Elementær analyse af Skimmat: hvad fjerner en proteinskimmer faktisk fra akvarievand?

den temmelig kontraintuitive observation, at proteinskummere kun fjerner 20-35% af det målbare samlede organiske kulstof (TOC) i revakvariumvand (Feldman, 2009; Feldman, 2010) rejser spørgsmålet, “Hvad er alt det “ting”, der samles i vores skimmer kopper?”Er det virkelig TOC, eller i det mindste en labil eller “skummbar” brøkdel af TOC? Forsøg på at identificere TOC-komponenter fra autentisk havvand er stadig i deres barndom, og til dato har dette materiale modstået detaljeret kemisk analyse. Nylige bestræbelser primært af Hatcher og kolleger (Mopper, 2007; De La Rosa, 2008) ved hjælp af sofistikeret massespektrometri og kernemagnetisk resonansspektroskopi teknikker har afsløret, at autentisk ocean TOC består af titusinder af diskrete forbindelser, der omfatter kemiske repræsentanter fra alle de store biokemiske grupper; lipider, peptider, kulhydrater, heterocykler, aromater osv. Forholdet mellem ocean TOC og Akvarium TOC mangler stadig at blive etableret, men det forekommer sandsynligt, at TOC i vores akvarier er lige så forskelligartet og rig på dets kemiske kompleksitet. Det er således lige så usandsynligt, at en kemisk nedbrydning af akvarium TOC vil komme i den nærmeste fremtid. Ikke desto mindre er der analysemetoder, der kan afsløre og kvantificere de fleste af de elementære komponenter i TOC, og med lidt kemisk intuition tillader tildeling af nogle af disse komponenter til kemiske kategorier. Disse analysemetoder kaldes elementær (eller forbrændings) analyse og induktivt koblet Plasma Atomemissionsspektroskopi. Begge metoder er tilgængelige fra mange kommercielle operationer; vi brugte Columbia Analytical Services i Tucson til vores skimmate prøver (http://www.caslab.com/).

eksperimentelle resultater

alle skimmatprøver blev opnået fra opsamlingskoppen af en h& S 200-1260 skimmer, der kørte på en 175 gallon revetank under forfatterens pleje. I løbet af disse samlinger indeholdt tanken 10 fisk (par Pterapogon kauderni (Banggai cardinals), par Liopropoma carmabi (candy bass), Centropyge loriculus (flammeengel), Centropyge interrupta (Japansk pygmy engel), oksirrhites typus (langnose høgfisk), Sebrasoma flavescens (gul tang), Amblygobius bynoensis (byno goby) og Synchiropus splendidus (Mandarin)), cirka 40 koralkolonier fra SPS, LPS og Chalice kategorier, og et par dusin snegle og eremitkrabber. Ingen bløde koraller eller muslinger var til stede. Typiske daglige fodringer omfattede en terning af Hikari mysis rejer, en terning af PE mysis rejer, en knivspids flage mad, og en knivspids pellet mad. Tre gange ugentligt blev Reef Nutrition-produkterne Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast og Arctipods brugt, og et ark nori blev tilføjet en gang om ugen. Skimmer cup blev renset ugentligt, og granulært aktivt kul (GAC), granulært Jernoksid (GFO), en calciumreaktor og en UV-sterilisator blev alle brugt kontinuerligt. Sytten procent af vandmængden blev ændret ugentligt, og tankparametre blev også målt ugentligt; = 1.4 ppm (1 time efter fodring) – 0,5 ppm (24 timer efter fodring), = 390 – 410 ppm, = 1230 – 1260 ppm, = 3,5 – 4 mekv/L, saltholdighed = 34,5 – 36 ppt, pH = 7,8 (lyser tændt) – 8,1 (lyser slukket), < 0,5 ppm, ingen målbar NH4, NO2 eller PO4. Belysning blev leveret af to 400V 14k Geissmann metalhalogenidpærer og en 175V 15K Metalhalogenidpære på en 8-timers on, 16-timers off-cyklus. Ingen tilsætningsstoffer undtagen CaCl2 * 2H2O blev anvendt.

vores første eksperiment blev designet til at undersøge sammensætningen af det vanduopløselige faste materiale fjernet af en proteinskimmer. Skimmate blev opsamlet over 4 dage uden madtilsætning til akvariet, Fig. 1. Det flydende og faste indhold af H&S 200-1260 skimmer cup blev omhyggeligt fjernet efter denne tidsperiode og koncentreret til tørhed gennem indledende væskedampning under reduceret tryk og derefter vakuumtørring ved 110 oC/0,2 mm. denne procedure fjerner effektivt næsten alt vandet (se nedenfor) og selvfølgelig eventuelle flygtige komponenter i skummet. Sytten gram gråbrunt fast stof resulterede, se Fig. 1.

fire gram af dette rå skummat suspenderede i 100 mL destilleret vand og omrørte kraftigt i flere timer. Blandingen blev derefter adskilt ved centrifugering ved 6000 o / min / 10 min, og supernatanten blev hældt af og kasseret. Denne procedure blev gentaget 3 gange, og derefter blev det resterende materiale vakuumtørret ved 110 oC/0,2 mm i 48 timer for at give 0,47 g grågrønt fast stof. Bemærk, at CaCO3 skal opvarmes til > 900 oC for at forbrænde CO2. Dette faste stof blev underkastet elementær analyse som beskrevet ovenfor ved Columbia Analytical Services:

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

disse data kan fortolkes med en vis anvendelse af kemisk intuition og nogle antagelser.

