Akváriumi kémia: foszfát és matematika: Igen, meg kell értened mindkettőt

$kémiai$

A p-foszfát a zátony akvaristák számára nagy aggodalomra okot adó ion. Valójában a kalciumon és az lúgosságon kívül valószínűleg a kémiai témára koncentrálnak leginkább a zátonyos akvaristák. Ennek az aggodalomnak a nagy része indokolt, mivel a foszfát potenciálisan hozzájárulhat az algák problémáihoz, a korallok és más gerinctelenek rossz színezéséhez, valamint a legtöbb fotoszintetikus organizmus növekedéséhez. Ezért minden zátonynak rendelkeznie kell egy foszfátexport-tervvel egy vagy több módon, és a választási lehetőségek bőségesek. A kívánt célszintekkel és a sok exportálási módszerrel kapcsolatos témákat régebben én és más szerzők részletesen taglalták, itt nem térek ki rájuk.

Amire összpontosítok, az a zátony-akváriumokban található különféle foszfátforrásokra vonatkozik, és arra, hogy mindegyik mennyire fontos egy működő akvárium szempontjából. Régóta számtalan félreértés volt ezekről a forrásproblémákról, de az elmúlt két évben úgy tűnik, hogy ezek a félreértések egyre gyakoribbá váltak, és néha indokolatlan cselekedetekre terelik az akvaristákat.

Részben zavartan tulajdonítom ezt a közelmúltbeli emelkedést a Hanna újonnan elérhető foszfát-ellenőrzőinek. Anélkül, hogy viszonylagos pontosságukról vagy felhasználásuk érdeméről vitát folytatnék, azt gondolom, hogy sok akvaristát nem megfelelő cselekedetekbe csábítanak azzal, hogy különböző adalékanyagokban foszfátot találnak, amelyekről korábban nem voltak tudatában. Az Álmok mezejét átfogalmazva: „Építsd meg, és megtalálják a foszfátot”. Ahhoz, hogy az akvaristák értelmezhessék, mit jelentenek ezek a talált értékek, meg kell érteniük a korallzátony-akváriumok teljes foszfát-egyensúlyát. Ez a cikk arra törekszik, hogy megismerje a foszfáttal kapcsolatos problémák megfelelő perspektívába helyezését.

Tehát csak kezdőknek lássuk, hányukat érintené ezek a forgatókönyvek:

Tisztított édesvízem, amelyet feltöltéshez használok, 0,05 ppm foszfátot tartalmaz. Mivel megpróbálom tartályomat 0,02 ppm-en tartani, ez nyilván túl sok. Mit kellene tennem?
Egy kockát fagyasztott halételemből fél csésze vízbe tettem, és foszfáttesztet hajtottam végre a vízen. 1,0 ppm óriási értéket kaptam. Ez óriási probléma, igaz?

1. ábra: A DNS felépítése Madeleine Price Ball által a Wikipedia számára rajzolt módon. A foszfor sárga színnel látható.

A tapasztalatok azt mondják, hogy a zátony-akvaristák legalább 95% -a egyetért abban, hogy az első három megoldandó probléma, és legalább fele ugyanazokkal az érzésekkel él, mint a negyedik számban kifejezve. A valóságban az első három egyáltalán nem lényeges kérdés, és a zátonyosoknak meg kell érteniük, miért. A negyedik forgatókönyv összefoglalja a zátonyok fő megértését: az ételek az elsődleges foszfátforrások szinte minden táplált akváriumban, függetlenül az ételek választásától és az öblítésektől. Az akváriumok többségében ez a forrás uralja az összes többi forrást tíz-száz vagy annál nagyobb tényező, még akkor is, ha az 1-3. forgatókönyv is igaz!

