Углекислый газ для аквариумных растений
 

Аквариумные растения на свету образуют из углекислого газа (СО2) и воды сахара (углеводы). Этот процесс называется фотосинтезом. На протяжение всего дня растения в процессе дыхания выделяют СО2.

Большинство аквариумных растений, хоть и называются водными, в естественных условиях произрастают как болотные растения, и выставляют над водой хотя бы часть листьев и, обязательно, цветы. Так в природных биотопах в ареалах распространения в тропическом поясе Земли, аквариумах растения, растут по берегам рек и озер в зонах временного затопления в периоды дождей. Таким образом они приспособились получать углекислый газ из атмосферы и из воды, тогда как в аквариуме они вынуждены забирать его только из воды.

В достаточно озеленённом аквариуме углекислый газ (СО2) является основным лимитирующим фактором.

В то время как для растений СО2 жизненно необходим, слишком большое его количество может затруднить дыхание рыб. Поэтому ночью диффузию СО2 в аквариум следует уменьшить.

Для хорошего роста аквариумным растениям нужны:

• свет нужного спектрального состава и длительности;
• поступление (подача) углекислого газа во время фотосинтеза;
• питательные вещества и микроэлементы;
• грунт с нужными свойствами.

Подводные растения способны потреблять углерод в двух формах: как растворенный CO2 и как анион HCO3–.

Все растения могут потреблять углерод в форме CO2. Этот процесс пассивен, не требует затрат энергии и осуществляется путем диффузии из внешней среды в ткань растения. CO2 будет поглощаться тем быстрее, чем больше разница в его концентрации между водой и тканями растения и чем короче расстояние, на котором происходит выравнивание концентраций.

Таким образом, если во внешней среде происходит увеличение содержания углекислого газа, то увеличивается и его потребление растениями. Концентрация CO2 в воздухе и воде приблизительно равна 0,5 мг/л. Углекислый газ очень хорошо растворим в воде, однако его диффузия в воде идет приблизительно в 10 000 раз медленнее, чем в воздухе. В стоячих водах это обстоятельство сильно затрудняет потребление CO2. В проточных же водах газ диффундирует лишь через, так называемый, “поверхностный слой” (или границу Прандтла). Это непосредственно прилегающий к поверхности растения обусловленный силами трения крайне тонкий слой, в котором вода неподвижна даже при самом сильном течении. Его толщина приблизительно 0,5 мм, однако, это в 10 раз толще, чем у наземных растений. Как результат – требуется приблизительно 30 мг/л свободного CO2, чтобы удовлетворить фотосинтетическую потребность водных растений. Течение постоянно приносит с новой водой и новые молекулы CO2, чем поддерживается его концентрация в окружающей среде. Однако известно, что многие растения хорошо растут и в стоячей, и в щелочной воде, где потребление растворенного CO2 весьма проблематично.

Водные растения приспособились к ограниченному количеству CO2 несколькими способами. Многие виды имеют мелкорассеченные листья. Это увеличивает отношение их площади поверхности к объему и уменьшает толщину поверхностного слоя. Водные растения имеют обширные воздушные каналы, называемые, аэренхимой, которые позволяют газам двигаться свободно по всему растению. Это дает возможность, перегонять в листья и ассимилировать CO2, который поступит внутрь растения даже при получении его некоторыми видами растений из грунта при помощи корней. Наконец, многие виды водных растений способны синтезировать, используя гидрокарбонаты наравне с CO2. Это важное приспособление в щелочных водах при pH между 6,4 и 10,4, когда большинство растворимого неорганического углерода существует в форме гидрокарбонатов.

Было выяснено, что при возникновении белого налета на поверхности листьев растений рН воды с верхней стороны листа щелочное, а с нижней стороны слабокислое. Было высказано предположение, что, подобное явление связано с потреблением иона HCO3. При наличии отрицательного заряда этот ион уже не может диффундировать в ткань листа подобно CO2. Для этого нужен специальный механизм активного переноса, получивший название “протонового насоса”. При этом растение в основном за счет световой энергии транспортирует на внешнюю нижнюю сторону листа H+ -ионы сдвигая там рН в кислую сторону и как следствие баланс HCO3–/CO2 в сторону последнего. Полученный таким образом углекислый газ диффундирует в ткань листа.

