Elementaire analyse van Skimmate: wat verwijdert een eiwit Skimmer eigenlijk uit aquariumwater?

de nogal contra-intuïtieve observatie dat eiwitschimmers slechts 20 – 35% van de meetbare totale organische koolstof (TOC) in het rif aquarium water verwijderen (Feldman, 2009; Feldman, 2010) roept de vraag op: “wat is al dat “spul” dat zich verzamelt in onze skimmer cups?”Is het echt TOC, of op zijn minst een labiele, of” skimmable”, fractie van TOC? Pogingen om TOC-componenten te identificeren uit authentiek oceaanwater staan nog in de kinderschoenen en tot op heden heeft dit materiaal zich verzet tegen gedetailleerde chemische analyse. Recente inspanningen voornamelijk door Hatcher en collega ‘ s (Mopper, 2007; De la Rosa, 2008) met behulp van geavanceerde massaspectrometrie en nucleaire magnetische resonantie spectroscopie technieken hebben aangetoond dat authentieke ocean TOC bestaat uit tienduizenden discrete verbindingen die chemische vertegenwoordigers van alle belangrijke biochemische groepen omvatten; lipiden, peptiden, koolhydraten, heterocycles, aromaten, enz. De relatie tussen ocean TOC en aquarium TOC moet nog worden vastgesteld, maar het lijkt waarschijnlijk dat de TOC in onze aquaria even divers en rijk aan chemische complexiteit is. Het is dus even onwaarschijnlijk dat er in de nabije toekomst een chemische afbraak van aquarium TOC zal plaatsvinden. Niettemin zijn er analytische methoden die de meeste elementaire componenten van TOC kunnen onthullen en kwantificeren, en met een beetje chemische intuïtie, toestaan voor de toewijzing van sommige van deze componenten aan chemische categorieën. Deze analysemethoden worden elementaire (of verbranding) analyse en inductief gekoppelde Plasma atomaire emissie spectroscopie genoemd. Beide methoden zijn beschikbaar in vele commerciële activiteiten; We gebruikten Columbia Analytical Services in Tucson AZ voor onze skimmate monsters (http://www.caslab.com/).

experimentele resultaten

alle monsters van skimmate werden verkregen uit de verzamelbeker van een H&s 200-1260 skimmer die liep op een tank van 175 gallon rif onder de zorg van de auteur. Gedurende de tijd van deze collecties, de tank bevatte 10 vissen (paar Pterapogon kauderni (Banggai kardinalen), een paar Liopropoma carmabi (candy bas), Centropyge loriculus (vlam engel), Centropyge interrupta (Japanese pygmy engel), Oxycirrhites typus (longnose hawkfish), Zebrasoma flavescens (gele tang), Amblygobius bynoensis (byno grondel) en Synchiropus splendidus (mandarijn)), ongeveer 40 koraal kolonies van de SPS, LPS en de kelk categorieën, en een paar dozijn slakken en hermit krabben. Er waren geen zachte koralen of mosselen aanwezig. Typische dagelijkse voedingen omvatten een kubus van Hikari Mysis garnalen, een kubus van PE Mysis garnalen, een snufje vlokken voedsel, en een snufje pellet voedsel. Drie keer per week werden de Reef Nutrition producten Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast en Arctipods gebruikt, en één keer per week werd een vel nori toegevoegd. De skimmer cup werd wekelijks schoongemaakt, en granulaire actieve kool (GAC), korrelige ijzeroxide (GFO), een calcium reactor, en een UV sterilisator werden allemaal continu gebruikt. Zeventien procent van het watervolume werd wekelijks gewijzigd en ook de tankparameters werden wekelijks gemeten; = 1.4 ppm (1 uur na voeding) – 0,5 ppm (24 uur na voeding), = 390 – 410 ppm, = 1230 – 1260 ppm, = 3,5 – 4 meq/L, zoutgehalte = 34,5 – 36 ppt, pH = 7,8 (lichten aan) – 8,1 (lichten uit), < 0,5 ppm, geen meetbare NH4, NO2 of PO4. De verlichting werd verzorgd door twee 400W 14K geissmann metaalhalogenide Lampen en een 175W 15K Iwasaki metaalhalogenide lamp op een 8-uur aan, 16-uur uit cyclus. Er werden geen additieven behalve CaCl2•2H2O gebruikt.Ons eerste experiment was bedoeld om de samenstelling van het in water onoplosbare vaste materiaal te onderzoeken dat door een eiwitafschuimer werd verwijderd. Skimmate werd verzameld over 4 dagen zonder enige toevoeging aan het aquarium, Fig. 1. De vloeibare en vaste inhoud van de afzuigbeker h&s 200-1260 werd na deze periode zorgvuldig verwijderd en geconcentreerd tot droogheid door eerste vloeibare verdamping onder verminderde druk en vervolgens vacuümdroging bij 110 oC / 0,2 mm.deze procedure verwijdert vrijwel al het water (zie hieronder) en natuurlijk alle vluchtige bestanddelen van de afzuigbeker. Zeventien gram grijsbruine vaste stof resulteerde, zie Fig. 1.

vier gram van deze ruwe skimmate werden suspendeer in 100 mL gedestilleerd water en krachtig roeren gedurende enkele uren. Het mengsel werd vervolgens gescheiden door centrifugeren bij 6000 tpm/10 min, waarna het supernatant werd afgegoten en weggegooid. Deze procedure werd 3 keer herhaald, en toen werd het resterende materiaal vacuüm gedroogd bij 110 oC / 0,2 mm gedurende 48 uur om zich 0,47 gm van grijs-groen vast lichaam te veroorloven. Merk op dat CaCO3 moet worden verwarmd tot > 900 oC om CO2 te verbranden. Deze stevige werd onderworpen aan elementaire analyse, zoals hierboven beschreven in Columbia Analytische Diensten:

• C: 21.08 %
• H: 2.39 %
• N: 2.22 %
• Ca:17.43 %
• Mg: 1.35 %
• Si: 4.76 %
• P: 0.16 %

Deze gegevens kunnen worden geïnterpreteerd met een toepassing van chemische intuïtie en een aantal aannames.

