Elementaranalyse von Abschäumer: Was entfernt ein Eiweißabschäumer eigentlich aus Aquarienwasser?

Die eher kontraintuitive Beobachtung, dass Eiweißabschäumer nur 20 – 35% des messbaren gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) im Riffaquarienwasser entfernen (Feldman, 2009; Feldman, 2010) wirft die Frage auf: “Was ist all das “Zeug”, das sich in unseren Skimmerbechern ansammelt?” Ist es wirklich TOC oder zumindest eine labile oder “skimmable” Fraktion von TOC? Versuche, TOC-Komponenten aus authentischem Ozeanwasser zu identifizieren, stecken noch in den Kinderschuhen, und bis heute hat sich dieses Material einer detaillierten chemischen Analyse widersetzt. Jüngste Bemühungen vor allem von Hatcher und Kollegen (Mopper, 2007; De la Rosa, 2008) unter Verwendung hochentwickelter Massenspektrometrie- und Kernspinresonanzspektroskopietechniken haben gezeigt, dass authentisches Ozean-TOC aus Zehntausenden diskreter Verbindungen besteht, die chemische Vertreter aller wichtigen biochemischen Gruppen umfassen; Lipide, Peptide, Kohlenhydrate, Heterocyclen, Aromaten usw. Die Beziehung zwischen Ozean-TOC und Aquarium-TOC muss noch hergestellt werden, aber es scheint wahrscheinlich, dass das TOC in unseren Aquarien ebenso vielfältig und reich an chemischer Komplexität ist. Daher ist es ebenso unwahrscheinlich, dass in naher Zukunft ein chemischer Abbau des TOC stattfinden wird. Nichtsdestotrotz gibt es analytische Methoden, die die meisten elementaren Komponenten von TOC aufdecken und quantifizieren können und mit ein wenig chemischer Intuition die Zuordnung einiger dieser Komponenten zu chemischen Kategorien ermöglichen. Diese analytischen Methoden werden Elementaranalyse (oder Verbrennungs-) Analyse und Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma genannt. Beide Methoden sind in vielen kommerziellen Betrieben erhältlich; Wir haben Columbia Analytical Services in Tucson AZ für unsere Skimmatproben (http://www.caslab.com/) verwendet.

Experimentelle Ergebnisse

Alle Skimmatproben wurden aus dem Sammelbecher eines H & S 200-1260 Skimmers gewonnen, der auf einem 175-Gallonen-Riffbecken unter der Obhut des Autors lief. Während der Zeit dieser Sammlungen enthielt der Tank 10 Fische (Paar Pterapogon kauderni (Banggai Kardinäle), Paar Liopropoma carmabi (Bonbonbarsch), Centropyge loriculus (Flammenengel), Centropyge interrupta (japanischer Pygmäenengel), Oxycirrhites typus (Longnose hawkfish), Zebrasoma flavescens (Yellow Tang), Amblygobius bynoensis (Byno Goby) und Synchiropus splendidus (Mandarine )), etwa 40 Korallenkolonien aus den Kategorien SPS, LPS und Chalice sowie einige Dutzend Schnecken und Einsiedlerkrebse. Es waren keine Weichkorallen oder Muscheln vorhanden. Typische tägliche Fütterungen umfassten einen Würfel Hikari Mysis-Garnelen, einen Würfel PE Mysis-Garnelen, eine Prise Flockenfutter und eine Prise Pelletfutter. Dreimal wöchentlich wurden die Reef Nutrition-Produkte Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast und Arctipods verwendet und einmal pro Woche ein Blatt Nori hinzugefügt. Die Skimmerschale wurde wöchentlich gesäubert, und granulierte Aktivkohle (GAC), granuliertes Eisenoxid (GFO), ein Kalkreaktor und ein UVsterilisator alle wurden ununterbrochen benutzt. Siebzehn Prozent des Wasservolumens wurden wöchentlich gewechselt, und auch die Tankparameter wurden wöchentlich gemessen; = 1.4 ppm (1 Stunde nach der Fütterung) – 0,5 ppm (24 Stunden nach der Fütterung), = 390 – 410 ppm, = 1230 – 1260 ppm, = 3,5 – 4 meq / L, Salzgehalt = 34,5 – 36 ppt, pH = 7,8 (Lichter an) – 8,1 (Lichter aus), < 0,5 ppm, kein messbares NH4, NO2 oder PO4. Die Beleuchtung wurde von zwei 400W 14K Geissmann Metallhalogenidlampen und einer 175W 15K Iwasaki Metallhalogenidlampe in einem 8-Stunden-Ein- und 16-Stunden-Aus-Zyklus bereitgestellt. Es wurden keine Additive außer CaCl2•2H2O verwendet.

Unser erstes Experiment war darauf ausgelegt, die Zusammensetzung des wasserunlöslichen Feststoffs zu untersuchen, der mit einem Eiweißabschäumer entfernt wurde. Skimmat wurde über 4 Tage ohne Futterzugabe im Aquarium gesammelt, Abb. 1. Der flüssige und feste Inhalt des H& S 200-1260 Abschäumerbechers wurde nach dieser Zeit sorgfältig entfernt und durch anfängliche Flüssigkeitsverdampfung unter vermindertem Druck und anschließende Vakuumtrocknung bei 110 oC / 0,2 mm zur Trockne eingeengt. Dieses Verfahren entfernt effektiv fast das gesamte Wasser (siehe unten) und natürlich alle flüchtigen Bestandteile des Abschäumers. Siebzehn Gramm graubrauner Feststoff resultierten, siehe Abb. 1.

