Краткое резюме о CO2.
Растения на 40-50% состоят из углерода, поэтому для аквариума с растениями подача достаточного количества CO2 является первоочередной задачей. Подача CO2 усиливает рост растений в несколько раз. Основной источник углерода для растений – растворенный в воде CO2. Интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого CO2 и наоборот. Оптимальная концентрация CO2 в аквариуме с растениями 15-30 мг/л. Предел для рыб - 30мг/л. Усредненная подача CO2 рассчитывается так: при kHmin=4 градуса подача должна быть 1 пузырек в минуту на 10л живого объема аквариума. Углекислый газ не вытесняет из воды кислород. Нитраты и подача CO2 понижают pH. Оптимальный pH=6,8-7,2. Для получения такого уровня pH нужно чтобы вода была KHmax.=6. Во избежание обвала pH, минимальный безопасный уровень kHmin=4. В течение суток pH изменяется: понижается к утру и повышается к вечеру. Концентрацию CO2 в аквариуме определяют по формуле, измерив сначала kH и pH:
CO2=3.0 x kH(град.) x 10^(7.00 - pH)
Подавать в аквариум CO2 можно от баллона со сжатым углекислым газом или методом брожения.
Ничто так не улучшает рост растений как подача CO2, так как углерод © - основной строительный материал клеток растений. Если растения погибали, росли очень медленно, или даже росли умеренными темпами, подача CO2 ускорит рост в 4-6 раз!
Подавая углекислый газ (CO2) в аквариум (при хорошем свете и внесении сбалансированных жидких удобрений) вы будете поражены темпами роста ваших растений. Без подачи CO2 вы просто ждете, пока погибнут ваши растения! При быстром росте растений после начала подачи CO2 очень скоро начнут проявляться признаки нехватки питательных веществ так как растения быстро используют все железо, калий, магний и прочие микроэлементы, так что подачу углекислого газа можно использовать ТОЛЬКО в сочетании с ежедневным внесением жидких удобрений.
Систем подачи CO2 в аквариум существует четыре:
- баллонная (> $150) с заправкой баллона сжатым CO2
- методом брожения из садового опрыскивателя ($10)
- методом электролиза при помощи устройства Carbo-Plus ($110-150) или фирмы VELDA
- и даже просто внося в воду глутаровый альдегид.
Зачем растениям CO2?
Для хорошего роста растениям нужны четыре вещи:
- свет достаточной интенсивности, подходящего спектрального состава и длительности
- постоянная подача CO2
- питательные вещества и микро-элементы
- грунт с нужными свойствами.
Каждый аквариумист должен понять - растения состоят из углерода (C) на 40-50% (сухого веса), а в аквариуме без подачи 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 CO2 по реакции:
CO2 + 6 H2O + 674.000 кал —> C6H12O6 + 6H2O
или CO2 + 2H2O –> (CH2O) + O2 + H2O
Как видно это невозможно без достаточного количества CO2.
По этой формуле также видно, что процесс фотосинтеза растений требует определенного уровня энергии света (~674,000 кал). Если свет недостаточно яркий, фотосинтез происходить не будет. При уровне освещенности близком к оптимальному, фотосинтез будет происходить все быстрее и быстрее.
Данные научных исследований (1994) фирмы Tropica, крупнейшей компании по выращиванию аквариумных растений, показали, что в природе, при достаточном количестве питательных веществ, CO2 вместе со светом являются главными лимитирующими факторами роста растений. При условии насыщения воды всеми питательными веществами, в компании Tropica две недели наблюдали результаты по выращиванию ричии, и получили следующие результаты:
- нет подачи СО2 + низкая освещенность - рост растений = 0. (за две недели почти никакой прибавки массы листьев)
- при малой подаче СО2 + низкой освещенности рост увеличивается в 4 раза (по причине низкой точки компенсации, LCP у водных растений)
- малой подаче СО2 + высокой освещенности рост усиливается в 6 раз.
- при сильной освещенности + высокой подаче СО2 1 грамм ричии вырастет в 6,9 грамм, это дает ежедневный прирост массы на 9,2%!
