Elemental analys av Skimmate: vad tar en proteinskimmer faktiskt bort från akvarievatten?

den ganska kontraintuitiva observationen att proteinskummare tar bort endast 20-35% av det mätbara totala organiska kolet (TOC) i rev akvariumvatten (Feldman, 2009; Feldman, 2010) väcker frågan “Vad är allt det “grejer” som samlar i våra skimmerkoppar?”Är det verkligen TOC, eller åtminstone en labil, eller “skimmable”, bråkdel av TOC? Försök att identifiera TOC-komponenter från autentiskt havsvatten är fortfarande i sin linda, och hittills har detta material motstått detaljerad kemisk analys. De senaste ansträngningarna främst av Hatcher och kollegor (Mopper, 2007; de la Rosa, 2008) med sofistikerad masspektrometri och kärnmagnetisk resonansspektroskopitekniker har visat att autentisk ocean TOC består av tiotusentals diskreta föreningar som inkluderar kemiska representanter från alla de stora biokemiska grupperna; lipider, peptider, kolhydrater, heterocykler, aromater etc. Förhållandet mellan ocean TOC och aquarium TOC återstår fortfarande att fastställas, men det verkar troligt att TOC i vårt akvarier är lika varierande och rik på sin kemiska komplexitet. Således är det lika osannolikt att en kemisk nedbrytning av akvariet TOC kommer att vara kommande inom en snar framtid. Ändå, det finns analysmetoder som kan avslöja och kvantifiera de flesta av de elementära komponenterna i TOC, och med lite kemisk intuition, möjliggöra tilldelning av några av dessa komponenter till kemiska kategorier. Dessa analysmetoder kallas elementär (eller förbränning) analys och induktivt kopplad Plasma Atomemissionsspektroskopi. Båda metoderna är tillgängliga från många kommersiella verksamheter; vi använde Columbia Analytical Services i Tucson AZ för våra skummatprover (http://www.caslab.com/).

experimentella resultat

alla skummatprover erhölls från insamlingskoppen av en h&s 200-1260 skimmer som körs på en 175-gallon revetank under författarens vård. Under tiden för dessa samlingar innehöll tanken 10 fiskar (par Pterapogon kauderni (Banggai kardinaler), par Liopropoma carmabi (godisbas), Centropyge loriculus (flame angel), Centropyge interrupta (Japansk pygmy angel), Oxycirrhites typus (longnose hawkfish), Zebrasoma flavescens (gul tang), Amblygobius bynoensis (byno goby) och Synchiropus splendidus (Mandarin)), cirka 40 korallkolonier från kategorierna SPS, LPS och Chalice och några dussin sniglar och eremitkrabbor. Inga mjuka koraller eller musslor var närvarande. Typiska dagliga matningar inkluderade en kub av Hikari mysis räkor, en kub av PE mysis räkor, en nypa flingmat och en nypa pelletsmat. Tre gånger i veckan användes Reef Nutrition-produkterna Phytofeast, Rotifeast, Oysterfeast och Arctipods, och ett ark nori tillsattes en gång per vecka. Skimmerkoppen rengjordes varje vecka och granulärt aktivt kol (GAC), granulär järnoxid (GFO), en kalciumreaktor och en UV-sterilisator användes alla kontinuerligt. Sjutton procent av vattenvolymen ändrades varje vecka, och tankparametrar mättes också varje vecka; = 1.4 ppm (1 timme efter matning) – 0,5 ppm (24 timmar efter matning), = 390 – 410 ppm, = 1230 – 1260 ppm, = 3,5 – 4 meq/L, salthalt = 34,5 – 36 ppt, pH = 7,8 (tänds) – 8,1 (tänds), < 0,5 ppm, ingen mätbar NH4, NO2 eller PO4. Belysning tillhandahölls av två 400W 14K geissmann metallhalogenlampor och en 175W 15k Iwasaki metallhalogenlampa på en 8-timmars på, 16-timmars off-cykel. Inga tillsatser utom CaCl2•2H2O användes.

vårt första experiment var utformat för att undersöka sammansättningen av det vattenolösliga fasta materialet som avlägsnades av en proteinskimmer. Skimmate samlades över 4 dagar utan mattillskott till akvariet, fikon. 1. Det flytande och fasta innehållet i h&s 200-1260 skimmerkoppen avlägsnades försiktigt Efter denna tidsperiod och koncentrerades till torrhet genom initial vätskeindunstning under reducerat tryck och därefter vakuumtorkning vid 110 oC/0,2 mm. Denna procedur tar effektivt bort nästan allt vatten (se nedan), och naturligtvis eventuella flyktiga komponenter i skummat. Sjutton gram gråbrunt fast ämne resulterade, se Fig. 1.

fyra gram av denna råa skummat suspenderades i 100 mL destillerat vatten och omrördes kraftigt i flera timmar. Blandningen separerades sedan genom centrifugering vid 6000 rpm / 10 min, och supernatanten hälldes av och kasserades. Denna procedur upprepades 3 gånger och därefter vakuumtorkades det återstående materialet vid 110 oC/0,2 mm i 48 timmar för att ge 0,47 g grågrön fast substans. Observera att CaCO3 måste värmas till > 900 oC för att bränna bort CO2. Detta fasta ämne utsattes för elementär analys som beskrivits ovan vid Columbia Analytical Services:

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

dessa data kan tolkas med viss tillämpning av kemisk intuition och vissa antaganden.