1) Calciumanalyse

17.43 vægt % Ca indebærer, at den samlede mængde Ca i 470 mg prøven er 82 mg. Forudsat at alt dette Ca er i form af calciumcarbonat (CaCO3, mv = 100), indeholder 470 mg tørret skummat 205 mg (44 %) CaCO3. Da kulstof er 12 % (efter vægt) CaCO3, indeholder 470 mg tørret skummat ~ 25 mg (~5,2%) (uorganisk) kulstof, der er bidraget fra calciumcarbonatet.

2) Magnesiumanalyse

1,35 vægt % Mg indebærer, at den samlede mængde Mg i 470 mg prøven er 6,3 mg. Forudsat at alt dette Mg er i form af magnesiumcarbonat (MgCO3, MVV = 84), indeholder 470 mg tørret skimmat 22 mg (~ 4,7 %) MgCO3. Da kulstof er 14 % (efter vægt) af MgCO3, indeholder 470 mg tørret skummat ~ 3 mg (~0,7%) (uorganisk) kulstof, der er bidraget fra magnesiumcarbonatet.

3) Nitrogenanalyse

levende organismer er ~ 5 – 9% efter tørvægt nitrogen (vi bruger 7% for enkelhed), (Sterner, 2002) og så, hvis vi forsømmer uorganiske kilder til nitrogen (NH4, NO3 og NO2, som er umådeligt lave i tankvandet), 2.22 vægt % af kvælstof indebærer, at der er 10,4 mg kvælstof i de 470 mg skummat, som beregner til 149 mg (~32 %) organisk materiale til stede.

4) Hydrogenanalyse

levende organismer er ~ 7% efter tørvægt hydrogen. (Sterner, 2002) 2,39 vægtprocent brint indebærer, at der er 11,2 mg brint i de 470 mg skimmat, som beregner til 160 mg (~34%) organisk materiale til stede. Sammenlign denne værdi med den nitrogenanalysebaserede forudsigelse af organiske stoffer fra (3); 32% – meget tæt aftale!

5) Kulstofanalyse

21.08 vægt % C indebærer, at den samlede mængde C, der er til stede i 470 mg-skimmatprøven, er 99 mg. At trække mængden af C fra CaCO3-bidraget (25 mg C) og mgco3-bidraget (3 mg C) efterlader 71 mg C tilbage. Hvad er kilden til dette kulstof? To muligheder synes sandsynlige; udstødt partikelformet kulstof fra GAC-filteret eller TOC, der stammer fra organiske kilder. Levende organismer er 40-50% af tørvægt kulstof (vi bruger 45% for enkelhed), (Sterner, 2002). Hvis alle 71 mg kulstof kom fra organiske kilder (= TOC), ville der være ~ 158 MG (~34 %) organisk materiale til stede. Sammenlign denne værdi med både den nitrogenanalysebaserede forudsigelse af organiske stoffer fra (3); 149 mg (~ 32%) og den hydrogenanalysebaserede forudsigelse fra (4); 160 mg TOC (34%). Overensstemmelsen mellem den Toc-kulstofbaserede beregning og de uafhængige hydrogen-og nitrogenbaserede beregninger kan ikke ignoreres. Således er der
ingen beviser for at kontraindicere konklusionen om, at de resterende 71 mg kulstof kan tilskrives organiske kilder som TOC; der er ingen grund til at påberåbe sig GAC filter ejecta som en kilde til dette kulstof.

6) Siliciumanalyse

det 4,76 vægtprocent silicium, der er til stede i de 470 mg skimmat, antyder, at der er 22,4 mg i alt si til stede. Hvis vi antager, at Si er bidraget med Biogen opal fra skelet af diatomer, (Brsesinski, 1985; Mortlock, 1989), er Si i en hydreret polymer af SiO2 (ca. molekylformel for Opal er SiO2 * 0. 4h2o, 42% Si efter masse). Derfor kan vi tilnærme mængden af biogen opal til stede som 53 mg (~11%).

7) Fosforanalyse

0,16 vægt% af P til stede i 470 mg tørt skimmat indebærer, at der er 0,75 mg P til stede. Hvis man antager, at Al P er til stede som fosfat, PO43- (mv = 95, ukendt modion), så er der ~ 2,3 mg (~ 0,5%) PO43 – til stede i 470 mg tørt skummat. Denne mængde svarer til ~ 4900 ppm fosfat, hvilket er langt mere end < 0,02 ppm fosfat i tankvandet. Således koncentrerer skimming fosfat.

