Analisi elementare dello Skimmate: cosa rimuove effettivamente uno schiumatoio proteico dall’acqua dell’acquario?

L’osservazione piuttosto controintuitiva che gli skimmer proteici rimuovono solo il 20-35% del carbonio organico totale misurabile (TOC) nell’acqua dell’acquario di barriera (Feldman, 2009; Feldman, 2010) pone la domanda: “cos’è tutta quella “roba” che raccoglie nelle nostre tazze di skimmer?”È davvero TOC, o almeno una frazione labile, o “scremabile”, di TOC? I tentativi di identificare i componenti TOC dall’autentica acqua oceanica sono ancora nella loro infanzia e fino ad oggi questo materiale ha resistito ad analisi chimiche dettagliate. Recenti sforzi principalmente da Hatcher e colleghi (Mopper, 2007; De la Rosa, 2008), utilizzando sofisticati spettrometria di massa e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare tecniche hanno rivelato che l’autentico oceano di TOC è composto da decine di migliaia di discreta composti chimici comprendono tutti i rappresentanti delle principali biochimica gruppi; lipidi, peptidi, carboidrati, eterocicli, aromatici, etc. Il rapporto tra il TOC dell’oceano e il TOC dell’acquario rimane ancora da stabilire, ma sembra probabile che il TOC nei nostri acquari sia ugualmente vario e ricco della sua complessità chimica. Pertanto, è altrettanto improbabile che una rottura chimica del TOC dell’acquario sarà imminente nel prossimo futuro. Tuttavia, ci sono metodi analitici che possono rivelare e quantificare la maggior parte dei componenti elementari del TOC, e con un po ‘ di intuizione chimica, consentono l’assegnazione di alcuni di questi componenti a categorie chimiche. Questi metodi analitici sono chiamati analisi elementare (o combustione) e spettroscopia di emissione atomica al plasma accoppiata induttivamente. Entrambi i metodi sono disponibili da molte operazioni commerciali; abbiamo usato Columbia Analytical Services a Tucson AZ per i nostri campioni di skimmate (http://www.caslab.com/).

Risultati sperimentali

Tutti i campioni di skimmate sono stati ottenuti dalla tazza di raccolta di uno skimmer H& S 200-1260 in esecuzione su un serbatoio di barriera da 175 galloni sotto la cura dell’autore. Durante il tempo di queste raccolte, il serbatoio conteneva 10 pesce (coppia di Pterapogon kauderni (Banggai cardinali), un paio di Liopropoma carmabi (candy basso), Centropyge loriculus (fiamma angelo), Centropyge interrupta (Giapponese pigmeo angelo), Oxycirrhites typus (longnose pesce falco), Zebrasoma flavescens (giallo tang), Amblygobius bynoensis (byno ghiozzi) e Synchiropus splendidus (mandarino)), circa il 40 delle colonie di SPS, LPS e calice categorie, e un paio di dozzine di lumache e paguri. Non erano presenti coralli molli o vongole. Le alimentazioni quotidiane tipiche includevano un cubo di gamberetti Hikari mysis, un cubo di gamberetti PE mysis, un pizzico di cibo in scaglie e un pizzico di cibo a pellet. Tre volte alla settimana sono stati utilizzati i prodotti Reef Nutrition Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast e Arctipods e un foglio di nori è stato aggiunto una volta alla settimana. La tazza dello skimmer è stata pulita settimanalmente e il carbone attivo granulare (GAC), l’ossido ferrico granulare (GFO), un reattore di calcio e uno sterilizzatore UV sono stati utilizzati continuamente. Diciassette per cento del volume d ” acqua è stato cambiato settimanalmente, e parametri del serbatoio sono stati misurati su base settimanale pure; = 1.4 ppm (1 ora dopo l’alimentazione) -0.5 ppm (24 ore dopo l’alimentazione), = 390-410 ppm, = 1230-1260 ppm, = 3.5 – 4 meq/L, salinità = 34.5 – 36 ppt, pH = 7.8 (luci accese) -8.1 (luci spente), < 0.5 ppm, no misurabile NH4, NO2, o PO4. L’illuminazione è stata fornita da due lampadine a ioduri metallici Geissmann da 400W 14K e una lampadina a ioduri metallici Iwasaki da 175W 15K su un ciclo di accensione a 8 ore e spegnimento a 16 ore. Non sono stati utilizzati additivi ad eccezione di CaCl2•2H2O.

Il nostro esperimento iniziale è stato progettato per sondare la composizione del materiale solido insolubile in acqua rimosso da uno schiumatoio di proteine. Lo skimmate è stato raccolto in 4 giorni senza alcuna aggiunta di cibo all’acquario, Fig. 1. Il liquido e solido contenuto di H&S 200-1260 skimmer cup sono stati accuratamente rimossi dopo questo periodo di tempo e concentrata a secchezza, attraverso la formazione iniziale liquido evaporazione a pressione ridotta e quindi essiccazione sotto vuoto a 110 oC/0,2 mm. Questa procedura rimuove efficacemente quasi tutta l’acqua (vedi sotto), e, ovviamente, i componenti volatili del skimmate. Diciassette grammi di solido grigio-marrone sono risultati, vedi Fig. 1.

