Аммонийный азот
Аммиак (NH3) способен активно взаимодействовать с водой:
NH3 + H2O - (NH4OH) - NH4+ + OH-. В результате в воде он содержится в двух формах:
- ионизированный аммонийный азот (ион аммония, NH4+)
- неионизированный аммонийный азот (собственно аммиак, NH3).
Применяемые в аквариумистике и рыбоводстве тесты не различают ионизированную и
неионизированную формы аммиака и определяют его суммарное, общее количество (NH3+NH4+; NH4+/NH3), которое называют общим аммонийным азотом. Аммоний, ионизированный аммонийный азот, является малотоксичным веществом, тогда как аммиак, неионизированный аммонийный азот, – остро токсичное соединение уже в концентрации 0,02-0,05 мг\л. Зная содержание общего аммонийного азота можно рассчитать концентрацию неионизированного аммония по формуле: NH3 = n\10рК-рН мг\л, где n – содержание общего аммонийного азота в мг\л, определенное с помощью теста; рК (по аналогии с рН) – отрицательный логарифм константы равновесия приведенного выше химического уравнения: рК = -lgК = -lg10-9,3 ? 9,5 = cоnst. Тогда NН3 ? n\109,5-рНмг\л. Например, при содержании общего аммонийного азота 3 мг\л и рН 7,5, содержание токсичного неионизированного аммония NH3 ? 3\109,5-7,5 = 3\102 = 3\100 = 0,03 мг\л будет небезопасным для рыб и потребует хотя бы внеочередной подмены воды. Из уравнения видна прямая зависимость от величины показателя рН доли неионизированного аммония в общем аммонийном азоте: с увеличением рН на одну единицу она возрастает в 10 раз и наоборот, с уменьшением рН на 1 единицу – уменьшается в 10 раз. При одинаковом количестве общего аммонийного азота, в кислых водах содержание опасного неионизированного аммония гораздо меньше, чем в щелочных. При нейтральных, физиологических значениях показателя рН воды (рН 7±0,5), аммонийный азот преимущественно ионизирован, т.е. представлен в форме малотоксичных ионов аммония, NН4+. Кроме рН, токсичность аммонийного азота зависит от его концентрации, длительности экспозиции и ее повторности, насыщения воды кислородом и др.
Источником, поставщиком аммонийного азота в аквариуме являются бактерии аммонифицирующего звена азотного цикла и сами рыбы. У костистых рыб (Teleostei) основным конечным продуктом азотного обмена (обмена белков и нуклеиновых кислот), подлежащим выведению из организма, является аммоний и в гораздо меньшей степени мочевина. Таких животных называют аммонотелическими. Кроме рыб аммотеликами являются, например, ракообразные, некоторые водные моллюски. Образуется аммоний преимущественно в результате внутриклеточных превращений аминокислот (процессы дезаминирования и переаминирования). Поскольку аммиак является высокотоксичным продуктом жизнедеятельности, в норме во внутренней среде живых организмов он подлежит немедленной нейтрализации на месте своего возникновения. Эту задачу выполняют глутаминовая аминокислота и некоторые кислоты цикла Кребса - основного производителя АТФ и потребителя кислорода в организме. Физиологической формой аммиака в живых тканях является глутамин – соединение аммиака с глутаминовой аминокислотой. В форме глутамина аммиак транспортируется к месту выделения. У рыб – это жабры. В т.н. хлоридных клетках жаберного эпителия, благодаря работе фермента глутаминазы, глутамин расщепляется до аммония и глутаминовой кислоты. Далее, аммоний активно удаляется хлоридными клетками в обмен на Na+, а челнок-транспортер глутаминовая кислота вновь поступает в кровоток за следующей «порцией» аммиака.
Количество выделяемого рыбами аммония зависит не только от интенсивности их метаболизма, но и от состояния самих животных. Так, при длительном (более часа) стрессе, организм рыб переключает свой энергетический обмен с расхода глюкозы гликогена (т.н. глюкогенез), на расход аминокислот белков тела, в первую очередь белков плазмы крови (т.н. глюконеогенез). В таком состоянии выделение рыбами аммиака резко возрастает. Это явление наблюдается, например, при транспортировке рыб. От аммиачного отравления в этом случае спасает углекислый газ, который подкисляет воду, а в слабокислой среде аммонийный азот представлен малотоксичной ионизированной формой.
Собственно аммиак (неионизированный аммоний, NH3) является весьма реакционноспособным веществом и очень сильным клеточным и тканевым ядом. Свободный аммиак взаимодействует с клеточными белками, вызывая их денатурацию и, соответственно, утерю функции. Связывая при избыточном образовании (глюконеогенез) некоторые кислоты - субстраты цикла Кребса, он блокирует работу последнего, в итоге нарушается клеточное и тканевое дыхание. В живом организме образование аммиака тесно связано с метаболизмом аминокислот, поэтому мишенями аммиачного отравления оказываются органы, активно перерабатывающие аминокислоты и выводящие аммиак из организма. У рыб это в первую очередь: жабры; центральная нервная система (ЦНС), где аминокислоты потребляются для синтеза веществ, проводящих нервный импульс (адреналин, гистамин и др.) и печень, в которой происходит биосинтез многих белков (например, белков плазмы крови, желточных белков икры и др.). Поэтому симптомы аммиачного отравления связаны с расстройством деятельности ЦНС, дыхания, сосудистыми нарушениями.
Клиническая картина отравления зависит от концентрации яда и длительности экспозиции. При остром аммиачном отравлении преобладает нарушение деятельности ЦНС и другие симптомы просто не успевают развиться. Рыбы сильно возбуждены и очень пугливы. Затем развивается нарушение координации движений, судороги и смерть. При хроническом отравлении страдают прежде всего жабры (т.н. неинфекционный экзогенный жаберный некроз). Аммоний, содержащийся в воде, выводит из строя (NH4+-Na+)-насосы хлоридных клеток жаберного эпителия (т.н. «подпорный эффект»), что приводит к гибели последних, самоотравлению, развитию локальных некрозов и гемолизу эритроцитов в жабрах. В результате происходит нарушение дыхания, которое вызывает гибель рыбы от асфиксии при нормальном содержании кислорода в воде. Жабры приобретают мозаичную окраску со светлыми некротическими пятнами.
Сосудистые нарушения связаны с особенностями строения системы кровообращения рыб, как животных с одним кругом кровообращения. Кровоток у них минимален в органах, наиболее удаленных от сердца, например в хвостовом плавнике. Действуя сосудосуживающе, аммиак лишает эти ткани кислорода и питания, что приводит к локальным некрозам. Многим аквариумистам известен т.н. «краевой ожог» хвостового плавника, встречающийся при транспортировке рыб. Считается, что и острое и хроническое аммиачные отравления развиваются не вследствие прямого воздействия аммонийного азота на рыб, а вследствие остановки работы цикла Кребса (нарушение клеточного дыхания) и нарушения превращений аминокислот (расстройства деятельности ЦНС) из-за исчерпания пула физиологических внутриклеточных поглотителей аммония – глутаминовой и других кислот.
Нередко подобные явления возникают и при нарушении слизеоотделения, особенно в жаберном эпителии. Густая и вязкая слизь, покрывающая жабры, нарушает не только процессы газообмена, но и процессы выделения аммония, что приводит и к гипоксии и к аммиачному самоотравлению. Но рассмотрение таких избыточных физиологических реакций уже отдельная тема. После аммиака наименее желательная форма азота в воде аквариума – нитритная.
