Analyse élémentaire de Skimmate: Qu’est-ce qu’un Écumeur de Protéines Élimine Réellement de l’eau d’aquarium?

L’observation plutôt contre-intuitive selon laquelle les écumeurs de protéines n’éliminent que 20 à 35% du carbone organique Total mesurable (COT) dans l’eau des aquariums récifaux (Feldman, 2009; Feldman, 2010) soulève la question: “qu’est-ce que tout ce “truc” qui s’accumule dans nos gobelets écumeurs?”Est-ce vraiment un TOC, ou du moins une fraction labile, ou “écrémable”, de TOC? Les tentatives d’identification des composants de COT dans l’eau de mer authentique en sont encore à leurs balbutiements et, à ce jour, ce matériau a résisté à une analyse chimique détaillée. Des efforts récents principalement de Hatcher et de ses collègues (Mopper, 2007; De la Rosa, 2008) utilisant des techniques sophistiquées de spectrométrie de masse et de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire ont révélé que le COT océanique authentique est composé de dizaines de milliers de composés discrets qui comprennent des représentants chimiques de tous les principaux groupes biochimiques; lipides, peptides, glucides, hétérocycles, aromatiques, etc. La relation entre la COT de l’océan et la COT de l’aquarium reste à établir, mais il semble probable que la COT de nos aquariums soit tout aussi diversifiée et riche de sa complexité chimique. Ainsi, il est tout aussi peu probable qu’une dégradation chimique de la COT de l’aquarium soit à venir dans un proche avenir. Néanmoins, il existe des méthodes analytiques qui peuvent révéler et quantifier la plupart des composants élémentaires de la COT, et avec un peu d’intuition chimique, permettent d’assigner certains de ces composants à des catégories chimiques. Ces méthodes analytiques sont appelées Analyse Élémentaire (ou Combustion) et Spectroscopie d’Émission Atomique par Plasma à Couplage Inductif. Les deux méthodes sont disponibles dans de nombreuses opérations commerciales; nous avons utilisé Columbia Analytical Services à Tucson AZ pour nos échantillons écrémés (http://www.caslab.com/).

Résultats expérimentaux

Tous les échantillons écrémés ont été obtenus à partir de la tasse de collecte d’un écumeur H& S 200-1260 fonctionnant sur un réservoir récifal de 175 gallons sous la garde de l’auteur. À l’époque de ces collections, le réservoir contenait 10 poissons (paire de Pterapogon kauderni (cardinaux de Banggai), paire de Liopropoma carmabi (basse candy), Centropyge loriculus (ange flamme), Centropyge interrupta (ange pygmée japonais), Oxycirrhites typus (faucon à long nez), Zebrasoma flavescens (tang jaune), Amblygobius bynoensis (gobie byno) et Synchiropus splendidus (mandarine )), environ 40 colonies de coraux des catégories SPS, LPS et calice, et quelques dizaines d’escargots et de crabes ermites. Aucun corail mou ou palourde n’était présent. Les repas quotidiens typiques comprenaient un cube de crevettes Hikari mysis, un cube de crevettes PE mysis, une pincée de nourriture en flocons et une pincée de nourriture en granulés. Trois fois par semaine, les produits de nutrition récifale Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast et Arctipods ont été utilisés, et une feuille de nori a été ajoutée une fois par semaine. La coupelle de l’écumoire a été nettoyée chaque semaine et du charbon actif granulaire (GAC), de l’Oxyde ferrique granulaire (GFO), un réacteur à calcium et un stérilisateur UV ont tous été utilisés en continu. Dix-sept pour cent du volume d’eau a été modifié chaque semaine, et les paramètres du réservoir ont également été mesurés chaque semaine; = 1.4 ppm (1 heure après l’alimentation) – 0,5 ppm (24 heures après l’alimentation), = 390 – 410 ppm, = 1230 –1260 ppm, = 3,5–4 meq / L, salinité = 34,5–36 ppt, pH = 7,8 (lumières allumées) – 8,1 (lumières éteintes), < 0,5 ppm, aucun NH4 mesurable, NO2 ou PO4. L’éclairage était assuré par deux ampoules aux halogénures métalliques Geissmann 14K de 400W et une ampoule aux halogénures métalliques Iwasaki 175W 15K sur un cycle de 8 heures de marche et 16 heures d’arrêt. Aucun additif à l’exception de CaCl2•2H2O n’a été utilisé.

Notre expérience initiale a été conçue pour sonder la composition du matériau solide insoluble dans l’eau éliminé par un écumeur de protéines. Skimmate a été collecté pendant 4 jours sans ajout de nourriture à l’aquarium, Fig. 1. Les teneurs liquides et solides de l’écumoire H& S 200-1260 ont été soigneusement retirées après cette période et concentrées à sec par évaporation initiale du liquide sous pression réduite puis séchage sous vide à 110 oC / 0,2 mm. Cette procédure élimine efficacement la quasi-totalité de l’eau (voir ci-dessous), et bien sûr tous les composants volatils de l’écumoire. Dix-sept grammes de solide gris-brun en ont résulté, voir Fig. 1.