Quattro grammi di questo schiumato grezzo sono stati sospesi in 100 mL di acqua distillata e vigorosamente mescolando per diverse ore. La miscela è stata quindi separata mediante centrifugazione a 6000 rpm / 10 min e il surnatante è stato versato e scartato. Questa procedura è stata ripetuta 3 volte e quindi il materiale rimanente è stato asciugato sottovuoto a 110 oC / 0,2 mm per 48 ore per permettersi 0,47 gm di solido grigio-verde. Si noti che CaCO3 deve essere riscaldato a > 900 oC per bruciare CO2. Questo solido è stato sottoposto ad analisi elementare come sopra descritto presso la Columbia Servizi Analitici:

• C: 21.08 %
• H: 2.39 %
• N: 2.22 %
• Ca:Al 17,43 %
• Mg: 1.35 %
• Si: 4.76 %
• P: 0.16 %

Questi dati possono essere interpretati con l’uso di prodotti chimici di intuizione e di alcune ipotesi.

1) Analisi del calcio

17.43% in peso Ca implica che la quantità totale di Ca nel campione di 470 mg è di 82 mg. Supponendo che tutto questo Ca sia sotto forma di carbonato di calcio (CaCO3, MW = 100), allora i 470 mg di skimmate essiccato contengono 205 mg (44 %) di CaCO3. Poiché il carbonio è il 12% (in peso) di CaCO3, i 470 mg di skimmate essiccato contengono ~ 25 mg (~5,2%) di carbonio (inorganico) contribuito dal carbonato di calcio.

2) Analisi di magnesio

1,35% in peso Mg implica che la quantità totale di Mg nel campione di 470 mg è di 6,3 mg. Supponendo che tutto questo Mg sia sotto forma di carbonato di magnesio (MgCO3, MW = 84), allora i 470 mg di skimmate essiccato contengono 22 mg (~ 4,7 %) di MgCO3. Poiché il carbonio è il 14% (in peso) di MgCO3, i 470 mg di skimmate essiccato contengono ~ 3 mg (~0,7%) di carbonio (inorganico) contribuito dal carbonato di magnesio.

3) Analisi dell’azoto

Gli organismi viventi sono ~ 5 – 9% di azoto in peso secco (useremo il 7% per semplicità), (Sterner, 2002) e quindi, se trascuriamo le fonti inorganiche di azoto (NH4, NO3 e NO2, che sono incommensurabilmente basse nell’acqua del serbatoio), il 2.22% in peso di azoto implica che ci sono 10,4 mg di azoto nei 470 mg di skimmate, che calcola a 149 mg (~32 %) di materiale organico presente.

4) Analisi dell’idrogeno

Gli organismi viventi sono ~ 7% in peso secco di idrogeno. (Sterner, 2002) Il 2,39% in peso di idrogeno implica che ci sono 11,2 mgs di idrogeno nei 470 mgs di skimmate, che calcola a 160 mgs (~34%) di materiale organico presente. Confronta questo valore con la previsione basata sull’analisi dell’azoto dei prodotti organici da (3); 32% – accordo molto vicino!

5) Analisi del carbonio

21.08% in peso C implica che la quantità totale di C presente nel campione di skimmate da 470 mg è di 99 mg. Sottraendo la quantità di C dal contributo CaCO3 (25 mg di C) e dal contributo MgCO3 (3 mg di C) rimangono 71 mg di C. Qual è la fonte di questo carbonio? Due possibilità sembrano probabili; carbonio particolato espulso dal filtro GAC, o TOC proveniente da fonti organiche. Gli organismi viventi sono 40-50% in peso secco di carbonio (useremo 45% per semplicità), (Sterner, 2002). Se tutti i 71 mg di carbonio provenissero da fonti organiche (= TOC), allora ci sarebbero ~ 158 mg (~34 %) di materiale organico presente. Confronta questo valore sia con la previsione basata sull’analisi dell’azoto di sostanze organiche da (3); 149 mgs (~ 32%), sia con la previsione basata sull’analisi dell’idrogeno da (4); 160 mgs di TOC (34%). La concordanza tra il calcolo basato sul carbonio TOC e i calcoli indipendenti basati sull’idrogeno e sull’azoto non può essere ignorata. Pertanto,
non ci sono prove per controindicare la conclusione che i restanti 71 mg di carbonio possano essere attribuiti a fonti organiche come TOC; non c’è motivo di invocare GAC filter ejecta come fonte per questo carbonio.

6) Analisi del silicio

Il 4,76% in peso di silicio presente nei 470 mg di skimmate suggerisce che ci sono 22,4 mg in totale di Si presenti. Se assumiamo che il Si è contribuito da opale biogenico dalla skeleta di diatomee, (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989) allora il Si è in un polimero idrato di SiO2 (ca. formula molecolare per opale è SiO2•0. 4H2O, 42% Si in massa). Pertanto, possiamo approssimare la quantità di opale biogenico presente come 53 mg (~11%).