A foszfát élelmiszer-forrásai

Az akváriumok foszfátforrásainak megértése érdekében először nézzük meg az ételeket. Ellentétben azzal, amit sokan feltételeznek, a foszfátot nem lehet elkerülni egy tápláló halételben. A foszfor az élet számos biomolekulájában van, ezért minden természetes szövetben, amely egy halételbe kerül, jelentős foszfor lesz. A foszfolipidek alkotják a sejtmembránok jelentős részét. Minden szervezet genetikai kódja DNS-ből áll, és ez a DNS tartalmaz egy foszfáthidat az egyes bázispárok között (az 1. ábra mutatja, hogy a foszfát mennyi van valójában a DNS-ben). Az összes sejt energiájának megszerzése az ATP ADP-vé történő átalakításán keresztül történik, és ezek a molekulák 3, illetve 2 foszfátcsoportot tartalmaznak (2. ábra).

2. ábra Az ATP szerkezete, amely a három foszfátcsoportot mutatja a bal oldalon.

Ami az élelmiszerek és a foszfát táplálkozási szempontjait illeti, a fehérjék foszfátot tartalmaznak. Sok kezdő kémikus megérti, hogy a fehérjék aminosavakból állnak, és a szokásos aminosavak egyike sem tartalmaz foszfátot, tehát honnan származik a foszfát? Kiderült, hogy az organizmusok foszfátot kötnek a fehérjékben a treonin és tirozin aminosavak hidroxilcsoportjához, hogy sokféle fehérje funkciót be- és kikapcsoljanak. Következésképpen a fehérjék gyakran sok foszfátot tartalmaznak, így nagyon nehéz táplálkozási szempontból teljes ételeket készíteni jelentős foszfát nélkül. A foszfát és a fehérje közötti kapcsolat olyan szoros, hogy a foszfátfeleslegben szenvedők (általában vesebetegek és különösen a dialízisben szenvedők) nem képesek elegendő fehérjét szerezni anélkül, hogy túl sok foszfátot kapnának. Ezek a betegek orális foszfátkötőket szednek az étrendi foszfát megkötésére, mielőtt az felszívódna a vékonybélükből, mert az étrendi foszfát korlátozása csak nem elég hatékony.

A foszfát mennyisége az élelmiszerekben

Mennyi foszfát van az élelmiszerekben? Nagyon sok, de ez az ételtől függ. Néhány akváriumi étel a címkén feltünteti a minimális mennyiségű foszfort (a foszfor az atom, P, a foszfátion középpontjában, PO4 -). Az élelmiszerek elemzése gyakran a foszfát helyett a foszfor mennyiségét említi mértékegységként. Mint a láb és a hüvelyk, ezek is ugyanannak a dolognak a különböző mértékegységei, és a foszfor értékeit szorozzuk 3,1-gyel, hogy az értékek foszfátozzanak.

Az emberi fogyasztásra szánt élelmiszerek (például garnélarák vagy kagyló) esetében a foszfortartalom ismert adatait keressük meg. Sajnos az akváriumi ételek sok gyártója nem ad meg foszforértéket, és sok összetevő összetett keveréke, ami kizárja, hogy utánanézzünk. Talán egyes gyártókat aggasztja az akvaristák ijesztgetése a foszfáttartalom miatt. Szerencsére Ron Shimek több évvel ezelőtt elemzett különféle ételeket, és ez az adatkészlet arra is felhasználható, hogy megértsük, mennyi foszfor van a különféle kereskedelmi akváriumokban. Az 1-3. Táblázat számos akváriumi étel foszfor- és fehérjetartalmát tartalmazza, az 1. táblázat száraz ételeket, a 2. táblázat fagyasztott ételeket és a 3. táblázat az akváriumokban olykor használt élelmiszerbolt élelmiszereket tartalmaz.

Ezek a nyers foszforértékek önmagukban lehetővé teszik számunkra, hogy egy bizonyos táplálékkal táplálva mennyi foszfor kerüljön az akváriumba, és ezeket a számokat a cikk későbbi elemzésében felhasználjuk. Óvakodni kell attól, hogy összehasonlítási célból túlságosan támaszkodunk az ilyen számokra, mivel egyes élelmiszerekben lényegesen több nedvesség vagy töltőanyag van az ételben, ami a foszfor százalékának csökkenését szolgálja, de foszfor szempontjából nem feltétlenül jobb választás. Egyazon teljes táplálék eléréséhez egyszerűen több nedves táplálékot kell etetni, mint szárazabbat, ellensúlyozva az alacsonyabb állítólagos foszfor értéket.

