Literatura: Bezprostředním impulsem k napsání tohoto článku pro mě byla tato práce: Xigang Xing, Shiming Ding, Ling Liu, Musong Chen, Wenming Yan, Liping Zhao, Chaosheng Zhang: Direct evidence for the enhanced acquisition of phosphorus in the rhizosphere of aquatic plants: A case study on Vallisneria natans [2017]. Dalším výborným pramenem k tématu je kniha David C. Sigee: Freshwater Microbiology [2005]. Nepostradatelnou učebnicí o všem co se týká vody je Pavel Pitter: Hydrochemie [2009]. A samozřejmě nemohu vynechat bibli všech hnojičů Petra Marschner et al.: Marschner’s Mineral Nutrition of Higher Plants. Third Edition [2012]. Podtrhuji, že jsem nečerpal ze žádné akvaristické literatury.
1. Pokud naměříte nulový obsah fosforu nebo železa ve vodě, vůbec to ještě neznamená, že jich máte v akváriu málo.
2. Pokud fosfor nebo železo pozitivně naměříte, máte jich zřejmě v akváriu nadbytek. Druhou možností je, že voda není příliš dobře prokysličená. Z obojího mají prospěch řasy.
3. Máte-li molitan ve filtru potažený něčím hnědým, co se špatně umývá, je to dost možná železo s dalšími mikroprvky a fosforem. A protože je ve filtru hodně kyslíku, zůstanou tam bez užitku vázané navždy.
4. Chelatované mikroprvky určitě prospívají sinicím, řasám a obchodníkům s akvarijními hnojivy. Pokud jde o akvarijní rostliny, nebyl bych si tak jistý.
Různé živiny se ve vodním prostředí chovají různě, některé jasně a čitelně - měřitelně, a jiné vyloženě záludně. Příkladem takové ukázněné živiny je draslík. Kolik ho dáme, tolik ho ve vodě zůstane; netvoří žádné sraženiny, nikam se neschovává. Dokonce i pokud máme substrát s velkou kationtovou výměnnou kapacitou, což jsou různé ty substráty z granulovaných sušených jílů, můžeme se celkem spolehnout, že draslíku si ze všech kationtů bude všímat nejméně. I v přírodě na nejrůznějších sedimentech platí, že většina draslíku pěkně volně plave ve vodě, a ponořené rostliny jej proto přijímají převážně listy. Nemáme žádný důvod se domnívat, že v akváriu by tomu mělo být jinak. S draslíkem zkrátka nejsou problémy.
Železo a fosfor stojí na opačné straně žebříčku. Ať je dodáme do akvária v jakékoli podobě, nikdy v ní dlouho nezůstanou a vstoupí do řetězce nejrůznějších (bio)chemických a fyzikálních přeměn. Bylo by vyloženým sadismem zde líčit, jaké všelijaké sloučeniny takový fosfor ve vodě vytváří a jaké mají vlastnosti. Bylo by to i zbytečné, protože těch látek je velmi mnoho a jejich zastoupení se neustále mění. Můžeme a musíme se tedy omezit na popis všeobecně platných tendencí, jak se fosfor - a také železo - ve vodě chovají.
Rozhodně nám ale bude k užitku, pokud si úvodem osvětlíme/připomeneme několik klíčových pojmů, totiž: rozpustnost, difuze a adsorpce.
Rozpustnost zná každý - cukr se v kávě rozpustí, lžička se nerozpustí (pokud tedy soudruzi z NDR neudělají někde chybu). Takto nerozpustné jsou i některé sloučeniny, které pro nás mají význam, například oxid železitý (Fe2O3) nebo fosforečnan železitý (FePO4). Ve skutečnosti je to ale tak, že alespoň malinko, malilinko, je rozpustné vlastně všechno. Je to jen otázka času. A podmínek - například teploty, pH, redoxu, přítomnosti katalyzátoru.