7) Analisi del fosforo

Lo 0,16% in peso di P presente nei 470 mg di skimmate secco implica che ci sono 0,75 mg di P presenti. Supponendo che tutto il P sia presente come fosfato, PO43 – (MW = 95, contatore sconosciuto), allora ci sono ~ 2.3 mgs (~0.5%) di PO43-presente nei 470 mgs di skimmate secco. Questa quantità equivale a ~ 4900 ppm di fosfato, che è molto più del < 0,02 ppm di fosfato nell’acqua del serbatoio. Pertanto, la scrematura concentra il fosfato.

Analisi Elementare di Riepilogo

In sintesi, lo skimmer sta tirando fuori un solido, insolubile in acqua miscela di composti che consistono in peso (circa):

• 44 % di CaCO3
• 5% di MgCO3
• 11% di biogene opale
• 34% di materiale organico
• 0.5% di fosfato

Quindi, per un totale ~ 95% del lavaggio in acqua insolubile skimmate è rappresentato! Quali sono le fonti di questi composti chimici nello skimmate? L’opale biogenico proviene probabilmente dai gusci delle diatomee, piccoli membri della famiglia del fitoplancton dei microbi marini. Il CaCO3 (e MgCO3) potrebbe avere sia fonti biogeniche che abiologiche. Un reattore di calcio era in funzione per tutto il periodo sperimentale di raccolta dello skimmate, e quindi alcuni dei CaCO3 potrebbero essere solo microparticolati emessi da questo dispositivo. In alternativa, il CaCO3 potrebbe derivare dai gusci dei microbi planctonici delle famiglie coccolithophore (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) e foraminifera. Questi componenti del plancton sono prevalenti in determinate condizioni in acqua di mare, ma non è stata stabilita la presenza nell’acqua dell’acquario. Attualmente non è possibile distinguere tra queste fonti biologiche e abiologiche di CaCO3. Esperimenti futuri in
quale skimmate viene raccolto senza un reattore di calcio in esecuzione potrebbero far luce su questo punto. Il fosfato presente nello skimmate non poteva provenire dal fosfato inorganico nella colonna d’acqua; quello ion sarebbe stato rimosso dal lavaggio accurato con acqua. È possibile che una parte di questo fosfato sia sotto forma di fosfato di calcio insolubile, ma tale occorrenza sarebbe improbabile poiché Ca3(PO4)2 si forma a pH piuttosto elevato, che non è caratteristico del liquido scremato (pH = 7,67, vedi sotto). Per impostazione predefinita, quindi, è molto probabilmente derivato da fosfato organico; cioè, molte sostanze biochimiche all’interno di diatomee e tutti gli altri organismi viventi (coccolitofori, foraminiferi, batteri, esseri umani, ecc.) Gli organismi dell’acquario reclutano queste molecole di fosfato dal fosfato inorganico nella colonna d’acqua e poi le attaccano alle sostanze biochimiche organiche. Quindi, concentrano efficacemente il fosfato dall’acqua e quel fosfato
viene quindi rimosso (all’interno dell’organismo intatto) dopo la scrematura. Da questo punto di vista, la scrematura contribuisce alla rimozione del fosfato inorganico dall’acqua dell’acquario.

Un’osservazione interessante e forse imprevista è che solo il 34% di questo materiale skimmate solido può essere assegnato a “carbonio organico”, TOC. Pertanto, 2/3 della parte solida e insolubile in acqua dello skimmate non è TOC, ma piuttosto materiale inorganico che può (o non può) avere origini biogeniche. Se una notevole quantità di questo materiale inorganico proviene dai gusci del plancton, allora è ovvio che gran parte del materiale organico rilevato (TOC) costituisce probabilmente il “coraggio” di questi organismi. Quindi, forse non gran parte del TOC rimosso dalla scrematura è in realtà molecole organiche fluttuanti. Un avvertimento su questa interpretazione, ovviamente, è il fatto che ~ 90% dello skimmate originale grezzo è stato lavato via con acqua. Forse quella frazione solubile in acqua conteneva quantità significative di carbonio organico disciolto, che non sarebbe stato rilevato dall’analisi di cui sopra.

