pH, углекислый газ, щелочность и жесткость в пруду

К основным параметрам воды в аквариуме относят: общую жёсткость (GH), карбонатную или временную жёсткость (KH) и водородный показатель (pH). Данные показатели имеют ключевое значение при содержании рыб и пресноводных креветок и о них следует знать каждому аквариумисту.

Для начала вспомним школьный курс химии о растворении веществ. При растворении в воде какого-либо вещества оно диссоциирует, т. е. распадается на отрицательные (анион) и положительные (катион) ионы. Например, если в воде размешать обычную поваренную соль — хлорид натрия (NaCl), то она диссоциирует катион Na+ и анион Cl-.

Диссоциация хлорида натрия (NaCl)

Поваренная соль распадётся на ионы: катион Na+ и анион Cl-
Аналогичным образом ведут себя растворённые вещества, от которых напрямую зависят показатели GH, KH и косвенно pH.

pH и углекислый газ

О том, является ли вода кислой или щелочной говорит водородный показатель – pH. Он обозначает концентрацию ионов водорода в воде и представляет собой её отрицательный десятичный логарифм — -log[H+]. Вода считается кислой, если pH ниже 7 единиц, и щелочной – если более 7. Значения pH, как правило, колеблются от 0 до 14 единиц. В аквакультуре диапазон кислотности составляет – 6.5-9.0.

Рыбы и другие позвоночные имеют кровь со значением pH 7.4. Кровь рыб находится в тесном контакте с водой (граница раздела – 1-2 клеточных слоя). В пруду рекомендуется поддерживать диапазон, близкий к pH крови рыб – 7.0-8.0. Если водородный показатель упадет ниже 5 единиц или поднимется выше 10 (т.е. низкая щелочность, вместе с активным фотосинтезом водорослей), рыба почувствует себя плохо и погибнет.

Значения pH в пруду варьируют в течение дня. Ночью концентрация растворенного кислорода снижается, потому что останавливается фотосинтез, растения и животные дышат и расходуют кислород. При плотной посадке концентрация углекислого газа становится высокой в результате дыхания. Свободный CO2 реагирует с водой, приводя к возникновению угольной кислоты (H2CO3), и pH снижается:

H2O + CO2 = H2CO3 = H+ + HCO3—

В таблице обобщены относительные изменения концентрации растворенного кислорода, CO2 и pH в течение 24 часов

Углекислый газ редко напрямую оказывает токсическое влияние на рыб. Однако его высокие концентрации снижают pH и, вследствие снижения pH в крови жабр, ограничивают возможность крови рыб переносить кислород. При заданной концентрации кислорода (например, 2 мг/л) рыба может задохнуться, когда уровень CO2 высокий, либо остаться невредимой, когда уровень CO2 низкий. Сом толерантен к концентрации CO2 20-30 мг/л, если газ накапливается постепенно и уровень кислорода 5 мг/л. В водохранилище или естественном пруду концентрация CO2 редко превышает 5-10 мг/л.

Высокие значения концентрации углекислого газа практически всегда обусловлены низкими концентрациями растворенного кислорода (высокая дыхательная активность). Для повышения низких значений кислорода проводится аэрация воды. Она же помогает снизить высокий уровень CO2, вследствие обратной диффузии газа в атмосферу. Хронически высокая концентрация CO2 снижается внесением гидратной извести Ca(OH)2. Примерно 1 мг/л извести удаляет 1 мг/л углекислого газа. Однако такую обработку нельзя производить в воде с плохими буферными свойствами (низкая щелочность), потому что pH поднимется до смертельного для рыб уровня. Кроме того, возникает опасность для рыб, если известь вносится в воду с избытком уровнем аммония. Высокий pH усугубляет токсическое влияние аммония.

CO2 в аквариуме

Многие, наверное, хотели иметь дома аквариум с растениями или рыбами, но не все понимают, что к его выбору нужно подходить с особой тщательностью. Одна из самых главных проблем — это подача CO2 (углекислый газ). Ведь растения на 40−50% состоят из него.

Краткое резюме о CO2:

Подача CO2 сильно усиливает рост растений. Оптимальная концентрация CO2 должна составлять 15−30 мг\л для аквариума с растениями и не более 30 мг\л с рыбами. Кислород не вытесняется из воды углекислым газом. Среднее значение подачи CO2 рассчитывается по формуле: при kHmin=4 градуса подача должна быть один пузырек в минуту на десять литров живого объема аквариума. Уровень кислотности (pH) должен быть 6,8−7,2 и за этим нужно внимательно следить, т.к. нитраты и CO2 понижает уровень pH, плюс он может изменятся сам в течении дня. Утром понижается и вечером повышается.

Для получения оптимального уровня pH нужно, чтобы мера щелочности (kH) воды не превышала 6 ед. Чтобы избежать критического падения pH, минимальный безопасный уровень kHmin.=4.

Концентрацию CO2 можно вычислить с фомощью формулы, но для начала нужно измерить pH и kH. CO2=3,0хkHх10^(7,00-pH). Получить CO2 можно из баллона или методом брожения.

Растениям также нужен свет, но не забывайте, что интенсивность освещения и подача CO2 должны быть прямопропорциональными. Основным строительным для клеток растений выступает углерод (СO2), поэтому подача СО2 просто необходима для эффективного и быстрого роста растений. В обычных условиях растения будут расти очень медленно или даже погибать, но подача СО2 ускорит темпы роста в 4−6 раз! Вы приятно удивлены результатами при подаче СО2 (углекислого газа) в аквариум, только не забывайте о правильном балансе со светом и жидкими удобрениями. Без углекислого газа вам останется только наблюдать за тем, как ваши растения будут гибнуть. Но все же СО2 это не единственное, что нужно растениям для роста, поэтому сразу после неожиданного быстрого роста, растения почувствуют нехватку в питательных веществах. Железо, магний, калий и другие микроэлементы очень быстро усваиваются растениями и в очень больших количествах, поэтому подачу углекислого газа (СО2) стоит в обязательном порядке скоординировать с подачей жидких удобрений.