Vodní sediment je prostředí, kde se rozpustí a zase vysráží kde co. Ze všeho nejvíce za to mohou mikroorganismy. Ty neustále provozují nějakou chemii, velmi pokročilou, a tak v prostoru třeba menším než špendlíková hlavička dokáží vytvořit podmínky, ke kterým by chemik potřeboval dobře vybavenou laboratoř. V takových situacích normální pravidla rozpustnosti zdaleka neplatí; ostatně ty organismy to často dělají právě s tímto záměrem.
Difuze je proces samovolného rozptylování částic v prostoru. Částice se pohybují z oblasti s vyšší hustotou do prostoru, kde je jich méně. My akvaristé známe pojem difuze především v souvislosti s oxidem uhličitým (CO2): i když je ho ve vodě ve srovnání se vzduchem zpravidla dost a dost, rostliny zápolí s jeho nedostatkem, protože ve vodě difunduje asi tisíckrát pomaleji než ve vzduchu. Znamená to, že když rostlina odčerpá molekulu CO2 z vody, nejbližší další molekule to trvá tisíckrát déle, než se protlačí (doslova) na její místo. To je nevýhoda vody. Naopak výhodou je, že se v ní rozpouštějí - a difundují - mnohé a mnohé látky, které bychom ve vzduchu hledali marně.
Rozpouštění a difuze mají jednu důležitou souvislost. Každá látka se ve vodě rozpouští jen do určité míry, do bodu nasycení. Pak vznikne nasycený roztok a více látky už se nerozpustí. Pokud by rozpuštěné molekuly nedifundovaly, tedy nevzdalovaly se např. od zdrojového krystalku cukru, onen krystal by se brzy ocitl v prostředí nasyceného roztoku a rozpouštění by se nejprve zpomalilo, a nakonec úplně zastavilo. Naopak pokud je opodál místo, které rozpuštěné molekuly přitahuje, může se významně urychlit i rozpouštění jinak jen špatně rozpustné látky.
Difuze je univerzální vlastnost všech látek, a pokud někdy pozorujeme jinou tendenci, není to proto, že by zákon difuze neplatil, nýbrž proto, že se v chování látek uplatňují i jiné síly a principy, které mohou být v některých případech silnější.
Jednou z takových situací je adsorpce. Je to jev hospodářsky a biologicky velmi významný. My se ale nemusíme zabývat principy, příčinami a mechanismy tohoto jevu, nám postačí vzít na vědomí, že někdy mají částice (atomy, molekuly, aj.) tendenci se hromadit na nějakém povrchu. Funguje to docela jako magnet; taková rozpuštěná molekula si pěkně plave vodou, když v tom se přiblíží k něčemu, k čemu je neodolatelně přitahována. Přilepí se k té věci (ta věc se jmenuje adsorbent) i v situaci, kdy už je tam spousta dalších molekul stejného druhu. Pravidlo difuze je překonáno, ba co víc! Další molekula plave opodál, a podle zákona difuze hledá prostor, kde žádné její příbuzné nejsou. A ejhle, támhle je volné místo, zrovna tam, kde před chvílí jedna molekula byla, a najednou tam není. Plave tedy tam, a padá do stejné pasti, stejně jako další a další molekuly po ní, dokud není sorpční kapacita adsorbentu vyčerpána.
Adsorpcí je tedy možno doslova polapit spoustu látek, které se ve vodě třeba i velmi dobře rozpouštějí, a skoro úplně je z vody odstranit. My akvaristé známe nejméně dvě situace, kdy s adsorpcí záměrně pracujeme. Jednou z nich je filtrace přes aktivní uhlí. To je velmi účinný adsorbent především organických látek. Druhým obecně známým příkladem je číření (neboli vločkování, flokulace). Čiřidlo (vločkovač, flokulant) je látka, která se nasype nebo naleje do kapaliny a vzápětí se v ní přemění na malilinkaté částečky něčeho, co má silné adsorpční schopnosti vzhledem k něčemu, co chceme z vody odstranit. Na ty částečky-vločky se nabalují adsorbáty, vločky se tak zvětšují, klesají ke dnu, a je možno je filtrací nebo sedimentací oddělit od zbytku kapaliny. Adsorbáty mohou být i třeba volné bílkoviny, jednobuněčné řasy nebo bakterie, takže vločkováním lze bojovat i proti zákalům - vína, piva, bazénové nebo akvarijní vody.