Если подавать много CO2 при слабой интенсивности света получим совсем незначительное усиление роста растений (зеленая линия), как и при усилении одного только освещения (синяя линяя). Но при сильном свете и большой концентрации CO2 в воде (~15-25 мг/л) эффект просто потрясающий (красная линия). При интенсивности освещения ниже точки компенсации света (LCP) рост растений останавливается, и энергии света хватает только на поддержание жизни растения (желтая линия).- при малой подаче СО2 + низкой освещенности рост увеличивается в 4 раза (по причине низкой точки компенсации, LCP у водных растений)
- малой подаче СО2 + высокой освещенности рост усиливается в 6 раз.
- при сильной освещенности + высокой подаче СО2 1 грамм ричии вырастет в 6,9 грамм, это дает ежедневный прирост массы на 9,2%!
Даже средний уровень подачи CO2 в плохо освещенном аквариуме приводит к 4-х кратному увеличению роста растений, потому что может производится 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 + подачи CO2 превосходит эффект от повышения только одного из них.
Этот график подтверждает истину что каждый фотон независимо от угла падения на лист растения используется для реакции фотосинтеза, т.е. использование в процессе этой реакции молекул CO2 напрямую зависит от интенсивности освещения.
• Из вышеизложенных фактов следует что: интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого в аквариум CO2 и наоборот.
• Если освещение в аквариуме слабое, все равно стремитесь к достижению концентрации CO2 не менее 15 мг/л (это малая подача)! Еще лучше - всегда поддерживать ~30мг/л.
У подавляющего большинства любителей растений, не владеющих правильной методикой, недостаток света и отсутствует подача CO2, поэтому темпы роста растений соответствуют желтой линии, в лучшем случае зеленой. Увеличив только свет, вы улучшите рост и получите синюю линию, но в этом случае возникает угроза появления водорослей. И только приведя освещенность в норму и сделав подачу CO2, ускорение роста будет в несколько раз (красная линия)! Это заставит растения расти невиданными темпами.
Зачем это нужно?
Во-первых, вы не будете ждать несколько месяцев пока композиция приобретет запланированный вид - это произойдет всего за 1,5-3 месяца; во вторых - это дает возможность часто подрезать растения и точно формировать композицию; в третьих - только достаточно молодые листья водных растений имеют идеальное состояние и соответственно, идеальный внешний вид. Только при очень быстром росте растений можно получить совершенный аквариум, подобный работам Takashi Amano.
Почему именно CO2 ?
Растениям углерод доступен в двух формах: газообразной в виде оксида углерода (CO2), и растворенной в воде как бикарбонат (HCO3-). Растения предпочитают потреблять CO2 не из бикарбоната, а как чистый CO2 без больших энергетических затрат, кроме того многие растения не могут напрямую утилизировать бикарбонат для фотосинтеза. Растворенный в воде оксид углерода (CO2 - углекислый газ) дает растениям самый лучший и наиболее легко ассимилируемый источник углерода.
Какая концентрация CO2 нужна растениям?
Оксид углерода CO2 хорошо растворяется в воде. Концентрация CO2 в воде и воздухе уравнивается при 0,5мг/л. К сожалению CO2 растворяется в воде в десять тысяч раз медленнее чем в воздухе. Эта проблема решается относительно толстым недвижимым слоем (unstirrable layer или Prandtl boundary) который окружает листья водных растений. Недвижимый слой водных растений это слой спокойной воды, через которую газы и питательные вещества должны диффундировать, чтобы достичь листьев растений. Его толщина около 0,5мм, что в десять раз толще, чем для наземных растений. Как следствие этого, чтобы обеспечить оптимальный фотосинтез водных растений концентрация свободного CO2 в воде должна быть порядка 15-30мг/л, при этом нельзя превышать предельно допустимую концентрацию CO2 для рыб 30мг/л.
