systémem, pak 8,0 meq/L odpovídá 1,0 mmol alkality ve 125 mL odstředěné kapaliny odebrané z odstředivého běhu. Dále, pokud předpokládáme, že veškerá tato alkalita je ve formě hydrogenuhličitanu, HCO3 – (ve skutečnosti, při pH = 7,67, je asi 96% přítomného uhličitanu), pak bychom měli 1,0 mmol, nebo 61 mg, HCO3-přítomné v 3,31 gm sušené odstředěné kapaliny. Maximálně by tedy 61 mgs HCO3 – (=20% hmotnostních C) představovalo pouze 12 mgs z celkových 149 mgs uhlíku přítomného v sušené skimmátové kapalině. V tomto scénáři by pak bylo 137 mg měřeného uhlíku odvozeno z organických zdrojů. Použitím odhadu, že organický materiál získaný ze živých zdrojů je 45% uhlíku, pak by množství DOC v sušené kapalině skimmate bylo 304 mg (~ 9%); ne příliš daleko od hodnoty analýzy dusíku ~ 10% organického materiálu. Pokud by na druhém extrému mohla být veškerá měřená alkalita přičítána organickým karboxylátům (v průměru předpokládáme druhy C18, takže C = 76% karboxylátové hmotnosti), pak by 1,0 mmol alkality odpovídalo 283 mgs organických karboxylátů, z nichž 76% (=215 mg) by byl uhlík. Vzhledem k tomu, že celkový měřený uhlík byl pouze 149 mgs, je tento druhý scénář samozřejmě nemožný. S největší pravděpodobností lze ~ 3 nebo 4 meq / L zásaditosti přiřadit HCO3 -, takže zbývající organický uhlík je kolem 143 mgs => 318 mgs (~ 10%) organického materiálu – stejná hodnota odvozená z výpočtu dusíku.

4) Analýza vodíku

1,33% hmotnostních vodíku ve vzorku 3,31 gm sušené odstředěné kapaliny znamená, že je přítomno 44 mg H. Tento vodík může být přidán z biologicky odvozených organických zdrojů, anorganických zdrojů (HCO3-a HSO4 -– a případně z vody, která zbyla z neúplného sušení. Pokud by veškerý měřený vodík přispěl pouze z biologicky odvozených organických zdrojů (při ~ 7% vodíku v suché hmotnosti), pak bychom předpovídali, že sušená kapalina skimmate obsahovala přibližně 629 mg (~19%) organického materiálu. Je zřejmé, že tato hodnota je příliš velká ve srovnání s hodnotami analýzy dusíku a uhlíku, takže alespoň část vodíku musí pocházet buď z anorganických iontů, nebo z vody. Množství přispívaná z hydrogenuhličitanu HCO3-a kyseliny uhličité H2CO3 jsou vzhledem k jejich relativně malým koncentracím zanedbatelná(viz analýza uhlíku výše). Navíc při pH = 7.67, je mizivě malé množství bisulfátu, HSO4 -; jeho pKa = 1,9. Je tedy pravděpodobné, že vzorek kapalného skimmátu nebyl zcela vysušen a zbývající vodík pravděpodobně pochází z tohoto zdroje. Vzhledem k analýze dusíku, že pevná látka odvozená od skimmátové kapaliny obsahuje asi 329 mg organického materiálu a organický materiál je asi 7% vodíku, pak vodík přispívající z tohoto organického materiálu je asi 23 mg pevného zbytku. Pokud zbývající měřený vodík (44 – 23 = 21 mg) pochází z H2O, pak je přítomno 189 mg (~ 6 %) vody.

