Analiza pierwiastkowa Skimmate: co Skimmer białkowy faktycznie usuwa z wody w akwarium?

raczej sprzeczne z intuicją spostrzeżenie, że odpieniacze białkowe usuwają tylko 20-35% mierzalnego całkowitego węgla organicznego (TOC) w wodzie akwariowej (Feldman, 2009; Feldman, 2010), nasuwa się pytanie: “co to za “rzeczy”, które gromadzą się w naszych miseczkach odpieniacza?”Czy to naprawdę TOC, czy przynajmniej labilny, lub “skimmable”, ułamek TOC? Próby identyfikacji składników TOC z autentycznej wody oceanicznej są nadal w powijakach i do tej pory materiał ten opierał się szczegółowej analizie chemicznej. Ostatnie wysiłki głównie Hatchera i współpracowników (Mopper, 2007; De La Rosa, 2008) przy użyciu zaawansowanych technik spektrometrii masowej i spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego ujawniły, że autentyczny ocean Toc składa się z dziesiątek tysięcy dyskretnych związków, które obejmują przedstawicieli chemicznych ze wszystkich głównych grup biochemicznych; lipidów, peptydów, węglowodanów, heterocykli, aromatów itp. Związek między ocean TOC i akwarium Toc nadal pozostaje do ustalenia, ale wydaje się prawdopodobne, że TOC w naszych akwariach jest równie zróżnicowany i bogaty w swoją złożoność chemiczną. W związku z tym jest równie mało prawdopodobne, że w najbliższej przyszłości nastąpi chemiczny rozkład TOC w akwarium. Niemniej jednak istnieją metody analityczne, które mogą ujawnić i określić ilościowo większość pierwiastkowych składników TOC, a przy odrobinie chemicznej intuicji pozwalają na przypisanie niektórych z tych składników do kategorii chemicznych. Te metody analityczne nazywane są analizą Pierwiastkową (lub spalinową) i indukcyjnie sprzężoną atomową spektroskopią emisyjną plazmy. Obie metody są dostępne w wielu komercyjnych operacjach; użyliśmy Columbia Analytical Services w Tucson AZ do naszych próbek skimmate (http://www.caslab.com/).

wyniki eksperymentów

wszystkie próbki skimmatu uzyskano z kubka kolekcji H&s 200-1260 skimmer działający na zbiorniku rafowym 175-galon pod opieką autora. W czasie tych zbiorów zbiornik zawierał 10 ryb (para Pterapogon kauderni (Banggai cardinals), para Liopropoma carmabi (Candy bass), Centropyge loriculus (flame angel), Centropyge interrupta (Japanese pygmy angel), Oxycirrhites typus (Longnose hawkfish), Zebrasoma flavescens (yellow tang), Amblygobius bynoensis (Byno goby) i Synchiropus splendidus (mandarin).), około 40 kolonii koralowców z kategorii SPS, LPS i kielich oraz kilkadziesiąt ślimaków i krabów Pustelniczych. Nie było żadnych miękkich koralowców ani Małży. Typowe dzienne karmienia obejmowały jedną kostkę Hikari mysis krewetki, jedną kostkę PE mysis krewetki, szczypta płatków żywności i szczypta pokarmu pellet. Trzy razy w tygodniu stosowano produkty Reef Nutrition Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast i Arctipods, a raz w tygodniu dodawano arkusz nori. Kubek odpieniacza był czyszczony co tydzień, a Granulowany węgiel aktywny (GAC), granulowany tlenek żelaza (GFO), reaktor wapniowy i sterylizator UV były używane w sposób ciągły. Siedemnaście procent objętości wody zmieniano co tydzień, a parametry zbiornika były mierzone co tydzień; = 1.4 ppm (1 godzina po karmieniu) – 0,5 ppm (24 godziny po karmieniu), = 390 – 410 ppm, = 1230 – 1260 ppm, = 3,5 – 4 meq/L, zasolenie = 34,5 – 36 ppt, pH = 7,8 (światła włączone) – 8,1 (światła wyłączone), < 0,5 ppm, brak mierzalnych NH4, NO2 lub PO4. Oświetlenie zapewniały dwie żarówki metalohalogenkowe Geissmann o mocy 400W 14K i jedna żarówka metalohalogenkowa Iwasaki o mocy 175W 15K w cyklu 8-godzinnym, 16-godzinnym. Nie stosowano żadnych dodatków oprócz CaCl2•2H2O.

nasz wstępny eksperyment miał na celu zbadanie składu nierozpuszczalnego w wodzie stałego materiału usuwanego przez odpieniacz białkowy. Skimmate zbierano przez 4 dni bez dodatku pożywienia do akwarium, rys. 1. Płynną i stałą zawartość kubka odpieniacza H&S 200-1260 ostrożnie usuwano po tym czasie i zatężano do sucha poprzez początkowe odparowanie cieczy pod zmniejszonym ciśnieniem, a następnie suszenie próżniowe w temperaturze 110 oC/0,2 mm. procedura ta skutecznie usuwa prawie całą wodę (patrz poniżej) i oczywiście wszystkie lotne składniki odpieniacza. Wynikało siedemnaście gramów szaro-brązowego ciała stałego, patrz Fig. 1.