1) Calciumanalyse

17.43 gewichtsprocent Ca betekent dat de totale hoeveelheid Ca in het monster van 470 mg 82 mg is. Aangenomen dat al deze Ca in de vorm van calciumcarbonaat (CaCO3, MW = 100) is, dan bevat de 470 mg gedroogde skimmate 205 mg (44 %) CaCO3. Aangezien koolstof 12 gewichtsprocent CaCO3 is, bevat de 470 mg gedroogde skimmate ~ 25 mg (~5,2 %) aan (anorganische) koolstof uit het calciumcarbonaat.

2) Magnesiumanalyse

1,35 gewichtsprocent Mg impliceert dat de totale hoeveelheid Mg in het monster van 470 mg 6,3 mg is. Aangenomen dat al deze Mg in de vorm van magnesiumcarbonaat (MgCO3, MW = 84) is, dan bevat de 470 mg gedroogde skimmate 22 mg (~ 4,7 %) MgCO3. Aangezien koolstof 14 gewichtsprocent MgCO3 is, bevat de 470 mg gedroogde skimmate ~ 3 mg (~0,7 %) aan (anorganische) koolstof die uit het magnesiumcarbonaat wordt bijgedragen.

3) Stikstofanalyse

levende organismen zijn ~ 5 – 9% van het droge gewicht stikstof (we gebruiken 7% voor de eenvoud), (Sterner, 2002) en dus, als we de anorganische bronnen van stikstof (NH4, NO3 en NO2, die onmetelijk laag in het tankwater) verwaarlozen, de 2.22 gewichtsprocent stikstof houdt in dat er 10,4 mgs stikstof in de 470 mgs skimmate, die berekent 149 mgs (~32 %) van organisch materiaal aanwezig.

4) Waterstofanalyse

levende organismen zijn ~ 7 gewichtspercenten waterstof . (Sterner, 2002) 2.39 gewichtsprocent waterstof impliceert dat er 11.2 mgs van waterstof in 470 mgs van skimmate zijn, die aan 160 mgs (~34%) van organisch materiaal huidig berekent. Vergelijk deze waarde met de stikstof analyse-gebaseerde voorspelling van organische stoffen uit (3); 32% – zeer nauwe overeenstemming!

5) Koolstofanalyse

21.08 gewichtsprocent C betekent dat de totale hoeveelheid C in het 470 mg skimmate-Monster 99 mg bedraagt. Door het bedrag van C af te trekken van de CaCO3-bijdrage (25 mgs van C) en de MgCO3-bijdrage (3 mgs van C) blijft 71 mgs van C over. Wat is de bron van deze koolstof? Twee mogelijkheden lijken waarschijnlijk: uitgestoten deeltjes koolstof uit het GAC-filter, of TOC afkomstig uit organische bronnen. Levende organismen zijn 40-50% van het droge gewicht koolstof (we gebruiken 45% voor eenvoud), (Sterner, 2002). Als alle 71 mg koolstof afkomstig was van organische bronnen (= TOC), dan zou er ~ 158 mgs (~34 %) organisch materiaal aanwezig zijn. Vergelijk deze waarde met zowel de op stikstofanalyse gebaseerde voorspelling van organische stoffen van (3); 149 mgs (~ 32%), en de op waterstofanalyse gebaseerde voorspelling van (4); 160 mgs van TOC (34%). De overeenstemming tussen de TOC-koolstofberekening en de onafhankelijke waterstof-en stikstofberekeningen kan niet worden genegeerd. Derhalve is er
geen bewijs dat de conclusie contra-indiceert dat de resterende 71 mgs koolstof kan worden toegeschreven aan organische bronnen als TOC; er is geen reden om GAC filter ejecta aan te roepen als bron voor deze koolstof.

6) Siliciumanalyse

de 4,76 gewichtsprocent silicium die aanwezig is in de 470 mgs van skimmate suggereert dat er in totaal 22,4 mgs Si aanwezig is. Als we aannemen dat het Si wordt bijgedragen door biogene opaal uit het skelet van diatomeeën (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989)dan is het Si in een gehydrateerd polymeer van SiO2 (CA. Molecuulformule voor opaal is SiO2 * 0, 4H2O, 42 massaprocent Si). Daarom kunnen we de hoeveelheid biogene opaal aanwezig als 53 mgs (~ 11%) benaderen.