5) analýza křemíku

1,40% hmotnostních křemíku v 3,31 gm pevné látky získané z odstředěné kapaliny se vypracuje na 46 mg křemíku. Tento křemík může být odvozen buď z ve vodě rozpustné kyseliny ortosilikové (Si (OH) 4, 29% Si, 4% H), nebo z biogenního opálu tvořícího obal rozsivek, jak je popsáno výše (cca. molekulární vzorec pro opál je SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si, 1% H). Všimněte si, že v obou případech je množství vodíku přispívaného kterýmkoli zdrojem Si nepatrné (~0.04% hmotnostních původní pevné látky odvozené od skimmate kapaliny) a sotva ovlivňuje závěry vodíkové analýzy výše. Není možné určit, kolik křemíku pochází z anorganické kyseliny orthosilicic a kolik lze přičíst skořápkám rozsivek, ale % křemíku v každém z nich není tak odlišné, a proto použijeme průměrnou hodnotu (36%) pro výpočet množství “SiOxHy” v pevné látce odvozené od surové skimmátové kapaliny; přibližně 128 mg (~4%) pevné látky
skimmátové kapaliny je nějaká forma křemičitanu, SiOxHy.

takže celkově lze pevnou látku odvozenou z koncentrace odstředěné kapaliny rozdělit na:

• anorganické ionty (Na, Cl, k, Ca, Mg, SO42-, HCO3–, SiOxHy) 87%
• rozpuštěný organický uhlík 10%
• voda 6%
• celkem 103%

takže jsme překonali teoretický maximální obsah 100% o 3%; není to tak špatné, vzhledem k mnoha aproximacím a předpokladům, které šly do získání těchto procent. Sečteno a podtrženo, nicméně, je to, že kapalina skimmate obsahuje většinou běžné anorganické ionty, které tvoří hlavní ionty v mořské vodě. Rozpuštěnému organickému uhlíku lze pravděpodobně přiřadit pouze malé množství tohoto materiálu, doc.

chemická analýza 5,18 gm pevné látky skimmate se řídí podobným přístupem, jaký byl popsán pro silně promytou tuhou látku diskutovanou výše. V tomto případě však pevná látka nebyla opakovaně promyta, a tak některé ve vodě rozpustné sloučeniny přetrvávají, i když většina vody byla pravděpodobně odstraněna vakuovým sušením. Tyto ve vodě rozpustné druhy se skládají z 3,45% hmotnostních sodíku, 0,40% hmotnostních chloridu, 0,38% hmotnostních draslíku a 1,18% hmotnostních síry (= 3,6% hmotnostních síranu). Kromě toho je pravděpodobné, že alespoň část naměřených Ca, Mg, C (jako HCO3) a P může pocházet ze sloučenin rozpustných ve vodě kromě sloučenin uvnitř nerozpustné pevné látky, ale celkové množství frakce rozpustné ve vodě těchto konkrétních anorganických iontů bude pravděpodobně malé, protože nejhojnější iont, sodík, je pouze 3,45% hmotnostních izolované pevné látky(Na / Ca = 28 v mořské vodě). Takže při první aproximaci zanedbáme jejich příspěvek k anorganické části pevného skimmátu rozpustné ve vodě. Z tohoto pohledu obsahuje sušená pevná látka skimmate asi 8% hmotnostních normálně ve vodě rozpustných anorganických iontů.

1) Analýza vápníku

10,52% hmotnostních Ca znamená, že celkové množství Ca ve vzorku 5,18 mg je 545 mg. Za předpokladu, že v podstatě všechny tyto Ca jsou ve formě ve vodě nerozpustného uhličitanu vápenatého (CaCO3, MW = 100), pak 5,18 mg sušeného skimmátu obsahuje 1,36 gm (26 %) CaCO3. Vzhledem k tomu, že uhlík je 12% (hmotnostních) CaCO3, pak 5,18 gm sušeného skimmátu obsahuje ~ 163 mg (~3,2 %) (anorganického) uhlíku přispívaného z uhličitanu vápenatého.

2) Analýza hořčíku

1,99% hmotnostních Mg znamená, že celkové množství Mg ve vzorku 5,18 gm je 103 mg. Za předpokladu, že všechny tyto Mg jsou ve formě uhličitanu hořečnatého (MgCO3, MW = 84), pak 5,18 gm sušeného skimmátu obsahuje 361 mg (~7,0 %) MgCO3. Vzhledem k tomu, že uhlík je 14 % (hmotnostních) MgCO3, pak 5.18 g sušeného skimmátu obsahuje ~ 51 mg (~ 1 %) (anorganického) uhlíku přispívaného uhličitanem hořečnatým.