Jedním takovým v technologii vody často používaným flokulantem je chlorid železitý (FeCl3). Ten ve vodě nepříliš kyselé vytvoří vločky hydroxidu železitého Fe(OH)3 (přesněji FeO(OH)∙H2O), a to je výborný adsorbent mnoha různých látek. Kromě jiného fosforečnanů.
A tím se dostáváme k věci.
Organismy (nejen rostliny) přijímají fosfor ve formě aniontů kyseliny (ortho-)fosforečné (fosforečnanů, též fosfátů, PO43-). Ty mají nešťastnou tendenci vytvářet nerozpustné soli s většinou kovů, nejčastěji vápníkem, hořčíkem, hliníkem, železem a manganem. Pouze sodík a draslík jsou výjimkou, a proto dihydrogenfosforečnan draselný (KH2PO4) používáme jako fosforečnanové hnojivo.
Ještě větší ztráty fosforu však nastávají adsorpcí - vločkováním. Fosforečnany se adsorbují zejména na částečkách oxidu manganičitého (MnO2), hydroxidu železitého (Fe(OH)3) a na částečkách mrtvé organické hmoty. Takto klesají ke dnu a stávají se součástí detritu v sedimentech. Přitom ke všemu neštěstí ještě fungují jako adsorbent pro další přechodné kovy, včetně mikroživin zinku, niklu a mědi.
Všechno to padá ke dnu a ve volné vodě mnoho nezbude. Po zbytcích fosforu ve vodním sloupci je ovšem silná poptávka, a v soutěži o něj vítězí bakterie, včetně cyanobakterií čili sinic, před jednobuněčnými řasami, následují mnohobuněčné (vláknité) řasy a poslední jsou vyšší rostliny. Toto pořadí je ověřené a dobře teoreticky odůvodněné. Roli hrají zejména dva faktory. Prvním je velikost - čím menší organismus, tím lepší poměr vnější plochy k celkové živé hmotě a tedy tím lepší šance skrze tuto plochu přijmout dostatek živin. Druhým faktorem je "chemie", tedy vylučování extracelulárních (vně-buněčných, mimobuněčných) chemikálií (typicky enzymů), kterými si organismy živiny zpřístupňují. Malé organismy to dělají na celém povrchu, kdežto vyšší rostliny přijímají živiny listy pouze pasivně; na "triky" mají kořeny. K tomu připočtěme, že je zjištěno, že zejména sinice dokáží přijímat velké množství fosforu do zásoby na horší časy.
Vše dosud popsané se děje v aerobním prostředí, to je okolnost zásadní důležitosti. V anaerobním prostředí totiž události naberou nový směr. Dvě konkrétní události přitom mají klíčový význam:
1. Při nedostatku kyslíku bakterie začnou redukovat čtyřmocný mangan a trojmocné železo na dvojmocný mangan a dvojmocné železo. Takový mangan a takové železo jsou mnohem lépe rozpustné a ovšem ztrácejí vlastnosti, které měly předtím - totiž schopnost vázat fosforečnany v nerozpustných sloučeninách a adsorbovat fosforečnany na svých oxidech a hydroxidech.
2. Adsorpční síly, které poutají fosforečnany k organické hmotě, jsou v anaerobním prostředí asi tisíckrát slabší.
Fosforečnany se tedy uvolní a s nimi i adsorbované mikroprvky. To ovšem jen do chvíle, kdy znovu vstoupí do aerobního prostředí, protože tam se mangan a železo rychle oxidují do původního stavu a adsorpční mechanismy se obnoví.