7) Fosforanalyse

de aanwezigheid van 0,16 gewichtsprocent P in de 470 mgs droge skimmate impliceert dat er 0,75 mgs P aanwezig is. Ervan uitgaande dat alle P aanwezig is als fosfaat, PO43- (MW = 95, onbekend counterion), dan zijn er ~ 2,3 mgs (~ 0,5%) van PO43 – aanwezig in de 470 mgs van droge skimmate. Deze hoeveelheid komt overeen met ~ 4900 ppm fosfaat, wat veel meer is dan de < 0,02 ppm fosfaat in het tankwater. Zo, skimming doet concentreren fosfaat.

samenvatting van de elementaire analyse

samengevat trekt de skimmer een vast, in water onoplosbaar mengsel van verbindingen die in gewicht bestaan uit (ongeveer):

• 44 % van CaCO3
• 5% van MgCO3
• 11% van biogeen opaal
• 34% van organisch materiaal
• 0,5% van fosfaat

daarom is in totaal ~ 95% van de in droog water onoplosbare skimmate aanwezig. Wat zijn de bronnen van deze chemische verbindingen in de skimmate? De biogene opaal is waarschijnlijk afkomstig van de schelpen van diatomeeën, kleine leden van de fytoplanktonfamilie van mariene microben. De CaCO3 (en MgCO3) kunnen zowel biogene als abiologische bronnen hebben. Een calciumreactor was actief gedurende de experimentele skimmate collectie periode, en dus een deel van de CaCO3 misschien microparticulaten uitgezonden door dit apparaat. Als alternatief kan de CaCO3 ontstaan uit de schelpen van planktonische microben uit de coccolithophore (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) en foraminifera families. Deze planktoncomponenten komen onder bepaalde omstandigheden voor in zeewater, maar de aanwezigheid in aquariumwater is niet vastgesteld. Het is momenteel niet mogelijk een onderscheid te maken tussen deze biologische en abiologische bronnen van CaCO3. Toekomstige experimenten in
waarbij skimmate wordt verzameld zonder een lopende calciumreactor, zouden hier enig licht op kunnen werpen. Het fosfaat aanwezig in de skimmate kon niet afkomstig zijn van anorganisch fosfaat in de waterkolom; dat ion zou zijn verwijderd door het grondig wassen met water. Het is mogelijk dat een deel van dit fosfaat in de vorm van onoplosbaar calciumfosfaat is, maar dat optreden zou onwaarschijnlijk zijn omdat Ca3(PO4)2 wordt gevormd bij een vrij hoge pH, wat niet kenmerkend is voor de skimmate vloeistof (pH = 7,67, zie hieronder). Standaard is het dan hoogstwaarschijnlijk afgeleid van organisch fosfaat; dat wil zeggen, veel biochemicaliën binnen diatomeeën en alle andere levende organismen (coccolithoforen, foraminifera, bacteriën, mensen, enz.) fosfaatgroepen hebben aangesloten. Aquariumorganismen rekruteren deze fosfaatmoleculen uit het anorganische fosfaat in de waterkolom en hechten ze vervolgens aan de organische biochemicaliën. Zo concentreren ze effectief fosfaat uit het water, en dat
fosfaat wordt dan verwijderd (in het intacte organisme) bij het afromen. Vanuit dit perspectief draagt skimming wel bij aan de verwijdering van anorganisch fosfaat uit aquariumwater.

een interessante en misschien onverwachte waarneming is dat slechts 34% van dit vaste skimmate materiaal kan worden toegewezen aan “organische koolstof”, TOC. Zo is 2/3 van het vaste, in water onoplosbare deel van de skimmate niet TOC, maar anorganisch materiaal dat (al dan niet) biogene oorsprong kan hebben. Als een aanzienlijke hoeveelheid van dit anorganische materiaal afkomstig is van de schelpen van plankton, dan is het logisch dat een groot deel van het gedetecteerde organische materiaal (TOC) waarschijnlijk de “ingewanden” van deze organismen vormt. Dus, misschien niet dat veel van de TOC verwijderd door skimming is eigenlijk vrij zwevende organische moleculen. Een voorbehoud op deze interpretatie is natuurlijk het feit dat ~ 90% van de ruwe oorspronkelijke skimmate werd weggespoeld met water. Misschien bevatte die in water oplosbare fractie significante hoeveelheden opgeloste organische koolstof, die door de bovenstaande analyse niet zouden worden ontdekt.

een tweede, uitgebreidere chemische analyse van skimmate werd uitgevoerd om dit probleem aan te pakken. In dit experiment werd de tank dagelijks gevoed met een mengsel van PE en Hikari Mysis garnalen, Ocean Nutrition Formula 1 flakes, Omega One Veggie Flakes en Aqueon Marine Granules zoals hierboven beschreven. Deze dagelijkse voeding bedroeg een droog gewicht (110 oC/0,2 mm gedurende 48 uur) van 0,87 gms/dag. Tijdens dit experiment werden geen Rifvoedingsproducten gebruikt. Na 7 dagen van deze voeding werd de vaste en vloeibare skimmate, verzameld door de skimmer h&s 200-1260, zorgvuldig uit de skimmerbeker verwijderd en gescheiden door centrifugeren (6000 tpm, 40 min). Het lichtbruine heldere supernatant werd afgegoten en het volume ervan werd gemeten; 125 mL. Het vaste residu werd gedurende 24 uur gedroogd in vacuüm bij 110 oC/0,2 mm => 5,18 g bruine vaste stof. 110 mL van de vloeistof werd onder verlaagde druk geconcentreerd en vervolgens vacuüm gedroogd (110 oC/0,2 mm/24 uur) om 2,91 gm bruine vaste stof ( =>
3,31 gms vaste stof uit de oorspronkelijke 125 mL teruggewonnen vloeistof) te verkrijgen. De 15 mL resterende vloeibare skimmate werd onderzocht met een Salifert-testkit voor alkaliniteit: = 8,0 meq/L. bovendien gaf de brekingsindex van 1,023 een zoutgehalte van 31 ppt en een pH van 7,67 aan. Een eindpunt kon niet worden gedetecteerd met de Ca-of Mg Salifert-kits, de Merck-fosfaatkit of de Salifert NO3-kit vanwege de interfererende lichtbruine kleur van de skimmate-vloeistof. Merk op dat de buitengewoon hoge meting niet noodzakelijk suggereert dat de concentraties van HCO3– of CO32 – hoog zijn; er kunnen organische zure carboxylaten uit de TOC-pool zijn die worden gedetecteerd door deze alkaliniteitstest (zie hieronder).