cztery gramy tego surowego skimmatu zawieszono w 100 mL wody destylowanej i energicznie mieszano przez kilka godzin. Następnie mieszaninę oddzielono przez odwirowanie przy 6000 obr. / min,a supernatant wylano i odrzucono. Procedurę tę powtórzono 3 razy, a następnie pozostały materiał suszono próżniowo w temperaturze 110 oC/0,2 mm przez 48 godzin, aby uzyskać 0,47 gm szaro-zielonego ciała stałego. Należy pamiętać, że CaCO3 musi być podgrzany do > 900 oC, aby spalić CO2. Bryła ta została poddana analizie pierwiastkowej, jak opisano powyżej w Columbia Analytical Services:

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

dane te mogą być interpretowane przy pewnym zastosowaniu intuicji chemicznej i pewnych założeń.

1) Analiza wapnia

17.43% wagowo Ca oznacza, że całkowita ilość Ca w próbce 470 mg wynosi 82 mg. Zakładając, że cały ten Ca ma postać węglanu wapnia (CaCO3, MW = 100), wówczas 470 mg suszonego skimmatu zawiera 205 mg (44 %) CaCO3. Ponieważ węgiel stanowi 12% (wagowo) CaCO3, 470 mg suszonego skimmatu zawiera ~ 25 mg (~5,2%) (nieorganicznego) węgla pochodzącego z węglanu wapnia.

2) Analiza magnezu

1,35% wagowo Mg oznacza, że całkowita ilość Mg w próbce 470 mg wynosi 6,3 mg. Zakładając, że cała ta Mg ma postać węglanu magnezu (MgCO3, MW = 84), wówczas 470 mg suszonego skimmatu zawiera 22 mg (~ 4,7 %) MgCO3. Ponieważ węgiel wynosi 14% (wagowo) MgCO3, 470 mg suszonego skimmatu zawiera ~ 3 mg (~0,7%) (nieorganicznego) węgla pochodzącego z węglanu magnezu.

3) Analiza azotu

organizmy żywe są ~ 5 – 9% suchej masy azotu (użyjemy 7% dla uproszczenia), (Sterner, 2002) i tak, jeśli zaniedbamy nieorganiczne źródła azotu (NH4, NO3 i NO2, które są niezmiernie niskie w wodzie w zbiorniku), 2.22 % wagowo azotu oznacza, że w 470 mg odpieniacza znajduje się 10,4 mg azotu, co oblicza się na 149 mg (~32 %) obecnego materiału organicznego.

4) Analiza wodoru

organizmy żywe stanowią ~ 7 % suchej masy wodoru. (Sterner, 2002) 2,39% wagowo wodoru oznacza, że w 470 mg skimmatu jest 11,2 mg wodoru, co oblicza się na 160 mg (~34%) obecnego materiału organicznego. Porównaj tę wartość z prognozą organiczną opartą na analizie azotu z (3); 32% – bardzo bliskie porozumienie!

5) Analiza węgla

21.08 % wagowo C oznacza, że całkowita ilość C obecna w próbce skimmatu 470 mg wynosi 99 mg. Odjęcie kwoty C od wkładu CaCO3 (25 mg C) i wkładu MgCO3 (3 mg C) pozostawia 71 mg C. Co jest źródłem tego węgla? Dwie możliwości wydają się prawdopodobne; wyrzucony węgiel cząsteczkowy z filtra GAC lub TOC pochodzący ze źródeł organicznych. Organizmy żywe stanowią 40-50% suchej masy węgla (dla uproszczenia użyjemy 45%), (Sterner, 2002). Jeśli wszystkie 71 mg węgla pochodziło ze źródeł organicznych (=TOC), wówczas byłoby~158 MG (~34 %) materiału organicznego. Porównaj tę wartość zarówno z prognozą organiczną opartą na analizie azotu z (3); 149 mg (~ 32%), jak i prognozą opartą na analizie wodoru z (4); 160 mg TOC (34%). Nie można ignorować zgodności między obliczeniami opartymi na węglu TOC a niezależnymi obliczeniami opartymi na wodorze i azocie. Tak więc
nie ma dowodów na to, że pozostałe 71 mg węgla można przypisać źródłom organicznym jako TOC; nie ma powodu, aby powoływać się na filtr Gac ejecta jako źródło tego węgla.

6) Analiza krzemu

4,76% wagowo krzemu obecnego w 470 mg skimmatu sugeruje, że w sumie obecnych jest 22,4 Mg Si. Jeśli założymy, że Si jest wkładany przez biogenny opal ze skelety okrzemek (Brzeziński, 1985; Mortlock, 1989), To Si znajduje się w uwodnionym polimerze SiO2 (ok. Wzór cząsteczkowy dla opalu to SiO2•0.4H2O, 42% Si masowo). Dlatego możemy przybliżyć ilość biogennego opalu obecnego jako 53 mg (~11%).