Что нужно растениям для хорошего роста. Во-первых, хороший грунт с нужными для растения свойствами. Во-вторых, постоянная подача углекислого газа (CO2). В-третьих, у растения должна быть постоянная подача питательных веществ. В-четвертых, достаточное количество света и правильный состав спектра.

Для чего растениям CO2?

Все кто хочет иметь аквариум должны уяснить — все растения состоят из С (углерод) и без него они не выживут. Растения питаются, осуществляя фотосинтез. Этот процесс не возможен без кислорода, углерода, света и тд… Каждый из ингредиентов должен поступать в определенном количестве и продолжительности иначе фотосинтез не будет происходить.

Было проведено много исследований, которые показали, что при определенном количестве света, CO2 и питательных веществ, они являются основным фактором роста. Одно из таких исследований было проведено в компании Tropica, где выращивали риччию в течении двух недель. Исследование показало следующие результаты: Если подавать мало CO2 и света, то в 4 раза увеличивается рост растения. Без подачи CO2 и малом количестве света рост падает до нуля. Мало CO2 и большое количество света в 6 раз увеличивает рост растения. Много CO2 и много света из 1 грамма вырастает 6,9 грамм.

Вывод: Если мы хотим хороший результат, то не стоит увеличивать количество, лишь одного «ингредиента » ([email protected] или свет) — это особого эффекта не даст, но при равном увеличении результат поразит вас! Если же вы будите делать как многие неопытные аквариумисты, например, держать аквариум в темноте без подачи CO2? То энергии у растения хватит только на временное поддержание жизни.

Для чего нужно соблюдать правила?

Вам не придется долго ждать. Чтобы композиция приобрела нужный вид. Всего 1,5−3 месяца. Вы можете чаще подрезать растения, детальнее редактировать композицию, делать её такой как вы захотите. Молодые листья выглядят лучше, а значит и композиция будет лучше. Если вы хотите стремиться к работам Takashi Amano, то быстрый рост растений просто необходим.

К 4-х кратному ускорению роста растения может привести даже небольшие дозы углекислого газа, и даже в малоосвещенных помещениях. Это происходит потому, что без каких либо вредоносных последствий, растение начинает производить на порядок больше хлорофилла, но при этом не рушит энергетический баланс. Таким образом, для извлечения углекислого газа (СО2) из воды, растение начинает тратить меньше энергии, собственно больше энергии растение затрачивает на оптимальную переработку данной ему малой доле световой энергии. Вот таким вот путем мы может очень эффективно увеличить рост растения, не перенасыщая его светом, так как оно может полностью использовать даваемый ему свет. Потому, что избыток света может неблагоприятно сказать на здоровом росте растения. Но в любом случае, если правильно увеличить и подачу углекислого газа и света, это произведет гораздо лучший эффект чем улучшение чего-то одного. То как каждый фотон используется в фотосинтезе, независимо от того, под каким углом он падает на лист, вы можете посмотреть на приведенном графике. Этот график явно показывает зависимость данного процесса в использовании молекул углекислого газа от света. Итак, из всего вышеописанного мы можем сделать два вывода. Первое: очень важно балансировать подачу углекислого газа (СО2) под интенсивность освещения и наоборот. Второе: даже если вы подаете малое освещение, уровень подачи углекислого газа (СО2) рекомендуется поддерживать не менее 15мг/л. Хотя лучше всегда поддерживать уровень подачи в районе 30мг/л. Ошибка многих любителей аквариумных растений — неопытность и незнание методики обогащения растений светом и углекислым газом. Обычно в таких случаях, темпы роста растений, у таких людей, стоят на уровне желтой линии, в редких случая — на зеленой. Достигнуть синей линии, можно просто усилив интенсивность подаваемого света. Но тут есть большая опасность водорослей. Только если вы согласуете подачу углекислого газа (СО2) с интенсивностью подаваемого света, вы сможете увеличить темпы роста в разы, то есть достигнуть красной линии. Вы будете удивлены, как быстро вырастут ваши растения!

Почему CO2?

Растения могут употреблять углерод в двух видах: газообразной (CO2) и растворенный в воде — бикарбонат (HCO3-). Растения отдают своё предпочтение чистому CO2 — это связано с тем, что для фотосинтеза придется утилизировать бикарбонат, а растения это делать затруднительно. Поэтому растворенный CO2 более выгодный способ для его получения.

Какая должна быть концентрация CO2?

Думаю, все знают, что CO2 отлично растворим, будь то воздух или вода. В воде CO2 растворяется намного медленнее, чем в воздухе, но водные растения все предусмотрели! У них есть специальный слой, который ускоряет этот процесс, у наземных растений он тоже есть, но он намного тоньше чем у водных. У водных растений такой слой составляет где-то 0.5мм. Чтобы обеспечить водным растениям оптимальный фотосинтез, концентрация CO2 должна составлять 15−30 мг\л, не превышая при этом концентрацию для рыб 30мг\л. Все это нужно для создания естественной окружающей среды, создающая главные сдерживающие факторы фотосинтеза.

CO2 и Кислород.