de vaste stof verkregen door verdamping van het vloeibare gedeelte van de skimmate en de vaste stof verkregen na centrifugering werden beide voor elementanalyse aan Columbia Analytical Services voorgelegd. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 1. Bovendien werd het gedroogde voedsel geanalyseerd op geselecteerde elementen. Ter vergelijking is het gehalte aan natuurlijke zeewaterelementen opgenomen.

Tabel 1. Resultaten van de elementaire analyses van skimmate en voedselmonsters.

Element	Vaste skimmate (gewicht %)	Vloeistof skimmate(gewicht %)	Natuurlijke zee watersolids (gewicht %)	Voedsel(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
Als	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
Ik			< 0.01	< 0.1
Cu			< 0.01	< 0.006
Ben	55.84	85.89	95

Voedselanalyse

het uitgedroogde voedsel werd onderzocht op fosfor -, koper-en jodiumgehalte. Noch koper noch jodium geregistreerd in deze analyses; er kan niet meer dan 100 ppb van beide in het voedsel. Het fosforgehalte was echter aantoonbaar en 1,57 gewichtsprocent P komt overeen met ongeveer 14 mg PF fosfor in de 0,87 g gedroogde voeding die dagelijks in de tank wordt gevoerd. Ervan uitgaande dat alle P aanwezig is als fosfaat, PO43- (MW = 95), dan zijn er ~ 42 mgs (~ 5%) van PO43 – aanwezig in de 0,87 g van gedroogd voedsel. Merk op dat de bevroren Mysis garnalen blokjes grondig werden gewassen met leidingwater tot ontdooid, en dus fosfaatgehalte in het water voor bevriezing kan worden verdisconteerd. De dagelijkse toevoeging van 42 mg fosfaat aan de 168 gallons van het aquariumwatervolume vertegenwoordigt een nominale toevoeging van ongeveer 0,06 ppm fosfaat per dag. Aangezien de analyse van de Merck phosphate test kit wijst op een fosfaatgehalte van < 0,02 ppm (test kit limiet), lijkt het toegevoegde fosfaat gemakkelijk uit de waterkolom te worden verwijderd.

Skimmate vloeistofanalyse

1) Zwavelanalyse

de 2.47 gewichtsprocent zwavel aanwezig in de 3,31 g van vaste stof afgeleid van de skimmate vloeistof komt overeen met ongeveer 82 mg S. Deze zwavel komt hoogstwaarschijnlijk uit sulfaat, SO42- (MW = 96, 33 gewichtsprocent). Er is zeker een kleine hoeveelheid “organische” zwavel in de DOC, maar dat is waarschijnlijk niet veel toe te voegen aan de totale zwavel%, omdat zwavel slechts ~ 0,1% van het droge gewicht van levende materie. (Sterner, 2002) dus, 82 mg S in de gedroogde vloeibare skimmate komt overeen met 248 mg (7,5%) sulfaat in de gedroogde skimmate vloeistof.

2) Stikstofanalyse

De 0.68% van het droge gewicht van stikstof in de 3,31 g van gedroogde skimmate vloeistof komt overeen met 23 mg N. bronnen van de stikstof zijn organische stof (DOC), en natuurlijk anorganische ionen; ammonium (NH4+), nitriet (NO2–) en nitraat (NO3–). Er is in wezen geen meetbare (d.w.z. < 1 ppm) NH4, NO2 of NO3 in het aquariumwater, dus bij een eerste benadering kan de stikstof in de skimmate worden toegeschreven aan “organische” stikstof. Aangezien organisch materiaal afkomstig van levende bronnen ongeveer 7% stikstof in het droge gewicht bedraagt (zie hierboven), wijst de 23 mg N in de skimmate-vloeistof erop dat er in totaal ongeveer 329 mg (~ 10%) organisch materiaal aanwezig is.