Quatre grammes de cette écumoire brute sont mis en suspension dans 100 mL d’eau distillée et agités vigoureusement pendant plusieurs heures. Le mélange a ensuite été séparé par centrifugation à 6000 tr/min/ 10 min, et le surnageant a été versé et jeté. Cette procédure a été répétée 3 fois, puis le matériau restant a été séché sous vide à 110 oC / 0,2 mm pendant 48 heures pour obtenir 0,47 g de solide gris-vert. Notez que le CaCO3 doit être chauffé à > 900 oC pour brûler le CO2. Ce solide a été soumis à une analyse élémentaire comme décrit ci-dessus chez Columbia Analytical Services:

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

Ces données peuvent être interprétées avec une certaine application de l’intuition chimique et de certaines hypothèses.

1) Analyse du calcium

17.43% en poids de Ca implique que la quantité totale de Ca dans l’échantillon de 470 mg est de 82 mg. En supposant que tout ce Ca se présente sous forme de carbonate de calcium (CaCO3, MW = 100), alors les 470 mg d’écrémé séché contiennent 205 mg (44%) de CaCO3. Puisque le carbone est de 12% (en poids) de CaCO3, alors les 470 mg d’écrémé séché contiennent ~ 25 mg (~ 5,2%) de carbone (inorganique) apporté par le carbonate de calcium.

2) L’analyse du magnésium

1,35% en Mg en poids implique que la quantité totale de Mg dans l’échantillon de 470 mg est de 6,3 mg. En supposant que tout ce Mg est sous forme de carbonate de magnésium (MgCO3, MW = 84), alors les 470 mg d’écrémé séché contiennent 22 mg (~ 4,7%) de MgCO3. Puisque le carbone est de 14% (en poids) de MgCO3, alors les 470 mg d’écrémé séché contiennent ~ 3 mg (~ 0,7%) de carbone (inorganique) apporté par le carbonate de magnésium.

3) Analyse de l’azote

Les organismes vivants sont d’environ 5 à 9% en poids sec d’azote (nous utiliserons 7% pour simplifier), (Sterner, 2002) et donc, si nous négligeons les sources inorganiques d’azote (NH4, NO3 et NO2, qui sont extrêmement faibles dans l’eau du réservoir), le 2.22% en poids d’azote implique qu’il y a 10,4 mg d’azote dans les 470 mg d’écumoire, ce qui calcule à 149 mg (~ 32%) de matière organique présente.

4) Analyse de l’hydrogène

Les organismes vivants représentent environ 7% en poids sec d’hydrogène. (Sterner, 2002) Les 2,39% en poids d’hydrogène impliquent qu’il y a 11,2 mg d’hydrogène dans les 470 mg de skimmate, ce qui calcule à 160 mg (~ 34%) de matière organique présente. Comparez cette valeur à la prédiction basée sur l’analyse de l’azote des produits organiques de (3); 32% – très proche accord!

5) Analyse du carbone

21.08% en poids C implique que la quantité totale de C présente dans l’échantillon écrémé de 470 mg est de 99 mg. En soustrayant le montant de C de la contribution CaCO3 (25 mg de C) et de la contribution MgCO3 (3 mg de C), il reste 71 mg de C restants. Quelle est la source de ce carbone? Deux possibilités semblent probables: le carbone particulaire éjecté du filtre GAC, ou COT provenant de sources organiques. Les organismes vivants sont composés de 40 à 50% de carbone en poids sec (nous utiliserons 45% pour simplifier), (Sterner, 2002). Si tous les 71 mg de carbone provenaient de sources organiques (= COT), alors il y aurait ~ 158 mg (~ 34%) de matière organique présente. Comparez cette valeur à la fois à la prédiction basée sur l’analyse de l’azote des matières organiques de (3); 149 mg (~ 32%) et à la prédiction basée sur l’analyse de l’hydrogène de (4); 160 mg de COT (34%). La concordance entre le calcul basé sur le COT-carbone et les calculs indépendants basés sur l’hydrogène et l’azote ne peut être ignorée. Ainsi, il n’existe aucune preuve
pour contre-indiquer la conclusion selon laquelle les 71 mg de carbone restants peuvent être attribués à des sources organiques en tant que COT; il n’y a aucune raison d’invoquer les éjectas du filtre GAC comme source de ce carbone.

6) Analyse du silicium

Les 4,76% en poids de silicium présents dans les 470 mg de skimmate suggèrent qu’il y a 22,4 mg au total de Si présent. Si nous supposons que le Si est apporté par l’opale biogénique du squelette des diatomées (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), alors le Si est dans un polymère hydraté de SiO2 (env. la formule moléculaire de l’opale est SiO2 * 0.4H2O, 42% de Si en masse). Par conséquent, nous pouvons estimer la quantité d’opale biogénique présente à 53 mg (~ 11%).