Многие очень сильно заблуждаются, когда думают, что кислород не вытесняется из воды углекислым газом, и что кислород в больших количествах необходим для дыхания рыб. Нет! Это не так! На самом деле уровень кислорода днем поднимается до 11 мг\л, что превышает 100%. Это происходит из-за активного роста растений. Уровень падает у утру до 8,0 мг\л при условиях, что температура воды 24С. Для нормальной жизни, рыбами необходимо 5мг\л (60%) кислорода растворенного в воде.

Включать или Отключать на ночь CO2?

На этот вопрос существует два мнения. В первом случае считают, что можно обойтись без CO2. Так как к утру уровень кислорода остается высоким, а уровень кислорода остается высоким, а уровень кислотности нормальным, если аквариум не более 1200 литров и в нем не проживает много рыб, то можно обойтись без начального поступления CO2. Вторая сторона считает, что CO2 нужно начинать подавать за 1−2 часа ДО включения света. Так как утром больше всего активен процесс фотосинтез, уровень O2 намного ниже, чем обычно.

Баланс CO2 и света.

Как мы уже говорили, интенсивность света должна соответствовать интенсивности подаваемому CO2. Даже исследования Tropica подтвердили слова Takashi Amano о том если концентрация подаваемого света и CO2 не равномерна, то это принесет только вред и не капли пользы. Все говорят об этом, но не всегда нужно большое количество CO2, это мы можем увидеть из формулы фотосинтеза: 6CO2+12H2O-> C6H12 O6+ 6H2O. В этот момент растения активно выделяют кислород, но, не смотря на это, растения становятся все более слабыми. Таким образом, потребление растениями азота и фосфата уменьшается. Если в аквариуме недостаточно CO2, а света больше чем в достатке, то начнут появляться водоросли. Не стоит добавлять никаких удобрений. Это принесет ещё больше вреда. Но слишком большое количество CO2 может стать токсичным для рыб и других обитателей аквариума. Для каждого растения нужно определенное количество света, а значит и определенное количество CO2. Некоторым нужно больше света, значит больше CO2. Takashi Amano считает, что не существует простых или сложных растений, просто есть растения любящие свет и любящие тень. Подаваемое количество света и CO2 единственное их различие. Если вы хотите завести аквариум то вам стоит с самого начала рассчитать. Какое количество света и CO2 будите подавать своим растениям, чтобы в дальнейшем это не вызвало неудобств.

Сколько нужно CO2

Не думайте, что на этом все, нужно также отслеживать равновесие pH и CO2. Чтобы это все отрегулировать, нужно чтобы kH, pH и CO2 были следующих параметров: kHmin=4 градусов, pH вечером = 7,2, а утром = 6,8, при таких условиях CO2 приобретет параметры от 15−30 мг\л. Это нужно понимать всем кто хочет иметь или же имеет аквариум, и понять, что все это взаимосвязано. Чем больше в воде гидроксидных ионов, тем меньше pH. Реакция воды может быть щелочной (pH>7.0), нейтральной(pH=7.0) и кислой(pH Концентрация растворенного в воде CO2 в природе бывает намного ниже, чем этого нужно для подводного царства, но в пресных водоемах на оборот, по отношению к её обитателям уровень слишком высокий и постоянно возобновляется благодаря течению и выделениям отложений на дне. Если искусственно не обогащать воду CO2, то собственных запасов хватит растениям, только на поддержание жизни и естественно не о каком росте и речи быть не может. Можно вычислить темп подачи с помощью следующей формулы, главное чтобы kH=2-4 при 1 пузырьку в минуту на 10 литров воды: CO2=7-19 мг\л при pH=6,8-7,2. Если kH окажется выше нормы, то вычислять нужно по формуле: kHx V(воды) \ 30. Выше мы уже говорили о том, как правильно использовать большие концентрации. Но они рассчитаны только на подачу CO2. Не забывайте отслеживать рост растения, не совершайте глупых ошибок, и самое главное не забывайте, что растением нужно одинаковое количество света и CO2.

Как влияет CO2 на уровень кислотности(pH).

Как упомянуто выше, для роста растений нужен углерод. Также рекомендуется держать низкий уровень водородного показателя (рН). Подавая СО2 в аквариумную воду мы выполняем обе задачи. Это происходит за счет того, что при попадании СО2 в воду, начинает образовываться угольная кислота. Вода соединяется с СО2 (Н2О+СО2=Н2СО3). Получившаяся кислота диссоциирует на ионы (Н+) и бикарбонат (НСО3-) (основа КН). А при повышении концентрации катионов водорода (Н+), водородный показатель (рН) уменьшается. Таким образом, мы одновременно даем нужный для роста растений углерод, и понижаем водородный показатель на более благоприятный уровень. Но тем не менее мы повышаем уровень углекислого газа (СО2), из-за понижения водородного показателя (рН). (см. ниже в разделе «рН»).Концентрация в воде углекислого газа, а также карбонатный буфер КН, сильно влияют на значение водородного показателя (рН). Из-за этого, связь (рНKH растворенный СО2) будет жесткой. Теперь нам нужно скоординировать подачу углекислого газа вместе с тем, какой уровень водородного показателя в аквариуме нам нужен. А водородный показатель, как раз таки определяется наличием карбонатного буфера КН. То есть единственное, что мы можем контролировать из наших 3-х показателей (рН, КН и СО2), это углекислый газ СО2, так как остальное является заданными величинами оптимальными для нормального роста растений. Таким образом, теперь мы должны подстроить подачу СО2 еще и под оптимальный уровень водородного показателя, которой должен быть равен рН=6.8−7.2, а не только под нужный уровень концентрации углекислого газа в воде. Для всего этого нам понадобится вода с жесткостью dGH=4−10, и собственно с исходным КН=2−8. Тогда оптимальная концентрация должна составлять СО2=15−30мг/л и рН=6.8−7.2.