Одновременно с транспортом протонов идет и перенос OH– -ионов на внешнюю верхнюю сторону листа. Здесь рН повышается, что приводит к выпадению в осадок соединений типа MeCO3 в виде белого налета. (где Me – Ca, Mg, и др.)

В целом процесс потребления HCO3– менее эффективен, чем поглощение CO2 из-за своей энергетической зависимости. Очевидно растения выработали его как приспособление к существованию в щелочных, стоячих водах. Растения же кислых проточных вод такого механизма не имеют либо, как минимум, отдают предпочтение поглощению CO2.

В нейтральных до слабощелочных водах с низкой карбонатной жесткостью (а следовательно и с малым количеством CO2 и HCO3–) большинство растений растет крайне плохо.

Аквариумист может добиться улучшения доставки CO2 водным растениям двумя способами. Во-первых, можно увеличить степень перемешивания воды в аквариуме. Это уменьшит толщину пограничного слоя, и будет гарантировать, что уровни CO2 в воде и воздухе находятся в равновесном состоянии. Этот метод недорог, легко осуществим, и в большинстве случаев дает положительный эффект.

Во-вторых, газ CO2 может быть введен в аквариум. Это – более дорогое удовольствие и при выполнении ненадлежащим образом может приводить к гибели рыб. Однако этот метод становится единственно возможным при культивировании растений полностью неспособных использовать гидрокарбонат (например, виды рода Cabomba).

Аквариумист должен знать, что растения состоят из углерода [C] на 43% сухого веса, а в аквариуме без подачи углекислого газа (CO2) его настолько мало, что им просто негде взять основной строительный материал для своих клеток.

Растения, используя световую энергию, кислород, углерод и водород осуществляют фотосинтез. С помощью фотосинтеза углеводы, например глюкоза, получается из двуокиси углерода (углекислого газа) по реакции:

6CO2 + 6H2O + 674 ккал —> C6H12O6 + 6O2

Как видно, это невозможно без достаточного количества CO2.

По этой формуле также видно, что процесс фотосинтеза растений требует определенного уровня энергии света. Если свет недостаточно яркий, фотосинтез происходить не будет. При уровне освещенности, близком к оптимальному, фотосинтез будет происходить все быстрее.

Данные исследований фирмы “Тропика”, крупнейшей компании по выращиванию аквариумных растений, показали, что в природе, при достаточном количестве питательных веществ, углекислый газ вместе со светом являются главными лимитирующими факторами роста растений. При условии насыщения воды всеми питательными веществами. В компании “Тропика” две недели наблюдали результаты по выращиванию риччии, и получили следующие результаты:

• нет подачи углекислого газа + низкая освещенность – рост растений равен нулю (за две недели почти никакой прибавки массы листьев);
• при малой подаче углекислого газа и низкой освещенности рост увеличивается в четыре раза;
• при малой подаче углекислого газа и высокой освещенности рост усиливается до 6 раз.

Даже средний уровень подачи CO2 в плохо освещенном аквариуме приводит к 2-х кратному усилению роста растений. Потому что может производиться больше хлорофилла без фатальных последствий для баланса энергии растения – растение тратит меньше энергии и ресурсов для извлечения CO2 из воды, и остается больше энергии для оптимизации переработки световой энергии в ткани растения. В результате, хотя не увеличивалась интенсивность освещения, растение может более эффективно использовать уже имеющийся свет. Очевидно, что выгода от увеличения интенсивности освещения и подачи углекислого газа превосходит эффект от повышения только одного из них.

Из вышеизложенных фактов следует что: интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого в аквариум углекислого газа и наоборот.