1) Kalciumanalys

17.43 viktprocent Ca innebär att den totala mängden Ca i 470 mg provet är 82 mg. Förutsatt att allt detta Ca är i form av kalciumkarbonat (CaCO3, MW = 100), innehåller 470 mg torkat skummat 205 mg (44 %) CaCO3. Eftersom kol är 12 viktprocent CaCO3, innehåller 470 mg torkat skummat ~ 25 mg (~5,2 %) av (oorganiskt) kol som bidrar från kalciumkarbonatet.

2) Magnesiumanalys

1,35 viktprocent Mg innebär att den totala mängden Mg i 470 mg-provet är 6,3 mg. Förutsatt att allt detta Mg är i form av magnesiumkarbonat (MgCO3, MW = 84), innehåller 470 mg torkat skummat 22 mg (~ 4,7 %) MgCO3. Eftersom kol är 14 viktprocent MgCO3, innehåller 470 mg torkat skummat ~ 3 mg (~0,7 %) av (oorganiskt) kol som bidrar från magnesiumkarbonatet.

3) Kväveanalys

levande organismer är ~ 5 – 9% av torrvikt kväve (vi använder 7% för enkelhet), (Sterner, 2002) och så, om vi försummar oorganiska kvävekällor (NH4, NO3 och NO2, som är oändligt låga i tankvattnet), 2.22 viktprocent kväve innebär att det finns 10,4 mg kväve i 470 mg skummat, vilket beräknar till 149 mg (~32 %) organiskt material närvarande.

4) Väteanalys

levande organismer är ~ 7% av torrvikt väte. (Sterner, 2002) 2,39 viktprocent väte innebär att det finns 11,2 mg väte i 470 mg skummat, vilket beräknar till 160 mg (~34%) organiskt material närvarande. Jämför detta värde med kväveanalysbaserad förutsägelse av organiska ämnen från (3); 32% – mycket nära överenskommelse!

5) kolanalys

21.08 viktprocent C innebär att den totala mängden C som finns i 470 mg skummatprov är 99 mg. Att subtrahera mängden C från CaCO3-bidraget (25 mg C) och mgco3-bidraget (3 mg C) lämnar 71 mg C kvar. Vad är källan till detta kol? Två möjligheter verkar troliga; utstött partikelformigt kol från GAC-filtret eller TOC som härrör från organiska källor. Levande organismer är 40-50% av torrvikt kol (Vi använder 45% för enkelhet), (Sterner, 2002). Om alla 71 mg kol kom från organiska källor (= TOC), skulle det finnas ~ 158 mg (~34 %) organiskt material närvarande. Jämför detta värde med både kväveanalysbaserad förutsägelse av organiska ämnen från (3); 149 mg (~ 32%) och väteanalysbaserad förutsägelse från (4); 160 mg TOC (34%). Överensstämmelsen mellan TOC-kolbaserad beräkning och de oberoende väte-och kvävebaserade beräkningarna kan inte ignoreras. Således finns det
Inga bevis för att kontraindicera slutsatsen att de återstående 71 mg kol kan hänföras till organiska källor som TOC; det finns ingen anledning att åberopa GAC filter ejecta som en källa för detta kol.

6) Kiselanalys

4,76 viktprocent kisel närvarande i 470 mg skimmate antyder att det finns 22,4 mg totalt Si närvarande. Om vi antar att Si bidrar med Biogen opal från skeletaen av diatomer, (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989) är Si i en hydratiserad polymer av SiO2 (ca. molekylformel för opal är SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si i massa). Därför kan vi approximera mängden Biogen opal närvarande som 53 mg (~11%).

7) Fosforanalys

0,16 viktprocent P närvarande i 470 mg torr skimmate innebär att det finns 0,75 mg P närvarande. Förutsatt att alla P är närvarande som fosfat, PO43- (MW = 95, okänd counterion), då finns det ~ 2,3 mg (~ 0,5%) av PO43 – närvarande i 470 mg torr skimmate. Denna mängd motsvarar ~ 4900 ppm fosfat, vilket är mycket mer än < 0,02 ppm fosfat i tankvattnet. Således koncentrerar skimming fosfat.