Una seconda, più completa analisi chimica dello skimmate è stata perseguita per affrontare questa preoccupazione. In questo esperimento, il serbatoio è stato alimentato quotidianamente con una miscela di PE e Hikari mysis shrimp, Ocean Nutrition Formula 1 flakes, Omega One Veggie Flakes e Aqueon Marine Granules come descritto sopra. Questa alimentazione giornaliera ammontava a un peso secco (110 oC/0,2 mm per 48 ore) di 0,87 gms/giorno. Durante questo esperimento non sono stati utilizzati prodotti Reef Nutrition. Dopo 7 giorni di questo regime di alimentazione, lo skimmate solido e liquido raccolto dallo skimmer H&S 200-1260 è stato accuratamente rimosso dalla tazza dello skimmer e separato mediante centrifugazione (6000 rpm, 40 min). Il surnatante chiaro marrone chiaro è stato versato e il suo volume misurato; 125 ml. Il residuo solido è stato essiccato sotto vuoto a 110 oC / 0,2 mm per 24 ore => solido marrone 5,18 gm. 110 ml di liquido sono stati concentrati sotto pressione ridotta e quindi essiccati sotto vuoto (110 oC/0,2 mm/24 ore) per produrre 2,91 gm di solido marrone (=>
3,31 gms di solido dai 125 ml originali di liquido recuperati). I 15 mL di skimmate liquido rimanente sono stati analizzati con un kit di test Salifert per l’alcalinità : = 8.0 meq / L. Inoltre, l’indice di rifrazione di 1.023 indicava la salinità 31 ppt e pH = 7.67. Non è stato possibile rilevare un endpoint con i kit Ca o Mg Salifert, il kit Merck phosphate o il kit Salifert NO3 a causa del colore marrone chiaro interferente del liquido skimmate. Si noti che la misurazione estremamente elevata non suggerisce necessariamente che le concentrazioni di HCO3 – o CO32 – siano elevate; potrebbero esserci carbossilati acidi organici dal pool TOC che vengono rilevati da questo test di alcalinità (vedi sotto).

Il solido derivato dall’evaporazione della parte liquida dello skimmate e il solido ottenuto dopo la centrifugazione sono stati entrambi sottoposti a Columbia Analytical Services per l’analisi elementare. I risultati sono tabulati nella Tabella1. Inoltre, il cibo essiccato è stato analizzato per elementi selezionati. Contenuto elemento acqua di mare naturale è incluso per il confronto.

Tabella 1. Risultati delle analisi elementari di campioni di skimmate e di alimenti.

l’Elemento	> Solido skimmate (peso %)	Liquido skimmate(peso %)	Naturale del mare watersolids (peso %)	Cibo(peso %)
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
Se	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
Io			< 0.01	< 0.1
Cu			< 0.01	< 0.006
Am	55.84	85.89	95

Analisi del cibo

Il cibo essiccato è stato analizzato per il contenuto di fosforo, rame e iodio. Né rame né iodio registrati in queste analisi; non ci possono essere più di 100 ppb di entrambi nel cibo. Il contenuto di fosforo, tuttavia, era rilevabile e l ‘ 1,57% in peso di P corrisponde a circa 14 mg di fosforo pf negli 0,87 gm di alimenti secchi alimentati quotidianamente nel serbatoio. Supponendo che tutto il P sia presente come fosfato, PO43- (MW = 95), allora ci sono ~ 42 mgs (~ 5%) di PO43 – presente negli 0,87 gm del cibo secco. Si noti che i cubetti di gamberetti mysis congelati sono stati lavati accuratamente con acqua di rubinetto fino allo scongelamento, e quindi il contenuto di fosfato nell’acqua per il congelamento può essere scontato. L’aggiunta giornaliera di 42 mg di fosfato ai 168 galloni del volume d’acqua dell’acquario rappresenta un’aggiunta nominale di circa 0,06 ppm di fosfato al giorno. Poiché l’analisi del kit di test del fosfato Merck indica un livello di fosfato < 0,02 ppm (limite del kit di test), il fosfato aggiunto sembra essere facilmente rimosso dalla colonna d’acqua.

Skimmate Analisi del liquido

1) Analisi dello zolfo

Il 2.47% in peso di zolfo presente nel 3,31 gm di solido derivato dal liquido skimmate equivale a circa 82 mg di S. Questo zolfo molto probabilmente proviene da solfato, SO42- (MW = 96, 33% S in peso). C’è certamente una piccola quantità di zolfo” organico ” nel DOC, ma non è probabile che aggiunga molto al % di zolfo totale, poiché lo zolfo è solo ~ 0.1% del peso secco della materia vivente. (Sterner, 2002) Quindi, 82 mg di S nello skimmate liquido essiccato corrisponde a 248 mg (7,5%) di solfato nel liquido dello skimmate essiccato.

2) Analisi di azoto

Il 0.68% in peso secco di azoto nel 3,31 gm di liquido scremato essiccato corrisponde a 23 mg di N. Le fonti di azoto includono materia organica (DOC) e, naturalmente, ioni inorganici; ammonio (NH4+), nitrito (NO2–) e nitrato (NO3–). Non c’è essenzialmente misurabile (cioè, < 1 ppm) NH4, NO2 o NO3 nell’acqua dell’acquario, quindi ad una prima approssimazione, l’azoto nello skimmate può essere attribuito all’azoto “organico”. Poiché il materiale organico derivato da fonti viventi è circa il 7% in peso secco di azoto (vedi sopra), i 23 mg di N presenti nel liquido dello skimmate suggeriscono che, nel complesso, vi sono circa 329 mg (~ 10%) di materiale organico presente.