Вопреки распространенному заблуждению, углекислый газ не вытесняет из воды кислород, а наоборот, и не ограничивает его доступность для дыхания рыб – они успешно сосуществуют. Наоборот – благодаря хорошему росту растений концентрация кислорода днем, когда растения активно синтезируют, достигает 11 мг/л, что намного выше 100 % границы насыщения при температуре воды 24 °С, и к утру падает только до 8,0 мг/л. Для нормальной жизнедеятельности рыб достаточна концентрация растворенного кислорода в воде 5 мг/л (насыщение 60 %).

Если в аквариуме до 200 литров нормально буферизированная вода (с dKH=2–4), и он не перенаселен рыбами, содержание кислорода к утру остается достаточно высоким (8 мг/л), а pH более стабилен, если подачу CO2 не выключать на ночь.


Интенсивность освещения и подача CO2 должны соответствовать друг другу.

Исследования фирмы Tropica подтверждают то, что говорил Takashi Amano на сайте Aqua Journal:
“Ватты света должны соответствовать количеству подаваемого CO2. Если свет слишком интенсивный и растения не получают достаточного количества CO2, сильный свет принесет больше вреда чем пользы.”

Если много света и недостаточно CO2, растения не будут активно расти и появятся водоросли. Вводимые жидкие удобрения еще больше усугубят проблему. С другой стороны, если недостаточно света, а CO2 подается много, концентрация CO2 может превысить допустимый предел и станет токсичной для рыб и беспозвоночных (30 мг/л).

Некоторые растения более светолюбивые, чем другие, например длинностебельные с очень тонкими листьями. Требуя больше света они, соответственно, требуют и большей подачи CO2!

Как говорит опять же Takashi Amano, «нет сложных и простых растений, просто есть светолюбивые и тенелюбивые. Кроме разного необходимого количества света и CO2 они ничем не отличаются».

Следует с самого начала создания аквариума определить мощность флуоресцентных ламп и подачу CO2, чтобы в последующем эти факторы не уменьшали рост растений - будет проще определение их потребности в других питательных веществах.


Как сделать pH и насыщение воды CO2 идеальными для растений? Сделать в аквариуме KH= 2–4 градуса, и отрегулировать подачу CO2 так, чтобы pH установился на уровне 6,8 утром и 7,2 вечером – в результате средняя концентрация CO2 станет идеальной, т.е. ~15 мг/л.

pH и KH – это то что каждому, кто держит аквариум с растениями абсолютно необходимо понимать. Это два взаимосвязанных понятия.

pH это мера кислотности воды, реакция воды может быть кислой (менее 7,0), нейтральной (pH=7,0) или щелочной (pH>7,0). А карбонатная жесткость KН – это мера щелочной буферности воды. KH указывает на способность удерживать pH на определенном уровне, то есть является показателем буферных свойств воды. Она постоянно изменяется, поэтому часто называется временной жесткостью. Значение KH это количество бикарбонатов [HCO3–] в воде, которые нейтрализуют действие постоянно образующихся в аквариуме кислот, например нитратов, понижающих pH, удерживая тем самым pH от понижения. Соответственно чем больше бикарбонатов [HCO3–] в воде (путем ввода CO2), тем ниже уровень pH (при той же концентрации CO2).

Можно ли определить концентрацию растворенного в в воде СО2, померив рН и КН?
Теоретически возможно, практически нет, по нескольким причинам:
1. Как видно из таблицы, влияние точности измерения рН на результат значительное. Обычные аквариумные тесты не позволяют измерить рН точнее, чем 0,25.
2. Аквариумные тесты для измерения жесткости обычно измеряют щелочность воды, а не жесткость. Обычно разница между ними не большая и для практических целей вполне приемлемая, но вычислять по ней концентрацию СО2 не стоит.
3. Следует учитывать, что концентрация СО2 зависит от температуры.


Мы выяснили, что в аквариуме для оптимального роста растений нужно поддерживать pH = 6,8–7,2. Вода попадающая в аквариумы бывает:

• Мягкая вода с KH = 2–5 сама по себе кислая, и буферизируется на уровне pH = 6,0–7,3, потому что больше углерода в ней содержится в форме углекислого газа [CO2] а не угольной кислоты [H2CO3]. Значит, во избежание падения pH ниже нормы при подаче углекислого газа минимальный уровень kH до подачи CO2 в аквариум должен быть KHmin.=4.0.