7) Analyse du phosphore

Le 0,16% en poids de P présent dans les 470 mg d’écumage sec implique qu’il y a 0,75 mg de P présent. En supposant que tout le P est présent sous forme de phosphate, PO43- (MW = 95, contre-ion inconnu), alors il y a ~ 2,3 mg (~ 0,5%) de PO43- présent dans les 470 mg d’écumage sec. Cette quantité est égale à ~ 4900 ppm de phosphate, ce qui est largement supérieur à < 0,02 ppm de phosphate dans l’eau du réservoir. Ainsi, l’écrémage concentre le phosphate.

Résumé de l’analyse élémentaire

En résumé, l’écumeur extrait un mélange solide et insoluble dans l’eau de composés constitués en poids de (environ):

• 44 % de CaCO3
• 5% de MgCO3
• 11% d’opale biogénique
• 34% de matière organique
• 0,5% de phosphate

Par conséquent, un total d’environ 95% de l’écrémé sec insoluble dans l’eau est pris en compte! Quelles sont les sources de ces composés chimiques dans l’écrémé? L’opale biogénique provient probablement des coquilles de diatomées, petits membres de la famille des microbes marins phytoplanctoniques. Le CaCO3 (et le MgCO3) pourraient avoir des sources biogènes et abiologiques. Un réacteur à calcium fonctionnait tout au long de la période de collecte d’écumoire expérimentale, et une partie du CaCO3 pourrait donc être simplement des microparticules émises par ce dispositif. Alternativement, le CaCO3 pourrait provenir des coquilles de microbes planctoniques des familles des coccolithophores (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) et des foraminifères. Ces composants planctoniques sont répandus dans certaines conditions dans l’eau de mer, mais leur présence dans l’eau de l’aquarium n’a pas été établie. Il n’est pas possible de faire la distinction entre ces sources biologiques et abiologiques de CaCO3 à l’heure actuelle. Des expériences futures dans
où l’écumage est collecté sans réacteur à calcium en cours d’exécution pourraient apporter un éclairage sur ce point. Le phosphate présent dans l’écumoire ne pouvait pas provenir de phosphate inorganique dans la colonne d’eau; cet ion aurait été éliminé par le lavage en profondeur à l’eau. Il est possible qu’une partie de ce phosphate se présente sous forme de phosphate de calcium insoluble, mais cette occurrence serait peu probable car le Ca3(PO4)2 se forme à un pH assez élevé, ce qui n’est pas caractéristique du liquide écrémé (pH = 7,67, voir ci-dessous). Par défaut, il est donc très probablement dérivé du phosphate organique; c’est-à-dire que de nombreux produits biochimiques au sein des diatomées et de tous les autres organismes vivants (coccolithophores, foraminifères, bactéries, humains, etc.) ont des groupes phosphates attachés. Les organismes d’aquarium recrutent ces molécules de phosphate à partir du phosphate inorganique dans la colonne d’eau, puis les attachent aux produits biochimiques organiques. Ainsi, ils concentrent efficacement le phosphate de l’eau, et ce
phosphate est ensuite éliminé (dans l’organisme intact) lors de l’écrémage. De ce point de vue, l’écrémage contribue à l’élimination du phosphate inorganique de l’eau de l’aquarium.

Une observation intéressante et peut-être imprévue est que seulement 34% de ce matériau écrémé solide peut être attribué au “carbone organique”, TOC. Ainsi, 2/3 de la partie solide et insoluble dans l’eau de l’écumoire n’est pas du COT, mais plutôt un matériau inorganique pouvant (ou non) avoir des origines biogènes. Si une quantité importante de cette matière inorganique provient des coquilles de plancton, il va de soi qu’une grande partie de la matière organique détectée (COT) constitue probablement les “tripes” de ces organismes. Ainsi, peut-être que peu de la COT éliminée par écrémage est en fait des molécules organiques flottantes. Une mise en garde sur cette interprétation, bien sûr, est le fait que ~ 90% de l’écrémé original brut a été emporté avec de l’eau. Cette fraction hydrosoluble contenait peut-être des quantités importantes de carbone organique dissous, qui ne seraient pas détectées par l’analyse ci-dessus.

On a procédé à une deuxième analyse chimique plus complète de l’écumage pour répondre à cette préoccupation. Dans cette expérience, le réservoir a été alimenté quotidiennement avec un mélange de crevettes PE et Hikari mysis, de flocons de Formule 1 Ocean Nutrition, de flocons de légumes Omega One et de granules marins Aqueon comme décrit ci-dessus. Cette alimentation quotidienne s’élevait à un poids sec (110 oC / 0,2 mm pendant 48 heures) de 0,87 gms/jour. Aucun produit de nutrition des récifs n’a été utilisé au cours de cette expérience. Après 7 jours de ce régime alimentaire, l’écumoire solide et liquide recueillie par l’écumoire H&S 200-1260 a été soigneusement retirée de la coupelle de l’écumoire et séparée par centrifugation (6000 tr/min, 40 min). Le surnageant clair brun clair a été versé et son volume mesuré; 125 mL. Le résidu solide a été séché sous vide à 110 oC/0,2 mm pendant 24 heures = > solide brun de 5,18 g. 110 mL du liquide ont été concentrés sous pression réduite puis séchés sous vide (110 oC / 0,2 mm/24 h) pour donner 2,91 g de solide brun (= >
3,31 g de solide à partir des 125 mL de liquide d’origine récupérés). Les 15 mL d’écrémé liquide restant ont été dosés avec un kit de test Salifert pour l’alcalinité: = 8,0 meq / L. De plus, l’indice de réfraction de 1,023 indiquait une salinité de 31 ppt et un pH = 7,67. Un point final n’a pas pu être détecté avec les kits Ca ou Mg Salifert, le kit phosphate Merck ou le kit Salifert NO3 en raison de la couleur brun clair gênante du liquide écrémé. Notez que la mesure extrêmement élevée ne suggère pas nécessairement que les concentrations de HCO3 – ou de CO32 – sont élevées; il peut y avoir des carboxylates d’acides organiques du pool de COT qui sont détectés par ce test d’alcalinité (voir ci-dessous).