Низкая растворимость CO2 в воде, относительно толстый недвижимый слой и высокая концентрация CO2, нужная для обеспечения фотосинтеза подсказали одному ученому утверждение: “Для пресноводных растений, естественный уровень соединений углерода в воде является главным сдерживающим фактором фотосинтеза…” ADA, используя диффузор и отключение CO2 на ночь, подает углекислоту до значительно больших значений, хотя из-за интенсивного потребления растениями, концентрация в воде не превысит 30мг/л. Получаемый туман из мелких пузырьков дает газообразный CO2, что значительно ускоряет рост растений.
CO2 И Кислород.
Вопреки распространенному заблуждению, углекислый газ не вытесняет из воды кислород и не ограничивает его доступность для дыхания рыб - они успешно сосуществуют. Наоборот, благодаря хорошему росту растений концентрация кислорода днем, когда растения активно фотосинтезируют, достигает 11 мг/л, что намного выше 100% границы насыщения при температуре воды 24С, 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%).
Отключение CO2 на ночь.
Что касается вопроса выключать подачу CO2 на ночь или нет, то здесь есть два мнения. Одни источники утверждают что этого делать не нужно. Считают что если в аквариуме до 1200 литров нормально буферизированная вода (с dKH=2-4), и он не перенаселен рыбами, содержание кислорода к утру остается достаточно высоким (8мг/л), а pH более-менее стабилен. Использование подачи CO2 по ADA при помощи диффузора имеет свои особенности, позволяет отключать подачу газа на ночь без опасений, и дает неожиданно хороший эффект (рисунок выше - красная линия)!
Максимальный фотосинтез происходит утром, когда в воде много свободного CO2, а уровень O2 и солнечной иррадиации наиболее низкие значительно больше чем при равномерном и потребление CO2 эффективнее, поэтому включать подачу CO2 за 1-2 часа до включения света не нужно. Поэтому так важно при отключении подачи CO2 на ночь утром перед включением света как можно больше насытить воду углекислотой. Для этого подачу CO2 включают за 1-2 часа ДО включения света.
Баланс света и CO2
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.” Оlaf Deters говорит, что слишком много света без соответствующей подачи CO2 приносит растениям только вред. Для фотосинтеза растений не всегда нужно очень много CO2, что видно из формулы фотосинтеза: 6 CO2 + 12 H2O –> C6H12O6 + 6 H2O. При этом растения могут выделять кислород (активно фотосинтезировать) даже БЕЗ поступления питательных веществ! Это не может продолжаться долго. Растения становятся все более слабыми несмотря на активный фотосинтез. При этом потребление ими фосфатов и азота из воды уменьшается, а этим сразу воспользуются водоросли.
Если много света но недостаточно CO2, растения не будут активно расти и появятся водоросли. Вносимые жидкие удобрения (например PMDD) еще больше усугубят проблему. С другой стороны если недостаточно света, а CO2 подается много, растения не потребляют CO2 и его концентрация может превысить допустимый предел став токсичной для рыб и беспозвоночных (>30мг/л). Некоторые растения более светолюбивые чем другие, например длинностебельные с очень тонкими листьями. Требуя больше света они, соответственно, требуют и большей подачи CO2! Как говорил 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 NA 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.
Сколько подавать CO2
Как сделать pH и насыщение воды CO2 идеальными для растений? Сделать в аквариуме KH=min.4 градуса, и отрегулировать подачу CO2 так, чтобы pH установился на уровне 6,8 утром и 7,2 вечером - в результате средняя концентрация CO2 будет ~15-30мг/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 (acidity). Ее определяет негативный логарифм количества гидроксидных ионов (H+) в воде - чем их больше, тем ниже pH. pH реакция воды может быть кислой (мене 7,0), нейтральной (pH=7,0) или щелочной (pH>7.0).
Карбонатная жесткость kН (т.е. карбонатная жесткость) это мера щелочности воды. KH указывает на способность удерживать pH на определенном уровне, то есть является показателем буферных свойств воды. Она постоянно изменяется, поэтому ее называют 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 подачи CO2), тем ниже уровень pH.
