Mikroorganismy a redoxní děje v sedimentech

Mnohé údaje týkající se vlastností vody dokážeme změřit a další nám na požádání sdělí dodavatel vody. Akvaristická komunita o nich diskutuje a docela se v nich vyzná, ale zaměřuje se většinou jen na obsah rozpuštěných minerálních (anorganických) látek důležitých pro výživu rostlin.

Oproti tomu vliv organických látek a mikroorganismů na život v akváriu zůstává nedoceněný a málo známý. Kult nitrifikace věci víc zkresluje než objasňuje. Filtrujeme v podstatě tak, jak nám výrobci řeknou; před časem letěly půdní filtry, teď valí nejvíc osídlovací plocha, a příště to budou nejspíš nanočástice nebo něco podobného, co zní progresivně a reklamovat se to nedá. Vyměňujeme vodu, pokud jdeme s proudem, anebo moc ne, pokud jsme stará škola. Odkalujeme na krásu. Metodou pokusu a omylu přistupujeme k různým substrátům. Výrobci nemusejí vždy říkat pravdu o tom, co jejich substrát dělá, ale to není ten hlavní problém. My především nemáme páru, co by dobrý substrát dělat mohl nebo měl. Za takových podmínek nám jakýkoli produkt může drze a bez odporu garantovat zázraky.

„Všechny naměřené hodnoty jsou v normě,“ pravidelně hlásí nešťastníci s havarujícím akváriem. Jakpak to? Vždy samozřejmě můžeme pokrčit rameny a konstatovat, že každé akvárium je originál. Takovým způsobem ale mnoho nevyřešíme. Následující text je určen pro ty akvaristy, kteří chtějí v porozumění dějů ve vodním světě pokročit o kousek dál. Není to přímo oddychové čtení, ale věřím, že se vyplatí.

Organické látky => mikrobi

Významná část organických látek je pochopitelně vázána v tělech živých organismů. My se ale budeme zajímat především o ty ostatní, takříkajíc odpadní. Část z nich tvoří detrit, složený převážně z odumřelých zbytků rostlin a výkalů ryb a plžů. Tuhle „špínu“ vidíme, jde o částice velikosti zhruba od 0,1 mm, tedy 100 µm (mikrometrů). Ty klesají (sedimentují) ke dnu působením gravitace, ale pokud si s tím nepospíší, filtr je nasaje a zachytí (stačí molitan). Při obvyklé periodě čištění našich filtrů je to však pouze estetické řešení, protože detrit ve filtru zůstává součástí akvarijního ekosystému.

Menší částice, asi od desítek nm (nanometrů) do 100 µm (koloidní roztoky a suspenze), jsou neviditelné, avšak způsobují, že voda není čirá. V této kategorii jsou významné např. zbytky těl odumřelých mikrobů a řas. Brownův pohyb molekul způsobuje, že tyto částice prakticky nesedimentují. Molitan je neodfiltruje, ale někdy pomohou různé filtrační vaty a tkaniny. Z vodního sloupce je pozvolna odstraňuje proces koagulace, tedy samovolného shlukování do větších částic, které pak sedimentují. Pokud ale souběžně mnoho nových částic této velikosti vzniká, voda neprokoukne nikdy. Mnozí akvaristé tuhle nečirost vody ani nevnímají anebo ji pokládají za normální, nevyhnutelnou.

Poslední skupinou jsou pravé roztoky, rozpuštěné organické látky. Těch může být ve vodě spousta a voda i tak zůstane perfektně čirá. Některé však vodu barví, např. huminy a taniny, ale také acriflavin, Fe-EDDHMA a podobně. Organické látky v pravých a koloidních roztocích lze zachytit filtrací přes aktivní uhlí.

Organickými látkami se živí heterotrofní archea, bakterie a houby. V kontrastu k tomu existují autotrofní organismy, to jest takové, které získávají uhlík z minerálních látek, většinou z oxidu uhličitého (CO₂). Nejznámější jsou fotoautotrofové, kteří vytvářejí organické látky z oxidu uhličitého a jako zdroje energie využívají světlo. To jsou vyšší rostliny, řasy a některé bakterie (sinice). Kromě toho se setkáváme s chemoautotrofními organismy; ty také přijímají uhlík v minerální podobě, kdežto energii získávají z různých chemických reakcí. Patří mezi ně např. nitrifikační archea a bakterie.