Le solide issu de l’évaporation de la partie liquide de l’écumoire ainsi que le solide obtenu après centrifugation ont tous deux été soumis à Columbia Analytical Services pour analyse élémentaire. Les résultats sont présentés dans le Tableau1. De plus, les aliments séchés ont été analysés pour certains éléments. La teneur en éléments naturels d’eau de mer est incluse à titre de comparaison.

Tableau 1. Résultats des analyses élémentaires d’échantillons écrémés et d’aliments.

Élément	Écrémé solide (% en poids)	Écrémé liquide (% en poids)	Eau de mer naturellesolides (% en poids)	Nourriture (poids %)
C	22.50	4.50	0.08
L	2.72	0.68	0.04
D	2.37	1.33
L	1.18	2.47	2.6
Ca	10.52	0.60	1.1
MG	1.99	3.21	3.7
Si	8.94	1.40	< 0.01
Au	3.45	27.25	30.9
CL	0.40	43.2	55.4
D	0.38	1.17	1.1
Fé	0.93	<0.02	< 0.01
D	0.46	0.08	< 0.01	1.57
I			< 0.01	< 0.1
Cu			< 0.01	< 0.006
Am	55.84	85.89	95

Analyse des aliments

La teneur en phosphore, en cuivre et en iode de l’aliment desséché a été mesurée. Ni cuivre ni iode ne sont enregistrés dans ces analyses; il ne peut y avoir plus de 100 ppb de l’un ou l’autre dans l’aliment. La teneur en phosphore était cependant détectable, et 1,57% en poids de P correspond à environ 14 mg de phosphore pf dans les 0,87 g d’aliments séchés introduits quotidiennement dans la cuve. En supposant que tout le P est présent sous forme de phosphate, PO43- (MW = 95), alors il y a ~ 42 mg (~ 5%) de PO43- présent dans les 0,87 g d’aliments séchés. Notez que les cubes de crevettes mysis congelés ont été soigneusement lavés à l’eau du robinet jusqu’à décongélation, de sorte que la teneur en phosphate dans l’eau pour la congélation peut être réduite. L’ajout quotidien de 42 mg de phosphate aux 168 gallons du volume d’eau de l’aquarium représente un ajout nominal d’environ 0,06 ppm de phosphate par jour. Étant donné que l’analyse du kit de test de phosphate de Merck indique un taux de phosphate < 0,02 ppm (limite du kit de test), le phosphate ajouté semble être facilement retiré de la colonne d’eau.

Analyse des liquides écrémés

1) Analyse du soufre

Le 2.47% en poids de soufre présent dans les 3,31 g de solide dérivé du liquide écrémé équivaut à environ 82 mg de S. Ce soufre provient très probablement du sulfate, SO42- (MW = 96, 33% S en poids). Il y a certainement une petite quantité de soufre “organique” dans le DOC, mais cela ne risque pas d’ajouter beaucoup au % total de soufre, puisque le soufre ne représente que ~ 0,1% du poids sec de matière vivante. (Sterner, 2002) Ainsi, 82 mg de S dans le liquide écrémé séché correspond à 248 mg (7,5%) de sulfate dans le liquide écrémé séché.

2) Analyse de l’azote

Le 0.68% en poids sec d’azote dans les 3,31 g de liquide écrémé séché correspond à 23 mg de N. Les sources de l’azote comprennent la matière organique (DOC), et bien sûr, les ions inorganiques; ammonium (NH4+), nitrite (NO2–) et nitrate (NO3–). Il n’y a pratiquement pas de NH4, de NO2 ou de NO3 mesurables (c’est-à-dire < 1 ppm) dans l’eau de l’aquarium, de sorte qu’en première approximation, l’azote contenu dans l’écumoire peut être attribué à de l’azote “organique”. Comme la matière organique issue de sources vivantes est d’environ 7% en poids sec d’azote (voir ci-dessus), les 23 mg de N présents dans le liquide écrémé suggèrent que, globalement, il y a environ 329 mg (~ 10%) de matière organique présente.