Az ételek egymással való összehasonlításának egyik hasznos módja a foszfor és a fehérje arányának összehasonlítása. Ezzel a nyers módon kiküszöbölhetjük a nedvesség és a töltőanyagok hatásait. Nyilvánvaló, hogy ennek a módszernek megvannak a maga hibái, mivel az élelmiszerek tápértéke sokkal összetettebb, mint amit önmagában egy fehérjeérték nyújt, de ez lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük a hasonló típusú élelmiszerek közül, melyek látszólag adnak több vagy kevesebb foszfort. Az olvasó eligazodásának megkönnyítése érdekében úgy döntöttem, hogy az 1–3. Táblázatokban a fehérje ételeknél a magasabb foszfort, az alacsonyabbakat pedig a zöldben mutatjuk be. Az általam alkalmazott határértékek teljesen önkényesek, és biztosan nem szabad csak e kritérium alapján választani az ételt. Ennek ellenére számos pont nyilvánvaló:

Az ételek hatása az akvárium foszfátegyensúlyára

Most a kérdés középpontjába érkeztünk. Az élelmiszerekben jelen lévő foszfor tényleges mennyisége és mit jelent. Az élelmiszerek hatásainak megértése érdekében meg kell értenünk, hogy mi történik velük, ha egy akváriumhoz adják. Egyes akvaristák tévhitben vallják, hogy az elfogyasztott ételek nem járulnak hozzá a víz szabad foszfátjához. Sok akvaristának azt a mantrát mondják, hogy csak annyit etessen, amennyit elfogyasztott, és összekeverik ezt az elképzelést azzal a feltételezéssel, hogy ilyenkor az ember minimalizálja a foszfát felszabadulást. Ez az ötlet egyszerűen valótlan.

Az ételeket fogyasztó hal vagy más szervezet jelentős foszfátot vesz fel, amint azt a fentiek mutatják. De mi történik vele? Ha a szervezet mérete valójában nem bővül (például egy felnőtt zöld chromis vagy egy személy), a befogadott foszfát szinte teljes egészében kiválasztódik a vízbe. Az egyetlen kivétel ez alól a nagyon kis mennyiségű foszfor kerül a petesejtekbe vagy a spermiumokba, és mivel az akváriumok többségében ezeket az elemeket más szervezetek gyorsan elfogyasztják, a foszfor végül a vízbe kerül.

A növekvő organizmusok kis mennyiségű foszfort vesznek fel az étrendből és visszatartják növekvő szöveteikben, de a hangsúly a kicsi. Az óceánban gyorsan növekvő szivárványos pisztránggal rendelkező haltenyésztés vizsgálata azt mutatta, hogy a halakhoz juttatott foszfor 78-82% -a elveszett a környezetben. Egy második akvakultúra-tanulmány, amely normál halételeket használt, azt mutatta, hogy az etetett foszfát 62% -a került a környezetbe, 35% oldható foszfátként szabadult fel közvetlenül az algák számára, 27% pedig foszforként a székletpelletekben (amelyet ha nem távolítanak el, akkor lebontják egy akváriumban, és ismét felszabadítják a foszfátot). Egy másik tanulmány kimutatta, hogy a kereskedelmi célú étrend-foszfát 81,5% -a került a környezetbe, de alacsony foszfáttartalmú és alacsony hallisztet tartalmazó „speciális” étrend esetén ez 64% -ra csökkenthető. Egy negyedik tanulmány kimutatta, hogy a növekvő halak, amelyek a szükségesnél valamivel kevesebb foszfáttal táplálkoznak (az elméleti felvétel optimalizálása érdekében), különböző módon veszik fel és tartják vissza a különböző foszfátforrásokat. Tisztított fehérjetartalmú étrend alkalmazásával megfigyelték a foszfor 72% -ának visszatartását, a hozzáadott halcsontlisztből a foszfor visszatartását 51% -kal, valamint a szervetlen foszfát-kiegészítők (például nátrium-foszfát) magasabb felvételi és retenciós szintjét.