3) Koolstofanalyse

de 4,50 gewichtsprocent koolstof aanwezig in de 3,31 g van gedroogde skimmate vloeistof komt overeen met 149 mg C aanwezig. Bronnen van koolstof in de skimmate vloeistof zijn anorganische koolstof als onderdeel van de carbonaat-evenwichten, organische koolstof (DOC), en koolstofdeeltjes uitgestoten uit de GAC-filter. Op basis van het argument in (5) hierboven lijkt het onwaarschijnlijk dat het GAC-filter een bron van deze koolstof is. Het is niet mogelijk onderscheid te maken tussen de resterende twee bronnen op basis van de meting van de elementaire analyse of de onafhankelijke meting, aangezien deze laatste bepaling zowel (organische) carboxylaten als de anorganische vormen, bicarbonaat HCO3– en carbonaat CO32-zal detecteren. Het is echter mogelijk om een bovengrens vast te stellen voor het gehalte aan anorganisch (bicarbonaat en carbonaat) van de skimmate-vloeistof uit de Salifertalkaliniteitsmeting. De gemeten alkaliniteit via een Salifert-testkit was 8 meq / L. als we voor de vaststelling van deze bovengrens aannemen dat al die alkaliteit te wijten was aan het carbonaatsysteem, dan komt 8,0 meq/L overeen met 1,0 mmol alkaliteit in de 125 mL skimmate vloeistof die bij de centrifugering werd opgevangen. Verder, als we aannemen dat al die alkaliteit in de vorm van bicarbonaat, HCO3– (eigenlijk, bij pH = 7,67, is ongeveer 96% van het carbonaat aanwezig), dan zouden we 1,0 mmol, of 61 mg, HCO3– aanwezig in de 3,31 g van gedroogde skimmate vloeistof. Zo zou bij een maximum van 61 mg HCO3– (= 20 gewichtsprocent C) slechts 12 mg van de totale 149 mg koolstof in de gedroogde skimmate-vloeistof vertegenwoordigen. In dit scenario zou 137 mgs van de gemeten koolstof dan worden afgeleid uit organische bronnen. Met behulp van de schatting dat organisch materiaal afgeleid van levende bronnen is 45% koolstof, dan zou de hoeveelheid DOC in de gedroogde skimmate vloeistof 304 mg (~ 9%); niet te ver af van de stikstof analyse cijfer van ~ 10% organisch materiaal. Als aan het andere uiterste alle gemeten alkaliteit aan organische carboxylaten kan worden toegeschreven (neem aan dat C18-soorten gemiddeld zijn, dus C = 76% van de carboxylaatmassa), dan zou de 1,0 mmol alkaliteit overeenkomen met 283 mg organische carboxylaten, waarvan 76% (=215 mg) koolstof zou zijn. Aangezien de totale gemeten koolstof slechts 149 mgs bedroeg, is dit laatste scenario natuurlijk onmogelijk. Hoogstwaarschijnlijk kan ~ 3 of 4 meq / L van de alkaliniteit worden toegewezen aan HCO3 -, zodat de resterende organische koolstof rond 143 mgs => 318 mgs (~ 10%) organisch materiaal is – dezelfde waarde afgeleid uit de stikstofberekening.

4) Waterstofanalyse

de 1,33 gewichtsprocent waterstof in het 3,31 g monster van gedroogde skimmate vloeistof impliceert dat er 44 mg H aanwezig is. Deze waterstof kan worden bijgedragen uit biologisch afgeleide organische bronnen, anorganische bronnen (HCO3-en HSO4 -), en mogelijk uit water dat overblijft van onvolledige droging. Als alle gemeten waterstof alleen afkomstig was van biologisch afgeleide organische bronnen (bij ~ 7% drooggewicht waterstof), dan zouden we voorspellen dat de gedroogde skimmate vloeistof ongeveer 629 mg (~ 19%) organisch materiaal bevatte. Het is duidelijk dat die waarde te groot is in vergelijking met de stikstof-en koolstofanalysewaarden, dus ten minste een deel van de waterstof moet afkomstig zijn van anorganische ionen of van water. De hoeveelheden die afkomstig zijn van bicarbonaat HCO3– en koolzuur H2CO3 zijn verwaarloosbaar, gezien hun relatief kleine concentraties (zie Koolstofanalyse hierboven). Bovendien, bij pH = 7.67, is er een verdwijnend kleine hoeveelheid bisulfaat, HSO4 -; zijn pKa = 1,9. Dus, is het waarschijnlijk dat de vloeibare skimmate monster niet volledig gedroogd, en de resterende waterstof komt waarschijnlijk uit die bron. Gegeven uit de stikstofanalyse dat de vaste stof afkomstig van de skimmate vloeistof bevat ongeveer 329 mg organisch materiaal, en organisch materiaal is ongeveer 7% waterstof, dan is de waterstof bijgedragen uit dit organische materiaal is ongeveer 23 mg van het vaste residu. Als de resterende gemeten waterstof (44-23 = 21 mg) afkomstig is van H2O, dan is er 189 mg (~ 6%) water aanwezig.

5) Siliciumanalyse

de 1,40 gewichtsprocent silicium in de 3,31 g vaste stof die uit de skimmate-vloeistof wordt teruggewonnen, bedraagt 46 mg silicium. Dit silicium kan afkomstig zijn van in water oplosbaar orthosilicinezuur (Si (OH)4, 29% Si, 4% H) of Van biogeen opaal waaruit het omhulsel van diatomeeën bestaat zoals hierboven beschreven (CA. moleculaire formule voor opaal is SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si, 1% H). Merk op dat in beide gevallen, de hoeveelheid waterstof bijgedragen door een van beide bronnen van Si is minuscuul (~ 0.04 gewichtsprocent van de oorspronkelijke skimmate vloeistof ‘ s afgeleide vaste stof) en nauwelijks invloed op de conclusies van de waterstofanalyse hierboven. Het is niet mogelijk om te bepalen hoeveel silicium afkomstig is van anorganisch orthosilicinezuur, en hoeveel kan worden toegeschreven aan de schelpen van diatomeeën, maar het % silicium in elk is niet zo verschillend, en dus zullen we een gemiddelde waarde (36%) gebruiken om de hoeveelheid “SiOxHy” in de afgeleide vaste stof van de ruwe skimmate vloeistof te berekenen; ongeveer 128 mg (~4%) van de
vaste stof van de skimmate vloeistof is een vorm van silicaat, SiOxHy.