Elemental Analysis Summary

Sammanfattningsvis drar skimmeren ut en fast, vattenolöslig blandning av föreningar som består av vikt av (ungefär):

• 44 % av CaCO3
• 5% av MgCO3
• 11% av biogent opal
• 34% av organiskt material
• 0,5% fosfat

därför redovisas totalt ~ 95% av det torra vattenolösliga skimmatet! Vilka är källorna till dessa kemiska föreningar i skummat? Den biogena Opalen kommer sannolikt från skalen av diatomer, små medlemmar av fytoplanktonfamiljen av marina mikrober. CaCO3 (och MgCO3) kan ha både biogena och abiologiska källor. En kalciumreaktor fungerade under hela den experimentella skummatuppsamlingsperioden, och så kan några av CaCO3 bara vara mikropartiklar som emitteras från denna enhet. Alternativt kan CaCO3 uppstå från skalen av planktoniska mikrober från coccolithophore (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) och foraminifera familjer. Dessa planktonkomponenter är vanliga under vissa förhållanden i havsvatten, men närvaron i akvarievatten har inte fastställts. Det är inte möjligt att skilja mellan dessa biologiska och abiologiska källor till CaCO3 för närvarande. Framtida experiment i
som skimmate samlas in utan en löpande kalciumreaktor kan kasta lite ljus på denna punkt. Fosfatet som finns i skummat kunde inte komma från oorganiskt fosfat i vattenspelaren; den Jonen skulle ha tagits bort genom noggrann tvättning med vatten. Det är möjligt att en del av detta fosfat är i form av olösligt kalciumfosfat, men den förekomsten skulle vara osannolik eftersom Ca3(PO4)2 bildas vid ganska högt pH, vilket inte är karakteristiskt för skummatvätskan (pH = 7,67, se nedan). Som standard härrör det troligen från organiskt fosfat; det vill säga många biokemikalier inom diatomer och alla andra levande organismer (coccolithophores, foraminifera, bakterier, människor, etc) har fäst fosfatgrupper. Akvarieorganismer rekryterar dessa fosfatmolekyler från det oorganiska fosfatet i vattenspelaren och fäster dem sedan på de organiska biokemikalierna. Således koncentrerar de effektivt fosfat från vattnet och att
fosfat sedan avlägsnas (inom den intakta organismen) vid skimming. Ur detta perspektiv bidrar skimming till avlägsnande av oorganiskt fosfat från akvariumvatten.

en intressant och kanske oväntad observation är att endast 34% av detta fasta skummatmaterial kan tilldelas “organiskt kol”, TOC. Således är 2/3 av den fasta, vattenolösliga delen av skummaten inte TOC, utan snarare oorganiskt material som kan (eller kanske inte) ha biogena ursprung. Om en betydande mängd av detta oorganiska material kommer från Planktons skal, är det självklart att en stor del av det detekterade organiska materialet (TOC) förmodligen utgör “tarmarna” hos dessa organismer. Således är kanske inte så mycket av TOC som avlägsnas genom skimming faktiskt fritt flytande organiska molekyler. En varning på denna tolkning är naturligtvis det faktum att ~ 90% av den råa ursprungliga skimmaten tvättades bort med vatten. Kanske innehöll den vattenlösliga fraktionen betydande mängder upplöst organiskt kol, vilket skulle vara oupptäckt genom ovanstående analys.

en andra, mer omfattande skimmate kemisk analys genomfördes för att ta itu med denna oro. I detta experiment matades tanken dagligen med en blandning av PE-och Hikari mysis-räkor, Ocean Nutrition Formula 1-flingor, Omega One Veggie-flingor och Aqueon Marina granuler som beskrivits ovan. Denna dagliga utfodring uppgick till en torrvikt (110 oC/0,2 mm under 48 timmar) på 0,87 gms/dag. Inga Reef Nutrition produkter användes under detta experiment. Efter 7 dagar efter denna utfodringsregim avlägsnades det fasta och flytande skimmatet som uppsamlades av H&S 200-1260 skimmer försiktigt från skimmerkoppen och separerades genom centrifugering (6000 rpm, 40 min). Den ljusbruna klara supernatanten hälldes av och dess volym mättes; 125 mL. Den fasta återstoden torkades i vakuum vid 110 oC/0,2 mm i 24 timmar => 5,18 gm brunt fast ämne. 110 mL av vätskan koncentrerades under reducerat tryck och vakuumtorkades sedan (110 oC/0,2 mm/24 h) för att ge 2,91 g brunt fast ämne ( =>
3,31 g fast ämne från den ursprungliga 125 mL vätska som återvunnits). 15 mL återstående flytande skummat analyserades med ett Salifert-testkit för alkalinitet: = 8,0 meq/L. dessutom indikerade brytningsindexet 1,023 31 ppt salthalt och pH = 7,67. En slutpunkt kunde inte detekteras med Ca-eller Mg Salifert-Kit, Merck-fosfatkit eller Salifert NO3-kit på grund av den störande ljusbruna färgen på skummatvätskan. Observera att den mycket höga mätningen inte nödvändigtvis antyder att koncentrationerna av HCO3– eller CO32 – är höga; det kan finnas organiska syrakarboxylater från TOC-poolen som detekteras genom denna alkalitetsanalys (se nedan).