Je užitečné vědět, že uvedené třídění není v reále moc absolutní, zejména pokud za výživu pokládáme i jiné látky kromě uhlíku. Tak například řasy, v podstatě autotrofní, ve významné míře přijímají i organické látky. Dokáží to i vyšší rostliny, byť zřejmě spíše z nouze a v rozsahu, který se nezdá významný (ještě to není dobře prozkoumané). A naopak heterotrofové přijímají i minerální látky. Nejen my lidé například sodík běžně získáváme z chloridu sodného. Existují ale i organismy vysloveně smíšeného typu, které označujeme jako mixotrofní (masožravé rostliny, různí mikrobi).

Napadlo vás někdy, jak si taková heterotrofní bakterie ukousne sousto detritu, když nemá žádné zuby? Neukousne. Přijímání a trávení potravy je vždy v podstatě řetězec řízených chemických reakcí. My na tu chemii máme trávicí trakt, mikrobi její úvodní fázi provozují mimo své tělo. Vylučují do své bezprostřední blízkosti různé látky, typicky enzymy, které organické látky chemicky transformují ze složitějších (vysokomolekulárních), které jsou vesměs nerozpustné, na jednoduché, které mikrob již dokáže využít přímo ve své buňce.

Uvedené se nevztahuje pouze na heterotrofní výživu. Uvolňováním mimobuněčných (extracelulárních) látek dokáží mikrobi ve svém nejbližším okolí podstatně změnit chemické poměry a například rozpouštět minerální látky, které bychom jinak mohli pokládat za bezpečně nerozpustné. Proto žádný prvek nezůstane „nedostupný“ na dlouho. Mají-li o něj živé organismy zájem, vždy si k němu cestu najdou.

Takový mikrob ovšem nemá žádné ručičky, a s námahou vyrobený enzym by mu neměl „uplavat“ daleko. To zčásti vysvětluje, proč mikrobi žijí převážně přisedle a nestojí o proudění vody ve svém blízkém okolí. Mnozí za tím účelem vytvářejí kolonie a na svou ochranu vylučují vrstvu nerozpustných polysacharidů; vytvářejí biofilm. Uvnitř biofilmu se všechny rozpuštěné látky šíří jen difúzí a eventuální proudění vody okolo má pro ně pouze druhořadý význam.

Kolonie mikrobů jsou zřídka jednodruhové. Zpravidla se shromažďuje více druhů a pozoruhodně účelně sdílejí produkty svých metabolismů. Tak například mikrobi oxidující amonium vyrábějí dusitany, které jsou pro ně jedovaté. Je tedy výhodné, když společně s nimi žijí mikrobi oxidující dusitany na dusičnany. Vzájemně se doplňují, a jen tak může kompletně fungovat nitrifikace. Reálné kolonie běžně bývají ještě daleko rozvinutější. Odkalování a podobné zásahy takové komplexy ovšem ničí a trvá nějaký čas, než se obnoví. Typicky několik dnů až týdnů.

Shrňme si, co jsme si dosud vysvětlili:

1. Organické látky v akváriu samozřejmě máme, máme jich hodně, a to nejen takové, které vidíme válet na dně, nýbrž i spoustu látek rozptýlených a rozpuštěných ve vodním sloupci i ve dně (vhodnějším termínem je sediment, ale v akvaristice se moc nepoužívá).
2. Při našich filtračních prostředcích a převládajících návycích organické látky z akvária filtrací neodstraňujeme. Jejich množství regulujeme pouze výměnami vody a odkalováním.
3. Organické látky slouží za potravu heterotrofním houbám, archeím a bakteriím (a přiživí se i řasy). Tyto v součtu převážně přeměňují složitější organické látky na jednodušší (dekompozice), což bývá završeno přeměnou na látky anorganické (mineralizace).
4. Houby a heterotrofní mikrobi se shromažďují převážně v přisedlých koloniích na/ve dně, protože (a) jejich metabolickým metodám nevyhovuje nechráněné prostředí volně proudící vody, (b) jejich potrava se na/ve dně shromažďuje sedimentací a (c) nahromadění mikrobů zvyšuje koncentrační gradient látek, které produkují a konzumují, čímž se urychluje a „získává řád“ jejich difúze. (Vrátíme-li se k příkladu kolonie nitrifikačních mikrobů, tak jejich hromadná spotřeba amonia a kyslíku zrychluje difúzi amonia a kyslíku z okolí k nim a jejich hromadná produkce dusičnanů zrychluje difúzi dusičnanů od nich do okolního prostředí.)