3) Analyse du carbone

Les 4,50% en poids de carbone présent dans les 3,31 g de liquide écrémé séché correspondent à 149 mg de C présent. Les sources de carbone dans le liquide écrémé comprennent le carbone inorganique faisant partie des équilibres carbonatés, le carbone organique (DOC) et les particules de carbone éjectées du filtre GAC. Sur la base de l’argument avancé en (5) ci-dessus, il semble peu probable que le filtre GAC soit une source de ce carbone. Il n’est pas possible de distinguer les deux sources restantes sur la base de la mesure d’analyse élémentaire ou de la mesure indépendante, car ce dernier dosage détectera les carboxylates (organiques) ainsi que les formes inorganiques, le bicarbonate HCO3– et le carbonate CO32-. Cependant, il est possible de fixer une limite supérieure à la teneur en minéraux (bicarbonate et carbonate) du liquide écrémé à partir de la mesure d’alcalinité Salifert. L’alcalinité mesurée via un kit de test Salifert était de 8 meq/L. Si l’on suppose aux fins de la fixation de cette limite supérieure que la totalité de cette alcalinité était due au système carbonaté, alors 8,0 meq/L correspond à 1,0 mmol d’alcalinité dans les 125 mL de liquide écrémé collectés à partir du cycle de centrifugation. De plus, si nous supposons que toute cette alcalinité est sous forme de bicarbonate, HCO3- (en fait, à pH = 7,67, représente environ 96% du carbonate présent), alors nous aurions 1,0 mmol, ou 61 mg, de HCO3– présent dans les 3,31 g de liquide écrémé séché. Ainsi, au maximum, 61 mg de HCO3- (= 20% C en poids) ne représenteraient que 12 mg des 149 mg totaux de carbone présents dans le liquide écrémé séché. Dans ce scénario, 137 mg du carbone mesuré proviendraient alors de sources organiques. En utilisant l’estimation que la matière organique dérivée de sources vivantes est de 45% de carbone, la quantité de DOC dans le liquide écrémé séché serait de 304 mg (~ 9%); pas trop loin du chiffre d’analyse de l’azote de ~ 10% de matière organique. Si, à l’autre extrême, la totalité de l’alcalinité mesurée pouvait être attribuée aux carboxylates organiques (supposons des espèces en C18 en moyenne, donc C = 76% de la masse de carboxylate), alors le 1,0 mmol d’alcalinité correspondrait à 283 mg de carboxylates organiques, dont 76% (= 215 mg) seraient du carbone. Comme le carbone total mesuré n’était que de 149 mg, ce dernier scénario est bien entendu impossible. Très probablement, ~ 3 ou 4 meq / L de l’alcalinité peut être attribué à HCO3-, de sorte que le carbone organique restant est d’environ 143 mg = > 318 mg (~ 10%) de matière organique – la même valeur dérivée du calcul de l’azote.

4) Analyse de l’hydrogène

Le 1,33% en poids d’hydrogène dans l’échantillon de 3,31 g de liquide écrémé séché implique la présence de 44 mg d’H. Cet hydrogène peut provenir de sources organiques biologiquement dérivées, de sources inorganiques (HCO3- et HSO4-), et éventuellement d’eau laissée par un séchage incomplet. Si la totalité de l’hydrogène mesuré provenait uniquement de sources organiques dérivées biologiquement (à environ 7% en poids sec d’hydrogène), alors nous prédirions que le liquide écrémé séché contenait environ 629 mg (~ 19%) de matière organique. Il est clair que cette valeur est trop grande par rapport aux valeurs des analyses d’azote et de carbone, de sorte qu’au moins une partie de l’hydrogène doit provenir soit d’ions inorganiques, soit d’eau. Les quantités apportées par le bicarbonate HCO3– et l’acide carbonique H2CO3 sont négligeables, compte tenu de leurs concentrations relativement faibles (voir Analyse du carbone ci-dessus). De plus, à pH = 7.67, il y a une petite quantité de bisulfate, HSO4–; son pKa = 1,9. Il est donc probable que l’échantillon écrémé liquide n’ait pas été complètement séché et que l’hydrogène restant provienne probablement de cette source. Compte tenu de l’analyse de l’azote que le solide dérivé du liquide écrémé contient environ 329 mg de matière organique et que la matière organique est d’environ 7% d’hydrogène, l’hydrogène apporté par cette matière organique est d’environ 23 mg du résidu solide. Si l’hydrogène mesuré restant (44 – 23 = 21 mg) provient de H2O, il y a alors 189 mg (~ 6%) d’eau présente.

5) Analyse du silicium

Les 1,40% de silicium en poids dans les 3,31 g de solide récupérés dans le liquide écrémé donnent 46 mg de silicium. Ce silicium peut être dérivé soit de l’acide orthosilicique hydrosoluble (Si(OH)4, 29% Si, 4%H), soit de l’opale biogénique constituent l’enveloppe des diatomées comme décrit ci-dessus (env. la formule moléculaire de l’opale est SiO2 * 0.4H2O, 42% Si, 1% H). Notez que dans les deux cas, la quantité d’hydrogène apportée par l’une ou l’autre source de Si est minuscule (~0.04% en poids du solide dérivé du liquide écrémé d’origine) et n’influence guère les conclusions de l’analyse de l’hydrogène ci-dessus. Il n’est pas possible de déterminer quelle quantité de silicium dérive de l’acide orthosilicique inorganique et quelle quantité peut être attribuée aux coquilles des diatomées, mais le % de silicium dans chacune n’est pas si différent, et nous utiliserons donc une valeur moyenne (36%) pour calculer la quantité de “SiOxHy” dans le solide dérivé du liquide écrémé brut; environ 128 mg (~ 4%) du solide
du liquide écrémé est une forme quelconque de silicate, le SiOxHy.