7) Analiza fosforu

0,16% wagowo P obecnego w 470 mg suchego skimmatu oznacza, że istnieje 0,75 mg P obecnego. Zakładając, że cały P jest obecny jako fosforan, PO43- (MW = 95, nieznany kontrion), to w 470 mg suchego skimmatu jest ~ 2,3 mg (~ 0,5%) PO43 – obecnego. Ta ilość wynosi ~ 4900 ppm fosforanu, co jest znacznie więcej niż < 0,02 ppm fosforanu w wodzie w zbiorniku. Tak więc, odtłuszczanie nie koncentrować fosforanów.

podsumowanie analizy pierwiastkowej

Podsumowując, odpieniacz wyciąga stałą, nierozpuszczalną w wodzie mieszaninę związków, które składają się z masy (około):

• 44 % CaCO3
• 5% MgCO3
• 11% biogennego opalu
• 34% materiału organicznego
• 0,5% fosforanu

W związku z tym, łącznie ~ 95% nierozpuszczalnego w suchej wodzie skimmatu jest brane pod uwagę! Jakie są źródła tych związków chemicznych w skimmacie? Biogenny opal pochodzi prawdopodobnie z muszli okrzemek, małych członków rodziny fitoplanktonów morskich drobnoustrojów. CaCO3 (i MgCO3) mogą mieć zarówno źródła biogenne, jak i abiologiczne. Reaktor wapniowy działał przez cały eksperymentalny okres zbierania skimmatu, więc niektóre z CaCO3 mogą być tylko mikrocząsteczkami emitowanymi z tego urządzenia. Alternatywnie, CaCO3 może powstać z muszli drobnoustrojów planktonowych z rodziny coccolithophore (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) i foraminifera. Te składniki planktonu są powszechne w pewnych warunkach w wodzie morskiej, ale nie ustalono ich obecności w wodzie akwariowej. Obecnie nie jest możliwe rozróżnienie pomiędzy tymi biologicznymi i abiologicznymi źródłami CaCO3. Przyszłe eksperymenty w
, w których skimmate jest zbierany bez działającego reaktora wapniowego, mogą rzucić trochę światła na ten punkt. Fosforan obecny w odpieniaczu nie mógł pochodzić z nieorganicznego fosforanu w słupie wody; jon ten zostałby usunięty przez dokładne przemywanie wodą. Możliwe jest, że część tego fosforanu występuje w postaci nierozpuszczalnego fosforanu wapnia, ale wystąpienie to byłoby mało prawdopodobne, ponieważ Ca3(PO4)2 powstaje przy dość wysokim pH, co nie jest charakterystyczne dla cieczy odpieniającej (pH = 7,67, patrz poniżej). Domyślnie jest to najprawdopodobniej pochodna organicznego fosforanu; oznacza to, że wiele biochemikaliów w okrzemkach i wszystkich innych żywych organizmach (kokolitofory, otwornice, bakterie, ludzie itp.) Ma dołączone grupy fosforanowe. Organizmy akwariowe rekrutują te cząsteczki fosforanu z nieorganicznego fosforanu w kolumnie wody, a następnie przyłączają je do organicznych biochemikaliów. W ten sposób skutecznie koncentrują fosforan z wody, a następnie ten
fosforan jest usuwany (w Nienaruszonym organizmie) po odtłuszczaniu. Z tego punktu widzenia skimming przyczynia się do usuwania nieorganicznych fosforanów z wody w akwarium.

ciekawą i być może nieoczekiwaną obserwacją jest to, że tylko 34% tego stałego materiału skimmate można przypisać do “węgla organicznego”, TOC. Tak więc, 2/3 stałej, nierozpuszczalnej w wodzie części skimmatu nie jest TOC, ale raczej materiałem nieorganicznym, który może (lub nie może) mieć pochodzenie biogenne. Jeśli znaczna ilość tego materiału nieorganicznego pochodzi z muszli planktonu, to uzasadnia się, że duża część wykrytego materiału organicznego (TOC) prawdopodobnie stanowi “wnętrzności” tych organizmów. Tak więc, być może nie tak dużo TOC usuwane przez odtłuszczanie jest rzeczywiście swobodnie pływających cząsteczek organicznych. Jednym z zastrzeżeń w tej interpretacji jest oczywiście fakt, że ~ 90% surowego oryginalnego skimmatu zostało zmyte wodą. Być może ta rozpuszczalna w wodzie frakcja zawierała znaczne ilości rozpuszczonego węgla organicznego, co byłoby niewykryte powyższą analizą.