3) Analýza dusíku

živé organismy jsou ~ 5 – 9% suchým hmotnostním dusíkem (pro jednoduchost použijeme 7%), (Sterner, 2002), a tak, pokud zanedbáme anorganické zdroje dusíku (NH4, NO3 a NO2, které jsou nezměrně nízké ve vodě v nádrži), 2,72% hmotnostních dusíku znamená, že v 5.18 gm pevné látky skimmate je 141 mgs dusíku, který počítá na 2.01 gms (~39 %) přítomného organického materiálu.

4) vodíková analýza

živé organismy jsou ~ 7% sušiny vodíku. (Sterner, 2002) 2,37% hmotnostních vodíku znamená, že v 5,18 gm pevné látky skimmate je 123 mgs vodíku, který počítá na 1,75 gms (~34%) přítomného organického materiálu. Porovnejte tuto hodnotu s predikcí organických látek založenou na analýze dusíku z (3); 39% organického uhlíku. V tomto případě nejsou výsledky vodíku tak blízké výsledkům na bázi dusíku, jako tomu bylo v předchozích dvou analýzách,ale nejsou tak daleko. Tato vodíková analýza předpokládá, že není přítomna žádná voda, nebo některé z H by byly způsobeny vodou a ne organickými látkami, a organický výpočet na bázi H by byl ještě menší.

5) analýza uhlíku

22,50% hmotnostních C znamená, že celkové množství C přítomné ve vzorku skimmate 5,18 gm je 1,17 gm. Odečtením částky C od příspěvku CaCO3 (163 mgs C) a příspěvku MgCO3 (51 mgs C) zbývá 952 mgs C. Pokud opět zlevníme filtr GAC jako zdroj tohoto uhlíku, pak nejvíce (všechny?) tohoto uhlíku pochází z” organických ” zdrojů. Vzhledem k tomu, že živé organismy jsou 40-50% uhlíkem suché hmotnosti (pro jednoduchost použijeme 45%), (Sterner, 2002), pak 952 mgs organického C znamená, že je přítomno ~ 2.12 gms (~ 41%) organického materiálu. Srovnání s hodnotami odvozenými z dusíku (39% organických látek) a vodíku (34% organických látek) poskytuje konzistentní obraz organického obsahu.

6) analýza křemíku

8,94% hmotnostních křemíku přítomného v 5,18 gm pevné látky skimmate naznačuje, že celkem je přítomno 463 mgs Si. Pokud předpokládáme, že Si přispívá biogenním opálem ze skelety rozsivek (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), pak Si je v hydratovaném polymeru SiO2 (cca. molekulární vzorec pro opál je SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si hmotnostních). Proto můžeme přiblížit množství přítomného biogenního opálu jako 1,10 gm (~21%).

7) analýza fosforu

0,46% hmotnostních P přítomného v 5,18 gms suché skimmátové pevné látky znamená, že je přítomno 24 mgs P. Za předpokladu, že všechny P jsou přítomny jako fosfát, PO43 – (MW = 95, Neznámý protiproud), pak existuje ~ 74 mgs (~1.4 %) PO43-přítomné v 5,18 gm suché skimmate pevné látky. Toto množství se rovná ~ 14300 ppm fosfátu, což je opět mnohem více než < 0,02 ppm fosfátu ve vodě v nádrži.