det fasta ämnet som härrör från avdunstning av den flytande delen av skimmatet såväl som det fasta ämnet erhållet efter centrifugering överlämnades båda till Columbia Analytical Services för elementär analys. Resultaten är tabellerade i Tabell1. Dessutom analyserades den torkade maten för utvalda element. Naturligt havsvatteninnehåll ingår för jämförelse.

Tabell 1. Resultat av elementanalyserna av skummat-och matprover.

Element	fast skummat (vikt %)	flytande skummat (vikt %)	naturliga havsvattensolider (vikt %)	mat (vikt %)
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
Om	8.94	1.40	< 0.01
Na	3.45	27.25	30.9
Cl	0.40	43.2	55.4
K	0.38	1.17	1.1
Fe	0.93	<0.02	< 0.01
P	0.46	0.08	< 0.01	1.57
I			< 0.01	< 0.1
Cu			< 0.01	< 0.006
Am	55.84	85.89	95

Matanalys

den torkade maten analyserades för fosfor -, koppar-och jodinnehåll. Varken koppar eller jod registreras i dessa analyser; det kan inte finnas mer än 100 ppb av antingen i maten. Fosforhalten var emellertid detekterbar och 1,57 viktprocent P motsvarar ungefär 14 mg PF-fosfor i 0,87 g torkad mat som matas till tanken dagligen. Förutsatt att alla P är närvarande som fosfat, PO43- (MW = 95), då finns det ~ 42 mg (~ 5%) av PO43 – närvarande i 0,87 g torkad mat. Observera att de frysta Mysis räkor kuber tvättades noggrant med kranvatten tills tinas, och så fosfathalten i vattnet för frysning kan diskonteras. Den dagliga 42 mg fosfattillsatsen till 168 gallon i akvarievattenvolymen representerar en nominell tillsats av cirka 0,06 ppm fosfat per dag. Eftersom Merck phosphate test kit-analys indikerar en fosfatnivå på < 0,02 ppm (test kit limit), verkar det tillsatta fosfatet lätt avlägsnas från vattenspelaren.

Skimmate flytande analys

1) svavel analys

den 2.47 viktprocent svavel närvarande i 3,31 g fast ämne härrörande från skummatvätskan motsvarar ungefär 82 mg S. denna svavel kommer sannolikt från sulfat, SO42- (MW = 96, 33 viktprocent S). Det finns säkert en liten mängd “organisk” svavel i DOC, men det är inte troligt att lägga mycket till den totala svavel %, eftersom svavel endast är ~ 0,1% av den torra vikten av levande materia. (Sterner, 2002) så motsvarar 82 mg S i det torkade flytande skimmatet 248 mg (7, 5%) sulfat i den torkade skimmatvätskan.

2) Kväveanalys

den 0.68% av torrvikt av kväve i 3,31 g torkad skummatvätska motsvarar 23 mg N. kvävekällor innefattar organiskt material (DOC) och naturligtvis oorganiska joner; ammonium (NH4+), nitrit (NO2–) och nitrat (NO3–). Det finns i huvudsak ingen mätbar (dvs < 1 ppm) NH4, NO2 eller NO3 i akvarievattnet, så till en första approximation kan kvävet i skummat tillskrivas “organiskt” kväve. Eftersom organiskt material som härrör från levande källor är ungefär 7% av torrvikt kväve (se ovan), föreslår 23 mg N närvarande i skummatvätskan att det totalt sett finns cirka 329 mg (~ 10%) organiskt material närvarande.