Vier Gramm dieses rohen Abschäumers wurden in 100 ml destilliertem Wasser suspendiert und mehrere Stunden kräftig gerührt. Anschließend wurde bei 6000 upm/10 min zentrifugiert, der Überstand abgegossen und verworfen. Dieser Vorgang wurde 3 mal wiederholt, und dann wurde das verbleibende Material 48 Stunden bei 110 oC / 0,2 mm vakuumgetrocknet, um 0,47 g graugrünen Feststoff zu erhalten. Beachten Sie, dass CaCO3 auf > 900 oC erhitzt werden muss, um CO2 abzubrennen. Dieser Feststoff wurde einer Elementaranalyse unterzogen, wie oben bei Columbia Analytical Services beschrieben:

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

Diese Daten können mit einer gewissen Anwendung chemischer Intuition und einigen Annahmen interpretiert werden.

1) Kalziumanalyse

17.43 Gew.-% Ca bedeutet, dass die Gesamtmenge an Ca in der 470 mg Probe 82 mg beträgt. Unter der Annahme, dass das gesamte Ca in Form von Calciumcarbonat (CaCO3, MW = 100) vorliegt, enthalten die 470 mg getrocknetes Skimmat 205 mg (44%) CaCO3. Da Kohlenstoff 12 Gew.-% CaCO3 beträgt, enthalten die 470 mg getrocknetes Skimmat ~ 25 mg (~ 5,2%) (anorganischen) Kohlenstoff, der aus dem Calciumcarbonat stammt.

2) Magnesiumanalyse

1,35 Gew.-% Mg bedeutet, dass die Gesamtmenge an Mg in der 470-mg-Probe 6,3 mg beträgt. Unter der Annahme, dass all dieses Mg in Form von Magnesiumcarbonat vorliegt (MgCO3, MW = 84), enthält das 470 mg getrocknete Skimmat 22 mg (~ 4,7%) MgCO3. Da Kohlenstoff 14 Gew.-% MgCO3 beträgt, enthält das 470 mg getrocknete Skimmat ~ 3 mg (~ 0,7%) (anorganischen) Kohlenstoff, der aus dem Magnesiumcarbonat stammt.

3) Stickstoffanalyse

Lebende Organismen sind ~ 5 – 9% nach Trockengewicht Stickstoff (wir verwenden 7% der Einfachheit halber), (Sterner, 2002) und so, wenn wir anorganische Stickstoffquellen vernachlässigen (NH4, NO3 und NO2, die im Tankwasser unermesslich niedrig sind), die 2.22 Gew.-% Stickstoff bedeuten, dass 10,4 mg Stickstoff in den 470 mg Skimmat enthalten sind, was 149 mg (~ 32%) organischem Material entspricht.

4) wasserstoff analyse

Lebenden organismen sind ~ 7% durch trocken gewicht wasserstoff. (Sterner, 2002) Die 2,39 Gew.-% Wasserstoff bedeuten, dass 11,2 mg Wasserstoff in den 470 mg Skimmat enthalten sind, was 160 mg (~ 34%) organischem Material entspricht. Vergleichen Sie diesen Wert mit der stickstoffanalytischen Vorhersage von organischen Stoffen aus (3); 32% – sehr enge Übereinstimmung!

5) Kohlenstoffanalyse

21.08 Gew.-% C bedeutet, dass die Gesamtmenge an C, die in der 470 mg-Skimmatprobe vorhanden ist, 99 mg beträgt. Subtrahiert man die Menge an C vom CaCO3-Beitrag (25 mg C) und dem MgCO3-Beitrag (3 mg C), bleiben 71 mg C übrig. Was ist die Quelle dieses Kohlenstoffs? Zwei Möglichkeiten scheinen wahrscheinlich; ausgestoßener Partikelkohlenstoff aus dem GAC-Filter oder TOC aus organischen Quellen. Lebende Organismen bestehen zu 40 – 50% aus trockenem Kohlenstoff (der Einfachheit halber verwenden wir 45%) (Sterner, 2002). Wenn alle 71 mg Kohlenstoff aus organischen Quellen (= TOC) stammten, wären ~ 158 mg (~ 34%) organisches Material vorhanden. Vergleichen Sie diesen Wert sowohl mit der auf Stickstoffanalyse basierenden Vorhersage von organischen Stoffen aus (3); 149 mgs (~ 32%) als auch mit der auf Wasserstoffanalyse basierenden Vorhersage aus (4); 160 mgs von TOC (34%). Die Übereinstimmung zwischen der TOC-kohlenstoffbasierten Berechnung und den unabhängigen wasserstoff- und stickstoffbasierten Berechnungen kann nicht ignoriert werden. Somit gibt es
keine Hinweise darauf, dass die verbleibenden 71 mg Kohlenstoff organischen Quellen als TOC zugeschrieben werden können; es gibt keinen Grund, GAC-Filter-Ejekta als Quelle für diesen Kohlenstoff anzurufen.

6) Siliziumanalyse

Das 4,76 Gew.-% ige Silizium, das in den 470 mg Skimmat enthalten ist, legt nahe, dass insgesamt 22,4 mg Si vorhanden sind. Wenn wir annehmen, dass das Si durch biogenen Opal aus den Skeletten von Kieselalgen beigetragen wird (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), dann befindet sich das Si in einem hydratisierten Polymer von SiO2 (ca. molekulare Formel für Opal ist SiO2•0.4H2O, 42% Si durch Masse). Daher können wir die Menge an biogenem Opal als 53 mg (~ 11%) annähern.

7) Phosphoranalyse

Die 0,16 Gew.-% P, die in den 470 mg trockenem Skimmat enthalten sind, bedeuten, dass 0,75 mg P vorhanden sind. Angenommen, das gesamte P ist als Phosphat, PO43- (MW = 95, unbekanntes Gegenion) vorhanden, dann sind ~ 2,3 mg (~ 0,5%) PO43- in den 470 mg trockenem Skimmat vorhanden. Diese Menge entspricht ~ 4900 ppm Phosphat, was weit mehr ist als die < 0,02 ppm Phosphat im Tankwasser. Somit konzentriert Skimming Phosphat.

