Новый взгляд на азотный цикл в аквариуме: главный герой — Comammox Nitrospira

Современное исследование, проведенное американскими учеными в 2024 году, предлагает пересмотреть устоявшиеся представления о работе биофильтров в пресноводных аквариумах. Ученые исследовали геномы микробных сообществ в 38 пресноводных и 8 морских аквариумах и обнаружили, что ключевую роль в окислении аммиака в пресноводных аквариумах играют не классические бактерии (AOB) и не археи (AOA), а Comammox Nitrospira — микроорганизмы, способные самостоятельно выполнять весь процесс от аммиака до нитрата. Эти бактерии были доминирующими в 30 из 38 исследованных пресноводных фильтров.

Традиционная модель азотного цикла

Раньше считалось что азотный цикл или нитрификация в аквариуме проходит в два этапа, на каждом из которых работают разные группы микроорганизмов:

1. Аммиак (NH3/NH4+) → Нитрит (NO2-): на этой стадии работают аммиак-окисляющие бактерии (Ammonia Oxidizing Bacteria - AOB), например, Nitrosomonas или аммиак-окисляющие археи (Ammonia Oxidizing archaea - AOA).
2. Нитрит (NO2- → Нитрат (NO3-): выполняют нитрит-окисляющие бактерии (Nitrite Oxidizing Bacteria - NOB), например, Nitrospira и Nitrobacter.

Nitrospira считались исключительно «нитритными» бактериями.

Что показало новое исследование?

Анализ генома микробных сообществ в 38 домашних пресноводных аквариумах показал, что доминирующую роль в окислении аммиака могут играть не классические бактерии (AOB) или археи (AOA), а полные аммиак-окислители (comammox) из рода Nitrospira. Это особая группа внутри рода Nitrospira, которая обладает полным набором ферментов для превращения аммиака напрямую в нитрат в пределах одной клетки. В изученных пресноводных аквариумах гены comammox Nitrospira были обнаружены во всех образцах и количественно преобладали в 30 из 38 случаев, что позволяет предположить, что именно эти организмы, способные самостоятельно осуществлять полный цикл от аммиака до нитрата, могут быть ведущими нитрификаторами в стабильных пресноводных системаx и экосистема биофильтра сложнее, чем считалось ранее.

Стоит подчеркнуть, что исследование охватывало конкретную, достаточно небольшую выборку аквариумов.

Практические выводы

1. Смена парадигмы (с оговорками): Работа не отрицает существования классического пути, но указывает на возможное преобладание более эффективного и прямого пути через comammox в пресноводных аквариумах с низкой концентрацией аммиака.

2. Стабильность системы: доминирование comammox Nitrospira может объяснять, почему в зрелых аквариумах пики аммиака и нитритов часто минимальны — потенциально опасный нитрит не накапливается, а быстро преобразуется в нитрат в той же бактериальной клетке.

3. Различие сред: в исследованных морских аквариумах comammox Nitrospira обнаружены не были, и нитрификация там по-прежнему обеспечивалась классическими бактериями и археями нитрификаторами. Это подчеркивает, что экосистемы пресной и соленой воды фундаментально различны.

4. Сложность сообщества: анализ сетей взаимодействий показал тесные связи между нитрификаторами и гетеротрофными бактериями, что говорит о биофильтре как о сложном кооперативном сообществе, а не просто о сумме отдельных бактерий.

Что нового для аквариумиста

Новые данные не отменяют базовых принципов (необходимость выдержки цикла, избегание перезапусков), но углубляют понимание процессов нитрификации. Главный вывод — экосистема биофильтра, вероятно, устроена сложнее и эффективнее, чем предполагала старая двухэтапная модель.

Оптимальной стратегией запуска, исходя из этих данных, представляется использование «живого» субстрата из здорового аквариума, который гарантированно содержит все необходимое разнообразие микроорганизмов, включая, возможно, ключевых comammox Nitrospira.

Поскольку ключевые нитрификаторы — это сложное бактериальное сообщество (а не один штамм), следует быть аккуратнее с использованием антибиотиков. Так же следует избегать глубоких чисток всего аквариума сразу - поскольку это уничтожает биопленку и отбрасывает систему назад.