Ez a fajta vizsgálat az akvakultúra környezetében aggasztó a kibocsátott foszfor és nitrogén miatti környezeti szennyezés miatt. Tudomásom szerint azonban ezt soha nem tették meg zátony akváriumban. Ilyen foszforegyensúly-vizsgálatokat is végeztek embereken évek óta. Felnőtteknél nyilvánvaló, hogy szinte az összes felvett foszfát kiválasztódik, főleg a vizelettel, egy része pedig a széklettel. Még a növekvő kisgyermekeknél is az étrendből visszatartott foszfor mennyisége csak az elfogyasztott mennyiség 5-20% -a, 80-95% -a ürül a vizelettel és a székletzel. Bár ezek a tanulmányok meglehetősen távol állnak a zátonyok akváriumaitól, támogatják azt az elképzelést, hogy az organizmusok még növekedésükkor is sokkal több foszfort vesznek be, mint amennyit megtartanak.

Következésképpen a zátony-akvaristáknak arra kell számítaniuk, hogy a zátony-akváriumba élelmiszerek formájában hozzáadott foszfor nagy része végül a vízben foszfátként kerül. Az, hogy a vízbe jutás 95% vagy 35%, nem befolyásolja lényegesen az alábbi következtetéseket, miszerint az élelmiszerek nagyon nagy mennyiségű foszfátot adnak hozzá.

Az Élelmiszer-hatású akvárium-foszfát mennyiségi meghatározása

Abban a feltételezésben, hogy az élelmiszerekben jelen lévő foszfor nagy része végül foszfátként kerül az akváriumba, nagyjából kiszámíthatjuk, mi ez a hatás. Még akkor is, ha a tényleges szám ennek a fele vagy egynegyede a hozzáadott értéknek, a ballpark-információk megszerzése nagyon hasznos ennek a foszfátforrásnak a fontosságát felmérni. A kiszámított érték nyilvánvalóan attól függ, hogy mekkora akváriumba táplálkozik.

A 4. táblázat különféle lehetséges etetési sémákat mutat be, amelyeket egy akvarista hipotetikus 100 gallon (379 L; tényleges víztérfogat) akváriumon használhat. Az akvaristák maguk dönthetik el, hogy ezek a kezelési módok hogyan viszonyulnak saját táplálkozási ütemezésükhöz.

4. táblázat: Foszfát-adalékok egy 100 literes tényleges víztérfogatú akváriumhoz, különböző napi táplálási rend szerint. Ételek FedPfoszfor hozzáadása naponta (mg) egyenértékű foszfát hozzáadva naponta (mg) egyenértékű foszfát koncentráció hozzáadva naponta (ppm)

1 Prime Reef Cube	2.7	8.4	0,022
1 Prime Reef Cube1 Formula 1 kocka	6.0	18.6	0,049
1 Formula 2 kocka1 Mysis kocka	3.9	12.1	0,032
IO Marine Omnivore chips (2 g)	22.	68	0,18
IO Marine Omnivore chips (1 g) Ezüstoldal (1/2 teáskanál) Nori (2,5 g = nagy lap)	37	115	0,30

Nyilván van egy nagy tartomány attól függően, hogy mennyit táplálnak. Sok ember számára azonban meglepő, hogy ez a szám mennyire viszonyul a zátony-akváriumok tipikus foszfátszintjéhez, ami körülbelül 0,03 ppm vagy kevesebb lehet. Még egy viszonylag alacsony foszfáttartalmú fagyasztott étel egyetlen kockájának könnyű táplálása is ebbe az akváriumba adta a célmennyiség nagy részét egyetlen etetéssel. A nehéz etetés ennek a mennyiségnek a tízszeresét adta egyetlen nap alatt. Röviden, ez a magas napi addíciós ráta miatt a foszfátszabályozás gyakran nagyon nehéz vagy zátonyos akvárium.