Растениям необходимо лишь pH=6,8−7,2.

Растения хотят больше CO2.

Как уже говорилось растениям нужно очень много CO2, ведь они сами на 40−50% состоят из углерода и логично, что самым лучшим источником энергии для них будет углекислый газ. В воде он может находиться в двух видах: в виде бикарбоната (HCO3-) и углекислого газа. Диффузным путем они поглощают CO2через стенки клеток, тем самым насыщая свой растительный организм питательными веществами. Многие растения выбрали этот путь поглощения энергии, ведь так им на много проще. Так как, поглощая бикарбонат, они должны сначала поглотить HCO3− и уже только потом извлечь из него CO2 и насытиться им. Это происходит потому, что бикарбонат содержит связанный CO2. Теперь вы понимаете, почему не многие растения не выбирают второй способ поглощения CO2. Многие из них просто не способны на это и это понятно, ведь это очень сложный химический процесс.

В мягкой воде с pH меньше 7, 70% CO2 будет в доступном и усвояемом для растений виде и только 30% будет в бикарбонате. Это значит, что ниже будет показатель кислотности воды, тем больше кислорода смогут усвоить растения, так как он будет легко усвояемом растениями виде (газообразном). Поясню, это значит, что в мягкой воде с показателем kH=2−6 растения получат намного больше углерода, чем в жесткой воде.

Будет ли pH сохранять стабильность с одновременной деятельностью биологических веществ.

Поддерживание стабильного уровня водородного показателя (рН) в аквариуме.Слабые кислоты могут обладать особыми химическими свойствами, результат действий этих свойств и называется — буферизация. Диссоциирование слабых кислот в воде, формирует пары кислота-основание, которые имеют логарифмическое отношение друг к другу. При добавлении кислот и оснований в воду, водородный показатель сильно не измениться, то есть на графике отношения щелочность/кислота относительно водородного показателя, мы могли бы увидеть, что линия зависимости ниже или выше определенного значения водородного показателя (рН) будет плоской. Такое состояние водородного показателя (рН) называется «точкой равновесия», когда линия практически плоская, то есть сколько бы мы не добавляли оснований или кислот, это не будет сильно влиять на уровень водородного показателя (рН). Причем, что еще важно, точка равновесия не одна, и может варьироваться в зависимости от кислот.К примеру, точка равновесия угольной кислоты (Н2СО3), которую мы получаем при добавлении углекислого газа в воду (см. выше), составляет рН=6.37. Из-за того, что в аквариуме естественным биологическим путем производятся нитраты (NO3), которые являются кислотами, водородный уровень может понизиться, если до этого был чуть выше точки равновесия угольной кислоты. А данный уровень водородного показателя (рН=6.37) практически идеален для аквариумных растений, поэтому нам нужно стремиться сохранять именно этот уровень водородного показателя. Буферизации кислоты будет идти долго, перед тем как уровень водородного показателя приобретет желаемый результат, это происходит из-за того что начальный уровень водородного показателя будет выше точки равновесия, и нам нужно сместить его в сторону точки равновесия угольной кислоты. Это и будет для вас секретом стабильности уровня водородного показателя, (рН=6.8−7.2), как наилучший для Nature Aquarium.

Аммоний и токсичный аммиак, какое должно быть соотношение между ними.

Все мы знаем, что аммиак(NH3) один из форм аммония (NH4+) и к тому же он очень вреден для жизни, даже в малых количествах (0,06 мг\л). Соотношение аммоний \ аммиак зависит от количества pH. Если pH ниже, то соответственно в аквариуме меньше вредного аммиака. Он будет составлять около 0,5% при условии, что уровень кислотности будет равен 7, но если pH будет больше, например 7,5, то аммиак составит 4%. Что совсем не допустимо! Итак, нужно запомнить одно простое правило: если pH(уровень кислотности воды) более 7,0 , то количество аммиака увеличивается и вредит вашим растениям, рыбам. Можно гарантировать отсутствие аммиака в одном случает, если при pH= 6,8 — 7,2 в NA, тогда Доля NH3= 0,4−0,8%. Это потому что NA поддерживает низкий уровень NH4+\ NH3(аммоний \ аммиак).

Нитрифицирующие бактерии и их активность.

Бактерии активны на 85% от максимума при уровне кислотности 6,6 . Бактерии никогда не работали, и не будут работать на максимум. При малейших изменениях они могут повысить или понизить свою деятельность. Даже если состояние воды ухудшится, они справятся с нагрузкой, немного увеличив активность своей деятельности, сохранят стабильное положение аквариума. Будет создаваться такой же запас стабильности как с точкой pH. (pH=7,5−7,8 при этом параметре наблюдается максимальная активность нитрофикации, замедляется при pH= 7,5).

И так теперь все поняли, какой должен быть показатель pH (6,8−7,2) для хорошего роста долгой жизни растений. Теперь же давайте определимся, какой должен быть показатель kH.

1. Нужно учесть, что вода при kH=2−5 уже кислая, поэтому автоматически буферизируется на pH= 6,0−7,3. Так как содержится не угольная кислота (H2CO3), а углекислый газ причем в больших количествах. Чтобы избежать падение pH ниже чем вообще возможно, нужно чтобы минимальный уровень жесткости составлял минимум=4,0 при одновременной подаче CO2.