3) Analisi del carbonio

Il 4,50% in peso di carbonio presente nel 3,31 gm di liquido scremato essiccato corrisponde a 149 mg di C presente. Le fonti di carbonio nel liquido skimmate includono carbonio inorganico come parte degli equilibri carbonatici, carbonio organico (DOC) e particelle di carbonio espulse dal filtro GAC. Sulla base dell’argomento avanzato in (5) sopra, sembra improbabile che il filtro GAC sia una fonte di questo carbonio. Non è possibile distinguere tra le restanti due fonti in base alla misurazione dell’analisi elementare o alla misurazione indipendente, poiché quest’ultima analisi rileverà carbossilati (organici) e forme inorganiche, bicarbonato HCO3– e carbonato CO32-. Tuttavia, è possibile impostare un limite superiore sul contenuto inorganico (bicarbonato e carbonato) del liquido scremato dalla misurazione dell’alcalinità di Salifert. L’alcalinità misurata tramite un kit di test Salifert era 8 meq / L. Se assumiamo ai fini dell’impostazione di questo limite superiore che tutta quell’alcalinità fosse dovuta al sistema di carbonato, allora 8.0 meq/L corrisponde a 1.0 mmol di alcalinità nei 125 mL di liquido di skimmate raccolto dalla centrifuga. Inoltre, se assumiamo che tutta questa alcalinità sia sotto forma di bicarbonato, HCO3– (in realtà, a pH = 7,67, è circa il 96% del carbonato presente), allora avremmo 1,0 mmol, o 61 mg, di HCO3– presente nel 3,31 gm di liquido scremato essiccato. Pertanto, al massimo, 61 mg di HCO3– (= 20% C in peso) rappresenterebbero solo 12 mg dei 149 mg totali di carbonio presenti nel liquido scremato essiccato. In questo scenario, 137 mg del carbonio misurato sarebbero quindi derivati da fonti organiche. Utilizzando la stima che il materiale organico derivato da fonti viventi sia il 45% di carbonio, la quantità di DOC nel liquido scremato essiccato sarebbe di 304 mg (~ 9%); non troppo lontano dalla cifra di analisi dell’azoto di ~ 10% di materiale organico. Se, all’altro estremo, tutta l’alcalinità misurata potrebbe essere attribuita a carbossilati organici (assumere specie C18 in media, quindi C = 76% della massa di carbossilato), allora l ‘ 1,0 mmol di alcalinità corrisponderebbe a 283 mg di carbossilati organici, il 76% dei quali (= 215 mg) sarebbe carbonio. Poiché il carbonio totale misurato era solo 149 mgs, quest’ultimo scenario è ovviamente impossibile. Molto probabilmente, ~ 3 o 4 meq / L dell’alcalinità possono essere assegnati a HCO3–, quindi il carbonio organico rimanente è di circa 143 mgs => 318 mgs (~ 10%) di materiale organico – lo stesso valore derivato dal calcolo dell’azoto.

4) Analisi dell’idrogeno

L ‘ 1,33% in peso di idrogeno nel campione di 3,31 gm di liquido scremato essiccato implica che ci sono 44 mg di H presenti. Questo idrogeno può essere fornito da fonti organiche derivate biologicamente, fonti inorganiche (HCO3– e HSO4–) e possibilmente dall’acqua rimasta dall’essiccazione incompleta. Se tutto l’idrogeno misurato fosse fornito solo da fonti organiche biologicamente derivate (a~ 7% di idrogeno in peso secco), allora prevederemmo che il liquido di skimmate essiccato contenesse circa 629 mg (~19%) di materiale organico. Chiaramente questo valore è troppo grande rispetto ai valori di analisi dell’azoto e del carbonio, quindi almeno una parte dell’idrogeno deve provenire da ioni inorganici o dall’acqua. Gli importi apportati dal bicarbonato HCO3-e dall’acido carbonico H2CO3 sono trascurabili, date le loro concentrazioni relativamente piccole (vedi analisi del carbonio, sopra). Inoltre, a pH = 7.67, c’è una piccola quantità di bisolfato, HSO4 -; il suo pKa = 1.9. Quindi, è probabile che il campione di skimmate liquido non sia stato completamente asciugato e che l’idrogeno rimanente provenga probabilmente da quella fonte. Dato dall’analisi dell’azoto che il solido derivato dal liquido di skimmate contiene circa 329 mg di materiale organico e il materiale organico è circa il 7% di idrogeno, quindi l’idrogeno contribuito da questo materiale organico è circa 23 mg del residuo solido. Se l’idrogeno misurato rimanente (44-23 = 21 mg) proviene da H2O, allora c’è 189 mg (~6 %) di acqua presente.

5) Analisi del silicio

L ‘ 1,40% di silicio in peso nel 3,31 gm di solido recuperato dal liquido dello skimmate funziona a 46 mg di silicio. Questo silicio può essere derivato da acido ortosilicico solubile in acqua (Si (OH)4, 29% Si, 4% H) o da opale biogenico che costituisce il guscio delle diatomee come descritto sopra (ca. formula molecolare per opale è SiO2•0. 4H2O, 42% Si, 1% H). Si noti che in entrambi i casi, la quantità di idrogeno apportata da entrambe le fonti di Si è minuscola (~ 0.04% in peso del solido derivato dallo skimmate liquid originale) e influenza a malapena le conclusioni dell’analisi dell’idrogeno di cui sopra. Non è possibile determinare la quantità di silicio deriva dal inorganici orthosilicic acido, e quanto può essere attribuito i gusci di diatomee, ma la % di silicio in ogni altra, e così si utilizzerà un valore medio (36%) per calcolare la quantità di “SiOxHy” in grezzo skimmate liquido derivato solido; di circa 128 mg (~4%) del skimmate liquido
> solido è una qualche forma di silicati, SiOxHy.