Dus, samengevat, de vaste afgeleid van de concentratie van de skimmate vloeistof kan worden opgedeeld in:

• Anorganische ionen (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42-, HCO3–, SiOxHy) 87%
• Opgeloste organische koolstof (10%
• Water 6%
• Totaal 103%

Dus, we hebben overschreden de theoretische maximale inhoud van 100% met 3%; niet slecht, gezien de vele benaderingen en veronderstellingen die ging in de verwerving van deze percentages. De bottom line, echter, is dat de skimmate vloeistof bevat meestal de gemeenschappelijke anorganische ionen die de belangrijkste ionen in zeewater vormen. Slechts een kleine hoeveelheid van dit materiaal kan worden toegewezen aan opgeloste organische koolstof, DOC.

de chemische analyse van de 5,18 g van skimmate solid volgt een soortgelijke benadering als die beschreven voor de zwaar gewassen skimmate solid hierboven besproken. In dit geval werd de vaste stof echter niet herhaaldelijk gewassen, waardoor sommige in water oplosbare verbindingen blijven bestaan, hoewel het grootste deel van het water waarschijnlijk werd verwijderd door vacuümdroging. Deze in water oplosbare soorten bestaan uit 3,45 wt % natrium, 0,40 wt % chloride, 0,38 wt % kalium en 1,18 wt % zwavel (= 3,6 wt % sulfaat). Bovendien is het waarschijnlijk dat ten minste een deel van de gemeten Ca, Mg, C (als HCO3) en P afkomstig is van in water oplosbare verbindingen naast verbindingen in de onoplosbare vaste stof, maar de totale hoeveelheden van de in water oplosbare fractie van deze specifieke anorganische ionen zijn waarschijnlijk klein, aangezien het meest voorkomende ion, natrium, slechts 3,45 gewichtsprocent van de geïsoleerde vaste stof bedraagt (Na/Ca = 28 in zeewater). Dus, om een eerste benadering, zullen we hun bijdrage aan de in water oplosbare anorganische deel van de vaste skimmate verwaarlozen. Vanuit dit perspectief bevat de gedroogde skimmate-vaste stof ongeveer 8 gewichtsprocent normaal in water oplosbare anorganische ionen.

1) Calciumanalyse

10,52 gewichtsprocent Ca houdt in dat de totale hoeveelheid Ca in het monster van 5,18 mg 545 mg bedraagt. Aangenomen dat in wezen al deze Ca in de vorm van water onoplosbaar calciumcarbonaat (CaCO3, MW = 100) is, dan bevat de 5,18 mg gedroogde skimmate 1,36 gm (26 %) CaCO3. Aangezien koolstof 12 gewichtsprocent CaCO3 is, bevat de 5,18 g gedroogde skimmate ~ 163 mg (~3,2 %) aan (anorganische) koolstof uit het calciumcarbonaat.

2) Magnesiumanalyse

1,99 gewichtsprocent Mg impliceert dat de totale hoeveelheid Mg in het 5.18 g-Monster 103 mg is. Aangenomen dat al deze Mg in de vorm van magnesiumcarbonaat (MgCO3, MW = 84) is, dan bevat de 5,18 g gedroogde skimmate 361 mg (~ 7,0 %) MgCO3. Aangezien koolstof 14 % (in gewicht) van MgCO3 is, dan de 5.18 g van gedroogde skimmate bevat ~ 51 mg (~ 1 %) van (anorganische) koolstof bijgedragen uit het magnesiumcarbonaat.

3) Stikstofanalyse

levende organismen zijn ~ 5 – 9% van het droge gewicht stikstof (we zullen 7% gebruiken voor de eenvoud), (Sterner, 2002) en dus, als we de anorganische bronnen van stikstof (NH4, NO3 en NO2, die onmetelijk laag zijn in het tankwater) verwaarlozen, betekent 2,72 gewichtsprocent stikstof dat er 141 mg stikstof in de 5,18 GG van skimmate vaste stof zit, wat neerkomt op 2,01 gms (~39%) organisch materiaal aanwezig.

4) Waterstofanalyse

levende organismen zijn ~ 7 gewichtspercenten waterstof . (Sterner, 2002) de 2,37% in gewicht van waterstof impliceert dat er 123 mgs van waterstof in de 5.18 gm van skimmate vaste stof, die berekent aan 1,75 gms (~34%) van organisch materiaal aanwezig. Vergelijk deze waarde met de op stikstofanalyse gebaseerde voorspelling van organische stoffen uit (3); 39% organische koolstof. In dit geval liggen de waterstofresultaten niet zo dicht bij de resultaten op basis van stikstof als bij de vorige twee analyses, maar ze liggen niet zo ver weg. Deze waterstofanalyse gaat ervan uit dat er geen water aanwezig is, of dat een deel van de H kan worden toegeschreven aan water en niet aan organische stoffen, en dat de H-gebaseerde organische berekening nog kleiner zou zijn.