Почему нужно именно этот уровень и почему нельзя больше? Да потому что, если вода будет слишком жесткая, то есть kH>7,0 то и pH будет равняться = 7,8 и тогда придется превысить допустимую для рыб норму подачи CO2. А она должна составлять не более 30 мг\л. И тогда уже не будет никаких и способов и возможностей снизить хоть немного уровень кислотности в воде. Но и занижать уровень жесткости тоже нельзя, я напоминаю, что не ниже двух. Тогда придется увеличить подачу CO2 или придется повысить количество нитратов и при всех этих условиям может возникнуть угроза падения, причем резкого уровня кислотности- это меньше 6,8. Это будет просто ужасно для рыб и растений.

2. Чтобы поддержать стабильность кислотности в воде, нужно чтобы уровень жесткости имел минимум 4, ДО подачи CO2, чтобы в любую минуту не исчез карбонатный буфер, что может привести к снижению кислотности.

Также надеюсь, вы помните, что pH-kH-CO2 зависят друг от друга. Поэтому по таблице 1 зависимости, зная kH, взяв требуемую величину pH, мы сможем найти углекислый газ. То есть, какая получиться концентрация углекислого газа, если мы возьмем определенные параметры pH и kH.

Например: мы наблюдаем, что с pH=6,8−7,2; kH= 4−5, тогда концентрация углекислого газа (CO2) составит 7,6− 23,8 мг\л. Используя для воды такие параметры, получим нормальное количество pH и CO2. Причем CO2 не будет слишком много, он будет оптимально насыщать воду, что поможет ускорению роста растений.

3. Чтобы растения свободно в большом количестве потребляли углекислый газ нужно, чтобы жесткость воды была равная 3,5−4 и мера кислотности воды была всегда меньше 7. Исходя из этого (уровень карбонатной жесткости) kH играет главную роль в увеличении роста ваших растений. В отличии от общей жесткости (gH), он не сильно влияет на рост растений, поэтому он является второстепенным, не важным фактором в аквариуме, но все же чтобы не навредить рыбам этот показатель не должен быть слишком высоким или слишком низким.

Щелочность

Общая щелочность характеризует количество оснований, присутствующих в воде. Как правило, в пруду присутствуют карбонаты, бикарбонаты, гидроксиды, фосфаты и бораты. Карбонаты и бикарбонаты самые распространенные и наиболее важные компоненты щелочности. Этот показатель измеряется по количеству кислоты (H+) в воде, которое может абсорбироваться (буферизация) перед достижением назначенного уровня pH. Общая щелочность выражается в мг/л или млн-1 карбоната кальция CaCO3. Щелочности 20 мг/л более чем достаточно для хорошей продуктивности пруда. Желателен диапазон общей щелочности 75-200 мг/л CaCO3.

Карбонатная-бикарбонатная щелочность (и жесткость) поверхностных и колодезных вод создается преимущественно в ходе взаимодействия растворенного в воде CO2 и извести грунта. Дождевая вода имеет естественную кислую реакцию, потому что насыщена атмосферным углекислым газом. Как только она проходит сквозь почву, каждая капля насыщается CO2, и pH снижается. Колодезная вода выкачивается из крупных, естественных подземных резервуаров (водоносный слой) или маленьких, локальных участков грунтовых вод (подземные воды). Обычно, грунтовая вода имеет высокую концентрацию CO2, низкие pH и концентрацию кислорода. Накопление CO2 в них обусловлено протеканием бактериальных процессов в почве и минеральных образованиях. Как только дождевая, подземная вода проходит пласт, содержащий кальциевый известняк CaCO3 или доломитизированный известняк CaMg(CO3)2, происходит растворение минералов с образованием кальциевых и магниевых бикарбонатных солей:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca+2 + 2HCO3— CaMg(CO3)2 + 2H2O + 2CO2 = Ca+2 + Mg+2 + 4HCO3—

В результате, возрастают щелочность, кислотность и жесткость воды.

Щелочность, pH и концентрация углекислого газа

В воде с умеренной или высокой щелочностью (хорошая буферная емкость) и схожим уровнем жесткости, pH был нейтральным или слегка основным (7.0 – 8.3) и не колебался в широких пределах. Более высокие концентрации CO2 (т.е. угольная кислота) или другие кислоты требуют для снижения pH больше оснований, которые могли бы нейтрализовать или буферизировать кислоту.

В таблице можно видеть взаимосвязь между щелочностью, pH и концентрацией CO2

Изменения pH в течение 24 часов в воде с высокой и низкой щелочностью

Значения фактора для расчета концентрации углекислого газа в воде с известным pH, температурой и щелочностью (Tucker (1984). При pH выше 8.4 концентрация CO2 незначительна

Число (фактор), отмеченный в таблице и соответствующий определенным значениям pH и температуры, умножается на значение щелочности (мг/л CaCO3). Результат этого уравнения позволяет оценить концентрацию CO2 (мг/л).

Например, в пруду с сомами pH = 7.2, температура = 25°C, и общая щелочность = 103 мг/л. Значение фактора = 0.124. Концентрация углекислого газа равна = 0.124 x 103 мг/л щелочности = 12.8 мг/л CO2.

Для минимизации ошибки этих расчетов необходимо в течение 30 минут регистрировать pH. Вследствие нескольких источников погрешности предпочтительно прямое измерение концентрации углекислого газа при помощи химических тестов.

Создание генератора CO2 своими руками

Чтобы обеспечить растениям подачу углекислоты, можно приобрести реактор CO2 в специализированных магазинах, однако подобная установка отличается огромными размерами и стоит недешево. Опытные аквариумисты предпочитают использовать самоделки – генератор CO2, изготовленный самостоятельно из подручных материалов.

По результативности самодельный агрегат не уступает магазинным аналогам, а сборка и установка прибора CO2 в аквариуме не займет много времени, денежных средств и сил владельца.