Zusammenfassung der Elementaranalyse

Zusammenfassend zieht der Abschäumer eine feste, wasserunlösliche Mischung von Verbindungen heraus, die nach Gewicht aus (ungefähr):

• 44 % CaCO3
• 5% MgCO3
• 11% biogenes Opal
• 34% organisches Material
• 0,5% Phosphat

Daher entfallen insgesamt ~ 95% des trockenen wasserunlöslichen Skimmats! Was sind die Quellen dieser chemischen Verbindungen im Abschäumer? Der biogene Opal stammt wahrscheinlich aus den Schalen von Kieselalgen, kleinen Mitgliedern der Phytoplanktonfamilie der Meeresmikroben. Das CaCO3 (und MgCO3) könnte sowohl biogene als auch abiologische Quellen haben. Ein Kalkreaktor war während der gesamten experimentellen Skimmatsammelperiode in Betrieb, und so könnte ein Teil des CaCO3 nur Mikropartikel sein, die von diesem Gerät emittiert werden. Alternativ könnte das CaCO3 aus den Schalen planktonischer Mikroben aus den Familien Coccolithophor (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) und Foraminiferen entstehen. Diese Planktonkomponenten sind unter bestimmten Bedingungen im Meerwasser vorherrschend, ihre Anwesenheit im Aquarienwasser wurde jedoch nicht nachgewiesen. Es ist derzeit nicht möglich, zwischen diesen biologischen und abiologischen CaCO3-Quellen zu unterscheiden. Zukünftige Experimente in
, bei denen Skimmat ohne laufenden Kalkreaktor gesammelt wird, könnten etwas Licht in diesen Punkt bringen. Das im Abschäumer enthaltene Phosphat konnte nicht von anorganischem Phosphat in der Wassersäule stammen; dieses Ion wäre durch das gründliche Waschen mit Wasser entfernt worden. Es ist möglich, dass ein Teil dieses Phosphats in Form von unlöslichem Calciumphosphat vorliegt, aber dieses Auftreten wäre unwahrscheinlich, da Ca3 (PO4) 2 bei einem ziemlich hohen pH-Wert gebildet wird, der für die Skimmatflüssigkeit nicht charakteristisch ist (pH = 7,67, siehe unten). Standardmäßig wird es dann höchstwahrscheinlich von organischem Phosphat abgeleitet; das heißt, viele Biochemikalien in Kieselalgen und allen anderen lebenden Organismen (Coccolithophoren, Foraminiferen, Bakterien, Menschen usw.) haben Phosphatgruppen gebunden. Aquarienorganismen rekrutieren diese Phosphatmoleküle aus dem anorganischen Phosphat in der Wassersäule und binden sie dann an die organischen Biochemikalien. So konzentrieren sie effektiv Phosphat aus dem Wasser, und dieses
Phosphat wird dann (innerhalb des intakten Organismus) beim Abschöpfen entfernt. Aus dieser Perspektive trägt Skimming zur Entfernung von anorganischem Phosphat aus Aquarienwasser bei.

Eine interessante und vielleicht unerwartete Beobachtung ist, dass nur 34% dieses festen Skimmatmaterials dem “organischen Kohlenstoff”, TOC, zugeordnet werden können. Somit sind 2/3 des festen, wasserunlöslichen Teils des Skimmats kein TOC, sondern anorganisches Material, das biogenen Ursprungs sein kann (oder auch nicht). Wenn eine erhebliche Menge dieses anorganischen Materials aus den Schalen von Plankton stammt, liegt es nahe, dass ein großer Teil des nachgewiesenen organischen Materials (TOC) wahrscheinlich den “Darm” dieser Organismen ausmacht. So ist vielleicht nicht so viel von dem TOC, das durch Skimming entfernt wird, tatsächlich frei schwebende organische Moleküle. Eine Einschränkung dieser Interpretation ist natürlich die Tatsache, dass ~ 90% des rohen ursprünglichen Skimmats mit Wasser weggespült wurden. Möglicherweise enthielt diese wasserlösliche Fraktion signifikante Mengen gelösten organischen Kohlenstoffs, die durch die obige Analyse nicht entdeckt würden.

Eine zweite, umfassendere chemische Skimmatanalyse wurde durchgeführt, um dieses Problem zu beheben. In diesem Experiment wurde der Tank täglich mit einer Mischung aus PE- und Hikari Mysis-Garnelen, Ocean Nutrition Formula 1-Flocken, Omega One Veggie-Flocken und Aqueon Marine-Granulat wie oben beschrieben gefüttert. Diese tägliche Fütterung betrug ein Trockengewicht (110 oC / 0,2 mm für 48 Stunden) von 0,87 gms / Tag. Während dieses Experiments wurden keine Reef Nutrition-Produkte verwendet. Nach 7 Tagen dieses Fütterungsregimes wurde das mit dem Skimmer H& S 200-1260 gesammelte feste und flüssige Skimmat vorsichtig aus dem Skimmerbecher entfernt und durch Zentrifugation (6000 U / min, 40 min) getrennt. Der hellbraune klare Überstand wurde abgegossen und sein Volumen gemessen; 125 ml. Der feste Rückstand wurde 24 Stunden bei 110 oC/0,2 mm im Vakuum getrocknet = > 5,18 g brauner Feststoff. 110 ml der Flüssigkeit wurden unter vermindertem Druck eingeengt und dann vakuumgetrocknet (110 oC/0,2 mm/24 h), um 2,91 g braunen Feststoff zu erhalten (=>
3,31 g Feststoff aus den ursprünglichen 125 ml der gewonnenen Flüssigkeit). Die 15 ml des verbleibenden flüssigen Skimmats wurden mit einem Salifert-Testkit auf Alkalität untersucht: = 8,0 meq / L. Zusätzlich zeigte der Brechungsindex von 1,023 einen Salzgehalt von 31 ppt und einen pH-Wert von 7,67 an. Ein Endpunkt konnte mit den Ca- oder Mg-Salifert-Kits, dem Merck-Phosphat-Kit oder dem Salifert-NO3-Kit aufgrund der störenden hellbraunen Farbe der Skimmatflüssigkeit nicht nachgewiesen werden. Beachten Sie, dass die außerordentlich hohe Messung nicht unbedingt darauf hindeutet, dass die Konzentrationen von HCO3 – oder CO32 – hoch sind; Es kann organische saure Carboxylate aus dem TOC-Pool geben, die durch diesen Alkalitätstest nachgewiesen werden (siehe unten).