Così, in generale, il solido derivato dalla concentrazione del skimmate liquido può essere partizionato in:

• ioni Inorganici (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42-, HCO3–, SiOxHy) 87%
• carbonio organico Disciolto 10%
• Acqua 6%
• Totale 103%

Così, abbiamo superato il massimo teorico del contenuto del 100%, del 3%; non troppo male, date le molte approssimazioni e ipotesi che è andato in acquisizione di tali percentuali. La linea di fondo, tuttavia, è che il liquido dello skimmate contiene principalmente gli ioni inorganici comuni che costituiscono gli ioni principali in acqua di mare. Solo una piccola quantità di questo materiale può essere probabilmente assegnata al carbonio organico disciolto, DOC.

L’analisi chimica dei 5,18 gm del solido skimmate segue un approccio simile a quello descritto per il solido skimmate pesantemente lavato discusso sopra. Tuttavia, in questo caso, il solido non è stato lavato ripetutamente, e quindi alcuni composti idrosolubili persistono, sebbene la maggior parte dell’acqua sia stata probabilmente rimossa attraverso l’essiccazione sotto vuoto. Queste specie solubili in acqua sono costituite da 3,45 wt % di sodio, 0,40 wt % di cloruro, 0,38 wt % di potassio e 1,18 wt % di zolfo (= 3,6 wt % di solfato). Inoltre, è probabile che almeno una parte del Ca misurato, Mg, C (come HCO3) e P possa provenire da composti idrosolubili in aggiunta ai composti all’interno del solido insolubile, ma è probabile che la quantità complessiva della frazione idrosolubile di questi particolari ioni inorganici sia piccola, poiché lo ion più abbondante, il sodio, è solo il 3,45% in peso del solido isolato (Na/Ca = 28 in acqua di mare). Quindi, ad una prima approssimazione, trascureremo il loro contributo alla parte inorganica solubile in acqua dello skimmate solido. Da questo punto di vista, il solido di skimmate essiccato contiene circa l ‘ 8% in peso di ioni inorganici normalmente solubili in acqua.

1) L’analisi del calcio

10,52% in peso Ca implica che la quantità totale di Ca nel campione da 5,18 mg è di 545 mg. Supponendo che essenzialmente tutto questo Ca sia sotto forma di carbonato di calcio insolubile in acqua (CaCO3, MW = 100), allora i 5,18 mg di skimmate essiccato contengono 1,36 gm (26 %) di CaCO3. Poiché il carbonio è 12% (in peso) di CaCO3, quindi il 5.18 gm di skimmate essiccato contiene ~ 163 mg (~3.2%) di carbonio (inorganico) contribuito dal carbonato di calcio.

2) Analisi di magnesio

1,99% in peso Mg implica che la quantità totale di Mg nel campione di 5,18 gm è di 103 mg. Supponendo che tutto questo Mg sia sotto forma di carbonato di magnesio (MgCO3, MW = 84), allora il 5,18 gm di skimmate essiccato contiene 361 mg (~ 7,0 %) di MgCO3. Poiché il carbonio è 14 % (in peso) di MgCO3, allora il 5.18 gm di skimmate essiccato contengono ~ 51 mg (~ 1%) di carbonio (inorganico) contribuito dal carbonato di magnesio.

3) Azoto analisi

gli organismi Viventi sono ~ 5 – 9 % in peso secco di azoto (useremo il 7% per semplicità), (più severo, 2002) e così, se trascuriamo le fonti inorganiche di azoto (NH4, NO3 e NO2, che sono straordinariamente basso nel serbatoio dell’acqua), il 2.72 % in peso di azoto implica che ci sono 141 mg di azoto nel 5.18 gm di skimmate solido, che calcola a 2.01 gms (~39 %) di materiale organico presente.

4) Analisi dell’idrogeno

Gli organismi viventi sono ~ 7% in peso secco di idrogeno. (Sterner, 2002) Il 2,37% in peso di idrogeno implica che ci sono 123 mg di idrogeno nei 5,18 gm di solido skimmate, che calcola a 1,75 gms (~34%) di materiale organico presente. Confronta questo valore con la previsione basata sull’analisi dell’azoto di sostanze organiche da (3); 39% di carbonio organico. In questo caso, i risultati dell’idrogeno non sono così vicini ai risultati a base di azoto come lo erano nelle due analisi precedenti, ma non sono così lontani. Questa analisi dell’idrogeno presuppone che non ci sia acqua presente, o una parte dell’H sarebbe attribuibile all’acqua e non ai prodotti organici, e il calcolo organico basato su H sarebbe ancora più piccolo.