Материалы для изготовления

Для сооружения генератора CO2 своими руками понадобится:

• Прозрачная пластиковая бутыль вместимостью 2 л – 1 шт.
• Пластиковая пустая бутылка с широким горлышком – 1 шт.
• Медицинский шприц – 1 шт.
• Трубочка от капельницы – 1 шт.
• Силикон.
• Клапан обратного давления – 1 шт.
• Шланг – 1 шт.
• Присоски для фиксации.
• Распылитель.

Сборка

Подготовив необходимые материалы, система CO2 для аквариума собирается следующим образом:

• Из медицинского шприца убирают поршень и отрезают нижнюю часть, помещая в шприц клапан обратного давления.
• Из крышечки от бутылки удаляют перегородки и лишние выступы, используя острый нож. Во время действия соблюдают осторожность, чтобы не пораниться.
• Подготовленный шприц с клапаном соединяют с крышечкой при помощи аквариумного силикона. В получившуюся конструкцию наливают немного водички – устройство будет играть роль счетчика пузырьков CO2 своими руками.
• Сделанный счетчик соединяют с большой пластиковой бутылкой.
• В крышке второй бутылочки проделывают дырочки для переходника при помощи толстой иглы. Переходник от капельницы вставляют в крышку и подсоединяют шланг. Стыки промазывают силиконом.
• Получившийся генератор CO2 наполняют жидкостью. Конструкции соединяют шлангами: от бутыли вместимостью 2 л кончик трубки прикрепляют к крышке клапана, от иголки – к искусственному водоему.

Составы для генератора

Собрав самодельный генератор для подачи CO2 в аквариум, следует заняться приготовлением раствора, который будет выделять углекислоту путем брожения. Существуют множество рецептов для выделения углекислого газа, однако самыми популярными и простыми считаются:

• С содой и кормом – для приготовления понадобится 200 г сахарного песка, щепоть соды, ½ чайной ложки корма для рыбок, дрожжи и кусочек хлеба. Ингредиенты засыпают в брагобутыль, и заливают смесь теплой водичкой, оставив пять см от крышки. После этого распылитель самодельного генератора опускают в резервуар и спустя 10 часов проверяют подачу углекислоты. Если CO2 не выделяется, то в конструкции остались негерметичные места. Брага для аквариума, изготовленная по этому рецепту, будет выделять CO2 в течение двух недель, после чего нужно приготовить свежий раствор.
• С крахмалом – аквариумисту понадобится 400 г сахарного песка, 140 г пищевой соды, 160 г крахмала и 1 л воды. Ингредиенты помещают в кастрюлю и варят до густой консистенции, после чего оставляют остывать. Остывшую смесь переливают в бутыль для брожения и помещают распылитель в водоем. Углекислый газ с использованием этой смеси будет выделяться 3 месяца.
• С содой и мукой – для приготовления нужны дрожжи (на кончике ножа), 100 г сахарного песка, 25 г муки и соды. Компоненты заливаются 500 мл воды, тщательно перемешиваются и наливаются в бутылочку для брожения. Срок действия – 14 дней.
• С желатином – состав будет действовать 30 дней. Для приготовления необходимо залить 30 г желатина 500 мл воды и оставить разбухать на полчаса. После истечения указанного времени в смесь добавляют еще столько же воды и 1 ст. ложку соды. Массу ставят на медленный огонь до полного растворения веществ. После этого смесь переливают в бутыль для брожения, добавляют сухие дрожи и закрывают крышкой.
• С лимонной кислотой – самый популярный рецепт состава. Подачу CO2 в аквариум лимонная кислота и сода подает на протяжении светового дня, и готовится очень просто: нужно смещать 10 г лимонной кислоты и столько же соды, перемешать и засыпать в увлажненную предварительно тару. Подача CO2 в аквариум лимонной кислотой и содой готова.

Щелочность, pH и фотосинтез

Основания, обуславливающие щелочность, влияют и нейтрализую кислоты. Карбонаты и бикарбонаты могут реагировать с кислотами и щелочами, и буферизировать (минимизировать) изменения pH среды. Кислотность воды с высокими буферными свойствами колеблется в пределах 6.9-9 единиц. В воде с низкими буферными свойствами pH может достигать угрожающе низких (углекислый газ и угольная кислота образуются вследствие дыхания) или угрожающе высоких значений (высокая активность фотосинтеза).

Фитопланктон представляет собой микроскопические или около микроскопические водные растения, ответственные за продукцию значительной части кислорода в пруду и реализацию фотосинтеза. При стабильном значении pH около 6.5 или выше, щелочность улучшает продуктивность фитопланктона, потому что повышает доступность нутриентов (растворимые фосфаты). Щелочность выше 20 мг/л захватывает CO2 и увеличивает его концентрацию, доступную для фотосинтеза.

Так как фитопланктон использует CO2 в фотосинтезе, pH в воде возрастает со снижением концентрации углекислого газа и угольной кислоты. Кроме того, фитопланктон и другие растения переводят бикарбонаты (HCO3—) в углекислый газ для фотосинтеза и высвобождает карбонаты:

2HCO3— + фитопланктон = CO2 (фотосинтез) + CO3-2 + H2O CO3-2 + H2O = HCO3— + OH— (сильное основание)

Высокие значения pH также могут обуславливать снижение концентрации H+: CO3-2 + H+ = HCO3— или HCO3— + H+ = H2O + CO2

Высвободившийся при посредничестве растительной биомассы карбонат из бикарбоната, может вызывать значительное возрастание pH (выше 9) в периоды активного фотосинтеза фитопланктона. Этот подъем pH наблюдается при низкой щелочности воды (20-50 мг/л) или в воде с умеренной и высокой карбонатной щелочностью (75-200 мг/л) и жесткостью менее 25 мг/л. Высокая бикарбонатная щелочность в мягкой воде обусловлена карбонатами натрия и калия, более водорастворимыми, чем карбонаты кальция и магния, влияющими на жесткость. Если присутствуют кальций, магний и образующийся фотосинтетический карбонат, когда pH выше 8.3, формируется известняк. Пруды с щелочностью ниже 20 мг/л обычно не имеют вспышек роста водорослей и, соответственно, вызванного фотосинтезом, резкого подъема pH.