W celu rozwiązania tego problemu przeprowadzono drugą, bardziej kompleksową analizę chemiczną skimmate. W tym eksperymencie zbiornik był codziennie karmiony mieszaniną krewetek PE i Hikari mysis, płatków Ocean Nutrition Formula 1, płatków Omega One Veggie i granulek morskich Aqueon, jak opisano powyżej. Dobowe karmienie wynosiło suchą masę (110 oC / 0,2 mm przez 48 godzin) 0,87 gms/dobę. Podczas tego eksperymentu nie użyto żadnych produktów Reef Nutrition. Po 7 dniach tego trybu karmienia, odpieniacz stały i płynny zebrany przez odpieniacz H&s 200-1260 był ostrożnie usuwany z miski odpieniacza i oddzielany przez odwirowanie (6000 obr. / min, 40 min). Jasnobrązowy przezroczysty supernatant wylano i zmierzono jego objętość; 125 mL. Stałą pozostałość suszy się pod zmniejszonym ciśnieniem w temperaturze 110 oC / 0,2 mm przez 24 godziny => 5,18 GM brązowego ciała stałego. 110 mL cieczy zatężono pod zmniejszonym ciśnieniem, a następnie wysuszono próżniowo (110 oC / 0,2 mm / 24 godziny), uzyskując 2,91 gm brązowego ciała stałego ( =>
3,31 gms ciała stałego z oryginalnego 125 mL odzyskanego płynu). 15 mL pozostałego płynnego odpieniacza oznaczono za pomocą zestawu testowego Saliferta dla zasadowości: = 8,0 meq/L. ponadto współczynnik załamania światła wynoszący 1,023 wskazywał na zasolenie 31 ppt, a pH = 7,67. Punkt końcowy nie mógł być wykryty za pomocą zestawów Ca lub Mg Salifert, zestawu fosforanowego Merck lub zestawu Salifert NO3 z powodu zakłócającego jasnobrązowego koloru płynu odpieniającego. Należy zauważyć, że niezwykle wysoki pomiar niekoniecznie sugeruje, że stężenia HCO3– lub CO32 – są wysokie; mogą istnieć karboksylani kwasów organicznych z puli TOC, które są wykrywane za pomocą tego testu zasadowości (patrz poniżej).

zarówno ciało stałe pochodzące z odparowania części ciekłej skimmatu, jak i ciało stałe uzyskane po odwirowaniu zostały przekazane do Columbia Analytical Services do analizy pierwiastkowej. Wyniki przedstawiono w tabeli 1. Ponadto wysuszoną żywność analizowano pod kątem wybranych elementów. Naturalna zawartość elementu wody morskiej jest uwzględniona do porównania.

Tabela 1. Wyniki analiz pierwiastkowych próbek skimmatu i żywności.

pierwiastek	stały odpieniacz (waga %)	płynny odpieniacz (waga%)	Naturalne morskie wody Stałe (Waga %)	żywność (waga %)
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
Jeśli	8.94	1.40	< 0.01
Na	3.45	27.25	30.9
Cl	0.40	43.2	55.4
Do	0.38	1.17	1.1
Fe	0.93	<0.02	< 0.01
P	0.46	0.08	< 0.01	1.57
Ja			< 0.01	< 0.1
Kr			< 0.01	< 0.006
Ja	55.84	85.89	95

analiza żywności

wysuszoną żywność oznaczono na zawartość fosforu, miedzi i jodu. Ani miedź, ani jod nie są rejestrowane w tych analizach; nie może być więcej niż 100 ppb żadnej z nich w żywności. Zawartość fosforu była jednak wykrywalna, a 1,57% wagowo P odpowiada około 14 mg fosforu pf w 0,87 gm suszonej żywności podawanej do zbiornika dziennie. Zakładając, że cały P jest obecny jako fosforan, PO43- (MW = 95), to jest ~ 42 mg (~ 5%) PO43 – obecnego w 0,87 gm suszonej żywności. Należy pamiętać, że zamrożone kostki krewetek mysis zostały dokładnie umyte wodą z kranu, aż do rozmrożenia, a więc zawartość fosforanów w wodzie do zamrażania może być zdyskontowana. Dzienny dodatek fosforanu 42 mg do galonów 168 objętości wody w akwarium stanowi nominalny dodatek około 0,06 ppm fosforanu dziennie. Ponieważ analiza zestawu testowego fosforanu Merck wskazuje na poziom fosforanu < 0,02 ppm (limit zestawu testowego), dodany fosforan wydaje się być łatwo usuwany ze słupa wody.

Skimmate Liquid Analysis

1) Analiza siarki

The 2.47% wagowo siarki obecnej w 3,31 gm ciała stałego pochodzącego z cieczy skimmate odpowiada około 82 mg S. Ta Siarka najprawdopodobniej pochodzi z siarczanu, SO42- (MW = 96, 33% s wagowo). Z pewnością w DOC jest niewielka ilość “organicznej” siarki, ale nie jest prawdopodobne, aby dodać wiele do całkowitej zawartości siarki, ponieważ siarka stanowi tylko ~ 0,1% suchej masy żywej materii. (Sterner, 2002) Tak więc, 82 mg S w wysuszonym płynnym skimmacie odpowiada 248 mg (7,5%) siarczanu w wysuszonym płynnym skimmacie.

2) Analiza azotu

0.68% suchej masy azotu w 3,31 gm suszonej cieczy skimmate odpowiada 23 mg N. źródła azotu obejmują materię organiczną (DOC) i oczywiście jony nieorganiczne; Amon (NH4+), azotyn (NO2 -) i azotan (NO3–). < 1 ppm) NH4, NO2 lub NO3 w wodzie akwariowej, więc do pierwszego zbliżenia, azot w skimmacie można przypisać” organicznemu ” azotowi. Ponieważ materiał organiczny pochodzący ze źródeł żywych wynosi około 7% suchej masy azotu (patrz wyżej), 23 mg N obecne w cieczy skimmate sugeruje, że ogólnie jest około 329 mg (~ 10%) materiału organicznego obecnego.