Elemental Analysis Summary

sammenfattende trækker skimmeren en fast, vanduopløselig blanding af forbindelser, der består af vægt (ca.)):

• 44 % af CaCO3
• 5% af MgCO3
• 11% af biogen opal
• 34% organisk materiale
• 0,5% fosfat

derfor er en total ~ 95% af det tørre vanduopløselige skummat tegnede sig for! Hvad er kilderne til disse kemiske forbindelser i skummet? Den biogene opal er sandsynligvis fra skaller af diatomer, små medlemmer af fytoplanktonfamilien af marine mikrober. CaCO3 (og MgCO3) kan have både biogene og abiologiske kilder. En calciumreaktor fungerede i hele den eksperimentelle skummatopsamlingsperiode, og så kan nogle af CaCO3 bare være mikropartikulater udsendt fra denne enhed. Alternativt kan CaCO3 opstå fra skaller af planktoniske mikrober fra coccolithophore (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) og foraminifera familier. Disse planktonkomponenter er fremherskende under visse betingelser i havvand, men der er ikke etableret tilstedeværelse i akvarievand. Det er ikke muligt at skelne mellem disse biologiske og abiologiske kilder til CaCO3 på nuværende tidspunkt. Fremtidige eksperimenter i
, som skummat opsamles uden en kørende calciumreaktor, kan kaste lys over dette punkt. Fosfatet til stede i skummet kunne ikke komme fra uorganisk fosfat i vandkolonnen; denne ion ville være blevet fjernet ved grundig vask med vand. Det er muligt, at noget af dette fosfat er i form af uopløseligt calciumphosphat, men denne forekomst ville være usandsynlig, da Ca3(PO4)2 dannes ved temmelig høj pH, hvilket ikke er karakteristisk for skummatvæsken (pH = 7,67, se nedenfor). Som standard er det sandsynligvis afledt af organisk fosfat; det vil sige mange biokemikalier inden for diatomer og alle andre levende organismer (coccolithophores, foraminifera, bakterier, mennesker osv.) har vedhæftede fosfatgrupper. Akvarieorganismer rekrutterer disse fosfatmolekyler fra det uorganiske fosfat i vandkolonnen og fastgør dem derefter til de organiske biokemikalier. Således koncentrerer de effektivt fosfat fra vandet, og at
fosfat derefter fjernes (inden i den intakte organisme) ved skimming. Fra dette perspektiv bidrager skimming til fjernelse af uorganisk fosfat fra akvarievand.

en interessant og måske uventet observation er, at kun 34% af dette faste skummatmateriale kan tildeles “organisk kulstof”, TOC. Således er 2/3 af den faste, vanduopløselige del af skummatet ikke TOC, men snarere uorganisk materiale, der måske (eller måske ikke) har Biogen Oprindelse. Hvis en væsentlig mængde af dette uorganiske materiale kommer fra planktons skaller, er det indlysende, at en stor del af det detekterede organiske materiale (TOC) sandsynligvis udgør “tarmene” af disse organismer. Således er måske ikke så meget af TOC fjernet ved skimming faktisk fritflydende organiske molekyler. En advarsel om denne fortolkning er selvfølgelig det faktum, at ~ 90% af det rå originale skimmat blev vasket væk med vand. Måske indeholdt den vandopløselige fraktion betydelige mængder opløst organisk kulstof, hvilket ikke ville blive opdaget ved ovenstående analyse.

en anden, mere omfattende skummat kemisk analyse blev forfulgt for at løse denne bekymring. I dette eksperiment, tanken blev fodret dagligt med en blanding af PE og Hikari mysis rejer, Ocean Nutrition Formula 1 flager, Omega One Veggie flager, og Akveon Marine granuler som beskrevet ovenfor. Denne daglige fodring udgjorde en tørvægt (110 oC/0,2 mm i 48 timer) på 0,87 gms/dag. Ingen Reef ernæring produkter blev anvendt under dette eksperiment. Efter 7 dage efter dette fodringsregime blev det faste og flydende skimmat opsamlet af H&S 200-1260 skimmeren forsigtigt fjernet fra skimmerkoppen og adskilt ved centrifugering (6000 o / min, 40 min). Den lysebrune klare supernatant blev hældt ud og dens volumen målt; 125 mL. Den faste rest blev tørret i vakuum ved 110 oC/0,2 mm i 24 timer => 5,18 g brunt fast stof. 110 mL af væsken blev koncentreret under reduceret tryk og derefter vakuumtørret (110 oC/0,2 mm/24 timer) for at give 2,91 g brunt fast stof ( =>
3,31 g fast stof fra den oprindelige 125 mL genvundet væske). 15 mL resterende flydende skimmat blev analyseret med et Salifert-testkit for alkalinitet: = 8,0 mekv/L. derudover indikerede brydningsindekset på 1,023 31 PPT saltholdighed og pH = 7,67. Et endepunkt kunne ikke detekteres med Ca-eller Mg Salifert-sæt, Merck-fosfatsættet eller Salifert NO3-sæt på grund af den interfererende lysebrune farve af skummatvæsken. Bemærk, at den overordentlig høje måling ikke nødvendigvis antyder, at koncentrationerne af HCO3– eller CO32 – er høje; der kan være organiske syrekarboksylater fra TOC-puljen, der detekteres ved denne alkalinitetsanalyse (se nedenfor).