3) Kolanalys

de 4,50 viktprocent kol som finns i 3,31 g torkad skummatvätska motsvarar 149 mg C närvarande. Källor av kol i skummatvätskan inkluderar oorganiskt kol som en del av karbonatjämvikten, organiskt kol (DOC) och kolpartiklar som matas ut från GAC-filtret. Baserat på argumentet i (5) ovan verkar det osannolikt att GAC-filtret är en källa till detta kol. Det är inte möjligt att skilja mellan de återstående två källorna baserat på elementanalysmätningen eller den oberoende mätningen, eftersom den senare analysen kommer att detektera (organiska) karboxylater såväl som de oorganiska formerna, bikarbonat HCO3– och karbonat CO32-. Det är emellertid möjligt att ställa in en övre gräns för det oorganiska innehållet (bikarbonat och karbonat) i skummatvätskan från Salifert alkalinitetsmätningen. Den uppmätta alkaliniteten via ett Salifert-testkit var 8 meq/L. om vi antar för att ställa in denna övre gräns att all denna alkalinitet berodde på karbonatsystemet, motsvarar 8,0 meq / L 1,0 mmol alkalinitet i 125 mL skummatvätska uppsamlad från centrifugeringskörningen. Vidare, om vi antar att all denna alkalinitet är i form av bikarbonat, HCO3– (faktiskt vid pH = 7,67, är ca 96% av karbonatet närvarande), då skulle vi ha 1,0 mmol eller 61 mg HCO3– närvarande i 3,31 g torkad skummatvätska. Således skulle 61 mg HCO3 – (=20% C i vikt) högst utgöra 12 mg av de totala 149 mg kol som finns i den torkade skummatvätskan. I detta scenario skulle 137 mg av det uppmätta kolet härledas från organiska källor. Med hjälp av uppskattningen att organiskt material som härrör från levande källor är 45% kol, skulle mängden DOC i den torkade skimmatvätskan vara 304 mg (~ 9%); inte för långt ifrån kväveanalysen av ~ 10% organiskt material. Om all den uppmätta alkaliniteten i den andra ytterligheten kunde hänföras till organiska karboxylater (antar C18-arter i genomsnitt, så C = 76% karboxylatmassa), skulle 1, 0 mmol alkalinitet motsvara 283 mg organiska karboxylater, varav 76% (=215 mg) skulle vara kol. Eftersom det totala kolet som uppmättes endast var 149 mg, är det senare scenariot naturligtvis omöjligt. Mest sannolikt kan ~ 3 eller 4 meq/L av alkaliniteten tilldelas HCO3–, så det återstående organiska kolet är cirka 143 mg => 318 mg (~ 10%) organiskt material – samma värde som härrör från kväveberäkningen.

4) Väteanalys

1,33 viktprocent väte i 3,31 gm-provet av torkad skummatvätska innebär att det finns 44 mg H närvarande. Detta väte kan bidra från biologiskt härledda organiska källor, oorganiska källor (HCO3– och HSO4–) och eventuellt från vatten kvar från ofullständig torkning. Om allt uppmätt väte endast bidrog från biologiskt härledda organiska källor (vid ~ 7% med torrvikt väte), skulle vi förutsäga att den torkade skimmatvätskan innehöll ungefär 629 mg (~19%) organiskt material. Det är uppenbart att värdet är för stort jämfört med kväve-och kolanalysvärdena, så åtminstone en del av väte måste komma från antingen oorganiska joner eller från vatten. De belopp som bidrar från bikarbonat HCO3 – och kolsyra H2CO3 är försumbara, med tanke på deras relativt små koncentrationer (se Kolanalys, ovan). Dessutom vid pH = 7.67, det finns en försvinnande liten mängd bisulfat, HSO4 -; dess pKa = 1,9. Så det är troligt att det flytande skummatprovet inte torkades fullständigt, och det återstående väte kommer sannolikt från den källan. Givet från kväveanalysen att det fasta ämnet som härrör från skummatvätskan innehåller cirka 329 mg organiskt material och organiskt material är cirka 7% väte, då är väte som bidrar från detta organiska material cirka 23 mg av den fasta återstoden. Om det återstående uppmätta väte (44-23 = 21 mg) är från H2O, finns det 189 mg (~6 %) vatten närvarande.

5) Kiselanalys

1,40% kisel i vikt i 3,31 g fast material som återvinns från skimmatvätskan fungerar till 46 mg kisel. Detta kisel kan härledas från antingen vattenlöslig ortosilinsyra (Si(OH)4, 29% Si, 4% H) eller från Biogen opal som utgör skalet av kiselalger såsom beskrivits ovan (ca. molekylformel för opal är SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si, 1% H). Observera att i båda fallen är mängden väte som bidrar med endera källan till Si minuscule (~ 0.04 viktprocent av den ursprungliga skummatvätskans härledda fasta) och påverkar knappast väteanalysens slutsatser ovan. Det är inte möjligt att bestämma hur mycket kisel härrör från oorganisk orthosilicic acid, och hur mycket kan tillskrivas skalen av diatomer, men % kisel i varje är inte så annorlunda, och så kommer vi att använda ett medelvärde (36%) för att beräkna mängden “SiOxHy” i den råa skimmatvätskans härledda fasta ämne; ungefär 128 mg (~4%) av skimmatvätskans
fast ämne är någon form av silikat, SiOxHy.

så totalt sett kan det fasta ämnet som härrör från koncentrationen av skummatvätskan delas upp i:

• oorganiska joner (Na, Cl, K, Ca, Mg, SO42 -, HCO3 -, SiOxHy) 87%
• upplöst organiskt kol 10%
• vatten 6%
• totalt 103%

så vi har överskridit det teoretiska maximala innehållet på 100% med 3%; inte så illa, med tanke på de många approximationer och antaganden som gick in i förvärvet av dessa procentsatser. Summan av kardemumman, dock, är att skimmate vätskan innehåller mestadels de vanliga oorganiska joner som utgör de viktigaste jonerna i havsvatten. Endast en liten mängd av detta material kan utan tvekan tilldelas upplöst organiskt kol, DOC.

den kemiska analysen av 5.18 gm av skummat fast ämne följer ett liknande tillvägagångssätt som det som beskrivs för det kraftigt tvättade skummat fast ämne som diskuterats ovan. I detta fall tvättades emellertid inte det fasta ämnet upprepade gånger, och så kvarstår vissa vattenlösliga föreningar, även om det mesta av vattnet sannolikt avlägsnades genom vakuumtorkning. Dessa vattenlösliga arter består av 3,45 viktprocent natrium, 0,40 viktprocent klorid, 0,38 viktprocent kalium och 1,18 viktprocent svavel (= 3,6 viktprocent sulfat). Dessutom är det troligt att åtminstone en del av de uppmätta Ca, Mg, C (som HCO3) och P kan komma från vattenlösliga föreningar utöver föreningar i det olösliga fasta ämnet, men de totala mängderna av den vattenlösliga fraktionen av dessa specifika oorganiska joner är sannolikt små, eftersom den vanligaste Jonen, natrium, endast är 3,45 viktprocent av det isolerade fasta ämnet (Na/Ca = 28 i havsvatten). Så till en första approximation kommer vi att försumma deras bidrag till den vattenlösliga oorganiska delen av den fasta skummaten. Ur detta perspektiv innehåller det torkade skummatfasta ämnet cirka 8 viktprocent normalt vattenlösliga oorganiska joner.

1) Kalciumanalys

10,52 viktprocent Ca innebär att den totala mängden Ca i 5,18 mg-provet är 545 mg. Förutsatt att i huvudsak allt detta Ca är i form av vattenolösligt kalciumkarbonat (CaCO3, MW = 100), innehåller 5.18 mg torkat skummat 1.36 gm (26 %) CaCO3. Eftersom kol är 12 viktprocent CaCO3, innehåller 5,18 g torkat skummat ~ 163 mg (~3,2 %) av (oorganiskt) kol som bidrar från kalciumkarbonatet.

2) Magnesiumanalys

1,99 viktprocent Mg innebär att den totala mängden Mg i 5,18 gm-provet är 103 mg. Förutsatt att allt detta Mg är i form av magnesiumkarbonat (MgCO3, MW = 84), innehåller 5,18 g torkat skummat 361 mg (~ 7,0 %) MgCO3. Eftersom kol är 14 % (i vikt) av MgCO3, sedan 5.18 g torkat skummat innehåller ~ 51 mg (~1 %) av (oorganiskt) kol som bidrar från magnesiumkarbonatet.

3) Kväveanalys

levande organismer är ~ 5 – 9% av torrvikt kväve (vi använder 7% för enkelhet), (Sterner, 2002) och så, om vi försummar oorganiska kvävekällor (NH4, NO3 och NO2, som är oändligt låga i tankvattnet), innebär 2,72 viktprocent kväve att det finns 141 mg kväve i 5,18 gm av skummat fast ämne, som beräknar till 2,01 gms (~39%) av organiskt material närvarande.

4) Väteanalys

levande organismer är ~ 7% av torrvikt väte. (Sterner, 2002) 2,37 viktprocent väte innebär att det finns 123 mg väte i 5,18 g skummat fast ämne, vilket beräknar till 1,75 gms (~34%) organiskt material närvarande. Jämför detta värde med kväveanalysbaserad förutsägelse av organiska ämnen från (3); 39% organiskt kol. I detta fall är väteresultaten inte så nära de kvävebaserade resultaten som de var i de föregående två analyserna, men de är inte så långt borta. Denna väteanalys förutsätter att det inte finns något vatten närvarande, eller en del av H skulle kunna hänföras till vatten och inte organiska, och den H-baserade organiska beräkningen skulle vara ännu mindre.

5) Kolanalys

22,50 viktprocent C innebär att den totala mängden C som finns i 5,18 gm-skummatprovet är 1,17 gm. Subtrahera mängden C från CaCO3-bidraget (163 mg C) och mgco3-bidraget (51 mg C) lämnar 952 mg C kvar. Om vi återigen diskonterar GAC-filtret som en källa till detta kol, då mest (alla?) av detta kol kommer från” organiska ” källor. Eftersom levande organismer är 40-50% av torrvikt kol (Vi använder 45% för enkelhet), (Sterner, 2002) innebär 952 mg organisk C att det finns ~ 2,12 gms (~41 %) organiskt material närvarande. Jämförelse med kväve- (39% organiska) och väte – (34% organiska) härledda värden ger en konsekvent bild av det organiska innehållet.