В природе концентрация CO2 в воде редко бывает столь высока как того требует подводный сад, но в естественных водоемах соотношение поверхности воды, через которую поглощается CO2, к массе растений несоизмеримо больше чем в аквариуме, и его запасы постоянно возобновляются течением и выделением из донных отложений. Без искусственного обогащения воды CO2 весь доступный в аквариуме углекислый газ будет использован растениями за первые час-два после включения освещения и рост остановится.
На практике темпы подачи можно определить так (при 100% эффективности реактора):
при kH=2-4 подача должна быть 1 пузырек в минуту на каждые 10л воды в аквариуме. Это даст CO2=7-19мг/л при pH=6.8-7.2.
Если kH выше то по формуле: (kH x объем воды в аквариуме) / 30.
О том, как использовать значительно большие концентрации, говорилось выше.
Эти рекомендации дают только ориентировочные безопасные рамки подачи CO2.
Ориентируясь по темпам роста растений, состоянию креветок и перлингу, при помощи диффузора-помпы или реактора конструкции Tom Barr можно подавать микро-пузырьки CO2 и получить максимальный эффект.
Влияние CO2 на pH
СО2 понижает pH.
При подаче CO2 в аквариум в воде образуются небольшие количества угольной кислоты [H2CO3] (0.1-0.2%), она диссоциирует на ион [H+] и бикарбонат [HCO3-] (основа KH), концентрация ионов H+ увеличивается, понижая рН - значит подавая СО2 мы можем понижать рН в аквариуме одновременно давая важнейший питательный элемент для роста растений – углерод ©. С понижением pH в воде увеличивается доля углерода в форме CO2. (см. ниже в разделе “pH”).
Так как на значение pH влияет карбонатный буфер KH и концентрация CO2 в воде, то взаимосвязь {pH <-> KH <-> растворенный CO2} является жесткой. В связи с тем что pH в основном определяется наличием карбонатного буфера KH, количество подаваемого CO2 зависит от того, какой нам нужен уровень pH в аквариуме с растениями. То есть в тройке {pH - KH - CO2} pH и KH являются заданными величиинами, а подача CO2 будет регулироваться для обеспечения одновременно оптимального уровня pH=6.8-7.2 и концентрации углекислого газа в воде. Для получения оптимальной концентрации CO2=15-30мг/л и pH=6.8-7.2 вода должна быть с исходным KH=2-8, что соответствует воде с общей жесткостью dGH=4-10.
Но какими должны быть kH и pH?
pH
Оптимальным для роста растений является pH=6.8-7.2. Почему именно 6,8-7,2?
Растениям нужно много CO2. Для хорошего роста растений нужно много CO2. Как говорилось ранее, для растений лучший источник углерода это CO2. Но в воде углерод может существовать в двух формах: углекислого газа CO2 растворенного в воде, и бикарбоната [HCO3-]. Растворенный в воде газообразный CO2 непосредственно поглощается растениями путем диффузии через стенки клеток. Бикарбонат же содержит химиически связанный CO2 - то есть НЕ доступный для непосредственного потребления растениями - они должны сначала поглотить HCO3- и уже внутри клеток извлечь CO2. Это сложный и энергоемкий процесс, и не далеко все растения могут это делать (подробнее).
В мягкой и кислой воде с pH<7.0 большинство углерода (~70%) будет находится в виде CO2 прекрасно усваиваемого растениями, и только 30% в виде бикарбоната [HCO3-], то есть: чем ниже pH, тем больше углерода находится в легко доступной для растений форме – растворенном в воде газообразном CO2! Это говорит о том что при равной подаче CO2 в аквариуме с мягкой водой с KH=2-6 (dGH=4-6°) растения получают больше CO2 чем в аквариуме с более жесткой водой.
Стабильность pH при протекании биологических процессов в аквариуме.
Буферизация это результат действия химических свойств слабых кислот. Когда слабая кислота диссоциирует в воде, отношение сформировавшихся пар кислота-основание имеет логарифмическое отношение. Если распечатать график отношения кислота/щелочность (acid-bace ratio) относительно pH, увидим что выше или ниже определенного значения pH, кривая зависимости практически плоская, то есть когда кислоты или основания добавляются в воду, pH не будет существенно изменяться! При определенном pH, называемом точкой равновесия, кривая практически плоская, означая что добавление кислот и оснований очень мало изменят pH. Заметьте что может быть больше чем одна точка равновесия, и они разные для разных кислот.