Ainsi, globalement, le solide dérivé de la concentration du liquide écrémé peut être divisé en:

• Ions inorganiques (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42-, HCO3–, SiOxHy) 87%
• Carbone organique dissous 10%
• Eau 6%
• Total 103%

Nous avons donc dépassé de 3% la teneur maximale théorique de 100%; pas trop mal, compte tenu des nombreuses approximations et hypothèses qui ont servi à l’acquisition de ces pourcentages. L’essentiel, cependant, est que le liquide écrémé contient principalement les ions inorganiques communs qui constituent les principaux ions de l’eau de mer. Seule une petite quantité de ce matériau peut être attribuée au carbone organique dissous, DOC.

L’analyse chimique des 5,18 g de solide écrémé suit une approche similaire à celle décrite pour le solide écrémé fortement lavé discuté ci-dessus. Cependant, dans ce cas, le solide n’a pas été lavé à plusieurs reprises, de sorte que certains composés solubles dans l’eau persistent, bien que la majeure partie de l’eau ait probablement été éliminée par séchage sous vide. Ces espèces solubles dans l’eau se composent de 3,45% en poids de sodium, 0,40% en poids de chlorure, 0,38% en poids de potassium et 1,18% en poids de soufre (= 3,6% en poids de sulfate). De plus, il est probable qu’au moins une partie des Ca, Mg, C (sous forme de HCO3) et P mesurés puisse provenir de composés hydrosolubles en plus de composés au sein du solide insoluble, mais les quantités globales de la fraction hydrosoluble de ces ions inorganiques particuliers sont susceptibles d’être faibles, puisque l’ion le plus abondant, le sodium, ne représente que 3,45% en poids du solide isolé (Na/Ca = 28 dans l’eau de mer). Donc, en première approximation, nous négligerons leur contribution à la partie inorganique hydrosoluble de l’écrémé solide. De ce point de vue, le solide écrémé séché contient environ 8% en poids d’ions inorganiques normalement solubles dans l’eau.

1) L’analyse du calcium

10,52% en poids de Ca implique que la quantité totale de Ca dans l’échantillon de 5,18 mg est de 545 mg. En supposant que la quasi-totalité de ce Ca se présente sous forme de carbonate de calcium insoluble dans l’eau (CaCO3, MW = 100), alors les 5,18 mg d’écrémé séché contiennent 1,36 g (26%) de CaCO3. Puisque le carbone est de 12% (en poids) de CaCO3, alors les 5,18 g d’écumoire séchée contiennent ~ 163 mg (~ 3,2%) de carbone (inorganique) apporté par le carbonate de calcium.

2) L’analyse du magnésium

1,99% en Mg en poids implique que la quantité totale de Mg dans l’échantillon de 5,18 g est de 103 mg. En supposant que tout ce Mg est sous forme de carbonate de magnésium (MgCO3, MW = 84), alors les 5,18 g d’écumoire séchée contiennent 361 mg (~ 7,0%) de MgCO3. Puisque le carbone est de 14% (en poids) de MgCO3, alors le 5.18 g d’écumoire séchée contiennent ~ 51 mg (~ 1%) de carbone (inorganique) apporté par le carbonate de magnésium.

3) Analyse de l’azote

Les organismes vivants sont d’environ 5 à 9% en poids sec d’azote (nous utiliserons 7% pour simplifier), (Sterner, 2002) et donc, si nous négligeons les sources inorganiques d’azote (NH4, NO3 et NO2, qui sont extrêmement faibles dans l’eau du réservoir), les 2,72% en poids d’azote impliquent qu’il y a 141 mg d’azote dans les 5,18 gm de solide écrémé, qui calcule à 2,01 gms (~ 39%) de matière organique présente.

4) Analyse de l’hydrogène

Les organismes vivants représentent environ 7% en poids sec d’hydrogène. (Sterner, 2002) Les 2,37% en poids d’hydrogène impliquent qu’il y a 123 mg d’hydrogène dans les 5,18 g de solide écrémé, ce qui équivaut à 1,75 g (~ 34%) de matière organique présente. Comparez cette valeur à la prédiction basée sur l’analyse de l’azote des matières organiques à partir de (3); 39% de carbone organique. Dans ce cas, les résultats sur l’hydrogène ne sont pas aussi proches des résultats à base d’azote que lors des deux analyses précédentes, mais ils ne sont pas si éloignés. Cette analyse de l’hydrogène suppose qu’il n’y a pas d’eau présente, ou qu’une partie du H serait attribuable à l’eau et non aux matières organiques, et le calcul organique basé sur le H serait encore plus petit.