3) Analiza węgla

4,50% wagowo węgla obecnego w 3,31 gm suszonej cieczy skimmate odpowiada 149 mg obecnego C. Źródła węgla w cieczy skimmate obejmują węgiel nieorganiczny jako część równowagi węglanowej, węgiel organiczny (DOC) i cząstki węgla wyrzucane z filtra GAC. W oparciu o argument przytoczony w (5) powyżej, wydaje się mało prawdopodobne, aby filtr GAC był źródłem tego węgla. Nie jest możliwe rozróżnienie pomiędzy pozostałymi dwoma źródłami w oparciu o pomiar analizy pierwiastkowej lub niezależny pomiar, ponieważ ten ostatni test wykryje (organiczne) karboksylany, jak również formy nieorganiczne, wodorowęglan HCO3– i węglan co32-. Możliwe jest jednak ustalenie górnej granicy zawartości nieorganicznej (wodorowęglanu i węglanu) w cieczy odpieniającej na podstawie pomiaru zasadowości Saliferta. Zmierzona zasadowość za pomocą zestawu testowego Saliferta wynosiła 8 meq / L. jeśli założymy do celów ustalenia tej górnej granicy, że cała ta zasadowość była spowodowana układem węglanowym, to 8,0 meq/L odpowiada 1,0 mmol zasadowości w 125 mL odpienionego płynu zebranego z cyklu wirowania. Ponadto, jeśli założymy, że cała ta zasadowość jest w postaci wodorowęglanu, HCO3– (w rzeczywistości, przy pH = 7,67, wynosi około 96% obecnego węglanu), wtedy mielibyśmy 1,0 mmol lub 61 mg HCO3– obecnego w 3,31 gm suszonej cieczy odpieniającej. Tak więc, maksymalnie 61 mg HCO3 – (=20% C wagowo) stanowiłoby tylko 12 mg z całkowitej 149 mg węgla obecnego w wysuszonej cieczy skimmate. W tym scenariuszu 137 mg mierzonego węgla pochodzi ze źródeł organicznych. Stosując oszacowanie, że materiał organiczny pochodzący z żywych źródeł wynosi 45% węgla, wówczas ilość DOC w wysuszonej cieczy skimmate wynosiłaby 304 mg (~ 9%); niezbyt daleko od liczby analizy azotu wynoszącej ~ 10% materiału organicznego. Jeśli, na drugim krańcu, Cała zmierzona zasadowość może być przypisana organicznym karboksylanom (Załóżmy średnio gatunki C18, więc C = 76% masy karboksylanu), to 1,0 mmol zasadowości odpowiadałby 283 mg organicznych karboksylanów, z których 76% (=215 mg) byłoby węglem. Ponieważ całkowity zmierzony węgiel wynosił tylko 149 mg, ten ostatni scenariusz jest oczywiście niemożliwy. Najprawdopodobniej ~ 3 lub 4 meq / L zasadowości można przypisać do HCO3 -, więc pozostały węgiel organiczny wynosi około 143 mg => 318 mg (~ 10%) materiału organicznego-ta sama wartość pochodzi z obliczenia azotu.

4) Analiza wodoru

1,33% wagowo wodoru w próbce 3,31 gm wysuszonej cieczy skimmate oznacza, że obecne jest 44 mg H. Wodór ten może pochodzić z biologicznie pochodzących źródeł organicznych, źródeł nieorganicznych (HCO3-i HSO4 -), a być może z wody pozostałej po niepełnym wysuszeniu. Gdyby cały zmierzony Wodór pochodził tylko z biologicznie pozyskiwanych źródeł organicznych ( w ~ 7% suchej masy wodoru), to przewidywalibyśmy, że wysuszona ciecz odpieniająca zawierała Około 629 mg (~19%) materiału organicznego. Oczywiście wartość ta jest zbyt duża w porównaniu do wartości analiz azotu i węgla, więc przynajmniej część wodoru musi pochodzić albo z jonów nieorganicznych, albo z wody. Ilości pochodzące z wodorowęglanu HCO3 – i kwasu węglowego H2CO3 są znikome, biorąc pod uwagę ich stosunkowo małe stężenia (patrz Analiza węgla, powyżej). Ponadto przy pH = 7 . 67, jest znikająca niewielka ilość wodorosiarczanu, HSO4 -; jego pKa = 1,9. Jest więc prawdopodobne, że płynna próbka skimmatu nie została całkowicie wysuszona, a pozostały Wodór prawdopodobnie pochodzi z tego źródła. Biorąc pod uwagę z analizy azotu, że ciało stałe pochodzące z cieczy skimmate zawiera około 329 mg materiału organicznego, a Materiał organiczny to około 7% wodoru, wtedy Wodór pochodzący z tego materiału organicznego wynosi około 23 mg stałej pozostałości. Jeśli pozostały zmierzony Wodór (44 – 23 = 21 mg) pochodzi z H2O, to jest 189 mg (~ 6 %) wody.