V přírodních vodách mírného pásma nastávají někdy situace (tzv. letní a zimní stagnace a stratifikace), kdy i ve volné vodě ve větších hloubkách nastávají anaerobní podmínky. Při jarní a podzimní cirkulaci se to všechno promíchá a voda je na čas plná všech živin i kyslíku. Pro mělké tropické vody - tedy ty, které nás jako akvaristy nejvíce zajímají - je ale typická jiná situace, kdy ve volné vodě a horní vrstvě sedimentu trvale panují podmínky aerobní. Vícero badatelů měřilo obsah kyslíku (a redox) v sedimentech, a panuje celkem shoda, že aerobní podmínky převládají do hloubky 4 až 10 milimetrů. Na této hranici se pak setkávají produkty aerobního a anaerobního prostředí a děje se tam mnoho věcí zásadního významu pro život ve vodách. A zdaleka nejde jen o koloběh fosforu, kterým se zde zabýváme.
Jak jsem popsal výše, v soutěži o fosfor (a některé další živiny) ve vodním sloupci tahají rostliny za kratší konec. Mají ale oproti řasám strategickou výhodu v kořenech, kterými dosáhnou hluboko do sedimentů, až tam, kde panují anaerobní podmínky. Nastává ovšem paradoxní problém. Rostliny totiž aktivně vylučují z kořenů kyslík, a tím svoji rhizosféru okysličují. Nemohou jinak, protože mnohé produkty anaerobních podmínek jsou pro ně toxické. Jak se tedy dostanou k produktům anaerobních procesů?
To je otázka, k jejímuž zodpovězení vzniklo několik hypotéz. Čínští soudruzi se rozhodli některé z nich experimentálně ověřit. Vybrali si nám dobře známou Vallisneria natans a použili měřící techniku, umožňující získávat přesná data z každičkého milimetru sedimentu.
Sazenice s kořeny zkrácenými asi na 1 centimetr potřebovaly zhruba 15 dní k vytvoření a zprovoznění kořenového systému tak, že v jeho okolí vznikly až do hloubky nejméně 40 mm podmínky se stejným (cca +360 mV), nebo dokonce vyšším (až +500 mV) redoxem, než jaký byl ve vodě nad substrátem. Tedy jasně aerobní podmínky.
Jak anaerobním sedimentem difundují kationty dvojmocného železa (Fe2+), tak se ve rhizosféře oxidují na trojmocné (Fe3+) a adsorbují se na povrchu kořenů ve formě železitých oxidů a hydroxidů (Fe2O3∙0.5H2O, FeO(OH)∙H2O). Tahle vrstvička, říká se jí železitý plak, je nám dobře známý hnědý povlak na jinak bílých kořenech rostlin, nejen vodních. Ten má velkou adsorpční plochu a současně velkou afinitu pro fosforečnany. Jak tedy fosforečnanové anionty difundují sedimentem, lapají se do železité adsorpční pasti na povrchu kořenů.
Potud jde vlastně jen o opakování aerobních procesů, které jsme popsali výše. Rostlina sice oxidací a adsorpcí na kořenech nahromadila blízký a bohatý zdroj fosforu a železa, jenže v nerozpustné, tedy nedostupné formě. V tuto chvíli vstupuje do hry "chemie", kterou v listech rostlina provozovat neumí, v kořenech však ano. Valisnérie vylučuje z kořenů směs jednoduchých organických kyselin, ve složení šťavelová 87%, citrónová 7%, jablečná 5%, mravenčí 0.7% a askorbová 0.3%. Tyto kyseliny dokáží rozpustit a transformovat železo a fosfor do podoby, ve které je pak rostlina svými kořeny může bez potíží přijmout.