Нас же интересует угольная кислота [H2CO3], точка равновесия которой pH=6.37. Это идеальное значение для аквариумных растений, так как желаемый уровень pH чуть-чуть выше этого значения и обычно имеет тенденцию к понижению потому что в аквариуме кислоты, которыми являются нитраты [NO3] (nitric acid), постоянно производятся биологическим путем. Так как начальный уровень pH ВЫШЕ точки равновесия и любое смещение будет по направлению к ней, довольно много кислоты может быть «буферизировано» перед тем как pH упадет ниже этой точки. В этом залог стабильности pH, и таков pH (6,8-7,2), выбранный T. Amano как оптимальный для Nature Aquarium.
Прим.: возможно на этом явлении основан метод Krause определения оптимального pH воды для конкретного аквариума. По моим данным он всегда дает pH=6.8.
Соотношение аммония NH4+ и токсичного аммиака NH3.
Аммоний [NH4+] может существовать и в форме аммиака [NH3], который очень токсичен для всего живого (токсичен уже при концентрации 0,06 мг/л). Соотношение аммоний NH4+/аммиак NH3 в аквариуме в основном зависит от значения pH. Чем ниже pH, тем меньше токсичного аммиака. При pH=7.0 его только 0,5%, но при повышении pH до 7,5 аммиака уже 4%. То есть в восемь раз больше! Простое правило: при pH больше 7.0 начинает значительно увеличиваться доля токсичного аммиака. При pH=6.8-7.2 в NA будет доля токсичного аммиака [NH3] в пределах 0,4-0,8%. Так как в NA поддерживается очень низкий уровень аммония/аммиака, то даже при ухудшении ситуации, pH в пределах 6,8-7,2 гарантирует отсутствие токсичного аммиака [NH3].
Активность нитрифицирующих бактерий.
При pH=6,6 нитрифицирующая деятельность бактерий составляет примерно 85% от максимального уровня. Это значит что в NA при pH=6.8-7.2 бактерии никогда не работают на максимуме, и при незначительном ухудшении параметров воды всегда смогут немного увеличить активность и справится с увеличившейся нагрузкой, сохранив стабильность аквариума. Таким образом создается такой же запас стабильности, как и в описанном выше примере с точкой равновесия pH. (Наиболее активно нитрификация протекает при pH=7,5-8,5; ниже pH7,5 она замедляется.)
KH
Теперь нужно определить какое должно быть значение KH. Мы выяснили, что в аквариуме для оптимального роста растений нужно поддерживать pH=6.8-7.2. Мягкая вода с kH=2-5 сама по себе кислая и автоматически буферизируется на уровне pH=6.0-7.3 потому что большинство 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 30мг/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.
Далее. Вы помните, что взаимосвязь {pH - kH - CO2} является жёсткой, значит по Таблице 1 зависимости одной величины от другой по требуемому pH и заданному KH можно определить, какая будет концентрация CO2 при выбранных нами kH и pH.
По таблице видно, что при pH=6.8-7.2 и KH=4-5 концентрация CO2 будет 7,6-23,8 мг/л. Подавая в воду такое количество CO2 при KH=4-5 мы получим и оптимальный pH, и оптимальное насыщение воды CO2 для бурного роста растений в аквариуме.
Растения максимально эффективно потребляют CO2 при KH=3.5-4. Чем ниже pH (<7.0), тем больше в воде легко потребляемого растениями растворенного CO2. Таким образом уровень карбонатной жесткости kH приобретает важную роль в интенсификации роста растений.
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).
Статья из журнала "Живая Планета" №1 за 2019 год.
http://journal.world-fauna.com/
Им глубоко все равно откуда их потреблять. А еще из гидрокарбонатов они могут потреблять углерод. Правда не все. 
А то мы так и до медалек доживем)))
Это надо сохранить!