КИСЛОРОД, УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ, СЕРОВОДОРОД, АЗОТ В ВОДЕ
Усвоение животными кислорода и удаление углекислого газа столь же необходимо, как пищеварение и усвоение пищи, и является основой всех процессов жизнедеятельности. Потребность в кислороде определяется энергетическими затратами организма на движение, работу внутренних органов, обеспечение потребностей каждой клетки тела. Следует различать физиологические процессы обмена кислородом и углекислым газом между организмом а внешней средой (газообмен) и биохимические процессы использования кислорода и образования углекислого газа в клетках (тканевое или клеточное дыхание). Газообмен - очень важный для организма процесс, эффективность которого обеспечивает в конечном итоге его выживание.
И кислород, и углекислый газ (СО3, другое название - диоксид углерода) представляют собой газоообразные вещества, именно в таком виде они усваиваются или выделяются наземными животными. Их соотношение в атмосферном воздухе составляет в среднем 700:1, что создаёт благоприятные возможности для дыхания. В воде это соотношение совершенно иное. Вследствие ограниченной растворимости максимальное содержание кислорода в воде приблизительно в 20 раз меньше, чем в воздухе. Углекислый газ в отличие от кислорода способен не только растворяться, но и реагировать с водой химически, образуя угольную кислоту. Физический процесс растворения углекислого газа протекает главным образом в кислой среде. В нейтральной и особенно щелочной среде значительная часть диоксида углерода вступает в химические реакции с содержащимися в воде солями.
Худшая (по сравнению с наземными животными) обеспеченность водных животных кислородом в известной мере компенсируется лёгкостью отдачи диоксида углерода, обусловленной его химическим связыванием. Хотя таким образом и облегчается газообмен, в специфических условиях водной среды остаётся нерешённой главная проблема - доступность кислорода. Это послужило причиной возникновения самых различных приспособлений организмов.
Известно, например, что на разных стадиях своего индивидуального развития животные по-разному переносят дефицит кислорода. Так, у рыб, обитающих и размножающихся в озёрах с пониженным содержанием кислорода, часто встречается мелкая икра. Это приводит к увеличению отношения поверхности икринки к её объёму, что облегчает газообмен. Икра других рыб имеет приспособления, обеспечивающие её развитие на богатой кислородом поверхности или в толще воды. Кажущееся на первый взгляд непонятным наличие у многих рыб проточных вод придонной икры связано с гораздо лучшей обеспеченностью их кислородом в сравнении с придонными зонами стоячих вод. Таким образом, для большинства рыб (как и для других водных животных) кислород очень часто является фактором, лимитирующим их развитие и расселение.
Как уже говорилось, углекислый газ является одним из конечных продуктов обмена веществ живых клеток. Газообмен гидробионтов, а также растворённый в воде углекислый газ воздуха - основные источники диоксида углерода в водоёмах. Растворение СО3 сопровождается образованием и диссоциацией угольной кислоты и способствует подкислению водной среды. В свою очередь, поглощение СО2 растениями в процессе фотосинтеза уменьшает активную реакцию водной среды (PH), которая при значительном развитии фитопланктона в период цветения водоёмов смещается в щелочную сторону. При этом растения не только полностью потребляют растворённый СО2, но и способствуют переходу гидрокарбонатов в карбонаты. Растения, в отличие от животных, страдающих от повышения содержания СО3 в воде, отзываются на это усилением фотосинтеза.
Углекислота, или двуокись углерода, при растворении в воде образует слабую кислоту (в литературе её часто называют также угольной кислотой). Но аквариумист не должен путать разные термины, когда они записаны в виде химических формул: Уголь - С (от Саrboneum, уголь). Окись углерода, угарный газ - СО. Двуокись углерода, углекислый газ - СО (газ без запаха и цвета, содержится также в подкормках для растений). Угольная кислота - H2CO3 (растворённая в воде двуокись углерода; слабая кислота).
Первый вывод: углекислота делает воду кислой. Это и есть та самая причина, по которой на водопроводных станциях у воды перед пуском её в потребительскую сеть понижают кислотность. Кислота агрессивна и могла бы воздействовать на систему трубопроводов. Любая природная вода содержит углекислоту в разных количествах, в растворённой или связанной форме. Углекислота связывается с соединениями кальция и магния, иными словами: чтобы в воде был кальций, там должно быть и некоторое количество свободной углекислоты.