Detailní měření přitom ukázala, že vylučování oněch kyselin se neděje permanentně a po celé délce kořenů, nýbrž jen místně a nárazově. Rostlina tak zřejmě pohotově reaguje na aktuální potřebu fosforu nebo železa, a pohodlně sahá do svých bohatých zásob (které navíc neutečou a neotráví ji, protože jsou nerozpustné). Experimentálně bylo rovněž ověřeno, že pokud sediment obsahuje vyloženě bohaté zásoby fosforu, takže ani v oxidované rhizosféře se všechen neztratí, rostlina si klidně námahu s vylučováním kyselin ušetří.
Ze všeho nejvíce mě ale ohromilo experimentální zjištění, že "koktejl" pěti kyselin, které rostlina vylučovala z kořenů, rozpouští fosfor a železo lépe, než kterákoli z nich samostatně. Dělá to na mě dojem, že valisnérie setsakramentsky dobře ví co dělá, a asi bychom ji v tom neměli moc rušit.
Několik docela zajímavých věcí. Ovšem pokud zůstaneme opatrní v závěrech. Mně se na tom čínském článku líbilo hlavně to, že uceleně dokumentuje jeden z mnoha procesů, které v akváriu, hlavně v jeho dně, probíhají. Je to pěkný příklad, mějme ale na paměti, že celý ten systém se zdaleka netočí jen kolem fosforu, železa a Vallisneria natans. Na druhou stranu, v pramenech shora jmenovaných i jinde se lze dočíst o fungování mnoha podobných věcí, a pak znenáhla vidíme, že některé principy platí přece jen obecněji.
Tak předně zaznamenejme, že tolikrát diskutované nedostupné železo zřejmě není až takovým problémem. Viděli jsme, že valisnérie má perfektní mechanismus, jak k sobě železo přilákat a potom strávit. Nic nenaznačuje, že je to nějaká její specialita. Vodní rostliny rostly ve vodě rozhodně dřív, než byly objeveny umělé chelatanty (EDTA a další). Řada z nich prospívá i ve vodách tvrdých, alkalických a zásaditých, tedy v prostředí, kde je získávání železa obzvláště obtížné.
Zde mohu přičinit i vlastní zkušenost. Moje akvária mají dno z křemičitého písku bez příměsí, veškerá voda v nich prošla reverzní osmózou, a umělé chelatanty nikdy neviděla. Železo dokonce přidávám ve formě chloridu železitého, což je vločkovací látka. Zřejmě v akváriu rychle zoxiduje a zapadne do dna. Stejně tak i ostatní kovové mikroprvky podávám výhradně ve formě jednoduchých solí (síranů a chloridů). Přesto nemám s nedostatkem mikroprvků potíže, a mohu dodat, že jich podávám opravdu málo.
Pravda, namísto umělých chelatantů jsem experimentoval s kyselinou citrónovou, chelatantem přírodním. Chtěl jsem tak rostlinám dodat extra CO2. Výsledky nebyly dobré, pomáhalo to spíš jen řasám. Domníval jsem se, že řasy těžily ze schopnosti vydolovat uhlík z kyseliny citrónové přímo, ještě před jejím rozkladem, a tak že tedy většinu přidaného uhlíku rostlinám sebraly před nosem. Nyní si však myslím, že je možné ještě jiné vysvětlení. Kyselina zřejmě chelatovala železo a další kovy ve svrchní, aerobní vrstvě substrátu. Jak jsme viděli, současně s tím se uvolňuje i fosfor. A fosfor ve vodním sloupci jistě řasám prospívá.
Dotkněme se problému řas i trochu obecněji. Konstatovali jsme, že pokud jde o živiny ve vodním sloupci, mají řasy nad rostlinami převahu. Některé živiny budou ve vodě plavat vždy, třeba zmiňovaný draslík, a také sírany a dusičnany. Jinými je však přikrmovat nemusíme. Viděli jsme jak to funguje s fosforem a kovovými mikroprvky. K tomu doplním, že v kontrastu k dusičnanům má docela dobré sklony k adsorpci i amonium.