det faste stof afledt af fordampning af den flydende del af skimmatet såvel som det faste stof opnået efter centrifugering blev begge underkastet Columbia Analytical Services til elementær analyse. Resultaterne er opstillet i tabel 1. Derudover blev den tørrede mad analyseret for udvalgte elementer. Naturligt indhold af havvand er inkluderet til sammenligning.

tabel 1. Resultater af elementære analyser af skimmat-og fødevareprøver.

Element	fast skummat (vægt %)	flydende skummat (vægt %)	naturlige havvandsolider(vægt %)	fødevarer (vægt%)%)
C	22.50	4.50	0.08
N	2.72	0.68	0.04
H	2.37	1.33
S	1.18	2.47	2.6
Ca	10.52	0.60	1.1
Mg	1.99	3.21	3.7
Hvis	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
I			< 0.01	< 0.1
Cu			< 0.01	< 0.006
Am	55.84	85.89	95

Fødevareanalyse

den udtørrede fødevare blev analyseret for indhold af fosfor, kobber og jod. Hverken kobber eller jod registreret i disse analyser; der må ikke være mere end 100 ppb af enten i fødevaren. Fosforindholdet kunne imidlertid påvises, og 1,57 vægtprocent p svarer til ca.14 mg PF-fosfor i de 0,87 g tørrede fødevarer, der dagligt tilføres tanken. Forudsat at alle P er til stede som fosfat, PO43- (mv = 95), så er der ~ 42 mg (~ 5%) PO43 – til stede i 0,87 g tørret mad. Bemærk, at de frosne mysis rejer terninger blev vasket grundigt med postevand indtil optøet, og så fosfatindhold i vandet til frysning kan diskonteres. Den daglige 42 mg fosfat tilsætning til 168 gallon af akvariet vandmængde repræsenterer en nominel tilsætning af ca 0.06 ppm af fosfat per dag. Da Merck-fosfattestkitanalyse indikerer et fosfatniveau på < 0,02 ppm (testkitgrænse), ser det tilsatte fosfat ud til at være let fjernet fra vandkolonnen.

Skummat væskeanalyse

1) Svovlanalyse

den 2.47 vægtprocent svovl til stede i 3,31 g fast stof afledt af skummatvæsken svarer til ca.82 mg S. dette svovl kommer sandsynligvis fra sulfat, SO42- (mv = 96, 33 vægtprocent). Der er bestemt en lille mængde “organisk” svovl i DOC, men det vil sandsynligvis ikke tilføje meget til den samlede svovl %, da svovl kun er ~ 0,1% af den tørre vægt af levende stof. (Sterner, 2002) så 82 mg S i det tørrede flydende skummat svarer til 248 mg (7,5%) sulfat i den tørrede skummatvæske.

2) Nitrogenanalyse

0.68% efter tørvægt af nitrogen i 3,31 g tørret skummatvæske svarer til 23 mg N. nitrogenkilder inkluderer organisk stof (DOC) og selvfølgelig uorganiske ioner; ammonium (NH4+), nitrit (NO2–) og nitrat (NO3–). Der er i det væsentlige ingen målbar (dvs. < 1 ppm) NH4, NO2 eller NO3 i akvarievandet, så til en første tilnærmelse kan nitrogenet i skimmatet tilskrives “organisk” nitrogen. Da organisk materiale afledt af levende kilder er ca.7% efter tørvægt nitrogen (se ovenfor), antyder de 23 mg N, der er til stede i skummatvæsken, at der samlet set er ca. 329 mg (~ 10%) organisk materiale til stede.