6) Kiselanalys

8.94 viktprocent kisel närvarande i 5.18 gm av skummat fast ämne antyder att det finns 463 mg totalt Si närvarande. Om vi antar att Si bidrar med Biogen opal från skeletaen av diatomer, (Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989) är Si i en hydratiserad polymer av SiO2 (ca. molekylformel för opal är SiO2 * 0, 4H2O, 42% Si i massa). Därför kan vi approximera mängden Biogen opal närvarande som 1,10 gm (~21%).

7) Fosforanalys

0,46 viktprocent P närvarande i 5,18 gms torr skummat fast ämne innebär att det finns 24 mg P närvarande. Förutsatt att alla P är närvarande som fosfat, PO43- (MW = 95, okänd motjon), så finns det ~ 74 mg (~ 1.4 %) av PO43-närvarande i 5,18 g torr skummat fast ämne. Denna mängd motsvarar ~ 14300 ppm fosfat, vilket igen är mycket mer än < 0,02 ppm fosfat i tankvattnet.

8) Järnanalys

0,93 viktprocent Fe i 5,18 gms torkat skummat fast ämne uppgår till 48 mg Fe närvarande. Oorganiska järnsalter är ganska olösliga i vatten, och så är det troligt att nästan allt detta järn är antingen “organiskt” järn som bodde i kropparna av mikrober som bakterier etc. eller det är från kolloidala järnpartiklar som utvisas från GFO-reaktorn. Skimmats kol-till-järn-vikt-procent-förhållande på 24 kan jämföras med torrvikten C:Fe-förhållanden för flera planktoniska organismer: heterotrofa bakterier: 28500:1, cyanobakterier: 11250:1, eukaryot fytoplankton: 71250:1. (Tortell, 1996). Eftersom det detekterade Fe: C-förhållandet är 10000x det för planktoniska arter är det mycket osannolikt att mycket av det skummade järnet är “organiskt” i ursprung. Ett mer troligt scenario är att partikelformig järnoxid utvisas från GFO-reaktorn, och det materialet utgör då majoriteten av järnet som avlägsnas av skimmeren. Järnoxid har en nominell kemisk formel av Fe2O3,
och det är ungefär 70 viktprocent järn. Så 48 mg järn i skummat fast ämne motsvarar cirka 69 mg Fe2O3 (~1,3 viktprocent).

Sammanfattningsvis drar skimmeren ut en fast blandning av föreningar som består av vikt av (ungefär):

• 8% oorganiska joner
• 26% av CaCO3
• 7% av MgCO3
• 21% av biogent opal (SiO2)
• 38% av organiskt material
• 1,5% av fosfat
• 1.3% av järnoxid

dessa material summerar till ~ 103%, vilket är ganska nära det teoretiska maximalt 100%. Eventuella avvikelser kan lätt förklaras av den numeriska osäkerheten som införs genom alla antaganden. Det vill säga, även med alla antaganden och approximationer som citeras i denna analys, uppgår summan av massan till inom 3% av “perfekt”. Återigen är det organiska materialet som avlägsnas i skummat fast ämne en mindre komponent, men i genomsnitt 38% (C vs. N vs. H-analys), Det är lite högre än 34% – värdet som härrör från det kraftigt tvättade skummade fasta provet och mycket högre än mängden DOC i den flytande fraktionen (~ 10%). Totalt innehåller 8,49 g av de totala fasta ämnena som avlägsnats under veckan med skimming cirka 318 mg vattenlösliga organiska ämnen (~ 4%) och cirka 2,12 gms vattenolösliga organiska ämnen (~ 25%). Således, med stor marginal, är huvuddelen av de organiska ämnen som avlägsnas genom skimming inte DOC (upplöst organiskt kol). De oorganiska föreningarna CaCO3 och SiO2 utgör majoriteten av den skummade fasta massan, mycket som de gjorde i det kraftigt tvättade skummatprovet som analyserades först. Som diskuterats i den analysen kan källan till dessa föreningar inte tilldelas från dessa data, men en biologisk källa för SiO2 (Biogen opal), diatomskal, är sannolikt. CaCO3 kan uppstå från både oorganiska källor (dvs. kalciumreaktor CaCO3 partikelutstötning) och organiska källor (skalen av foraminifera och/eller coccolithophores).

en av de överraskande observationerna som framgår av de ursprungliga skimmerprestationsstudierna är att endast cirka 20-35% av den mätbara TOC i akvarievatten avlägsnas genom skimming. Den observationen kan nu verka lite mindre förvånande när den ses i samband med skimmate-komponentanalysen. Således kan endast ~ 29 % (25% från det fasta + 4% från vätskan) av skimmatet avlägsnat av H&S 200 skimmer från autentiskt revetankvatten under en vecka tilldelas organiskt material. Så, skimming tar inte bort så mycket av TOC som finns i akvarievatten, och skimmaten innehåller inte så mycket TOC.