Если содержание углекислоты избыточно, ее называют свободной или растворённой. Чем выше доля бикарбоната кальция в воде, тем выше и доля связанной углекислоты. Под удобрением CO2 в аквариумистике подразумевается подкормка аквариумных растений углекислым газом с помощью диффузора. Чтобы усваивать углекислоту, растениям нужно много света. Только благодаря свету может начаться процесс ассимиляции, а основательное поглощение CO2 листья растений доказывают тем, что выпускают крошечные пузырьки кислорода. Если подача углекислоты в аквариумную воду чрезмерна, это скажется на понижении показателя PН. Слишком сильный приток углекислоты мешает свободному дыханию рыб и приносит вред: рыбы зависают прямо под поверхностью воды и пытаются пропустить через свои жабры богатую кислородом воду.
В нарушенной аквариумной среде на верхней стороне листьев растений иногда появляются известковые отложения. Это явление, называемое “биогенным отложением извести” или "бикарбонатной ассимиляцией”, проявляется тем сильнее, чем выше карбонатная жёсткость воды при одновременном мощном освещении. В таком случае из-за недостатка углекислоты процесс идет в обратном порядке. Так как свободной или растворённой углекислоты нет, то растения поглощают нижней стороной листа бикарбонат кальция, растворяют внутри листа связанную углекислоту и выпускают с верхней стороны гидроокись кальция - Са(ОН)2. При этом карбонатная жёсткость воды уменьшается, а показатель PН возрастает. На листьях виден сероватый налёт, и поверхность их на ощупь становится довольно жёсткой (как бы посыпанной порошком).
Многим аквариумистам известно, что в мягкой воде растения развиваются плохо. В первую очередь это связано с тем, что отсутствие извести - это отсутствие амортизатора для углекислоты. С другой стороны, при использовании так называемого удобрения CO2 вполне достаточно небольшой добавки углекислоты, чтобы обильно подпитать растения. В ночное время процесс ассимиляции приостанавливается, а потому подкормку растений CO2 тоже надо прекратить.
Источник кислорода для аквариумных рыб - водные растения и атмосферный воздух. Если поверхность аквариума достаточно велика, а уровень постоянно перемешиваемой воды низок, в этом случае значительное количество кислорода поступает из воздуха. Такой тип аквариума обычно применяется как нерестилище; в них не должно находиться большое количество рыб. В обычном аквариуме, где поверхность воды небольшая, а уровень высок, атмосферного кислорода поступает в воду немного.
Для насыщения воды кислородом существует два способа: механический и биологический. Первый - это аэрация аквариума с помощью компрессора. Об этом способе мы подробно расскажем в разделе: Аэрация и фильтрация. Поступающий при помощи распылителя воздух из нижних слоёв воды в аквариуме выходит на поверхность в виде пузырьков, при этом вода соприкасается с воздухом и обогащается кислородом. Второй способ - это выделение кислорода водными растениями.
При отсутствии в аквариуме водных растений, рыбам не хватает кислорода; в таком случае они держатся на поверхности воды под углом 45 градусов и усиленно хватают воздух ртом. Такое кислородное голодание часто приводит к заболеванию и гибели рыб. Если в аквариуме избыток растений, он должен хорошо освещаться, чтобы происходил процесс фотосинтеза и выделения кислорода, иначе рыбы также могут погибнуть от удушья.
Кислород должен быть растворен в любом аквариуме в возможно большем количестве. Кислород - это газ, чья растворимость в воде зависит от температуры: чем теплее вода, тем быстрее улетучивается кислород. Его нельзя рассматривать только как элемент, необходимый для жизни рыб: очищение воды от ядов тоже зависит от кислорода, потому что разложение ядовитых веществ обеспечивают в первую очередь кислородозависимые бактерии. Вода может поглощать кислород повсюду, но в природных водах (реки, озера, пруды) это происходит почти исключительно на поверхности. Вода колодцев и источников кислородом поэтому бедна.