3) Carbonanalyse

den 4,50 vægtprocent kulstof, der er til stede i 3,31 g tørret skummatvæske, svarer til 149 mg C til stede. Kilder til kulstof i skummatvæsken inkluderer uorganisk kulstof som en del af carbonatligevægten, organisk kulstof (DOC) og carbonpartikler, der udstødes fra GAC-filteret. Baseret på argumentet, der er fremført i (5) ovenfor, forekommer det usandsynligt, at GAC-filteret er en kilde til dette kulstof. Det er ikke muligt at skelne mellem de resterende to kilder baseret på elementanalysemålingen eller den uafhængige måling, da sidstnævnte analyse vil detektere (organiske) carboksylater såvel som de uorganiske former, bicarbonat HCO3– og carbonat CO32-. Det er imidlertid muligt at indstille en øvre grænse for indholdet af uorganisk (bicarbonat og carbonat) i skummatvæsken fra Salifert-alkalinitetsmålingen. Den målte alkalinitet via et Salifert-testkit var 8 mekv/L. Hvis vi med henblik på at indstille denne øvre grænse antager, at al denne alkalinitet skyldtes karbonatsystemet, svarer 8,0 mekv / L til 1,0 mmol alkalinitet i 125 mL skummatvæske opsamlet fra centrifugeringskørslen. Hvis vi antager, at al denne alkalinitet er i form af bicarbonat, er HCO3– (faktisk ved pH = 7,67 omkring 96% af det tilstedeværende carbonat), så ville vi have 1,0 mmol eller 61 mg HCO3– til stede i 3,31 gm tørret skummatvæske. Således vil 61 mg HCO3– (= 20% C efter vægt) maksimalt udgøre 12 mg af de samlede 149 mg kulstof, der er til stede i den tørrede skummatvæske. I dette scenario ville 137 mg af det målte kulstof derefter stamme fra organiske kilder. Ved hjælp af estimatet om, at organisk materiale afledt af levende kilder er 45% kulstof, ville mængden af DOC i den tørrede skummatvæske være 304 mg (~ 9%); ikke for langt væk fra nitrogenanalysetallet på ~ 10% organisk materiale. Hvis al den målte alkalinitet i den anden ekstremitet kunne tilskrives organiske carboksylater (Antag C18-arter i gennemsnit, Så C = 76% af carboksylatmassen), ville 1,0 mmol alkalinitet svare til 283 mg organiske carboksylater, hvoraf 76% (=215 mg) ville være kulstof. Da det samlede målte kulstof kun var 149 mg, er dette sidstnævnte scenario naturligvis umuligt. Mest sandsynligt kan ~ 3 eller 4 mekv/L af alkaliniteten tildeles HCO3–, så det resterende organiske kulstof er omkring 143 mgs => 318 mgs (~ 10%) organisk materiale – den samme værdi afledt af nitrogenberegningen.

4) Hydrogenanalyse

1,33 vægtprocent hydrogen i 3,31 gm-prøven af tørret skummatvæske indebærer, at der er 44 mg H til stede. Dette hydrogen kan bidrage fra biologisk afledte organiske kilder, uorganiske kilder (HCO3– og HSO4–) og muligvis fra vand, der er tilbage fra ufuldstændig tørring. Hvis alt det målte brint kun blev bidraget fra biologisk afledte organiske kilder (ved ~ 7% af tørvægt hydrogen), ville vi forudsige, at den tørrede skummatvæske indeholdt ca.629 mg (~19%) organisk materiale. Det er klart, at værdien er for stor sammenlignet med nitrogen-og kulstofanalyseværdierne, så i det mindste noget af brintet skal komme fra enten uorganiske ioner eller fra vand. Mængderne bidraget fra bicarbonat HCO3-og kulsyre H2CO3 er ubetydelige i betragtning af deres relativt små koncentrationer (se Carbonanalyse ovenfor). Derudover ved pH = 7.67, er der en forsvindende lille mængde bisulfat, HSO4–; dens pKa = 1,9. Så det er sandsynligt, at den flydende skummatprøve ikke blev tørret fuldstændigt, og det resterende brint kommer sandsynligvis fra denne kilde. 329 mg organisk materiale, og organisk materiale er omkring 7% hydrogen, er det hydrogen, der bidrager fra dette organiske materiale, omkring 23 mg af den faste rest. Hvis det resterende målte hydrogen (44-23 = 21 mg) er fra H2O, er der 189 mg (~6 %) vand til stede.

5) Siliciumanalyse

1,40% silicium efter vægt i 3,31 g fast stof udvundet fra skummatvæsken fungerer til 46 mg silicium. Dette silicium kan være afledt af enten vandopløselig orthosilicinsyre(Si (OH)4, 29% Si, 4% H) eller fra Biogen opal, der udgør skallen af diatomer som beskrevet ovenfor (ca. molekylformel for Opal er SiO2•0. 4h2o, 42% Si, 1% H). Bemærk, at I begge tilfælde er mængden af hydrogen, der bidrager med en af si-kilderne, minuscule (~ 0.04 vægt% af den oprindelige skummatvæskes afledte faste stof) og påvirker næppe brintanalysens konklusioner ovenfor. Det er ikke muligt at bestemme, hvor meget silicium der stammer fra uorganisk orthosilicinsyre, og hvor meget der kan tilskrives skaller af diatomer, men % silicium i hver er ikke så forskellig, og derfor bruger vi en gennemsnitsværdi (36%) til at beregne mængden af “sioksy” i den rå skummatvæskes afledte faste stof; cirka 128 mg (~4%) af skummatvæskens
faste stof er en eller anden form for silikat, Sioksy.