Der Feststoff, der aus der Verdampfung des flüssigen Teils des Skimmats gewonnen wurde, sowie der nach der Zentrifugation erhaltene Feststoff wurden beide der Columbia Analytical Services zur Elementaranalyse vorgelegt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 tabellarisch dargestellt. Darüber hinaus wurde das getrocknete Lebensmittel auf ausgewählte Elemente analysiert. Der Gehalt an natürlichen Meerwasserelementen ist zum Vergleich enthalten.

Tabelle 1. Ergebnisse der Elementaranalysen von Abschäumer- und Lebensmittelproben.

Element	Festes Skimmat (Gewicht %)	Flüssiges Skimmat (Gewicht %)	Natürliches Meerwasserfeststoffe (Gewicht %)	Lebensmittel (Gewicht %)
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
Wenn	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

Lebensmittelanalyse

Das ausgetrocknete Lebensmittel wurde auf Phosphor-, Kupfer- und Jodgehalt untersucht. In diesen Analysen wurden weder Kupfer noch Jod registriert; Es dürfen nicht mehr als 100 ppb davon im Lebensmittel enthalten sein. Der Phosphorgehalt war jedoch nachweisbar und 1,57 Gew.-% P entspricht ca. 14 mg pf Phosphor in den täglich dem Tank zugeführten 0,87 g Trockenfutter. Angenommen, das gesamte P ist als Phosphat, PO43- (MW = 95) vorhanden, dann sind ~ 42 mg (~ 5%) PO43- in den 0,87 g getrockneten Lebensmitteln vorhanden. Beachten Sie, dass die gefrorenen Mysis-Garnelenwürfel bis zum Auftauen gründlich mit Leitungswasser gewaschen wurden, sodass der Phosphatgehalt im Wasser zum Einfrieren reduziert werden kann. Die tägliche Phosphatzugabe von 42 mg zu den 168 Gallonen des Aquarienwasservolumens entspricht einer nominellen Zugabe von ungefähr 0,06 ppm Phosphat pro Tag. Da die Merck Phosphat-Testkit-Analyse einen Phosphatgehalt von < 0,02 ppm (Testkit-Grenze) anzeigt, scheint das zugesetzte Phosphat leicht aus der Wassersäule entfernt zu werden.

Skimmate Flüssigkeitsanalyse

1) Schwefelanalyse

die 2.47 Gew.-% Schwefel, der in den 3,31 g Feststoff aus der Skimmatflüssigkeit enthalten ist, entspricht ungefähr 82 mg S. Dieser Schwefel stammt höchstwahrscheinlich aus Sulfat, SO42- (MW = 96, 33 Gew.-% S). Es gibt sicherlich eine kleine Menge an “organischem” Schwefel im DOC, aber das wird wahrscheinlich nicht viel zum Gesamtschwefelanteil beitragen, da Schwefel nur ~ 0,1% des Trockengewichts lebender Materie ausmacht. (Sterner, 2002) So entsprechen 82 mg S im getrockneten flüssigen Skimmat 248 mg (7,5%) Sulfat in der getrockneten Skimmatflüssigkeit.

2) Stickstoffanalyse

Die 0.68% Trockengewicht Stickstoff in den 3,31 g getrockneter Skimmatflüssigkeit entspricht 23 mg N. Quellen des Stickstoffs umfassen organische Substanz (DOC) und natürlich anorganische Ionen; Ammonium (NH4 +), Nitrit (NO2–) und Nitrat (NO3–). Da im Aquarienwasser im Wesentlichen kein messbares (d.h. < 1 ppm) NH4, NO2 oder NO3 vorhanden ist, kann der Stickstoff im Abschäumer in erster Näherung auf “organischen” Stickstoff zurückgeführt werden. Da organisches Material, das aus lebenden Quellen stammt, ungefähr 7% Trockengewichtsstickstoff enthält (siehe oben), legen die 23 mg N, die in der Skimmatflüssigkeit vorhanden sind, nahe, dass insgesamt ungefähr 329 mg (~ 10%) organisches Material vorhanden sind.