Stáhnout živiny z vodního sloupce do dna je z hlediska boje proti řasám určitě výhodné, a zřejmě můžeme rostlinám důvěřovat, že si ty živiny ve dně najdou. Beztak převážná většina našich rostlin by nejraději pod vodou jen kořenila a listy měla pěkně nad hladinou.
Nesmíme ale zapomínat na organické látky rozpuštěné a rozptýlené ve vodním sloupci. Ty živiny jednak samy obsahují, jednak k sobě adsorbují živiny další. V kontrastu k vyšším rostlinám, bakterie a řasy jsou na výživu právě z těchto zdrojů adaptované. Proto dlouhodobě zkoumám možnosti velmi jemné mechanické filtrace, a k tomu filtruji přes aktivní uhlí. Pokud si myslíte, že máte vodu čirou a nic vám v ní neplave, jednou si zkuste zafiltrovat přes aktivní uhlí. Podle mé zkušenosti je rozdíl jasně patrný. Ostatně, pročpak asi Amano všude filtroval přes aktivní uhlí?
Vraťme se ještě naposledy k substrátu. Jistě vám neuniklo, že ten chytrý mechanismus získávání fosforu a železa kořeny valisnérie by vůbec nemohl fungovat, pokud by kromě aerobních nebyly v substrátu i anaerobní zóny. Dokud budou mít bakterie dostatek kyslíku, tak mangan a železo redukovat nebudou, a nebudou provozovat ani řadu jiných významných procesů. Je to dokonce tak, že právě rozhraní mezi aerobní a anaerobní zónou je místem s nejčilejším mikrobiálním provozem, místem výměny produktů jedné i druhé zóny. Ani jedny podmínky nejsou kompletní, dokonalé jsou jen ve své jednotě. A to se týká i koloběhu živin vůbec nejdůležitějších, tedy uhlíku a dusíku.
Zřejmě bychom tedy neměli usilovat o dokonale prokysličené dno. Neměli bychom si ani dělat iluze, že ve dně našich akvárií neprobíhají anaerobní procesy. Určitě probíhají, a je to tak správně až dotud, pokud anaerobní zóna zůstane od vodního sloupce oddělená svrchní několikamilimetrovou vrstvičkou okysličeného a mikroby bohatě osídleného substrátu. Ti mikrobi tam doslova číhají na každou molekulu amonia, sulfanu, methanu a dalších zdánlivě zlých látek, které k nim z hloubky proniknou. (Dokonce jsem se dočetl o bakteriích, které putují nahoru a dolů - nahoře "naberou" kyslík a dole s ním okysličují sulfan nebo sulfidy na sírany. To jsou věci!)
V této souvislosti mám tři domněnky:
(1) Neměli bychom se obávat používat písek jemných frakcí. Beztak je to mnohem hrubší substrát, než v jakém rostliny rostou v přírodě. Naopak příliš hrubozrnné substráty asi moc vhodné nejsou, zejména zpočátku, než se mezery zanesou detritem. Uvažme, že půdní bakterie většinou žijí přisedle, v bakteriálních filmech, a že jemný substrát jim poskytuje podstatně větší osídlovací plochu.
(2) Pro půdní mikroorganismy (bakterie a houby) má správné umístění v prostoru naprosto zásadní význam. Na každém milimetru záleží. Domnívám se tedy, že odkalování, zejména hloubkové, bychom měli pokládat jen za východisko z nouze, až když se nám rovnováha v akváriu hroutí.
(3) Jestliže nám anaerobióza v hloubce substrátu nevadí, pak naproti tomu musíme rozhodně podporovat dobré prokysličení svrchní vrstvičky substrátu. A to dobrým pohybem vody díky filtraci, a nezavrhoval bych jako zbytečné ani vzduchování.
Upozornění: Tyto komentáře nejsou určené pro osobní dotazy. Máte-li nějaký dotaz, kontaktujte mě prosím e-mailem.
Maq © 2018-2019