5) L’analyse du carbone

22,50% en poids C implique que la quantité totale de C présente dans l’échantillon écrémé de 5,18 g est de 1,17 g. En soustrayant le montant de C de la contribution CaCO3 (163 mg de C) et de la contribution MgCO3 (51 mg de C), il reste 952 mg de C restants. Si nous négligeons à nouveau le filtre GAC comme source de ce carbone, alors la plupart (tous?) de ce carbone provient de sources ” organiques “. Puisque les organismes vivants sont composés de 40 à 50% de carbone en poids sec (nous utiliserons 45% pour simplifier), (Sterner, 2002) alors 952 mg de C organique implique qu’il y a ~ 2,12 gms (~ 41%) de matière organique présente. La comparaison avec les valeurs dérivées de l’azote (39% de matières organiques) et de l’hydrogène (34% de matières organiques) fournit une image cohérente de la teneur en matières organiques.

6) Analyse du silicium

Les 8,94% en poids de silicium présents dans les 5,18 g de solide écrémé suggèrent qu’il y a 463 mgs au total de Si présents. Si nous supposons que le Si est apporté par l’opale biogénique du squelette des diatomées (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989), alors le Si est dans un polymère hydraté de SiO2 (env. la formule moléculaire de l’opale est SiO2 * 0.4H2O, 42% de Si en masse). Par conséquent, nous pouvons estimer la quantité d’opale biogénique présente à 1,10 g (~ 21%).

7) Analyse du phosphore

Le 0,46% en poids de P présent dans les 5,18 gms de solide écrémé sec implique qu’il y a 24 mg de P présent. En supposant que tout le P est présent sous forme de phosphate, PO43- (MW = 95, contre-ion inconnu), alors il y a ~ 74 mgs (~ 1.4%) de PO43 – présent dans les 5,18 g de solide écrémé sec. Cette quantité est égale à ~ 14300 ppm de phosphate, ce qui est encore largement supérieur aux < 0,02 ppm de phosphate dans l’eau du réservoir.

8) Analyse du fer

Les 0,93% en poids de Fe dans les 5,18 gms de solide écrémé séché s’élèvent à 48 mg de Fe présent. Les sels de fer inorganiques sont assez insolubles dans l’eau, et il est donc probable que presque tout ce fer soit du fer “organique” qui résidait dans le corps des microbes comme les bactéries, etc. ou il s’agit de particules de fer colloïdal expulsées du réacteur GFO. Le rapport carbone/fer en poids de l’écumoire de 24 peut être comparé aux rapports poids sec C: Fe de plusieurs organismes planctoniques: bactéries hétérotrophes: 28500: 1, cyanobactéries: 11250: 1, phytoplancton eucaryote: 71250: 1. (Tortell, 1996). Étant donné que le rapport Fe: C détecté est 10000x celui des espèces planctoniques, il est hautement improbable qu’une grande partie du fer écrémé soit d’origine “organique”. Un scénario plus probable est que l’oxyde ferrique particulaire est expulsé du réacteur GFO, et que ce matériau constitue alors la majorité du fer éliminé par l’écumeur. L’oxyde ferrique a une formule chimique nominale de Fe2O3,
et il est d’environ 70% de fer en poids. Ainsi, les 48 mg de fer dans le solide écrémé correspondent à environ 69 mg de Fe2O3 (~ 1,3% en poids).

En résumé, l’écumeur extrait un mélange solide de composés constitués en poids de (environ):

• 8% ions inorganiques
• 26% de CaCO3
• 7% de MgCO3
• 21% d’opale biogénique (SiO2)
• 38% de matière organique
• 1,5% de phosphate
• 1.3% d’oxyde ferrique

Ces matériaux totalisent ~ 103%, ce qui est assez proche du maximum théorique de 100%. Toute divergence peut être facilement expliquée par l’incertitude numérique introduite par toutes les hypothèses. C’est-à-dire que même avec toutes les hypothèses et approximations citées dans cette analyse, la somme totale de la masse atteint 3% de “parfaite”. Encore une fois, la matière organique éliminée dans le solide écrémé est un composant mineur, bien qu’à une moyenne de 38% (C vs. N vs. H analyse), elle est un peu plus élevée que la valeur de 34% dérivée de l’échantillon solide écrémé fortement lavé et beaucoup plus élevée que la quantité de DOC dans la fraction liquide (~ 10%). Au total, les 8,49 g de solides totaux éliminés au cours de la semaine d’écrémage contiennent environ 318 mg de matières organiques solubles dans l’eau (~ 4%) et environ 2,12 g de matières organiques insolubles dans l’eau (~ 25%). Ainsi, dans une large mesure, la majeure partie des matières organiques éliminées par écrémage ne sont pas du DOC (carbone organique dissous). Les composés inorganiques CaCO3 et SiO2 constituent la majorité de la masse solide écrémée, tout comme ils l’ont fait dans l’échantillon écrémé fortement lavé analysé en premier. Comme discuté dans cette analyse, la source de ces composés n’est pas attribuable à partir de ces données, mais une source biologique pour le SiO2 (opale biogénique), les coquilles de diatomées, est probable. Le CaCO3 peut provenir à la fois de sources inorganiques (c’est-à-dire d’éjection de particules de CaCO3 dans le réacteur calcique) et de sources organiques (coquilles de foraminifères et/ou de coccolithophores).