Карбонатная жёсткость KH

Щелочноземельные металлы оказываются в воде в составе других веществ. Напарниками Са и Mg обычно выступают хлориды (Cl2), сульфаты (SO4), карбонаты (CO3) и гидрокарбонаты (НСО3). Именно присутствие в воде анионов CO3- и НСО3- обозначается как карбонатная жёсткость. Её также называют временная, поскольку карбонаты легко удаляются из воды кипячением, осаждаясь в виде всем известной накипи.

В противоположность временной жёсткости существует постоянная, которая обусловлена присутствием в воде оставшихся анионов Cl2- и SO4-. Определение «постоянная» используется потому, что удалить хлориды и сульфаты кипячением не получится.

Временная или карбонатная жёсткость воды

Содержание в воде с временной жёсткостью дополнительных гидрокарбонатов HCO3
Карбонатная жёсткость является частью общей жёсткости и по аналогии с ней её принято измерять в немецких единицах измерения dKH и обозначать как KH (Karbonathärte hängt). Градация аналогична GH, но чаще применяется старый диапазон жёсткости (действовавший до 2007 года), который, как правило, ограничен диапазоном от 0 до 20 dKH.

Стоит отметить, что карбонатные соединения могут быть связаны не только с щелочноземельными металлами (Са и Mg), яркий тому пример обычная пищевая сода — гидрокарбонат натрия (NaHCO3). Если соду растворить в воде она не повысит карбонатную и, соответственно, общую жёсткость. Однако, существующие тесты KH для аквариумной воды тем не менее зафиксируют повышение. Дело в том, что они реагируют на все карбонатные и гидрокарбонатные соединения, независимо от того, попали они в воду вместе с щелочноземельными металлами или нет.

Почему важен показатель KH?

KH тесно взаимосвязана с другим важным показателем — , имеющим для рыб и растений не меньшее значение чем общая жёсткость.

Оба показателя напрямую зависят друг от друга. Высокие значения pH означают высокие значения KH. И наоборот, кислые значения pH могут быть достигнуты только при низких значениях карбонатной жёсткости (подробнее в Таблице ниже).

В аквариуме для KH отводится особая роль. Карбонатная жёсткость не только взаимосвязана с pH, то также служит для поддержания его стабильного значения. KH выступает своего рода буфером, который препятствует быстрым и значительным изменениям pH.

Жесткость

Жесткость является важным показателем воды при культивировании рыб. В гидрохимическом анализе он обычно присутствует. Жесткость определяется по концентрации двухвалентных ионов — кальцием, магнием и/или железом. Она может включать смесь двухвалентных солей, но кальций и магний всегда преобладают.

Традиционно, жесткость измеряется в ходе химического титрования. Жесткость образцов воды выражается в миллиграммах на литр в эквиваленте карбоната кальция (мг/л CaCO3). Кальциевая карбонатная жесткость основной индикатор количества двухвалентных солей, который не проводит различий между кальцием, магнием и солями других двухвалентных элементов.

Часто жесткость путают с щелочностью (общая концентрация оснований). Путаница возникает из-за того, что оба параметра измеряются в мг/л эквивалента CaCO3. Если известняк ответственен за оба параметра, жесткость и щелочность, их концентрация будет схожей. Однако, если в растворе, где на щелочность влияет NaHCO3, жесткость будет низкой, а щелочность, напротив, высокой. Кислые, подземные и колодезные воды могут иметь низкую или высокую жесткость и очень низкую щелочность (либо вообще не иметь её).

Кальций и магний важны для протекания ряда биологических процессов в организме рыб (формирование костей и чешуи, свертывании крови и других метаболических реакциях). Рыбы способны абсорбировать кальций и магний непосредственно из воды или с кормом.

Кальций наиболее важный двухвалентный элемент в культуральной воде. Присутствие свободного (ион) кальция в воде помогает снизить потери других солей (т.е. натрия и калия) из внутренних жидкостей рыб (крови). Натрий и калий входят в состав крови рыб. Они участвуют в реализации ряда процессов, в том числе, деятельности сердца, иннервации и мышечной деятельности. Исследования показали, что кальций окружающей среды также требуется для ре-абсорбции потерянных солей натрия и калия. В воде с низкой концентрацией кальция моет наблюдаться утечка значительных количеств натрия и калия в воду. Для вторичного впитывания этих элементов затрачивается энергия тела. Для некоторых видов рыб (Sciaenops ocellatus, Morone saxatilis) для выживания важно высокое значение кальциевой жесткости.

Рекомендуемый диапазон свободного кальция в культуральной воде составляет 25-100 мг/л (65-250 мг/л CaCO3). Канальный сом толерантен к низкой концентрации кальция до тех пор, пока его корм содержит минимальный уровень кальция, однако скорость его роста низкая. Аналогично, радужная форель переносит низкие концентрации кальция (10 мг/л), если pH выше 6.5. Для выращивания Sciaenops ocellatus, Morone saxatilis или раков желательна концентрация свободного кальция 40-100 мг/л (100-250 мг/л CaCO3), что соответствует концентрации кальция в крови рыб (100 мг/л Ca или 250 мг/л CaCO3). Жесткость источников воды для этих видов должна быть проверена.