Mikrobi => respirace

Nyní si odpovězme na další otázku, která není zdaleka tak triviální, jak vypadá: Co ti mikrobi dýchají? A potřebují vůbec dýchat?

Potřebují. Všechny organismy (i rostliny!) potřebují dýchat, odborněji respirovat. Vysvětleme si to, protože je to pro nás důležité.

Zní to zvláštně, ale skutečností je, že všechno živé funguje na elektřinu. Na elektrický proud. Elektrický proud, to je proud elektronů. Takový elektron je potřeba někde vzít, nechat ho něčím proběhnout a vykonat nějakou práci (dodat energii pro uskutečnění nějaké chemické reakce), a nakonec se ho nějak zbavit. Ponechat si ho nemůžeme, protože to by nevznikl proud.

To je respirace. Odborněji to lze vyjádřit např. takto: Všechny organismy získávají energii transferem elektronů od jejich dárce (donoru) k jejich příjemci (akceptoru). U člověka a dalších aerobních heterotrofních organismů jsou zdrojem elektronů organické látky odvozené z potravy a terminálním elektronovým akceptorem (TEA) kyslík. Říkáme, že respirujeme kyslík.

Mnozí mikrobi jako TEA dokáží využít i něco jiného než kyslík, a pak provozují anaerobní respiraci. Přitom platí dvě pravidla:

1. Některé organismy jsou striktně vázány na využití jediného TEA. Například ryby nemohou dýchat nic jiného než kyslík, a jsou tedy striktními (obligátními) aeroby. Mnozí mikrobi však takto omezení nejsou a mohou jako TEA využívat dva nebo více prvků. Tehdy hovoříme například o fakultativních anaerobech, tedy organismech, které respirují kyslík, je-li přítomen, ale mohou respirovat i něco jiného, když kyslík dojde. Jsou ovšem i specialisté, kteří respirují např. síranovou síru a nic jiného.
2. Energetická bilance všech redoxních reakcí, tedy i respirace, je fyzikálně-chemickou konstantou. Respirující organismy na tom nemohou nic změnit. Proto je možné potenciální TEA seřadit od nejvíce po nejméně energeticky výhodné. Z těch, které jsou v přírodě běžně dostupné, stojí kyslík (O₂) na prvním místě a za ním následují postupně další. Vžil se pojem redoxní kaskáda.

Redoxní kaskáda

Redoxní kaskáda není pouze nějakou teoretickou konstrukcí, nýbrž velmi reálně určuje charakter biochemických dějů v jednotlivých vrstvách sedimentu. Organické látky pronikají z vodního sloupce do hloubky sedimentu a kamkoli proniknou, tam za nimi putují heterotrofní mikrobi, pro které jsou zdrojem uhlíku (v zásadě „potravou“). Všichni ti mikrobi ovšem potřebují nejen „jíst“, ale také respirovat. Jak jsme konstatovali, nejvýhodnějším TEA je kyslík, jenže toho je s narůstající hloubkou v sedimentu stále méně. Ve větších hloubkách proto dochází na anaerobní respiraci dalších TEA, a to vždy ve stejném pořadí – v redoxní kaskádě.