L’une des observations surprenantes qui ressort des études de performance de l’écumoire originale est que seulement environ 20 à 35% de la COT mesurable dans l’eau de l’aquarium est éliminée par écrémage. Cette observation peut maintenant sembler un peu moins surprenante lorsqu’on la considère dans le contexte de l’analyse des composantes écumées. Ainsi, seulement ~ 29% (25% du solide + 4% du liquide) de l’écumoire enlevée par l’écumoire H& S 200 de l’eau authentique du réservoir de récif au cours d’une semaine peut être affectée à la matière organique. Ainsi, l’écrémage n’enlève pas autant de TOC présent dans l’eau de l’aquarium, et le skimmate ne contient pas autant de TOC.

Alors que fait exactement l’écrémage? Sur le sujet de l’assainissement de l’eau; le plus conservateur, permis (mais pas convaincant!) la réponse est que l’écrémage supprime beaucoup de (vivants ou morts? inconnu) les microorganismes qui peuplent l’eau de l’aquarium et, ce faisant, éliminent le carbone (organique), le phosphore et l’azote qui composent leur composition biochimique. De plus, les composés organiques dissous peuvent également être éliminés, mais les données ne soutiennent pas la proposition selon laquelle ces espèces organiques dissoutes constituent une quantité majeure des matières organiques totales éliminées. En plus de ces fonctions de purification de l’eau, les écumeurs servent à oxygéner l’eau et à faciliter les échanges gazeux en général, activités utiles indépendantes de l’élimination des déchets organiques.

Conclusions

La composition chimique /élémentaire de l’écumoire générée par un écumeur H&S 200-1260 sur un réservoir récifal de 175 gallons pendant plusieurs jours ou une semaine a eu quelques surprises. Seule une petite quantité de l’écumoire (solide + liquide) pouvait être attribuée au carbone organique (COT); environ 29%, et la majeure partie de ce matériau n’était pas soluble dans l’eau, c’est-à-dire n’était pas du carbone organique dissous. La majorité des solides écrémés récupérés, à l’exception des ions communs de l’eau de mer, étaient des composés inorganiques CaCO3, MgCO3 et SiO2! L’origine de ces espèces n’est pas connue avec certitude, mais un bon cas peut être fait que le SiO2 provient des coquilles des diatomées. Le CaCO3 pourrait provenir d’autres microbes planctoniques portant des coquilles de carbonate de calcium, ou pourrait provenir d’effluents de réacteur à calcium. Dans la mesure où l’écrémage solide est constitué de microflore, une partie de la matière organique insoluble éliminée par écrémage serait alors simplement les composants organiques (les “tripes”) de ces microflore. Ces microflore concentrent les nutriments P, N et C de la colonne d’eau, et leur élimination par écrémage constitue donc un moyen d’exportation des nutriments.

Remerciements

Nous remercions le Collège des sciences Eberly de l’Université d’État de Pennsylvanie et E. I DuPont de Nemours and Co. pour un soutien financier, et les Drs Sanjay Joshi (Penn State) et Craig Bingman (U. Wisconsin) pour de nombreuses discussions utiles.

1. Brzezinski, M.A. 1985. “Le rapport Si:C:N des Diatomées Marines : Variabilité interspécifique et Effet de Certaines Variables environnementales.” 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. “Determination of Refractory Organic Matter in Marine Sediments by Chemical Oxidation, Analytical Pyrolysis and Solid-State 13C Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy.” EUR. J. Soil Sci., 59, 430-438.
3. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, R.M. 2009. “Le Développement d’une Méthode d’Évaluation Quantitative des Performances des Écumeurs de Protéines.” Aquariophile avancé http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “D’autres études sur la performance de l’écumeur de Protéines.” Aquariophile avancé
5. Mitchell-Innes, B. A.; Winter, A. 1987. “Coccolithophores: Un composant Phytoplanctonique Majeur dans les eaux Ascendantes Matures au Large de la péninsule du Cap, en Afrique du Sud, en mars 1983.” Marine Biol., 95, 25030.
6. Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. “Approches Instrumentales Avancées pour la caractérisation de la Matière Organique Dissoute Marine: Techniques d’Extraction, Spectrométrie de Masse et Spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire.”Chem. Rév., 107, 419-442.
7. Mortlock, R.A.; Froelich, P. N. “Une Méthode Simple pour la Détermination rapide de l’Opale biogénique dans les sédiments marins Pélagiques.” 1989. Deep-Sea Res., 36, 1415-1426.
8. Stanley, S.m.; Ries, J. B.; Hardie, L. A. 2005, “Seawater Chemistry, Coccolithophore Population Growth, and the Origin of Cretaceous Chalk.”Géologie, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Stœchiométrie écologique. La presse de l’Université de Princeton, Princeton.
10. Tortell, P. D.; Maldonado, M. T.; Price, N. M. “The Role of Heterotrophic Bacteria in Iron-Limited Ocean Ecosystems.” 1996. Nature, 383, 330-332.