3) Kohlenstoffanalyse

Die in den 3,31 g getrockneter Skimmatflüssigkeit enthaltenen 4,50 Gew.-% Kohlenstoff entsprechen 149 mg vorhandenem C. Kohlenstoffquellen in der Skimmatflüssigkeit umfassen anorganischen Kohlenstoff als Teil der Carbonatgleichgewichte, organischen Kohlenstoff (DOC) und Kohlenstoffpartikel, die aus dem GAC-Filter ausgestoßen werden. Basierend auf dem oben in (5) vorgebrachten Argument scheint es unwahrscheinlich, dass der GAC-Filter eine Quelle dieses Kohlenstoffs ist. Es ist nicht möglich, anhand der elementaranalytischen Messung oder der unabhängigen Messung zwischen den beiden verbleibenden Quellen zu unterscheiden, da letztere (organische) Carboxylate sowie die anorganischen Formen Bicarbonat HCO3– und Carbonat CO32- nachweisen. Es ist jedoch möglich, eine Obergrenze für den anorganischen Gehalt (Bicarbonat und Carbonat) der Skimmatflüssigkeit aus der Salifert-Alkalitätsmessung festzulegen. Die gemessene Alkalität über einen Salifert-Testkit betrug 8 meq/L. Geht man bei der Einstellung dieser Obergrenze davon aus, dass die gesamte Alkalität auf das Carbonatsystem zurückzuführen ist, so entsprechen 8,0 meq/L 1,0 mmol Alkalität in den aus dem Zentrifugationslauf gesammelten 125 ml Skimmatflüssigkeit. Wenn wir ferner annehmen, dass die gesamte Alkalität in Form von Bicarbonat vorliegt, HCO3– (tatsächlich bei pH = 7,67 etwa 96% des vorhandenen Carbonats), dann hätten wir 1,0 mmol oder 61 mg HCO3– in den 3,31 g getrockneter Skimmatflüssigkeit. So würden maximal 61 mg HCO 3– (= 20 Gew.-% C) nur 12 mg der insgesamt 149 mg Kohlenstoff in der getrockneten Skimmatflüssigkeit ausmachen. In diesem Szenario würden 137 mg des gemessenen Kohlenstoffs dann aus organischen Quellen stammen. Unter Verwendung der Schätzung, dass organisches Material, das aus lebenden Quellen stammt, 45% Kohlenstoff enthält, würde die Menge an DOC in der getrockneten Skimmatflüssigkeit 304 mg (~ 9%) betragen; nicht zu weit weg von der Stickstoffanalysezahl von ~ 10% organischem Material. Wenn im anderen Extremfall die gesamte gemessene Alkalität organischen Carboxylaten zugeschrieben werden könnte (im Durchschnitt C18-Spezies annehmen, also C = 76% der Carboxylatmasse), dann würden die 1,0 mmol Alkalität 283 mg organischen Carboxylaten entsprechen, von denen 76% (= 215 mg) Kohlenstoff wären. Da der gemessene Gesamtkohlenstoff nur 149 mgs betrug, ist dieses letztere Szenario natürlich unmöglich. Höchstwahrscheinlich können ~ 3 oder 4 meq / L der Alkalität HCO zugeordnet werden3–, der verbleibende organische Kohlenstoff beträgt also etwa 143 mgs => 318 mgs (~ 10%) organisches Material – der gleiche Wert, der aus der Stickstoffberechnung abgeleitet wurde.

4) Wasserstoffanalyse

Die 1,33 Gew.-% Wasserstoff in der 3,31 g Probe getrockneter Skimmatflüssigkeit bedeuten, dass 44 mg H vorhanden sind. Dieser Wasserstoff kann aus biologisch abgeleiteten organischen Quellen, anorganischen Quellen (HCO3– und HSO4–) und möglicherweise aus Wasser, das bei unvollständiger Trocknung zurückbleibt, beigesteuert werden. Wenn der gesamte gemessene Wasserstoff nur aus biologisch abgeleiteten organischen Quellen stammt (bei ~ 7% Trockengewicht Wasserstoff), würden wir vorhersagen, dass die getrocknete Skimmatflüssigkeit ungefähr 629 mg (~ 19%) organisches Material enthält. Dieser Wert ist im Vergleich zu den Werten für Stickstoff und Kohlendioxid eindeutig zu groß, so dass zumindest ein Teil des Wasserstoffs entweder aus anorganischen Ionen oder aus Wasser stammen muss. Die Mengen, die aus Bicarbonat HCO3– und Kohlensäure H2CO3 beigesteuert werden, sind angesichts ihrer relativ geringen Konzentrationen vernachlässigbar (siehe Kohlenstoffanalyse oben). Zusätzlich bei pH = 7.67 gibt es eine verschwindend geringe Menge an Bisulfat, HSO4–; sein pKa = 1,9. Es ist also wahrscheinlich, dass die flüssige Skimmatprobe nicht vollständig getrocknet wurde und der verbleibende Wasserstoff wahrscheinlich aus dieser Quelle stammt. Da aus der Stickstoffanalyse hervorgeht, dass der aus der Skimmatflüssigkeit abgeleitete Feststoff etwa 329 mg organisches Material enthält und organisches Material etwa 7% Wasserstoff ist, beträgt der aus diesem organischen Material beigesteuerte Wasserstoff etwa 23 mg des festen Rückstands. Wenn der verbleibende gemessene Wasserstoff (44 – 23 = 21 mg) aus H2O stammt, sind 189 mg (~ 6%) Wasser vorhanden.

5) Siliziumanalyse

Die 1,40 Gew.-% Silicium in den 3,31 g Feststoff, die aus der Skimmatflüssigkeit gewonnen werden, ergeben 46 mg Silicium. Dieses Silicium kann sich entweder von wasserlöslicher Orthokieselsäure (Si(OH)4, 29% Si, 4% H) oder von biogenem Opal, der wie oben beschrieben die Schale von Kieselalgen bildet, ableiten (ca. molekulare Formel für Opal ist SiO2•0.4H2O, 42% Si, 1% H). Beachten Sie, dass in beiden Fällen die Menge an Wasserstoff, die von beiden Si-Quellen beigetragen wird, winzig ist (~ 0.04 Gew.-% des abgeleiteten Feststoffs der ursprünglichen Skimmatflüssigkeit) und beeinflusst die obigen Schlussfolgerungen der Wasserstoffanalyse kaum. Es ist nicht möglich zu bestimmen, wie viel Silizium aus anorganischer Orthokieselsäure stammt und wie viel den Schalen von Kieselalgen zugeschrieben werden kann, aber der Prozentsatz an Silizium in jedem ist nicht so unterschiedlich, und so werden wir einen Durchschnittswert (36%) verwenden, um die Menge an “SiOxHy” im abgeleiteten Feststoff der rohen Skimmatflüssigkeit zu berechnen; Ungefähr 128 mg (~ 4%) des Feststoffs
der Skimmatflüssigkeit ist eine Form von Silikat, SiOxHy.