så samlet set kan det faste stof, der stammer fra koncentrationen af skummatvæsken, opdeles i:

• uorganiske ioner (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42-, HCO3–, Sioksi) 87%
• opløst organisk kulstof 10%
• vand 6%
• i alt 103%

så vi har overskredet det teoretiske maksimale indhold på 100% med 3%; ikke så dårligt i betragtning af de mange tilnærmelser og antagelser, der gik ind i erhvervelsen af disse procentdele. Bundlinjen er imidlertid, at skummatvæsken for det meste indeholder de almindelige uorganiske ioner, der udgør de største ioner i havvand. Kun en lille mængde af dette materiale kan uden tvivl tildeles opløst organisk kulstof, DOC.

den kemiske analyse af 5,18 g af skummatfast stof følger en lignende fremgangsmåde som beskrevet for det stærkt vaskede skummatfast stof, der er diskuteret ovenfor. I dette tilfælde blev det faste stof imidlertid ikke vasket gentagne gange, og derfor vedvarer nogle vandopløselige forbindelser, skønt det meste af vandet sandsynligvis blev fjernet gennem vakuumtørring. Disse vandopløselige arter består af 3,45 vægt % natrium, 0,40 vægt % chlorid, 0,38 vægt % kalium og 1,18 vægt % svovl (= 3,6 vægt % sulfat). Desuden er det sandsynligt, at i det mindste nogle af de målte Ca, Mg, C (som HCO3) og P kan komme fra vandopløselige forbindelser ud over forbindelser i det uopløselige faste stof, men de samlede mængder af den vandopløselige fraktion af disse særlige uorganiske ioner er sandsynligvis små, da den mest rigelige ion, natrium, kun er 3,45 vægtprocent af det isolerede faste stof (Na/Ca = 28 i havvand). Så til en første tilnærmelse vil vi forsømme deres bidrag til den vandopløselige uorganiske del af det faste skummat. 8 vægtprocent af normalt vandopløselige uorganiske ioner.

1) Calciumanalyse

10, 52 vægtprocent Ca indebærer, at den samlede mængde Ca i 5, 18 mg prøven er 545 mg. Hvis man antager, at alt dette Ca i det væsentlige er i form af vanduopløseligt calciumcarbonat (CaCO3, mv = 100), indeholder 5,18 mg tørret skummat 1,36 g (26 %) CaCO3. Da kulstof er 12 % (efter vægt) CaCO3, indeholder 5,18 g tørret skummat ~ 163 mg (~3,2%) (uorganisk) kulstof, der er bidraget fra calciumcarbonatet.

2) Magnesiumanalyse

1,99 vægt % Mg indebærer, at den samlede mængde Mg i 5,18 gm-prøven er 103 mg. Hvis man antager, at alt dette Mg er i form af magnesiumcarbonat (MgCO3, mv = 84), indeholder 5,18 g tørret skimmat 361 mg (~ 7,0 %) MgCO3. Da kulstof er 14 % (efter vægt) af MgCO3, derefter 5.18 g tørret skummat indeholder ~ 51 mg (~1%) (uorganisk) kulstof, der er bidraget fra magnesiumcarbonatet.

3) Nitrogenanalyse

levende organismer er ~ 5 – 9% efter tørvægt nitrogen (vi bruger 7% for enkelhed), (Sterner, 2002) og så, hvis vi forsømmer uorganiske kilder til nitrogen (NH4, NO3 og NO2, som er umådeligt lave i tankvandet), indebærer 2,72 vægtprocent nitrogen, at der er 141 mg nitrogen i 5,18 gm af skummatfast stof, som beregner til 2,01 gms (~39%) organisk materiale til stede.

4) Hydrogenanalyse

levende organismer er ~ 7% efter tørvægt hydrogen. (Sterner, 2002) 2.37 vægt % af hydrogen indebærer, at der er 123 mg hydrogen i 5.18 gm af skummatfast stof, som beregner til 1.75 gms (~34%) organisk materiale til stede. Sammenlign denne værdi med den nitrogenanalysebaserede forudsigelse af organiske stoffer fra (3); 39% organisk kulstof. I dette tilfælde er brintresultaterne ikke så tæt på de nitrogenbaserede resultater, som de var i de foregående to analyser, men de er ikke så langt væk. Denne brintanalyse antager, at der ikke er noget vand til stede, eller noget af H kan tilskrives vand og ikke organiske stoffer, og den h-baserede organiske beregning ville være endnu mindre.