Если аквариумная вода активно обогащается кислородом за счёт подачи внешнего воздуха, то он может вытеснить имеющуюся углекислоту. В литературе по аквариумистике часто используется термин “насыщение кислородом”.
Да, действительно можно достичь не только насыщения, но и перенасыщения воды кислородом, если за счёт ассимиляции растений он скапливается в избыточном количестве. Поглощение кислорода определяется температурой воды. Чем холоднее вода (над точкой замерзания), тем больше кислорода она может принять. Это касается и других газов, например, углекислого, хотя и в ином масштабе.
В дальнейшей практике Вы можете использовать следующую таблицу:
| Температура воды в°С | Насыщение кислородом в мг/л |
| 14,2 | |
| 12,1 | |
| 10,0 | |
| 9,2 | |
| 8,2 | |
| 8,0 | |
| 7,7 | |
| 7,5 | |
| 7,3 | |
| 7,1 | |
| 6,6 |
О чём же эта таблица сообщает аквариумисту? Если для размножения рыб или из-за необходимости терапии (лечения болезни) температура воды превосходит норму, соответственно нужно увеличить и подачу кислорода. Опытный аквариумист узнает по частоте дыхания своих рыб, когда наступил этот момент, Правда, если рыбы вдыхают быстрее, чем обычно, не надо делать вывода исключительно о недостатке кислорода. В этом могут быть повинны и другие вещи, например, отравление или жаберные паразиты (см. раздел: Болезни рыб).
Содержание кислорода в воде измеряется с помощью индикаторов, которые можно приобрести в специализированных магазинах.
Практический совет:
Избежать этих неприятностей можно, если установить оптимальный световой режим, проводить аэрацию воды с помощью компрессора, еженедельно заменять 1/5 часть воды со дна на свежую, сифонить грунт.
В высоких аквариумах без искусственной аэрации воды в придонных слоях возникает недостаток кислорода. В этом случае не съеденные рыбами остатки пищи, опустившиеся на дно, не окисляются, а гниют. Это происходит в том случае, если аквариумист даёт рыбам избыточное количество живого и сухого корма. В процессе гниения происходит выделение сероводорода, который может привести к гибели рыб. Такая же ситуация возникает и тогда, когда грунт в аквариуме состоит из очень мелкого песка, что препятствует проникновению кислорода внутрь грунта. Признаками присутствия сероводорода служат потемнение верхнего слоя грунта и запах протухших яиц со дна аквариума, из которого слита вода. В случае появления в воде сероводорода, необходимо регулярно аэрировать аквариум воздухом; также следует заменить песок на более крупный.
Азот плохо растворяется в воде и поэтому мало опасен для рыб. Однако в случае чрезмерной аэрации аквариума, под избыточным давлением пузырьки азота могут скапливаться и приводить к закупорке кровеносных сосудов рыб. Более опасны для них соединения азота, которые являются продуктами разложения органических веществ, таких, как остатки корма, экскременты и т.п. К таким соединениям следует отнести аммиак (NH3 ) и аммоний (NH4 ), которые могут проникать в ткани рыб. Соотношение этих веществ зависит от кислотности воды. При этом при высоком PH аммиак более ядовит, чем аммоний; при низком содержании кислорода в воде токсичность соединений азота увеличивается. Содержание аммония в количестве 0,2 мг/л допустимо, а такое же количество аммиака приводит к гибели рыб.
Практический совет:
При смене воды в аквариуме не доливайте сразу большое количество воды, поскольку в случае повышения уровня PH воды может произойти реакция, в результате которой аммоний может перейти в аммиак.
Под действием нитрифицирующих бактерий аммиак и аммоний окисляются сперва до азотистой (HNO2), а затем до азотной (HNO3) кислоты. Соли азотистой кислоты - нитриты неустойчивы, но даже малое их количество опасно для рыб, так как отрицательно влияет на гемоглобин крови, на ткани и сосудистую систему рыб; соли же азотной кислоты - нитраты менее ядовиты. При отсутствии в аквариуме растений, а также при перенаселении аквариума рыбами происходит избыточное скапливание нитратов, что, в свою очередь, приводит к превращению нитратов в нитриты.
Практический совет:
Чтобы избежать таких неприятностей следует каждую неделю менять 10-15% воды, а также не допускать перенаселения аквариума.