5) Koolstofanalyse

22,50 gewichtsprocent C houdt in dat de totale hoeveelheid C in het monster van 5.18 g skimmate 1,17 g bedraagt. Door het bedrag van C af te trekken van de CaCO3-bijdrage (163 mgs van C) en de MgCO3-bijdrage (51 mgs van C) blijft 952 mgs van C over. Als we het GAC-filter weer als bron van deze koolstof weglaten, dan is de meeste (alle?) van deze koolstof komt uit “organische” bronnen. Aangezien de levende organismen 40 – 50% door drooggewicht koolstof zijn (wij zullen 45% voor eenvoud gebruiken), (Sterner, 2002) dan 952 mgs organische C impliceert dat er ~ 2,12 gms (~41 %) organisch materiaal aanwezig is. Vergelijking met de stikstof- (39% organische stoffen) en waterstof – (34% organische stoffen) afgeleide waarden geeft een consistent beeld van het organische gehalte.

6) silicium analyse

de 8,94 gewichtsprocent silicium aanwezig in de 5,18 g van skimmate solid suggereert dat er in totaal 463 Mg Si aanwezig is. Als we aannemen dat het Si wordt bijgedragen door biogene opaal uit het skelet van diatomeeën (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989)dan is het Si in een gehydrateerd polymeer van SiO2 (CA. Molecuulformule voor opaal is SiO2 * 0, 4H2O, 42 massaprocent Si). Daarom kunnen we de hoeveelheid biogene opaal aanwezig als 1,10 gm (~ 21%) benaderen.

7) Fosforanalyse

0,46 gewichtsprocent P aanwezig in de 5,18 gms droge skimmate vaste stof impliceert dat er 24 mgs P aanwezig is. Aangenomen dat alle P aanwezig is als fosfaat, PO43- (MW = 95, onbekend counterion), dan zijn er ~ 74 mgs (~ 1.4 %) van PO43-aanwezig in de 5.18 gm van droge skimmate solid. Deze hoeveelheid komt overeen met ~ 14300 ppm fosfaat, wat weer aanzienlijk meer is dan de < 0,02 ppm fosfaat in het tankwater.

8) Ijzeranalyse

0,93 gewichtsprocent Fe in de 5,18 gms gedroogde skimmate vaste stof komt overeen met 48 mg Fe aanwezig. Anorganische ijzerzouten zijn vrij onoplosbaar in water, en dus is het waarschijnlijk dat bijna al dit ijzer ofwel “organisch” ijzer is dat in de lichamen van microben zoals bacteriën, enz. of het is van colloïdale ijzerdeeltjes uitgestoten uit de GFO reactor. De koolstof-ijzer-gewichtsprocentverhouding van de skimmate van 24 kan worden vergeleken met het drooggewicht C:Fe-verhoudingen van verschillende planktonische organismen: heterotrofe bacteriën: 28500:1, cyanobacteriën: 11250:1, eukaryotisch fytoplankton: 71250:1. (Tortell, 1996). Aangezien de gedetecteerde Fe: C-Verhouding 10000x die van planktonische soorten is, is het zeer onwaarschijnlijk dat veel van het magere ijzer van “organische” oorsprong is. Een waarschijnlijker scenario is dat fijnstof ijzeroxide wordt uitgestoten uit de GFO-reactor, en dat materiaal vormt dan het grootste deel van het ijzer dat door de skimmer wordt verwijderd. Ijzeroxide heeft een nominale chemische formule van Fe2O3,
en is ongeveer 70 gewichtspercenten ijzer. De 48 mg ijzer in de skimmate-vaste stof komt dus overeen met ongeveer 69 mg Fe2O3 (~ 1,3 gewichtsprocent).

samengevat trekt de skimmer een vast mengsel van verbindingen die in gewicht bestaan uit (ongeveer):

• 8% anorganische ionen
• 26 % CaCO3
• 7% MgCO3
• 21% biogeen opaal (SiO2)
• 38% organisch materiaal
• 1,5% fosfaat
• 1.3 % ijzeroxide

deze materialen komen overeen met ~ 103%, wat vrij dicht bij het theoretische maximum van 100% ligt. Eventuele discrepanties kunnen gemakkelijk worden verklaard door de numerieke onzekerheid die door alle veronderstellingen is ingevoerd. Dat wil zeggen, zelfs met alle veronderstellingen en benaderingen die in deze analyse worden aangehaald, werkt de som van de massa tot binnen 3% van “perfect”. Nogmaals, het organische materiaal verwijderd in de skimmate vaste stof is een kleine component, hoewel op een gemiddelde van 38% (C VS. N vs. H analyse), is het iets hoger dan de 34% waarde afgeleid van de zwaar gewassen skimmate vaste monster en veel hoger dan de hoeveelheid DOC in de vloeibare fractie (~ 10%). In totaal bevat de 8,49 gm totale hoeveelheid vaste stoffen die tijdens de week van skimming worden verwijderd, ongeveer 318 mg in water oplosbare organische stoffen (~ 4%) en ongeveer 2,12 gms in water onoplosbare organische stoffen (~ 25%). Dus, met een grote marge, het grootste deel van de organische stoffen verwijderd door skimming zijn niet DOC (opgeloste organische koolstof). De anorganische verbindingen CaCO3 en SiO2 vormen de meerderheid van de skimmate vaste massa, net zoals ze deden in de zwaar gewassen skimmate monster eerst geanalyseerd. Zoals besproken in die analyse, is de bron van deze verbindingen niet toewijsbaar aan de hand van deze gegevens, maar een biologische bron voor de SiO2 (biogene opaal), diatomeeënschelpen, is waarschijnlijk. De CaCO3 kan ontstaan uit zowel anorganische bronnen (d.w.z. calciumreactor CaCO3 deeltjesemissie) als organische bronnen (de schelpen van foraminifera en/of coccolithoforen).