5) L’analisi del carbonio

22,50% in peso C implica che la quantità totale di C presente nel campione di skimmate da 5,18 gm è di 1,17 gm. Sottraendo la quantità di C dal contributo CaCO3 (163 mgs di C) e il contributo MgCO3 (51 mgs di C) lascia 952 mgs di C rimanenti. Se scontiamo di nuovo il filtro GAC come fonte di questo carbonio, allora la maggior parte (tutti?) di questo carbonio proviene da fonti “organiche”. Poiché gli organismi viventi sono 40-50% in peso secco di carbonio (useremo 45% per semplicità), (Sterner, 2002) quindi 952 mg di C organico implica che ci sono ~ 2.12 gms (~ 41 %) di materiale organico presente. Il confronto con i valori derivati da azoto (39% di sostanze organiche) e idrogeno (34% di sostanze organiche) fornisce un quadro coerente del contenuto organico.

6) Analisi del silicio

L ‘ 8,94% in peso di silicio presente nei 5,18 gm del solido skimmate suggerisce che ci sono 463 mg in totale di Si presenti. Se assumiamo che il Si è contribuito da opale biogenico dalla skeleta di diatomee, (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989) allora il Si è in un polimero idrato di SiO2 (ca. formula molecolare per opale è SiO2•0. 4H2O, 42% Si in massa). Pertanto, possiamo approssimare la quantità di opale biogenico presente come 1,10 gm (~21%).

7) Analisi del fosforo

Lo 0,46% in peso di P presente nei 5,18 gms di solido scremato secco implica che ci sono 24 mg di P presenti. Supponendo che tutto il P sia presente come fosfato, PO43 – (MW = 95, contatore sconosciuto), allora ci sono ~ 74 mgs (~ 1.4%) di PO43 – presente nel 5,18 gm di solido scremato secco. Questa quantità equivale a ~ 14300 ppm di fosfato, che è ancora molto più del < 0,02 ppm di fosfato nell’acqua del serbatoio.

8) Analisi del ferro

Lo 0,93% in peso di Fe nei 5,18 gms di skimmate solido essiccato ammonta a 48 mg di Fe presenti. I sali di ferro inorganici sono piuttosto insolubili in acqua, e quindi è probabile che quasi tutto questo ferro sia ferro “organico” che risiedeva nei corpi di microbi come batteri, ecc. o è da particelle di ferro colloidali espulse dal reattore GFO. Il rapporto peso-percentuale di carbonio-ferro dello skimmate di 24 può essere paragonato al rapporto peso secco C: Fe di diversi organismi planctonici: batteri eterotrofi:28500: 1, cianobatteri:11250: 1, fitoplancton eucariotico:71250: 1. (Tortell, 1996). Poiché il rapporto Fe:C rilevato è 10000x quello delle specie planctoniche, è altamente improbabile che gran parte del ferro scremato sia di origine “organica”. Uno scenario più probabile è che il particolato ossido ferrico viene espulso dal reattore GFO, e che il materiale costituisce quindi la maggior parte del ferro rimosso dallo skimmer. L’ossido ferrico ha una formula chimica nominale di Fe2O3,
ed è circa il 70% di ferro in peso. Quindi, i 48 mg di ferro nel solido skimmate corrispondono a circa 69 mg di Fe2O3 (~ 1,3% in peso).

In sintesi, lo skimmer sta tirando fuori una miscela solida di composti che consistono in peso (circa):

• 8% ioni inorganici
• 26 % di CaCO3
• 7% di MgCO3
• 21% di biogene opale (SiO2)
• 38% di materiale organico
• 1.5% di fosfato
• 1.3% di ossido ferrico

Questi materiali si sommano a ~ 103%, che è abbastanza vicino al massimo teorico di 100%. Eventuali discrepanze possono essere facilmente spiegate dall’incertezza numerica introdotta attraverso tutte le ipotesi. Cioè, anche con tutte le ipotesi e le approssimazioni citate in questa analisi, la somma totale della massa funziona entro il 3% di “perfetto”. Ancora una volta, il materiale organico rimosso nel solido skimmate è un componente minore, anche se in media del 38% (C vs. N vs. H analisi), è un po ‘ superiore al valore 34% derivato dal campione solido skimmate pesantemente lavato e molto più alto che la quantità di DOC nella frazione liquida (~ 10%). In totale, gli 8,49 gm di solidi totali rimossi durante la settimana di scrematura contengono circa 318 mg di sostanze organiche solubili in acqua (~ 4%) e circa 2,12 gms di sostanze organiche insolubili in acqua (~ 25%). Pertanto, con un ampio margine, la maggior parte dei prodotti organici rimossi dalla scrematura non sono DOC (carbonio organico disciolto). I composti inorganici CaCO3 e SiO2 costituiscono la maggior parte della massa solida dello skimmate, proprio come hanno fatto nel campione di skimmate pesantemente lavato analizzato per primo. Come discusso in tale analisi, la fonte di questi composti non è assegnabile da questi dati, ma una fonte biologica per il SiO2 (opale biogenico), gusci di diatomee, è probabile. Il CaCO3 potrebbe derivare sia da fonti inorganiche (es. espulsione di particelle di CaCO3 del reattore di calcio) che da fonti organiche (gusci di foraminiferi e/o coccolitofori).