Низкая карбонатная жесткость надежный индикатор низкого содержания кальция. Однако высокая жесткость необязательно отражают высокую концентрацию этого элемента.

Карбонатная жесткость 100 мг/л включает 40 мг/л свободного кальция (делим CaCO3 на 2.5), в случае, если она обусловлена лишь присутствием кальция. Аналогично, если значение карбонатной жесткости 100 мг/л и представлена свободным магнием, концентрация магния составляет 24 мг/л (делим CaCO3 на 4.12). Эти факторы (2.5 и 4.12) связаны с молекулярной массой CaCO3 и различиями массы атомов магния и кальция. Там, где жесткость обусловлена присутствием известняка, значение CaCO3 обычно отражает смесь свободного кальция и магния. Но магния все равно преобладает в смеси.

Известняк может использоваться в сельском хозяйстве для повышения концентрации кальция (и карбонатной-бикарбонатной жесткости) в областях с кислой водой или почвой. Однако при pH 8.3 или выше известняк не растворяется. Мягкую, щелочную воду можно обогатить кальцием с помощью гипса (CaSO4) или CaCl2. Большие объемы обработки могут привести к серьезным расходам, и более практичным будет поиск другого источника воды.

Общая жёсткость воды GH

Жёсткость воды определяется суммой ионов щёлочноземельных металлов, растворённых в воде. В основном это ионы Кальция (катионов Са+) и Магния (катионов Mg+). Если они присутствуют в большом количестве, значит вода жёсткая, если их мало — мягкая.

Общая жёсткость воды

Содержание ионов Mg+, Ca+ и анионов SO4-, Cl- в воде
Исторически сложилось так, что в аквариумистике жёсткость воды обозначается как GH (Grad Härte) и выражается в немецких градусах dGH (или сокращённо dH), либо в американских ppm (part per million — одна часть на миллион). Обе единицы измерения можно легко конвертировать друг в друга.

В Европе и страх на постсоветском пространстве широко используются немецкие градусы и градацию жёсткости, принятые в Германии. Именно в них выражается жёсткость в тестах анализа воды у большинства популярных брендов (JBL, API, Tetra, ADA, Sera и другие).

С 2007 года для адаптации к европейским стандартам в Германии действует следующая градация жёсткости воды: от 0 до 8.4 dGH — мягкая, от 8.4 до 14 dGH — средней жесткости, Больше 14 dGH — жесткая.

Оптимальный диапазон GH для большинства видов рыб находится между 4 и 16 градусами dGH.

Стоит отметить, что некоторые производители тестов для аквариумной воды продолжают использовать старый диапазон жёсткости воды (действовавший до 2007 года), который выглядит следующим образом: от 0 до 5 dGH — очень мягкая, от 5 до 10 dGH — мягкая, от 10 до 20 dGH — средней жесткости, от 20 до 30 dGH — жёсткая свыше 30 dGH — очень жесткая

В данной градации оптимальным считается диапазон между 5 и 20 градусами dGH.

Почему важен показатель GH?

В дикой природе параметры воды отличаются от региона к региону. В каждой конкретной местности рыбки приспособились к собственной уникальной среде обитания. Виды, живущие в мягкой воде, оказавшись в среде с высоким GH будут испытывать повышенное осмотическое давление, что приводит к стрессу и нарушению обмена веществ. С другой стороны, в условиях дефицита ионов некоторых щелочноземельных металлов, в особенности кальция и магния, будут наблюдаться проблемы роста, что особенно критично для декоративных креветок.

Таким образом, чтобы обеспечить благоприятные условия содержания, важно поддерживать значения GH на том уровне, которые указаны в описании аквариумных рыбок.

Влияние pH, щелочности и жесткости на токсичность аммония и металлов

Аммоний становится более токсичным при возрастании pH. Высокие концентрации токсичной неионизированной формы аммония (NH3) формируются в основной воде, тогда как NH4+ преобладает в кислой воде. Так как щелочность повышается с ростом pH, аммоний становится более ядовитым в воде с высокой общей щелочностью. Жесткость обычно не связана с токсичностью аммония.

Металлы, такие как медь и цинк, более распространены в быту (в бассейнах, сантехнике и CuSO4). Они становятся лучше растворяются в кислой воде. Растворимость или свободная ионизированная форма этих металлов токсична для рыб. Высокая общая щелочность повышает pH и доступность оснований, которые способствуют образованию менее токсичных нерастворимых форм меди и цинка. Высокие концентрации кальция и магния (жесткость) блокируют эффекты меди и цинка в местах их токсического влияния. Поэтому, эти металлы более ядовиты для рыб в мягкой, кислой воде с низкой общей щелочностью.

В идеале, пруд с аквакультурой должен иметь pH 6.5-9.0, умеренную или высокую щелочность (75-200 мг/л, но не менее 20 мг/л) и кальциевую карбонатную жесткость 100-200 мг/л CaCO3. Многие принципы химизма абстрактны (буферизация, карбонатный-бикарбонатный) и их сложно понять. Но фундаментальное понимание взаимосвязи pH, CO2, щелочности и жесткости необходимо для эффективного управления аквакультурой. —— www2.ca.uky.edu/wkrec/interactionsphetc.pdf William A. Wurts and Robert M. Durborow. Interactions of pH, Carbon Dioxide, Alkalinity and Hardness in Fish Ponds. Southern Regional Aquaculture Center. SRAC Publication No. 464. 2012.