1. Prvním stupněm redoxní kaskády je oxická zóna – nejvyšší vrstva zásobená kyslíkem z vodního sloupce. Zde mikrobi spotřebují mnoho kyslíku a vzniká mnoho oxidu uhličitého, protože respirují tak, že přijímají kyslík (O₂) a vydávají oxid uhličitý (CO₂). Ve větší hloubce už rozpuštěný kyslík není, protože jej mikrobi všechen spotřebují.
2. Pod oxickou zónou následuje anaerobní suboxická zóna. V ní už není žádný kyslík (nebo jen velmi málo) a mikrobi musejí využívat k respiraci jiné TEA. Pro tuto zónu je typický vysoký podíl fakultativně anaerobních mikrobů. Jako TEA jsou využívány v příslušném pořadí:
   1. Dusík. Ne ovšem ledajaký dusík, nýbrž dusičnanový, tedy dusík v oxidačním stavu +5 (N⁵⁺). V této zóně dochází k denitrifikaci na plynný dusík (NO₃^– => NO₂^– => NO => N₂O => N₂, oxidační číslo se mění v pořadí +5 => +3 => +2 => +1 => 0), anebo k redukci na amonný dusík (NH₃, oxidační číslo -3). Plynný dusík je nereaktivní a unikne bez dalšího užitku, zatímco amonný dusík čeká spotřeba rostlinami nebo nitrifikačními mikroby (v oxické zóně).
   2. Mangan v oxidačním stavu Mn⁴⁺ je redukován na Mn²⁺. Manganu je v sedimentech zpravidla relativně málo, ale je významný vzhledem ke své jedinečné roli v některých dalších redoxních procesech.
   3. Železo je redukováno fakultativními anaeroby z Fe³⁺ na Fe²⁺. Toto je velmi důležitý proces. Sloučeniny trojmocného železa jsou totiž většinou špatně rozpustné a současně velmi dobře na svém povrchu adsorbují fosforečnany a sloučeniny dalších přechodných kovů. Při redukci na rozpustné Fe²⁺ tyto vazby zanikají a fosforečnany a kovové mikroprvky se uvolňují. Akvaristé to ve zjednodušené a poněkud zkomolené podobě znají jako zpřístupňování železa a dalších prvků pro rostliny.
3. Třetí a poslední zónou je zóna anoxická. Tam žijí obligátně anaerobní archea a bakterie, které se s volným kyslíkem nikdy nesetkají a mohl by je dokonce zabít (oxidovat jejich enzymy).
   1. Síra v oxidačním stavu +6 (síranová, SO₄^2-) je redukována na síru sulfidickou (S^2-). Zde vzniká obávaný jedovatý sulfan (sirovodík, H₂S), ale také sulfidy přechodných kovů, nejčastěji železa (černý nános na spodní straně kamenů, černající bahno, písek apod.).
   2. Konečným a posledním stádiem je methanogeneze, kde je jako TEA využíván čtyřmocný (+4) uhlík přítomný v samotné organické hmotě nebo v CO₂ a uvolňovaný jako methan (CH₄, uhlík má oxidační číslo -4). Tento proces provozují výlučně archea.

Jak jsou redoxní vrstvy silné?

Nejprve poznamenejme, že pohyb rozpuštěných látek v sedimentu se děje především difúzí, kdežto proudění je nepatrné. Tam kde voda proudí, nemůžeme hovořit o sedimentu. To se týká např. kanystrových filtrů, kde proudění jasně převládá a snížený obsah kyslíku je pravděpodobný pouze v pórech biofiltračních médií (což mimochodem vyvolává otázku, kteří mikrobi ty póry vlastně osídlují).

1. Čím více je přítomných organických látek, tím více heterotrofních mikrobů a tím větší mají respirační spotřebu příslušného TEA. Redoxní vrstva bude tedy tenčí.
2. Naopak čím vyšší je koncentrace daného TEA, a nebo – to je důležité – čím rychleji daný TEA na místo difunduje díky vyššímu koncentračnímu gradientu, čili: čím vyšší je koncentrace daného TEA v dosažitelném okolí, tím bude daná redoxní vrstva mocnější.

V případě oxické vrstvy tedy k její mocnosti pozitivně přispívá nižší produkce organických látek a lepší okysličení vody ve vodním sloupci. (Pozor v létě: s vyšší teplotou klesá rozpustnost kyslíku ve vodě – 9,08 mg/l při 20 °C versus 7,57 mg/l při 30 °C – a současně dramaticky vzrůstá aktivita a respirace většiny mikrobů.)

Hledal jsem usilovně v literatuře údaj, zda v některém typu sedimentů sahá oxická zóna hlouběji než několik málo milimetrů. Nakonec jsem ho našel: stává se to někdy na dnech moří. Tam je sice i ve vodním sloupci koncentrace kyslíku nízká, ale ještě méně je organických látek, takže kyslík difunduje nespotřebován do hloubky centimetrů, ojediněle až decimetrů.