Una delle osservazioni sorprendenti emerse dagli studi sulle prestazioni dello skimmer originale è che solo circa il 20-35% del TOC misurabile nell’acqua dell’acquario viene rimosso mediante scrematura. Questa osservazione potrebbe ora sembrare un po ‘ meno sorprendente se vista nel contesto dell’analisi dei componenti skimmate. Pertanto, solo ~ 29 % (25% dal solido + 4% dal liquido) dello skimmate rimosso dallo skimmer H&S 200 dall’autentica acqua del serbatoio di barriera nel corso di una settimana può essere assegnato al materiale organico. Quindi, la scrematura non rimuove tutto ciò che gran parte del TOC presente nell’acqua dell’acquario, e lo skimmate non contiene tutto ciò che molto TOC.

Quindi, cosa fa esattamente la scrematura? Sul tema della bonifica delle acque; il più conservatore, ammissibile (ma non convincente!) la risposta è che la scrematura rimuove molti (vivi o morti? sconosciuto) microrganismi che popolano l’acqua dell’acquario, e così facendo rimuove il carbonio (organico), fosforo e azoto che compongono la loro composizione biochimica. Inoltre, i composti organici disciolti possono anche essere rimossi, ma i dati non supportano la tesi che queste specie organiche disciolte costituiscano una grande quantità di sostanze organiche totali rimosse. Oltre a queste funzioni di depurazione dell’acqua, gli schiumatoi servono per ossigenare l’acqua e facilitare lo scambio di gas in generale, che sono attività utili indipendenti dalla rimozione dei rifiuti organici.

Conclusioni

La composizione chimica/elementare dello skimmate generato da uno skimmer H & S 200-1260 su un serbatoio di barriera da 175 galloni nel corso di diversi giorni o una settimana ha avuto alcune sorprese. Solo una piccola quantità di skimmate (solido + liquido) potrebbe essere attribuita al carbonio organico (TOC); circa il 29%, e la maggior parte di quel materiale non era solubile in acqua, cioè non era carbonio organico disciolto. La maggior parte del solido skimmate recuperato, a parte gli ioni comuni di acqua di mare, era CaCO3, MgCO3 e SiO2-composti inorganici! L’origine di queste specie non è nota con certezza, ma un buon caso può essere fatto che il SiO2 derivi dai gusci delle diatomee. Il CaCO3 potrebbe essere derivato da altri microbi planctonici con gusci di carbonato di calcio, o potrebbe provenire da effluenti del reattore di calcio. Nella misura in cui lo skimmate solido è costituito da microflora, quindi una parte del materiale organico insolubile rimosso dalla scrematura sarebbe quindi semplicemente i componenti organici (le “viscere”) di queste microflora. Queste microflora concentrano i nutrienti P, N e C dalla colonna d’acqua, e quindi la loro rimozione tramite scrematura costituisce un mezzo di esportazione di nutrienti.

Ringraziamenti

Ringraziamo l’Eberly College of Science presso la Pennsylvania State University e E. I DuPont de Nemours and Co. per il sostegno finanziario, e Drs. Sanjay Joshi (Penn State) e Craig Bingman (U. Wisconsin) per molte discussioni utili.

1. Brzezinski, M. A. 1985. “The Si:C: N Ratio of Marine Diatomes: Interspecific Variability and the Effect of Some Environmental Variables.”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. “Determinazione della materia organica refrattaria nei sedimenti marini mediante ossidazione chimica, pirolisi analitica e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare 13C allo stato solido.” EUR. J. Soil Sic., 59, 430-438.
3. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. “Lo sviluppo di un metodo per la valutazione quantitativa delle prestazioni degli schiumatoi.”Advanced Aquarist http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Ulteriori studi sulle prestazioni dello schiumatoio proteico.”Advanced Aquarist
5. Mitchell-Innes, B. A.; Winter, A. 1987. “Coccolithophores: a Major Phytoplancton Component in Mature Upwelling Waters Off the Cape Peninsula, South Africa in March, 1983.”Biol marino., 95, 25030.
6. Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. “Advanced Instrumental Approaches for Characterization of Marine Disciolto Organic Matter: Extraction Techniques, Mass Spectrometry, and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy.”Chem. Rev., 107, 419-442.
7. Mortlock, R. A.; Froelich, P. N. ” A Simple Method for the Rapid Determination of Biogenic Opal in Pelagic marine Sediments.” 1989. Res., 36, 1415-1426.
8. Stanley, SM; Ries, JB; Hardie, Los Angeles 2005 ,” Seawater Chemistry, Coccolithophore Population Growth, and the Origin of Cretaceous Chalk.”Geologia, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Stechiometria ecologica. La stampa dell’Università di Princeton, Princeton.
10. Tortell, PD; Maldonado, MT ;Price, NM ” Il ruolo dei batteri eterotrofi negli ecosistemi oceanici limitati al ferro.” 1996. Natura, 383, 330-332.