5) Carbonanalyse

22,50 vægt % C indebærer, at den samlede mængde C, der er til stede i 5,18 gm-skimmatprøven, er 1,17 gm. At trække mængden af C fra CaCO3-bidraget (163 mg C), og mgco3-bidraget (51 mg C) efterlader 952 mg C tilbage. Hvis vi igen Rabat GAC-filteret som en kilde til dette kulstof, så mest (alle?) af dette kulstof kommer fra” organiske ” kilder. Da levende organismer er 40-50% af tørvægt kulstof (vi bruger 45% for enkelhed), (Sterner, 2002), betyder 952 mg organisk C, at der er ~ 2,12 gms (~ 41 %) organisk materiale til stede. Sammenligning med nitrogen- (39% organiske) og hydrogen – (34% organiske) afledte værdier giver et konsistent billede af det organiske indhold.

6) Siliciumanalyse

det 8,94 vægtprocent silicium, der er til stede i 5,18 gm af skummatfast stof, antyder, at der er 463 mg i alt Si til stede. Hvis vi antager, at Si er bidraget med Biogen opal fra skelet af diatomer, (Brsesinski, 1985; Mortlock, 1989), er Si i en hydreret polymer af SiO2 (ca. molekylformel for Opal er SiO2 * 0. 4h2o, 42% Si efter masse). Derfor kan vi tilnærme mængden af biogen opal til stede som 1,10 gm (~21%).

7) Fosforanalyse

0,46 vægt% af P til stede i 5,18 gms tørt skummatfast stof indebærer, at der er 24 mg P til stede. Forudsat at alle P er til stede som fosfat, PO43- (mv = 95, ukendt modion), så er der ~ 74 mg (~ 1.4 %) af PO43-til stede i 5,18 g tørt skummatfast stof. Denne mængde svarer til ~ 14300 ppm fosfat, hvilket igen er langt mere end < 0,02 ppm fosfat i tankvandet.

8) Jernanalyse

0,93 vægtprocent Fe i de 5,18 g tørret skummatfast stof udgør 48 mg Fe til stede. Uorganiske jernsalte er ret uopløselige i vand, og det er derfor sandsynligt, at næsten alt dette jern enten er “organisk” jern, der boede i mikrobernes kroppe som bakterier osv. eller det er fra kolloide jernpartikler, der udvises fra GFO-reaktoren. Skimmatets kulstof-til-jern-vægt-procent-forhold på 24 kan sammenlignes med tørvægten C:Fe-forhold for flere planktoniske organismer: heterotrofe bakterier: 28500:1, cyanobakterier: 11250:1, eukaryot fytoplankton: 71250:1. (Tortell, 1996). Da det detekterede Fe: C-forhold er 10000 gange det for planktoniske arter, er det meget usandsynligt, at meget af det skummet jern er “organisk”. Et mere sandsynligt scenario er, at partikelformet jernfilter udvises fra GFO-reaktoren, og dette materiale udgør derefter størstedelen af det jern, der fjernes af skimmeren. Jern har en nominel kemisk formel på Fe2O3,
og er ca.70 vægtprocent jern. Så svarer 48 mg jern i skummet faststof til omkring 69 mg Fe2O3 (~1,3 vægt%).

sammenfattende trækker skimmeren en fast blanding af forbindelser, der består af vægt af (ca):

• 8% uorganiske ioner
• 26% CaCO3
• 7% MgCO3
• 21% Biogen opal (SiO2)
• 38% organisk materiale
• 1, 5% phosphat
• 1.3% af jernilte

disse materialer udgør op til ~ 103%, hvilket er temmelig tæt på det teoretiske maksimum på 100%. Eventuelle uoverensstemmelser kan let forklares med den numeriske usikkerhed, der indføres gennem alle antagelserne. Det vil sige, selv med alle de antagelser og tilnærmelser, der er citeret i denne analyse, fungerer summen af massen inden for 3% af “perfekt”. Endnu en gang er det organiske materiale, der fjernes i det skummede faste stof, en mindre komponent, skønt i gennemsnit 38% (C vs. N vs. H-analyse), er den lidt højere end 34% – værdien afledt af den stærkt vaskede skummate faste prøve og meget højere end mængden af DOC i den flydende fraktion (~ 10%). I alt indeholder de 8,49 g samlede faste stoffer, der fjernes i løbet af ugen med skimming, cirka 318 mg vandopløselige organiske stoffer (~ 4%) og cirka 2,12 g vanduopløselige organiske stoffer (~ 25%). Således er hovedparten af de organiske stoffer, der fjernes ved skimming, med en stor margin ikke DOC (opløst organisk kulstof). De uorganiske forbindelser CaCO3 og SiO2 udgør størstedelen af den skummede faste masse, meget som de gjorde i den stærkt vaskede skummatprøve, der først blev analyseret. Som diskuteret i denne analyse kan kilden til disse forbindelser ikke tildeles ud fra disse data, men en biologisk kilde til SiO2 (Biogen opal), diatomskaller, er sandsynligvis. CaCO3 kan opstå fra både uorganiske kilder (dvs.calciumreaktor CaCO3 partikel udstødning) og organiske kilder (skaller af foraminifera og/eller coccolithophores).