Všude jinde, tedy tam, kde to žije (a umírá), kyslík proniká pouze do hloubky několika milimetrů. Vědci se rovněž shodují, že v součtu probíhá dekompozice organické hmoty v sedimentech převážně anaerobně. (V terestrických podmínkách je to poněkud jiné ne proto, že by v půdě vzduch proudil, nýbrž proto, že v plynech je difúze řádově rychlejší. Kyslík pronikne vzdušnými póry do půdy hlouběji, ale i tak brzy převládne oxid uhličitý. Proto se i velmi porézní kompost musí přehazovat.)

Dusičnany nedifundují sedimentem o nic snadněji nebo rychleji než kyslík, ale proniknou hlouběji, protože v oxické zóně je mikrobi pro respiraci moc nevyužívají (naopak je právě tam produkují oxidací amonia/ku/, tedy nitrifikací). Teprve v hloubce asi 5 mm začíná kyslík docházet a tam převážně fakultativně anaerobní mikrobi zahajují respiraci dusičnanů čili denitrifikaci. Dělá to spousta různých mikrobů, a není to tedy doména několika specializovaných druhů, jako je tomu v případě nitrifikace.

Tam, kde je koncentrace dusičnanů vysoká (> 10 mg/l), mocnost denitrifikační vrstvy může být přiměřeně větší než vrstvy oxické. (Je potřeba vzít v úvahu, že s hloubkou sedimentu koncentrace organických látek klesá, protože významná jejich část je spotřebována ve vyšších vrstvách.)

Následuje zpravidla tenká vrstva redukce manganu a po ní vrstva železná. Ta bývá silná (běžně decimetry a více) např. v chudých červených tropických půdách a sedimentech, tedy v domovině mnoha našich ryb. Ale i v našich půdách, rybnících a řekách bývá železa docela dost, podstatně víc než v akvarijních substrátech z čistého křemičitého písku.

Následující vrstva sulfátové respirace bývá mohutná (decimetry až metry), zejména v našich zeměpisných šířkách, protože síranů bývá ve vodách spousta (mnohem víc než kyslíku a dusičnanového dusíku). Proto skoro každé šlápnutí do močálu znamená uvolnění smrdutého sulfanu (a bahno na botě je černé od sulfidů).

Nemusí tomu tak být vždy. V rašeliništích a v mnoha tropických oblastech je síranů ve vodě málo a pásmo methanogeneze může začínat již těsně pod povrchem sedimentu (záleží na množství železa).

Jak do redoxního systému vstupují kořenující rostliny?

Významně a veskrze pozitivně.

Vodní a bahenní rostliny vylučují z kořenů kyslík do svého nejbližšího okolí a vytvářejí oxické mikrozóny. Ty sahají jen do vzdálenosti cca 1 mm (nejvýše 4 mm) od kořenů. Kromě toho ale vylučují z různých důvodů i další látky, převážně organické, a tím povzbuzují množení mikrobů. (Včetně hub – i u vodních rostlin se vyskytuje mykorhiza.)

Jeden významný rys je pro tyto zóny specifický – redoxní kaskáda je na jejich hranicích zhuštěná na minimum. To je pro mikrobiální život výhodné, protože v nepatrném prostoru dochází k výměně produktů různých redoxních prostředí. Tak například v těsné blízkosti probíhají nitrifikace i denitrifikace, anebo redukce a oxidace železa a síry. Koncentrace mikrobů v okolí kořenů rostlin je proto mimořádně vysoká.

Rostliny to nedělají zbůhdarma. Zhuštění redoxní kaskády je výhodné i pro ně, protože kořeny dosáhnou na produkty jak oxidačních, tak redukčních procesů. Vylučováním různých chemikálií dokáží citlivě reagovat na své aktuální potřeby, takže například dávkou kyseliny šťavelové si pomohou k redukovanému (rozpustnému) železu, ale současně kyslíkem stimulují mikrobiální oxidaci sulfanu a organických toxinů.