Ételek öblítése és a foszfátra gyakorolt hatás

Most, hogy van információnk az élelmiszerekben található foszfátokról, kritikusan megvizsgálhatjuk az aggodalmakat, amelyek sok akvaristának vannak az élelmiszerekkel, és különösen a fagyasztott élelmiszerek használat előtt történő öblítésével kapcsolatban. Egy tipikus teszt, amelyet valaki lát, ha valaki vesz egy kocka halételt, felolvasztja és fél csésze vízbe teszi. Ezután tesztelik, hogy a víz foszfát-e, és megtalálja „a listán kívül”. Tegyük fel, hogy ez 1 ppm foszfátot jelent, ami sok foszfátteszt során nagyon sötétkék színt adna. Ne feledje, hogy ez egy gondolati probléma, nem egy tényleges mért érték, de jellemző arra, hogy az emberek mit gondolnak a válaszról.

Ez sok foszfát? Nos, kétféleképpen gondolhatjuk a választ.

Az első módszer az adott foszfát részaránya. Egy fél csésze víz 1 ppm (1 mg/l) foszfátban összesen 0,12 mg foszfátot tartalmaz. Egy (2) képletű kocka körülbelül 11,2 mg foszfátot tartalmaz. Tehát a hipotetikus öblítési lépés eltávolította az élelmiszer foszfátjának körülbelül 1% -át. Véleményem szerint nem igazán érdemes, de ezt a döntést minden akvarista meghozhatja magának.

Az öblítés második módja annak figyelembevétele, hogy mennyivel csökkenti az akvárium-foszfát-koncentráció növekedését. A fentiekkel megegyező 0,12 mg foszfát számítással, és hozzátéve, hogy 100 liter teljes víztérfogatra megállapítjuk, hogy az elöblített foszfát 0,12 mg/379 L = 0,0003 ppm-rel növelte volna a „tartályban” lévő foszfátkoncentrációt. Ez az elmosott mennyiség nem tűnik jelentősnek a „tartályban” megcélzott szinthez képest, amely ennek a szintnek körülbelül 50-100-szorosa (mondjuk 0,015-0,03 ppm), és nem tűnik jelentősnek az élelmiszerekben naponta ténylegesen hozzáadott teljes foszfátmennyiséghez képest (ami talán 50-1000-szer annyi, a 4. táblázat bemeneti arányai alapján. Ismét arra a következtetésre jutok, hogy az öblítés véleményem szerint nem igazán érdemes.

A foszfát élelmiszer-forrásainak összehasonlítása más forrásokkal

Mi a helyzet más foszfátforrásokkal, például a 0,05 ppm foszfátot tartalmazó „vacak” RO/DI vízzel? Egy hasonló elemzés ugyanolyan jelentéktelen lesz az élelmiszerekhez képest.

Tegyük fel, hogy a szóban forgó akvarista minden nap a teljes tartálytérfogat 1% -át hozzáadja RO/DI-vel a párolgás helyettesítésére. Az egyszerű matematika azt mutatja, hogy a RO/DI 0,05 ppm-je 0,0005 ppm lesz minden nap hozzáadva az akvárium foszfátkoncentrációjához. Ez a hígítási lépés kritikus fontosságú, egy ijesztő számot, például 0,05 ppm-t, majdnem értelmetlen 0,0005 ppm napi adagolásig. Mivel ez a 0,0005 ppm 40-600-szor alacsonyabb, mint az élelmiszerekben naponta hozzáadott mennyiség (4. táblázat), nem tűnik méltónak a sok akvarista mérgezésére. Ez azt jelenti, hogy a csapvíz akár 5 ppm foszfátot is tartalmazhat, és ez az érték akkor válhat domináns foszfátforrássá, és meglehetősen problematikus lenne. A csapvíz tisztítása ezért és sok más okból is fontos.