5) analiza krzemu

1,40% wagowych krzemu w 3,31 gm ciała stałego odzyskanego z cieczy skimmate wynosi 46 mg krzemu. Krzem ten może pochodzić albo z rozpuszczalnego w wodzie kwasu ortosilowego (Si (OH) 4, 29% Si, 4% H), albo z biogennego opalu stanowiącego skorupę okrzemek, jak opisano powyżej (ok. Wzór cząsteczkowy dla opalu to SiO2•0. 4H2O, 42% Si, 1% H). Należy zauważyć, że w obu przypadkach ilość wodoru dostarczana przez którekolwiek ze źródeł Si jest niewielka (~ 0.04% masy ciała stałego uzyskanego z pierwotnego skimmatu) i w niewielkim stopniu wpływa na powyższe wnioski z analizy wodoru. Nie jest możliwe określenie, ile krzemu pochodzi z nieorganicznego kwasu orthosilicowego i ile można przypisać skorupom okrzemków, ale % krzemu w każdym z nich nie jest tak różne, więc użyjemy średniej wartości (36%) do obliczenia ilości “SiOxHy” w surowym ciele stałym pochodzącym z cieczy skimmate; około 128 mg (~4%) ciała stałego skimmate liquid
jest jakąś formą krzemianu, SiOxHy.

tak więc, ogólnie rzecz biorąc, ciało stałe Pochodzące ze stężenia cieczy skimmate można podzielić na:

• jony nieorganiczne (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42-, HCO3–, SiOxHy) 87%
• rozpuszczony węgiel organiczny 10%
• woda 6%
• ogółem 103%

tak więc przekroczyliśmy teoretyczną maksymalną zawartość 100% o 3%; nie jest tak źle, biorąc pod uwagę wiele przybliżeń i założeń, które przeszły do nabycia tych procentów. Najważniejsze jest jednak to, że płyn skimmate zawiera głównie wspólne jony nieorganiczne, które stanowią główne jony w wodzie morskiej. Tylko niewielka ilość tego materiału może być prawdopodobnie przypisana do rozpuszczonego węgla organicznego, doc.

analiza chemiczna 5,18 gm skimmate solid opiera się na podobnym podejściu, jak opisano dla mocno umytej skimmate solid omówionej powyżej. Jednak w tym przypadku ciało stałe nie było wielokrotnie myte, więc niektóre związki rozpuszczalne w wodzie utrzymują się, chociaż większość wody prawdopodobnie została usunięta przez suszenie próżniowe. Te rozpuszczalne w wodzie gatunki składają się z 3,45% wagowych sodu, 0,40% wagowych chlorku, 0,38% wagowych potasu i 1,18% wagowych siarki (= 3,6% wagowych siarczanu). Ponadto jest prawdopodobne, że przynajmniej część zmierzonych Ca, Mg, C (jako HCO3) I P może pochodzić ze związków rozpuszczalnych w wodzie oprócz związków w nierozpuszczalnym ciele stałym, ale ogólne ilości rozpuszczalnej w wodzie frakcji tych konkretnych nieorganicznych jonów są prawdopodobnie małe, ponieważ najobficiej występujący jon, sód, wynosi tylko 3,45% wagowo wyizolowanego ciała stałego (Na/Ca = 28 w wodzie morskiej). Tak więc, w pierwszym przybliżeniu, zaniedbamy ich udział w rozpuszczalnej w wodzie nieorganicznej części stałego skimmatu. Z tego punktu widzenia wysuszone ciało stałe skimmate zawiera około 8% wagowych normalnie rozpuszczalnych w wodzie jonów nieorganicznych.

1) Analiza wapnia

10,52% wagowych Ca oznacza, że całkowita ilość Ca w próbce 5,18 mg wynosi 545 mg. Zakładając, że zasadniczo cały ten Ca ma postać nierozpuszczalnego w wodzie węglanu wapnia (CaCO3, MW = 100), wówczas 5,18 mg suszonego skimmatu zawiera 1,36 gm (26 %) CaCO3. Ponieważ węgiel stanowi 12% (wagowo) CaCO3, wówczas 5,18 gm suszonego skimmatu zawiera ~ 163 mg (~3,2%) (nieorganicznego) węgla pochodzącego z węglanu wapnia.

2) Analiza magnezu

1,99% wagowo Mg oznacza, że całkowita ilość Mg w próbce 5,18 gm wynosi 103 mg. Zakładając, że wszystkie te Mg są w postaci węglanu magnezu (MgCO3, MW = 84), wówczas 5,18 gm suszonego skimmatu zawiera 361 mg (~ 7,0 %) MgCO3. Ponieważ węgiel wynosi 14% (wagowo) MgCO3, to 5.18 gm suszonego skimmatu zawiera ~ 51 mg (~1%) (nieorganicznego) węgla pochodzącego z węglanu magnezu.

3) Analiza azotu

organizmy żywe są ~ 5 – 9% suchej masy azotu (użyjemy 7% dla uproszczenia), (Sterner, 2002) i tak, jeśli zaniedbamy nieorganiczne źródła azotu (NH4, NO3 i NO2, które są niezmiernie niskie w wodzie w zbiorniku), 2,72% wagowo azotu oznacza, że w 5,18 gm skimmate solid jest 141 mg azotu.który oblicza się do 2,01 GMS (~39 %) obecnego materiału organicznego.