Taková aktivita v kořenech pochopitelně odčerpává významnou část kyslíku a produktů fotosyntézy, které má rostlina k dispozici. To je normální. Pokud se však redoxní rovnováha v okolí kořenů naruší, rostliny jsou nuceny svou aktivitu v kořenech vystupňovat a stojí je to příliš mnoho sil. Strádají. Podstatné je ale rozumět, že vodním rostlinám nijak neprospějeme, pokud nějakým způsobem (např. použitím půdního filtru) rozšíříme oxickou zónu až do okolí jejich kořenů. Rostliny jsou velmi důmyslně zařízené na přirozené redoxní poměry v sedimentech a nic lepšího pro ně nevymyslíme.

Jak vypadá katastrofa

Produkty anaerobní respirace jsou ve vodě rozpustné a šíří se difúzí z místa svého vzniku všemi směry. Tedy i vzhůru. A zde je vhodné podotknout, že při anaerobní dekompozici organické hmoty vznikají nejen nevítané minerální látky (dusitany, amoniak, sulfan aj.), ale i řada organických toxických meziproduktů dekompozice. Některé se samovolně přemění na neškodné látky ještě v suboxické zóně, o další se postarají různí mikrobi, ale jedinou spolehlivou a konečnou bariérou je oxická zóna těsně pod povrchem sedimentu.

Systém s rozvinutou redoxní kaskádou může ve stabilních podmínkách fungovat donekonečna. Všechny redukované látky jsou zpětně oxidovány, bioticky nebo abioticky (činností mikrobů nebo bez ní), jakmile dosáhnou příslušné vyšší redoxní vrstvy. Tak například na sulfan číhají ve vyšších vrstvách bakterie, které jej oxidují zpět na sírany, a sulfan tedy do vodního sloupce (a ke kořenům zdravých rostlin) nepronikne. I dvojmocné železo mohou oxidovat bakterie, ale pokud to neudělají, železo ve styku s kyslíkem zoxiduje i bez nich.

Problém nastane, když něco vychýlí rovnováhu redoxního systému. V přírodních vodách se to stává nejčastěji při jejich eutrofizaci, tj. když dojde k nadměrnému přísunu živin (organických látek, dusíku, fosforu). Většinou se o to postará člověk. V akváriu má stejný efekt přerybnění a/nebo překrmování.

Jak to probíhá? Valí se to jako sněhová koule:

1. Ve vodním sloupci žije a odumírá více řas, bakterií, protistů (např. nálevníků) a vůbec všeho živého. Obsah organických látek ve vodním sloupci a jejich přísun do sedimentu se zvýší, ale kyslíku je stejně nebo méně (častější případ).
2. Oxická zóna na povrchu sedimentu se ztenčí, protože spotřeba kyslíku vzroste. Vzroste relativní význam anaerobní dekompozice.
3. Reoxidace dvojmocného manganu, dvojmocného železa a sulfanu se posune blíže k povrchu sedimentu a ke kořenům rostlin. Rostliny musejí zvýšit svoji oxidační aktivitu v kořenech, zatímco ve vodním sloupci se zpravidla zhoršují podmínky pro fotosyntézu – více řas a méně světla, více rozptýlených a rozpuštěných organických látek, více mikrobů-epifytů i mikrobů-parazitů.
4. Nitrifikace se oslabí (z důvodu nižší dostupnosti kyslíku), následně tedy i denitrifikace. Vzrůstající množství amonia(ku) opouští sediment.
5. Jak ubývá trojmocného železa, látky, které zadržuje adsorpcí, se uvolňují. Tedy fosforečnany a přechodné kovy, mezi nimiž jsou i kovy toxické (vždy Zn, Cu, někdy i horší). Uvolnění fosforečnanů dále prohlubuje eutrofizaci.
6. Když se zásoba železa vyčerpá, sulfan proniká až do oxické zóny. Bakterie oxidující sulfidickou síru ho zoxidují, jenže tím narůstá poptávka po již tak nedostatkovém kyslíku. Přitom produkce sulfanu stále vzrůstá, protože dusičnany a trojmocné železo jsou vyčerpány, a mikrobi tedy respirují ve zvýšené míře sírany.
7. Sulfan proniká do vodního sloupce. Nedojde k tomu náhle, nemusíme cítit zápach (resp. zaznamenat náhlou změnu zápachu) a nemusíme vidět žádné bubliny. Sulfan je ve vodě výborně rozpustný, neviditelný. Uvolňují se i organické toxické látky. Katastrofa je zřejmá, nenapravitelná a akvárium je nutno zrušit.