Почему не больше? Потому что если начальный уровень KHmax. ≥ 7,0, т.е. вода слишком жесткая, она будет иметь начальный pH ~ 7,8, и для для достижения нужного уровня pH потребуется превысить предельно допустимую для рыб концентрацию CO2 в 30 мг/л. В этом случае просто не получится снизить pH до оптимального уровня.

Если же KH слишком низкий (KH < 2), при завышенной подаче CO2 или повышении уровня нитратов возникнет угроза внезапного резкого падения уровня pH ниже 6,8, что губительно для растений и рыб.

Для поддержания стабильного pH вода до начала подачи CO2 должна иметь минимальный уровень KHmin. = 4, чтобы в любой момент не исчерпался карбонатный буфер воды, и это не привело к резкому падению pH.

Растворенный в воде CO2 максимально поглощается растениями только при KH = 3,5-4,0.

Таким образом уровень карбонатной жесткости KH приобретает важную роль в интенсификации роста растений. Повысить KH можно внесением поваренной соды. Общая жесткость GH является несущественным фактором и второстепенна для аквариума с растениями. GH не особо влияет на рост растений, но не должна быть слишком низкой или слишком высокой для здоровья рыб.

• Жесткая вода. Если водопроводная вода имеет KH выше чем 7,0, вы не сможете достичь нужного уровня pH = 6,8-7,2, потому что концентрация CO2 превысит предельно допустимую для рыб – 30 мг/л. Нужно умягчить воду, смешав с водой полученной после фильтрации методом обратного осмоса (ее KH = 0).

• Повысить карбонатную жесткость слишком мягкой воды без повышения общей жесткости GH можно добавлением поваренной соды (бикарбонат натрия, sodium bicarbonate) [NaHCO3] – 1 чайная ложка на 50 литров повысит dKH на 4 градуса. Повысить, одновременно GH и KH до 4 dKH и 4 dGH можно внеся 2 чайные ложки карбоната кальция [CaCO3] на 50 литров воды.

Не используйте для повышения жесткости воды толченый известняк – это нарушит катионный баланс воды.

Что делать, если карбонатная жесткость воды (KH) слишком высока?

Можно умягчить воду до требуемых KH = 4 путем очистки жесткой водопроводной воды методом обратного осмоса и смешивая ее с водопроводной. Если карбонатная жесткость воды KH намного выше чем требуется (≥ 7.0), и нет возможности умягчить воду, подавать CO2 нужно до достижения концентрации не более 30 мг/л при pH = 7,0.

Например: в аквариуме вода ДО подачи CO2 была kH = 10, настроить подачу CO2 (из расчета что при при KHmin = 4 градуса, подача должна быть:
1 пузырек в минуту на 10 л живого объема аквариума, затем раз в день измерять pH (в середине осветительного периода аквариума), если pH выше 7,0 понемногу увеличить подачу углекислого газа. Когда подача CO2 будет такой что pH = 7,0 это и будет оптимальная подача углекислого газа в ваш аквариум. Еще раз измерить несколько понизив шееся от подачи CO2 значение KH, и по таблице узнать концентрацию CO2. При KH = 6,0 и pH = 7,0 концентрация CO2 будет 18 мг/л, причем утром pH будет 6,8 а вечером 7,2.

Если KH воды более 7,0, вам не удастся понизить pH до нужного значения 6,8–7,2 поскольку при этом будет превышение допустимой концентрации CO2 для рыб (30 мг/л).

В густо засаженном растениями аквариуме, свет включается в 10 утром, и выключается в 21 вечером. Ночью, когда света нет, растения дышат 11 часов, выделяя CO2 который понижает pH, соответственно pH упадет к утру до 6,8. Когда утром свет включается, растения одновременно и синтезируют и дышат, потребляя CO2 и выделяя кислород – pH начинает повышаться. В полдень pH поднимется до 7,0, и будет продолжать расти вплоть до 21:00 вечера, до 7,2. С выключением света pH снова начнет постепенно падать, потому что растет концентрация CO2.