Insgesamt kann also der aus der Konzentration der Skimmatflüssigkeit abgeleitete Feststoff in:

• Anorganische Ionen (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42-, HCO3-, SiOxHy) 87%
• Gelöster organischer Kohlenstoff 10%
• Wasser 6%
• Gesamt 103%

Wir haben also den theoretischen Maximalgehalt von 100% um 3% überschritten; nicht schlecht, angesichts der vielen Näherungen und Annahmen, die in die Erfassung dieser Prozentsätze einflossen. Die Quintessenz ist jedoch, dass die Skimmatflüssigkeit hauptsächlich die üblichen anorganischen Ionen enthält, die die Hauptionen im Meerwasser darstellen. Nur eine geringe Menge dieses Materials kann wohl dem gelösten organischen Kohlenstoff zugeordnet werden, DOC.

Die chemische Analyse der 5,18 g Skimmatfeststoff folgt einem ähnlichen Ansatz wie der für den oben diskutierten stark gewaschenen Skimmatfeststoff beschriebene. In diesem Fall wurde der Feststoff jedoch nicht wiederholt gewaschen, so dass einige wasserlösliche Verbindungen bestehen bleiben, obwohl der größte Teil des Wassers wahrscheinlich durch Vakuumtrocknung entfernt wurde. Diese wasserlöslichen Spezies bestehen aus 3,45 Gew.- % Natrium, 0,40 Gew.- % Chlorid, 0,38 Gew.- % Kalium und 1,18 Gew.- % Schwefel (= 3,6 Gew.- % Sulfat). Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass zumindest ein Teil der gemessenen Ca, Mg, C (als HCO3) und P aus wasserlöslichen Verbindungen zusätzlich zu Verbindungen innerhalb des unlöslichen Feststoffs stammen könnte, aber die Gesamtmengen des wasserlöslichen Anteils dieser speziellen anorganischen Ionen sind wahrscheinlich gering, da das am häufigsten vorkommende Ion, Natrium, nur 3,45 Gew.-% des isolierten Feststoffs beträgt (Na / Ca = 28 in Meerwasser). In erster Näherung werden wir also ihren Beitrag zum wasserlöslichen anorganischen Teil des festen Skimmats vernachlässigen. Unter diesem Gesichtspunkt enthält der getrocknete Skimmatfeststoff etwa 8 Gew.-% normalerweise wasserlösliche anorganische Ionen.

1) Calciumanalyse

10,52 Gew.-% Ca bedeutet, dass die Gesamtmenge an Ca in der 5,18 mg Probe 545 mg beträgt. Unter der Annahme, dass im Wesentlichen das gesamte Ca in Form von wasserunlöslichem Calciumcarbonat (CaCO3, MW = 100) vorliegt, enthalten die 5,18 mg getrocknetes Skimmat 1,36 g (26 %) CaCO3. Da Kohlenstoff 12 Gew.-% CaCO3 beträgt, enthalten die 5,18 g getrocknetes Skimmat ~ 163 mg (~ 3,2%) (anorganischen) Kohlenstoff, der aus dem Calciumcarbonat stammt.

2) Magnesiumanalyse

1,99 Gew.-% Mg bedeutet, dass die Gesamtmenge an Mg in der 5,18 g-Probe 103 mg beträgt. Unter der Annahme, dass all dieses Mg in Form von Magnesiumcarbonat vorliegt (MgCO3, MW = 84), enthält das 5,18 g getrocknete Skimmat 361 mg (~ 7,0%) MgCO3. Da Kohlenstoff 14% (nach Gewicht) von MgCO3 ist, dann die 5.18 g getrocknetes Skimmat enthalten ~ 51 mg (~ 1 %) (anorganischen) Kohlenstoff, der aus dem Magnesiumcarbonat stammt.

3) Stickstoffanalyse

Lebende Organismen sind ~ 5 – 9% Trockengewichtsstickstoff (wir verwenden 7% der Einfachheit halber), (Sterner, 2002) und so, wenn wir anorganische Stickstoffquellen vernachlässigen (NH4, NO3 und NO2, die im Tankwasser unermesslich niedrig sind), bedeuten die 2,72 Gew.-% Stickstoff, dass 141 mg Stickstoff in den 5,18 g Skimmat-Feststoff enthalten sind, die berechnet zu 2,01 gms (~ 39%) von organischen material vorhanden.

4) wasserstoff analyse

Lebenden organismen sind ~ 7% durch trocken gewicht wasserstoff. (Sterner, 2002) Die 2,37 Gew.-% Wasserstoff bedeuten, dass 123 mg Wasserstoff in den 5,18 g Skimmat-Feststoff enthalten sind, was 1,75 g (~ 34%) organischem Material entspricht. Vergleichen Sie diesen Wert mit der auf Stickstoffanalyse basierenden Vorhersage von organischen Stoffen aus (3); 39% organischer Kohlenstoff. In diesem Fall sind die Wasserstoffergebnisse den stickstoffbasierten Ergebnissen nicht so nahe wie in den beiden vorhergehenden Analysen, aber sie sind nicht so weit entfernt. Diese Wasserstoffanalyse geht davon aus, dass kein Wasser vorhanden ist, oder ein Teil des H wäre auf Wasser und nicht auf organische Stoffe zurückzuführen, und die H-basierte organische Berechnung wäre noch kleiner.