8) analýza železa

0,93% hmotnostních Fe v 5,18 gms sušeného tuhého skimmátu činí 48 mg Fe. Anorganické soli železa jsou ve vodě docela nerozpustné, a proto je pravděpodobné, že téměř celé toto železo je buď “organické” železo, které pobývalo v tělech mikrobů, jako jsou bakterie atd. nebo je to z koloidních částic železa vyloučených z reaktoru GFO. Poměr hmotnosti uhlíku a železa 24 skimmate lze porovnat s poměry suché hmotnosti C:Fe několika planktonických organismů: heterotrofní bakterie: 28500: 1, sinice: 11250: 1, eukaryotický fytoplankton:71250: 1. (Tortell, 1996). Vzhledem k tomu, že zjištěný poměr Fe: C je 10000x vyšší než u planktonických druhů, je vysoce nepravděpodobné, že by většina odtučněného železa byla “organického” původu. Pravděpodobnějším scénářem je, že částicový oxid železitý je vyloučen z reaktoru GFO a tento materiál pak tvoří většinu železa odstraněného skimmerem. Oxid železitý má nominální chemický vzorec Fe2O3,
a je to přibližně 70% hmotnostních železa. Takže 48 mg železa v pevné látce skimmate odpovídá asi 69 mg Fe2O3 (~ 1,3% hmotnostních).

stručně řečeno, skimmer vytahuje pevnou směs sloučenin, které se skládají z hmotnosti (přibližně):

• 8% anorganické ionty
• 26 % CaCO3
• 7% MgCO3
• 21% biogenního opálu (SiO2)
• 38% organického materiálu
• 1,5% fosfátu
• 1.3 % oxidu železitého

tyto materiály dosahují až ~ 103%, což je docela blízko teoretickému maximu 100%. Jakékoli nesrovnalosti lze snadno vysvětlit číselnou nejistotou zavedenou prostřednictvím všech předpokladů. To znamená, že i při všech předpokladech a aproximacích citovaných v této analýze se součet hmotnosti dosáhne do 3% “dokonalého”. Organický materiál odstraněný v pevné látce skimmate je opět menší složkou, i když v průměru 38% (C vs. N vs. H analýza), je o něco vyšší než hodnota 34% odvozená od silně promytého pevného vzorku skimmate a mnohem vyšší než množství DOC v kapalné frakci (~ 10%). Celkem 8,49 g celkových pevných látek odstraněných během týdne odstředění obsahuje přibližně 318 mg ve vodě rozpustných organických látek (~ 4%) a přibližně 2,12 gms ve vodě nerozpustných organických látek (~25%). Velká část organických látek odstraněných skimmingem tedy není DOC (rozpuštěný organický uhlík). Anorganické sloučeniny CaCO3 a SiO2 tvoří většinu pevné hmoty skimmate, stejně jako v silně promytém vzorku skimmate analyzovaném jako první. Jak bylo uvedeno v této analýze, zdroj těchto sloučenin není z těchto údajů přiřazitelný, ale biologický zdroj pro SiO2 (biogenní opál), skořápky rozsivek, je pravděpodobný. CaCO3 může vznikat jak z anorganických zdrojů (tj. vyhození částic CaCO3 z kalciového reaktoru), tak z organických zdrojů (skořápky foraminifery a / nebo kokolitoforů).

jedním z překvapivých pozorování vyplývajících z původních studií výkonnosti skimmeru je, že pouze přibližně 20 – 35% měřitelného TOC v akvarijní vodě je odstraněno skimmingem. Toto pozorování se nyní může zdát o něco méně překvapivé, když se na něj podíváme v kontextu analýzy komponent skimmate. Takto lze organickému materiálu přiřadit pouze ~ 29 % (25% z pevné látky + 4% z kapaliny) skimmátu odstraněného skimmerem h&s 200 z autentické vody z útesové nádrže v průběhu týdne. Tak, skimming neodstraní tolik TOC přítomného v akvarijní vodě, a skimmate neobsahuje tolik TOC.

takže co přesně dělá skimming? Na téma sanace vody; nejkonzervativnější, přípustné (ale ne přesvědčivé!) odpověď je, že skimming odstraňuje spoustu (živých nebo mrtvých? neznámé) mikroorganismy, které obývají akvarijní vodu, a tím odstraňují (organický) uhlík, fosfor a dusík, které tvoří jejich biochemické složení. Kromě toho mohou být také odstraněny rozpuštěné organické sloučeniny, ale údaje nepodporují tvrzení, že tyto rozpuštěné organické druhy představují hlavní množství celkových odstraněných organických látek. Kromě těchto funkcí čištění vody slouží skimmery k okysličování vody a obecně k usnadnění výměny plynů, což jsou užitečné činnosti nezávislé na odstraňování organického odpadu.