Чем более активно растут растения, тем больше они потребляют CO2 в течение дня, и тем сильнее к вечеру повысится pH.

Т. Амано говорит: “Для определения сколько растения потребляют CO2 можно сравнить уровень pH утром и вечером. Наименьший уровень pH будет утром – перед включением света, после ночи дыхания рыб и потребления ими кислорода и выдыхания CO2, а наивысший уровень pH будет вечером, перед выключением света, после дня потребления CO2 растениями и производства кислорода. Чем больше эта разница, тем больше потребление CO2 и соответственно здоровее ваши растения.”

На pH влияют два фактора: нитраты [NO 3] понижающие pH, которые сами по себе кислоты, и нитрифицирующие бактерии, выделяющие CO2, который тоже понижает pH. Нитраты понижают pH – проще это запомнить так: нитраты это nitric acid – кислота, и если увеличивается количество кислоты, увеличивается кислотность воды, то есть pH понижается, т.е.: чем больше кислоты (нитрата), тем кислее вода (pH все меньше 7.0). Кислота подкисляет воду!

Так как нитраты [NO 3] постоянно образуется в аквариуме биологическим путем (они является конечным продуктом окисления аммония), это объясняет, почему со временем уровень нитратов (кислот) повышается, а pH понижается, если плохо растут растения и недостаточна еженедельная подмена воды.

Углекислый газ очень легко выветривается из воды в окружающий воздух, также легко как и при взбалтывании бутылки с газированной водой, поэтому нужно полностью исключить движение поверхности воды.

Для этого:

• НИКОГДА не применяйте аэрацию воды, в аквариуме с растениями она просто не нужна!
• всегда размещать выходной патрубок канистрового фильтра ниже уровня воды,
• не использовать разбрызгиватель на возврате воды в аквариум из фильтра,
• в случае применения помп для создания движения воды располагать их так, чтобы исключить движение поверхности воды.

Систем подачи CO2 в аквариум существует несколько:

• баллонная с заправкой баллона сжатым CO2,
• самодельная методом брожения,
• новый метод электролиза от устройства Carbo-Plus или фирмы VELDA,
• реакторы фирмы SERA на таблетках и со счетчиком пузырьков.

В своей аквариумной практике я иногда использую мобильные содовые реакторы для получения углекислого газа – сода + лимонная кислота в равных пропорциях. (Вода попадает в зону реакции через распылитель).

Такую подачу СО2 я применяю для стимуляция «точки роста» в случаях застоявшегося растения при уменьшения размеров листьев и пробуждения его.

Расположив реактор возле такого растения ему можно помочь.

При этом освещенность аквариума 0,5 ватт\л температура воды углекислый газ из реактора идет под атмосферном давлении плюс столб жидкости, из расчета 1 л СО2 на 100 л аквариума за сутки.

Литература:
1. Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen “CO2 and light stimulate the growth”, 1994
2. “Modern Aquascaping”, by George and Karla Booth, Copyright 2000,
3. “Water Plants 101, A basic Introduction to the physiology and ecology of aquatic plants”,
4. CO2 for Landscaped Aquariums – TFH, 06/00
5. CO2 Supplementation

Источник: "Современный Аквариум", 2006

Довольно старая статья, касается в первую очередь последнего параграфа про системы( и пиар фирмы Сера, которая к слову ничего для СО2 сама не производит). Не забывайте указывать источник откуда скопипащено)))

Не забывайте про ВНИМАТЕЛЬНОСТь и читайте мелкий шрифт!

а мне понравилась,спасибо,кое что интересное узнал... анализирую...

Ну значит не зря выковыривал из электронного журнала и переформатировал текст из колоночного типа в обычный. :)

у СО2 нужно стехеометрический коэффициент исправить с еденицы на шесть.

И чё??

Чего вы к этому кислороду цепляетесь? Фотосинтез направлен на образование крахмала, а кислород- побочный продукт фотолиза воды в световой фазе. Он собсна и не нужен, ибо траву там, в первую очередь, интересует электрон)