5) Kohlenstoffanalyse

22,50 Gew.-% C bedeutet, dass die Gesamtmenge an C in der 5,18 g-Skimmatprobe 1,17 g beträgt. Subtrahiert man die Menge an C vom CaCO3-Beitrag (163 mg C) und dem MgCO3-Beitrag (51 mg C), bleiben 952 mg C übrig. Wenn wir den GAC-Filter erneut als Quelle für diesen Kohlenstoff abwerten, dann die meisten (alle?) dieses Kohlenstoffs stammt aus “organischen” Quellen. Da lebende Organismen zu 40 – 50% aus trockenem Kohlenstoff bestehen (der Einfachheit halber verwenden wir 45%) (Sterner, 2002), bedeuten 952 mg organisches C, dass ~ 2,12 g (~ 41%) organisches Material vorhanden sind. Der Vergleich mit den von Stickstoff (39% organisch) und Wasserstoff (34% organisch) abgeleiteten Werten liefert ein konsistentes Bild des organischen Gehalts.

6) Siliziumanalyse

Das 8,94 Gew.-% ige Silizium, das in den 5,18 g Skimmat-Feststoff enthalten ist, legt nahe, dass insgesamt 463 mg Si vorhanden sind. Wenn wir annehmen, dass das Si durch biogenen Opal aus den Skeletten von Kieselalgen beigetragen wird (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), dann befindet sich das Si in einem hydratisierten Polymer von SiO2 (ca. molekulare Formel für Opal ist SiO2•0.4H2O, 42% Si durch Masse). Daher können wir die Menge an biogenem Opal als 1,10 g (~ 21%) annähern.

7) Phosphoranalyse

Die 0,46 Gew.-% P, die in den 5,18 gms trockenem Skimmatfeststoff enthalten sind, bedeuten, dass 24 mg P vorhanden sind. Angenommen, das gesamte P ist als Phosphat, PO43- (MW = 95, unbekanntes Gegenion) vorhanden, dann gibt es ~ 74 mgs (~ 1.4 %) von PO43- vorhanden in den 5,18 g trockenem Skimmatfeststoff. Diese Menge entspricht ~ 14300 ppm Phosphat, was wiederum deutlich mehr ist als die < 0,02 ppm Phosphat im Tankwasser.

8) Eisenanalyse

Die 0,93 Gew.-% Fe in den 5,18 gms getrocknetem Skimmatfeststoff betragen 48 mg Fe. Anorganische Eisensalze sind in Wasser ziemlich unlöslich, und daher ist es wahrscheinlich, dass fast das gesamte Eisen entweder “organisches” Eisen ist, das sich in den Körpern von Mikroben wie Bakterien usw. befindet. oder es handelt sich um kolloidale Eisenpartikel, die aus dem GFO-Reaktor ausgestoßen werden. Das Kohlenstoff-Eisen-Gewichts-Prozent-Verhältnis des Skimmats von 24 kann mit den Trockengewichts-C: Fe-Verhältnissen mehrerer Planktonorganismen verglichen werden: heterotrophe Bakterien: 28500: 1, Cyanobakterien: 11250: 1, eukaryotisches Phytoplankton: 71250: 1. (Tortell, 1996). Da das nachgewiesene Fe: C-Verhältnis das 10000-fache von planktonischen Arten beträgt, ist es höchst unwahrscheinlich, dass ein Großteil des entrahmten Eisens “organischen” Ursprungs ist. Ein wahrscheinlicheres Szenario ist, dass partikuläres Eisenoxid aus dem GFO-Reaktor ausgestoßen wird und dieses Material dann den größten Teil des vom Abschäumer entfernten Eisens ausmacht. Eisenoxid hat eine nominale chemische Formel von Fe2O3,
und es ist ungefähr 70% Eisen nach Gewicht. So entsprechen die 48 mg Eisen im Skimmatfeststoff etwa 69 mg Fe2O3 (~ 1,3 Gew.-%).

Zusammenfassend zieht der Abschäumer eine feste Mischung von Verbindungen heraus, die nach Gewicht aus (ungefähr):

• 8% anorganische Ionen
• 26 % CaCO3
• 7% MgCO3
• 21% biogenes Opal (SiO2)
• 38% organisches Material
• 1,5% Phosphat
• 1.3% Eisenoxid

Diese Materialien summieren sich auf ~ 103%, was dem theoretischen Maximum von 100% ziemlich nahe kommt. Etwaige Abweichungen lassen sich leicht durch die numerische Unsicherheit erklären, die durch alle Annahmen eingeführt wird. Das heißt, selbst mit allen in dieser Analyse zitierten Annahmen und Näherungen ergibt sich die Gesamtsumme der Masse innerhalb von 3% von “perfekt”. Auch hier ist das im Skimmat-Feststoff abgetrennte organische Material eine untergeordnete Komponente, wenn auch mit durchschnittlich 38% (C vs. N vs. H-Analyse), ist es ein wenig höher als der 34% -Wert, der von der stark gewaschenen Skimmat-Feststoffprobe abgeleitet wurde, und viel höher als die Menge an DOC in der flüssigen Fraktion (~ 10%). Insgesamt enthalten die 8,49 g Gesamtfeststoffe, die während der Woche des Abschäumens entfernt wurden, ungefähr 318 mg wasserlösliche organische Stoffe (~ 4%) und ungefähr 2,12 g wasserunlösliche organische Stoffe (~ 25%). Somit ist der Großteil der durch Abschöpfen entfernten organischen Stoffe mit großem Abstand nicht DOC (gelöster organischer Kohlenstoff). Die anorganischen Verbindungen CaCO3 und SiO2 bilden den Großteil der Skimmatfeststoffmasse, ähnlich wie in der zuerst analysierten stark gewaschenen Skimmatprobe. Wie in dieser Analyse erläutert, ist die Quelle dieser Verbindungen aus diesen Daten nicht zuordenbar, aber eine biologische Quelle für das SiO2 (biogener Opal), Kieselalgenschalen, ist wahrscheinlich. Das CaCO3 kann sowohl aus anorganischen Quellen (d. H. Calciumreaktor-CaCO3-Partikelausstoß) als auch aus organischen Quellen (den Schalen von Foraminiferen und / oder Coccolithophoren) stammen.