závěry

chemické / elementární složení skimmátu generovaného skimmerem H&s 200-1260 na 175-galonové útesové nádrži v průběhu několika dnů nebo týdne mělo některá překvapení. Organickému uhlíku (TOC) lze přičíst pouze malé množství skimmátu (pevná látka + kapalina); asi 29% a většina tohoto materiálu nebyla rozpustná ve vodě, tj. nebyl rozpuštěn organický uhlík. Většina regenerované pevné látky skimmate, kromě obecných iontů mořské vody, byla CaCO3, MgCO3, a SiO2 – anorganické sloučeniny! Původ těchto druhů není s jistotou znám, ale lze učinit dobrý případ, že SiO2 pochází ze skořápek rozsivek. CaCO3 může být odvozen od jiných planktonických mikrobů nesoucích skořápky uhličitanu vápenatého, nebo může pocházet z odpadních vod vápenatého reaktoru. Do té míry, že pevný skimmát sestává z mikroflóry, pak by určitá část nerozpustného organického materiálu odstraněného skimmingem byla jednoduše organickými složkami (“vnitřnostmi”) této mikroflóry. Tyto mikroflóry koncentrují P, N A C živiny z vodního sloupce, a tak jejich odstranění pomocí skimmingu představuje prostředek exportu živin.

poděkování

Děkujeme Eberly College of Science na Pennsylvania State University a E. I DuPont de Nemours and Co. pro finanční podporu, a Dr. Sanjay Joshi (Penn State) a Craig Bingman (u. Wisconsin) pro mnoho užitečných diskusí.

1. Brzezinski, M.A. 1985. “Poměr si:C: N mořských rozsivek: mezidruhová variabilita a vliv některých environmentálních proměnných.”J. Physiol., 21, 347-357.
2. De La Rosa, J. M.; González-Pérez, J. a.; Hatcher, P. G.; Knicker, h.; González-Vila, F. J. 2008. “Stanovení žáruvzdorné organické hmoty v mořských sedimentech chemickou oxidací, analytickou pyrolýzou a polovodičovou 13C nukleární magnetickou rezonanční spektroskopií.” Euro. J., 59, 430-438.
3. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. “Vývoj metody pro kvantitativní hodnocení výkonu proteinového skimmeru.”Pokročilý Akvarista http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Další studie o výkonu proteinového skimmeru.”Advanced Aquarist
5. Mitchell-Innes, B. A.; Winter, A. 1987. “Coccolithophores: a Major Phytoplankton Component in Mature Upwelling Waters Off the Cape Peninsula, South Africa in March, 1983.”Marine Biol., 95, 25030.
6. Mopper, k.; Stubbins, a.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. “pokročilé instrumentální přístupy pro charakterizaci mořské rozpuštěné organické hmoty: extrakční techniky, hmotnostní spektrometrie a nukleární magnetická rezonanční spektroskopie.”Chem. Rev., 107, 419-442.
7. Mortlock, R. A.; Froelich, P. n. ” jednoduchá metoda pro rychlé stanovení biogenního opálu v pelagických mořských sedimentech.” 1989. Hlubinný Res., 36, 1415-1426.
8. Stanley, S. M.; Ries, J. B.; Hardie, L. A. 2005, ” chemie mořské vody, růst populace Coccolithophore a původ křídové křídy.”Geologie, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J.J. 2002. Ekologická Stechiometrie. Princeton University Press, Princeton.
10. Tortell, P. D.; Maldonado, M. T.; Price, n. m. “Role heterotrofních bakterií v oceánských ekosystémech omezených železem.” 1996. Příroda, 383, 330-332.