een van de verrassende waarnemingen die uit het oorspronkelijke onderzoek naar de prestaties van de skimmer naar voren kwam, is dat slechts ongeveer 20 – 35% van het meetbare TOC in aquariumwater door afromen wordt verwijderd. Die observatie lijkt nu misschien iets minder verrassend in de context van de skimmate component analyse. Zo kan slechts ~ 29 % (25% van de vaste stof + 4% van de vloeistof) van de skimmate verwijderd door de H&s 200 skimmer uit authentiek rifwater in de loop van een week worden toegewezen aan organisch materiaal. Skimming verwijdert dus niet al te veel van de TOC die in het aquariumwater aanwezig is, en de skimmate bevat niet al te veel TOC.

Wat doet skimming precies? Op het gebied van watersanering; de meest conservatieve, toegestane (maar niet dwingend!) antwoord is dat skimming verwijdert veel (levend of dood? onbekend) micro-organismen die het aquariumwater bevolken en daarmee de (organische) koolstof, fosfor en stikstof die hun biochemische samenstelling vormen, verwijderen. Bovendien kunnen opgeloste organische verbindingen ook worden verwijderd, maar de gegevens ondersteunen niet de stelling dat deze opgeloste organische soorten een belangrijke hoeveelheid van de totale verwijderde organische stoffen vormen. Naast deze waterzuiveringsfuncties dienen skimmers om het water van zuurstof te voorzien en de uitwisseling van gas in het algemeen te vergemakkelijken, wat nuttige activiteiten zijn die onafhankelijk zijn van de verwijdering van organisch afval.

conclusies

de chemische / elementaire samenstelling van skimmate die door een skimmer van 200-1260 h&s in de loop van enkele dagen of een week op een reeftank van 175 gallon werd gegenereerd, heeft enkele verrassingen opgeleverd. Slechts een kleine hoeveelheid skimmate (vast + vloeibaar) kon worden toegeschreven aan organische koolstof (TOC); ongeveer 29%, en het grootste deel van dat materiaal was niet wateroplosbaar, dat wil zeggen, was niet opgelost organische koolstof. De meerderheid van de teruggewonnen skimmate vaste stof, afgezien van de gemeenschappelijke ionen van zeewater, was CaCO3, MgCO3, en SiO2 – anorganische verbindingen! De oorsprong van deze soorten is niet met zekerheid bekend, maar een goed geval kan worden gemaakt dat de SiO2 afkomstig is van de schelpen van diatomeeën. De CaCO3 kan afkomstig zijn van andere planktonische microben die calciumcarbonaatschalen dragen, of kan afkomstig zijn van het effluent van de calciumreactor. Voor zover de vaste skimmate uit microflora bestaat, zou een deel van het onoplosbare organische materiaal dat door het afromen wordt verwijderd, dan gewoon de organische componenten (de “ingewanden”) van deze microflora zijn. Deze microflora concentreren P -, N-en C-voedingsstoffen uit de waterkolom, en zo vormt hun verwijdering via skimming een middel voor de uitvoer van nutriënten.

Dankbetuigingen

wij danken Het Eberly College Of Science van de Pennsylvania State University en E. I DuPont de Nemours en Co. voor financiële ondersteuning, en Drs. Sanjay Joshi (Penn State) en Craig Bingman (U. Wisconsin) voor vele nuttige discussies.

1. Brzezinski, M. A. 1985. “The Si: C: N Ratio of Marine Diatomas: Interspecific Variability and the Effect of Some Environmental Variables.”J. Physiol., 21, 347-357.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.” Euro. J. Soil Sci., 59, 430-438.Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. “De ontwikkeling van een methode voor de kwantitatieve evaluatie van eiwit Skimmer prestaties.”Advanced Aquarist http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
2. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Verdere Studies over eiwit Skimmer prestaties.”Advanced Aquarist
3. Mitchell-Innes, B. A.; Winter, A. 1987. “Coccolithophores: a Major Phytoplankton Component in Mature Upwelling Waters Off the Cape Peninsula, South Africa in March, 1983.”Marine Biol., 95, 25030.Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. ” Advanced Instrumental Approaches for Characterization of Marine Lost Organic Matter: Extraction Techniques, Mass Spectrometry, and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy.”Chem. Rev., 107, 419-442.
4. Mortlock, R. A.; Froelich, P. N. ” A Simple Method for the Rapid Determination of Biogenic Opal in Pelagic marine Sediments.” 1989. Deep-Sea Res., 36, 1415-1426.Stanley, S. M.; Ries, J. B.; Hardie, L. A. 2005, ” Seawater Chemistry, Coccolithophore Population Growth, and the Origin of Cretaceous Chalk.”Geology, 33, 593-596.
5. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Ecologische Stoichiometrie. Princeton University Press, Princeton.Tortell, P. D.; Maldonado, M. T.; Price, N. M. ” The Role of Heterotrophic Bacteria in Iron-Limited Ocean Ecosystems.” 1996. Natuur, 383, 330-332.