Eine der überraschenden Beobachtungen aus den ursprünglichen Abschäumerleistungsstudien ist, dass nur etwa 20 – 35% des messbaren TOC im Aquarienwasser durch Abschöpfen entfernt werden. Diese Beobachtung mag jetzt etwas weniger überraschend erscheinen, wenn man sie im Kontext der Skimmate-Komponentenanalyse betrachtet. Somit können nur ~ 29 % (25% aus dem Feststoff + 4% aus der Flüssigkeit) des vom H& S 200 Skimmer aus authentischem Riffaquariumwasser im Laufe einer Woche entfernten Abschäumers organischem Material zugeordnet werden. Das Abschöpfen entfernt also nicht so viel von dem im Aquarienwasser vorhandenen TOC, und das Abschöpfen enthält nicht so viel TOC.

Was genau macht Skimming? Zum Thema Wassersanierung; die konservativste, zulässige (aber nicht zwingend!) antwort ist, dass Skimming viele (lebende oder Tote) entfernt? unbekannt) Mikroorganismen, die das Aquarienwasser bevölkern, und entfernt dabei den (organischen) Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff, die ihre biochemische Zusammensetzung ausmachen. Darüber hinaus können auch gelöste organische Verbindungen entfernt werden, aber die Daten stützen nicht die Annahme, dass diese gelösten organischen Arten einen Großteil der gesamten entfernten organischen Stoffe ausmachen. Zusätzlich zu diesen Wasserreinigungsfunktionen dienen Skimmer dazu, das Wasser mit Sauerstoff zu versorgen und den Gasaustausch im Allgemeinen zu erleichtern, was nützliche Aktivitäten unabhängig von der Entfernung organischer Abfälle darstellt.

Schlussfolgerungen

Die chemische / elementare Zusammensetzung des Abschäumers, das von einem H & S 200-1260-Abschäumer an einem 175-Gallonen-Riffbecken im Laufe mehrerer Tage oder einer Woche erzeugt wurde, hatte einige Überraschungen. Nur eine geringe Menge des Skimmats (fest + flüssig) konnte organischem Kohlenstoff (TOC) zugeschrieben werden; etwa 29%, und der größte Teil dieses Materials war nicht wasserlöslich, dh es war kein gelöster organischer Kohlenstoff. Der Großteil des zurückgewonnenen Abschäumerfeststoffs bestand, abgesehen von den Ammoniumionen des Meerwassers, aus CaCO3, MgCO3 und SiO2 – anorganischen Verbindungen! Der Ursprung dieser Arten ist nicht mit Sicherheit bekannt, aber ein guter Fall kann gemacht werden, dass die SiO2 stammt aus den Schalen von Kieselalgen. Das CaCO3 könnte von anderen planktonischen Mikroben abgeleitet sein, die Kalziumkarbonatschalen tragen, oder könnte aus Kalkreaktorabwässern stammen. In dem Maße, in dem das feste Skimmat aus Mikroflora besteht, wäre ein Teil des unlöslichen organischen Materials, das durch Abschöpfen entfernt wird, dann einfach die organischen Komponenten (die “Eingeweide”) dieser Mikroflora. Diese Mikroflora konzentriert P-, N- und C-Nährstoffe aus der Wassersäule, so dass ihre Entfernung durch Abschöpfen ein Mittel zum Nährstoffexport darstellt.

Danksagung

Wir danken dem Eberly College of Science an der Pennsylvania State University und E. I DuPont de Nemours and Co. Sanjay Joshi (Penn State) und Craig Bingman (U. Wisconsin) für viele hilfreiche Diskussionen.

1. Brzezinski, M. A. 1985. “Das Si: C: N-Verhältnis mariner Kieselalgen: Interspezifische Variabilität und die Wirkung einiger Umweltvariablen.” 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. “Bestimmung von feuerfesten organischen Stoffen in marinen Sedimenten durch chemische Oxidation, analytische Pyrolyse und Festkörper-13C-Kernspinresonanzspektroskopie.” EUR. J. Boden Sci., 59, 430-438.
3. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. “Die Entwicklung einer Methode zur quantitativen Bewertung der Abschäumerleistung.” Fortgeschrittener Aquarianer http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Weitere Studien zur Eiweißabschäumerleistung.” Fortgeschrittener Aquarianer
5. Mitchell-Innes, B. A.; Winter, A. 1987. “Coccolithophoren: eine wichtige Phytoplanktonkomponente in reifen Auftriebsgewässern vor der Kaphalbinsel, Südafrika im März 1983.” Marine Biol., 95, 25030.
6. Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, JD; Bialk, HM; Hatcher, PG “Fortgeschrittene instrumentelle Ansätze zur Charakterisierung mariner gelöster organischer Stoffe: Extraktionstechniken, Massenspektrometrie und Kernspinresonanzspektroskopie.” Chem. Offenbarung, 107, 419-442.
7. Mortlock, R. A.; Froelich, P. N. “Eine einfache Methode zur schnellen Bestimmung von biogenem Opal in pelagischen marinen Sedimenten.” 1989. Deep-Sea Res., 36, 1415-1426.
8. Stanley, S. M.; Ries, J. B.; Hardie, L. A. 2005, “Meerwasserchemie, Coccolithophore Bevölkerungswachstum und der Ursprung der Kreide Kreide.” Geologie, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Ökologische Stöchiometrie. In: Princeton University Press, Princeton.
10. Tortell, P. D.; Maldonado, M. T.; Price, N. M. “Die Rolle heterotropher Bakterien in eisenlimitierten Ozeanökosystemen.” 1996. Natur, 383, 330-332.