4) Analiza wodoru

organizmy żywe stanowią ~ 7 % suchej masy wodoru. (Sterner, 2002) 2,37% wagowo wodoru oznacza, że w 5,18 gm skimmate solid znajduje się 123 mg wodoru, co oblicza się na 1,75 gms (~34%) obecnego materiału organicznego. Porównaj tę wartość z prognozą związków organicznych opartą na analizie azotu z (3); 39% węgla organicznego. W tym przypadku Wyniki na bazie wodoru nie są tak zbliżone do wyników na bazie azotu, jak w poprzednich dwóch analizach, ale nie są tak odległe. Ta analiza wodoru zakłada, że nie ma wody, lub część H byłaby przypisana wodzie, a nie organikom, a obliczenia organiczne oparte na H byłyby jeszcze mniejsze.

5) analiza węgla

22,50% wagowych C oznacza, że całkowita ilość C obecna w próbce skimmatu 5,18 gm wynosi 1,17 gm. Odejmując kwotę C od wkładu CaCO3 (163 mgs of C), a wkład MgCO3 (51 mgs of C) pozostawia 952 mgs of C pozostając. Jeśli ponownie zdyskontujemy filtr GAC jako źródło tego węgla, to najbardziej (Wszystkie?) tego węgla pochodzi ze źródeł” organicznych”. Ponieważ organizmy żywe stanowią 40-50% suchej masy węgla (użyjemy 45% dla uproszczenia), (Sterner, 2002) następnie 952 mg organicznego C oznacza, że jest ~ 2,12 gms (~ 41%) materiału organicznego. Porównanie z wartościami pochodzącymi z azotu (39% organicznych) i wodoru (34% organicznych) zapewnia spójny obraz zawartości organicznej.

6) Analiza krzemu

8,94% wagowych krzemu obecnego w 5,18 gm skimmate solid sugeruje, że w sumie obecnych jest 463 Mg Si. Jeśli założymy, że Si jest wkładany przez biogenny opal ze skelety okrzemek (Brzeziński, 1985; Mortlock, 1989), To Si znajduje się w uwodnionym polimerze SiO2 (ok. Wzór cząsteczkowy dla opalu to SiO2•0.4H2O, 42% Si masowo). Dlatego możemy przybliżyć ilość biogennego opalu obecnego jako 1,10 gm (~21%).

7) Analiza fosforu

0,46% wagowych P obecnego w 5,18 gms suchej substancji stałej skimmate oznacza, że jest 24 mgs P obecnego. Zakładając, że cały P jest obecny jako fosforan, PO43 – (MW = 95, nieznany kontrion), to jest ~ 74 mgs (~ 1.4 %) PO43-obecnego w 5,18 gm suchej substancji stałej skimmate. Ta ilość wynosi ~ 14300 ppm fosforanu, co ponownie jest znacznie więcej niż < 0,02 ppm fosforanu w wodzie w zbiorniku.

8) analiza żelaza

0,93% wagowych Fe w 5,18 gms suchego skimmatu stałego wynosi 48 mg Fe. Nieorganiczne sole żelaza są dość nierozpuszczalne w wodzie, a więc jest prawdopodobne, że prawie całe to żelazo jest albo” organicznym ” żelazem, które znajdowało się w ciałach drobnoustrojów, takich jak bakterie itp. lub pochodzi z koloidalnych cząstek żelaza wydalonych z reaktora GFO. Stosunek wagowy węgla do żelaza 24 można porównać do stosunku suchej masy C:Fe kilku organizmów planktonowych: bakterii heterotroficznych: 28500:1, cyjanobakterii: 11250:1, eukariotycznego fitoplanktonu: 71250:1. (Tortell, 1996). Ponieważ wykryty stosunek Fe: C wynosi 10000 razy więcej niż w przypadku gatunków planktonicznych, jest mało prawdopodobne, aby znaczna część odtłuszczonego żelaza była pochodzenia “organicznego”. Bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest to, że stały tlenek żelaza jest wydalany z reaktora GFO, a materiał ten stanowi większość żelaza usuniętego przez odpieniacz. Tlenek żelaza ma nominalny wzór chemiczny Fe2O3,
i stanowi około 70% masy żelaza. Tak więc 48 mg żelaza w skimmate stałe odpowiada około 69 mg Fe2O3 (~ 1,3% wagowych).

podsumowując, skimmer wyciąga stałą mieszaninę związków, które składają się z masy (ok.):

• 8% jony nieorganiczne
• 26% CaCO3
• 7% MgCO3
• 21% biogennego opalu (SiO2)
• 38% materiału organicznego
• 1,5% fosforanu
• 1.3 % tlenku żelaza