en af de overraskende observationer, der fremgår af de oprindelige skimmer – præstationsundersøgelser, er, at kun ca.20-35% af den målbare TOC i akvarievand fjernes ved skimming. Denne observation kan nu virke lidt mindre overraskende, når den ses i sammenhæng med skimmatkomponentanalysen. Således kan kun ~ 29 % (25% fra det faste stof + 4% fra væsken) af skummatet fjernet af H&S 200 skimmer fra autentisk revtankvand i løbet af en uge tildeles organisk materiale. Så skimming fjerner ikke så meget af TOC til stede i akvarievand, og skimmaten indeholder ikke så meget TOC.

så hvad gør skimming? Om emnet vandrensning; den mest konservative, tilladte (men ikke overbevisende!) svar er, at skimming fjerner masser af (levende eller død? ukendt) mikroorganismer, der befolker akvarievandet, og dermed fjerner det (organiske) kulstof, fosfor og nitrogen, der udgør deres biokemiske sammensætning. Derudover kan opløste organiske forbindelser også fjernes, men dataene understøtter ikke påstanden om, at disse opløste organiske arter udgør en væsentlig mængde af de samlede fjernede organiske stoffer. Ud over disse vandrensningsfunktioner tjener skummere til at iltes vandet og lette gasudveksling generelt, hvilket er nyttige aktiviteter uafhængigt af fjernelse af organisk affald.

konklusioner

den kemiske/elementære sammensætning af skimmat genereret af en H & S 200-1260 skimmer på en 175-gallon reef tank i løbet af flere dage eller en uge havde nogle overraskelser. Kun en mindre mængde af skummet (fast + væske) kunne tilskrives organisk kulstof (TOC); omkring 29%, Og det meste af dette materiale var ikke vandopløseligt, dvs.ikke opløst organisk kulstof. Størstedelen af det genvundne skummede faste stof, bortset fra commons ioner af havvand, var CaCO3, MgCO3 og SiO2 – uorganiske forbindelser! Oprindelsen af disse arter er ikke kendt med sikkerhed, men en god sag kan gøres, at SiO2 stammer fra skaller af kiselalger. CaCO3 kan stamme fra andre planktoniske mikrober, der bærer calciumcarbonatskaller, eller kan komme fra calciumreaktorudløb. I det omfang det faste skummat består af mikroflora, ville en del af det uopløselige organiske materiale, der blev fjernet ved skimming, simpelthen være de organiske komponenter (“tarmen”) af disse mikroflora. Disse mikroflora koncentrerer p -, N-og C-næringsstoffer fra vandkolonnen, og derfor udgør deres fjernelse via skimming et middel til næringseksport.

anerkendelser

vi takker Eberly College of Science ved Pennsylvania State University og E. I DuPont de Nemours og Co. Sanjay Joshi (Penn State) og Craig Bingman til mange nyttige diskussioner.

1. Brtsinski, M. A. 1985. “Si:C:n-forholdet mellem Marine diatomer: interspecifik variabilitet og effekten af nogle miljøvariabler.”J. Physiol., 21, 347-357.
2. De La Rosa, J. M.; De La Rosa, J. A.; Hatcher, P. G.; Knicker, H.; De La Rosa, F. J. 2008. “Bestemmelse af ildfast organisk stof i Marine sedimenter ved kemisk iltning, analytisk Pyrolyse og faststof 13C kernemagnetisk resonansspektroskopi.” EUR. J. Soil Sci., 59, 430-438.
3. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. “Udviklingen af en metode til kvantitativ evaluering af Protein Skimmer ydeevne.”Avanceret Akvarist http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Yderligere undersøgelser af Protein Skimmer ydeevne.”Avanceret Akvarist
5. Mitchell-Innes, B. A.; Vinter, A. 1987. “Coccolithophores: en vigtig Fytoplanktonkomponent i Modne Opsvulmende farvande ud for Cape Peninsula, Sydafrika i marts 1983.”Marine Biol., 95, 25030.
6. Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. “avancerede instrumentelle tilgange til karakterisering af marine opløst organisk materiale: ekstraktionsteknikker, massespektrometri og nuklear magnetisk resonansspektroskopi.”Chem. Rev., 107, 419-442.
7. Mortlock, R. A.; Froelich, P. N. ” En simpel metode til hurtig bestemmelse af biogen opal i pelagiske marine sedimenter.” 1989. Dybhavsres., 36, 1415-1426.
8. Stanley, S. M.; Ries, J. B.; Hardie, L. A. 2005, “havvand Kemi, Coccolithophore befolkningsvækst, og oprindelsen af kridt kridt.”Geologi, 33, 593-596.
9. Sterner, R. V.; Andre, J. J. 2002. Økologisk Støkiometri. Princeton University Press, Princeton.
10. Tortell, P. D.; Maldonado, M. T.; pris, N. M. “heterotrofiske bakteriers rolle i Jernbegrænsede havøkosystemer.” 1996. Natur, 383, 330-332.