Ugyanez a fajta számítás vonatkozik más foszfátkérdések elemzésére is, mint például a GAC a harmadik forgatókönyvben. Az édesvízben áztatott GAC-ban a „magas” foszfát-tartalom megtalálására gyakran hivatkoztak, ami egyik vagy másik márkanevű GAC használatát indokolja, és valószínűleg még mindig az. De az élelmiszer-öblítéshez a fent bemutatott egyszerű elemzés nagy hazugságot jelent.

Fontolóra kell venni, hogy az akváriumban mennyi GAC-ot fog felhasználni, és milyen gyakran adják hozzá, hogy értelmezzük, mennyire fontos a hozzáadott foszfát. Tipikus ajánlás lehet 1 csésze GAC/100 liter akváriumvíz, és 4-6 héten belül cserélni. Tegyük fel, hogy 0,5 ppm foszfátot észlelünk, amikor egy teáskanál egy csésze vízbe kerül, és a teszt során megijedünk a sötétkék színtől. Ez ésszerű? Ez a 0,5 ppm egy teáskanálból egy csésze vízben 0,015 ppm foszfátot jelent, ha egy csészét 100 literben használnak.

Ez a 0,015 ppm jelentős lehet, ami a zátony-akváriumok tipikus célkoncentráció-szintje, és az élelmiszerekben naponta hozzáadott mennyiségnek körülbelül a fele-huszad részét teszi ki, de ne feledje, hogy 4-6 hétig használják. A következő csere előtti 4-6 hét alatt az élelmiszerek 50-700-szor annyi foszfátot adnak hozzá. Tehát bár nem ésszerűtlen egy másik GAC márkát keresni, az akvárium foszfát- vagy algakérdésének hibáztatása annak használatáért megnövelné a hitelességet, mert ez a teljes foszfát nagyon kis része.

Következtetés

Az élelmiszerek messze a legfontosabb foszfátforrások a legtöbb akváriumban. Bár nagy eltérések vannak az ételek között, ebben az elemzésben nem tűnik fel, hogy a száraz ételek azok a gonoszságok, amelyeknek gyakran készülnek, a fagyasztott élelmiszerekhez képest. Mindegyik ételtípusnál jobb és rosszabb döntéseket kell hozni (a foszfát tekintetében). A csontos ételek kerülése azonban érdemes lehet, ha a cél kevesebb foszfát leadása. Ezenkívül a friss élelmiszerbolt garnélarák ebből a szempontból az egyik legjobb ételnek tűnik.

Annak mérlegelésekor, hogy az ételeken kívüli más foszfátforrások fontosak-e, gondosan meg kell vizsgálni a tényleges mennyiségeket annak megállapításához, hogy érdemes-e más forrásokat minimalizálni. Félelmetes lehet megtudni, hogy a tisztított édesvízben van-e foszfát, vagy hogy a sókeverékedben kimutatható foszfát van-e, vagy hogy a kiegészítőkben vagy bármiben van valamilyen foszfát. De csak azért, mert észlel valamit, és talán még egy sokkal magasabb koncentrációt is észlel, mint az akváriumban, ez semmiképpen nem jelenti azt, hogy ezek a források elég jelentősek ahhoz, hogy valamilyen korrekciós intézkedést indokoljanak. Elemző eszközeink meglehetősen érzékenyekké váltak, lehetővé téve számunkra olyan dolgok észlelését, amelyek bajnak tűnhetnek, de valójában nem. Meg kell értenünk a különféle hígítási kérdéseket, valamint a zátony akvárium általános foszfát-egyensúlyát, hogy értékeljük a különböző mérések fontosságát.

Csak használjon egy kis matekot, és tegye az egészet perspektívába, mielőtt néhány dollárt vagy időt használna egy triviális „probléma” üldözésére.