materiały te sumują się do ~ 103%, co jest dość bliskie teoretycznemu maksimum 100%. Wszelkie rozbieżności można łatwo wytłumaczyć niepewnością liczbową wprowadzoną przez wszystkie założenia. Oznacza to, że nawet przy wszystkich założeniach i przybliżeniach przytoczonych w tej analizie, suma sumy masy wynosi w granicach 3% “doskonałego”. Po raz kolejny, materiał organiczny usunięty w skimmate stałe jest drobnym składnikiem, choć średnio 38% (C VS. N VS. Analiza H), jest nieco wyższa niż wartość 34% uzyskana z mocno przemytej próbki stałej skimmate i znacznie wyższa niż ilość DOC w frakcji ciekłej (~10%). W sumie 8,49 gm wszystkich ciał stałych usuniętych w ciągu tygodnia odtłuszczania zawiera około 318 mg substancji organicznych rozpuszczalnych w wodzie (~ 4%) i około 2,12 gms substancji organicznych nierozpuszczalnych w wodzie (~ 25%). Tak więc, z dużym marginesem, większość substancji organicznych usuniętych przez odtłuszczanie nie jest DOC (rozpuszczony węgiel organiczny). Związki nieorganiczne CaCO3 i SiO2 stanowią większość stałej masy skimmatu, podobnie jak w mocno umytej próbce skimmatu analizowanej jako pierwszej. Jak omówiono w tej analizie, źródło tych związków nie można przypisać na podstawie tych danych, ale prawdopodobne jest biologiczne źródło SiO2 (biogenny opal), powłoki okrzemek. CaCO3 może powstać zarówno ze źródeł nieorganicznych (tj. wyrzutów cząstek CaCO3 reaktora wapniowego), jak i organicznych (muszli otwornic i/lub kokolitoforów).

jedną z zaskakujących obserwacji wynikających z oryginalnych badań wydajności odpieniacza jest to, że tylko około 20 – 35% mierzalnego TOC w wodzie akwariowej jest usuwane przez odtłuszczanie. Ta obserwacja może teraz wydawać się nieco mniej zaskakująca, gdy patrzy się na nią w kontekście analizy skimmate component. Tak więc tylko ~ 29% (25% z ciała stałego + 4% z cieczy) skimmatu usuniętego przez skimmer H&S 200 z autentycznej wody zbiornika rafy w ciągu tygodnia można przypisać do materiału organicznego. Tak więc, skimming nie usuwa tyle TOC obecnego w wodzie akwariowej, a skimmate nie zawiera tyle TOC.

co dokładnie robi skimming? Na temat rekultywacji wody; najbardziej konserwatywny, dopuszczalny (ale nie przekonujący!) odpowiedź jest taka, że skimming usuwa dużo (żywych czy martwych? nieznane) mikroorganizmy, które zaludniają wodę w akwarium, a tym samym usuwa (organiczny) węgiel, fosfor i azot, które składają się na ich biochemiczny makijaż. Ponadto rozpuszczone związki organiczne mogą być również usuwane, ale dane nie potwierdzają tezy, że te rozpuszczone gatunki organiczne stanowią znaczną ilość usuniętych związków organicznych. Oprócz tych funkcji oczyszczania wody, odpieniacze służą do natleniania wody i ogólnie ułatwiają wymianę gazową, które są użytecznymi czynnościami niezależnymi od usuwania odpadów organicznych.

wnioski

skład chemiczny / elementarny skimmate generowany przez skimmer H&s 200-1260 na zbiorniku rafowym 175 w ciągu kilku dni lub tygodnia miał pewne niespodzianki. Tylko niewielką ilość skimmatu (ciało stałe + ciecz) można przypisać węglowi organicznemu (Toc); około 29%, a większość tego materiału nie była rozpuszczalna w wodzie, tj. nie była rozpuszczona w węglu organicznym. Większość odzyskanego skimmatu stałego, oprócz jonów wody morskiej, stanowiły CaCO3, MgCO3 i SiO2-związki nieorganiczne! Pochodzenie tych gatunków nie jest znane z pewnością, ale dobrym przykładem może być fakt, że SiO2 pochodzi z muszli okrzemek. CaCO3 może pochodzić z innych drobnoustrojów planktonowych zawierających powłoki węglanu wapnia lub może pochodzić z odpływu reaktora wapniowego. Do tego stopnia, że stały skimmat składa się z mikroflory, to pewna część nierozpuszczalnego materiału organicznego usuniętego przez skimming byłaby po prostu organicznymi składnikami (“wnętrznościami”) tej mikroflory. Mikroflora ta koncentruje składniki odżywcze P, N I C ze słupa wody, a więc ich usuwanie poprzez odtłuszczanie stanowi środek eksportu składników odżywczych.

podziękowania

Dziękujemy Eberly College of Science Na Pennsylvania State University oraz E. i DuPont de Nemours and Co. za wsparcie finansowe, a dr Sanjay Joshi (Penn State) i Craig Bingman (USA Wisconsin) za wiele pomocnych dyskusji.

1. Brzeziński, M. A. 1985. “The Si:C:N Ratio of Marine Diatoms: 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. “Oznaczanie ogniotrwałej materii organicznej w osadach morskich metodą utleniania chemicznego, pirolizy analitycznej i spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego 13c w stanie stałym.”Eur. J. Soil Sci., 59, 430-438.
3. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. “Opracowanie metody ilościowej oceny działania Skimmerów białkowych.”Zaawansowany Akwarysta http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Dalsze badania nad wydajnością odpieniacza białkowego.”Zaawansowany Akwarysta
5. 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.
6. Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. “Advanced Instrumental Approaches for Characterization of Marine Dissolved Organic Matter: Extraction Techniques, Mass Spectrometry, and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy.”Chem. Rev., 107, 419-442.
7. ; Froelich, P. n. ” a Simple Method for the Rapid Determination of Biogenic Opal in Pelagic marine Sediments.” 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.”Geologia, 33, 593-596.
9. Sterner, R. W.; Elser, J. J. 2002. Ekologiczna Stechiometria. Princeton University Press, 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.