Så vad exakt gör skimming? När det gäller vattenrening; den mest konservativa, tillåtna (men inte övertygande!) svaret är att skimming tar bort massor av (levande eller döda? okända) mikroorganismer som befolkar akvarievattnet och därigenom tar bort det (organiska) kolet, fosfor och kväve som utgör deras biokemiska smink. Dessutom kan upplösta organiska föreningar också avlägsnas, men uppgifterna stöder inte påståendet att dessa upplösta organiska arter utgör en stor mängd av de totala organiska ämnena som avlägsnas. Förutom dessa vattenreningsfunktioner tjänar skummare till att syresätta vattnet och underlätta gasutbytet i allmänhet, vilket är användbara aktiviteter oberoende av avlägsnande av organiskt avfall.

slutsatser

den kemiska/elementära sammansättningen av skimmate genererad av en h &s 200-1260 skimmer på en 175-gallon revetank under flera dagar eller en vecka hade några överraskningar. Endast en mindre mängd skummat (fast + vätska) kunde hänföras till organiskt kol (TOC); cirka 29%, och det mesta av det materialet var inte vattenlösligt, dvs inte upplöst organiskt kol. Majoriteten av den återvunna skummat fast, bortsett från commons joner av havsvatten, var CaCO3, MgCO3, och SiO2 – oorganiska föreningar! Ursprunget för dessa arter är inte känt med visshet, men ett bra fall kan göras att SiO2 härstammar från diatomernas skal. CaCO3 kan härledas från andra planktoniska mikrober som bär kalciumkarbonatskal, eller kan komma från kalciumreaktorutflöde. I den utsträckning att den fasta skummaten består av mikroflora, skulle en viss del av det olösliga organiska materialet som avlägsnas genom skimming helt enkelt vara de organiska komponenterna (“tarmarna”) av dessa mikroflora. Dessa mikroflora koncentrerar p, N och C näringsämnen från vattenkolonnen, och så utgör deras avlägsnande via skimming ett sätt att exportera näringsämnen.

bekräftelser

vi tackar Eberly College of Science vid Pennsylvania State University och E. I Dupont de Nemours och Co. Sanjay Joshi (Penn State) och Craig Bingman (U. Wisconsin) för många användbara diskussioner.

1. Brzezinski, M. A. 1985. “Si:C: n-förhållandet mellan Marina diatomer: interspecifik variation och effekten av vissa miljövariabler.”J. Physiol., 21, 347-357.
2. De la Rosa, J. M.; Gonz Pacilez-P. A.; Hatcher, P. G.; Knicker, H.; Gonz Pacilez-Vila, F. J. 2008. “Bestämning av eldfast organiskt material i marina sediment genom kemisk Oxidation, analytisk pyrolys och fast tillstånd 13C kärnmagnetisk resonansspektroskopi.” EUR. J. Jord Sci., 59, 430-438.
3. Feldman, Ks; Maers, Km; Vernese, LF; Huber, EA; Test, Mr 2009. “Utvecklingen av en metod för kvantitativ utvärdering av Proteinskimmerprestanda.”Avancerad Akvarist http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
4. Feldman, K. S.; Maers, K. M. 2010. “Ytterligare studier om Proteinskimmerprestanda.”Avancerad Akvarist
5. Mitchell-Innes, Ba; Vinter, A. 1987. “Coccolithophores: en viktig Fytoplanktonkomponent i mogna uppsvällande vatten utanför Kaphalvön, Sydafrika i mars 1983.”Marine Biol., 95, 25030.
6. Mopper, K.; Stubbins, a.; Ritchie, jd; Bialk, Hm; Hatcher, PG ” avancerade instrumentella metoder för karakterisering av marint upplöst organiskt material: extraktionstekniker, masspektrometri och kärnmagnetisk resonansspektroskopi.”Chem. Rev., 107, 419-442.
7. Mortlock, R. A.; Froelich, PN ” en enkel metod för snabb bestämning av Biogen Opal i pelagiska marina sediment.” 1989. Djuphavsres., 36, 1415-1426.
8. Stanley, SM; Ries, JB; Hardie, La 2005, ” havsvatten Kemi, Coccolithophore befolkningstillväxt, och ursprunget till krita krita.”Geologi, 33, 593-596.
9. Sterner, RW; Elser, JJ 2002. Ekologisk Stökiometri. Princeton University Press, Princeton.
10. Tortell, Pd; Maldonado, Mt; pris, Nm ” rollen av heterotrofa bakterier i Järnbegränsade havsekosystem.” 1996. Natur, 383, 330-332.