Биологическое равновесие, биобаланс в аквариуме

СО2

Любая природная вода содержит углекислоту в разных количествах, в растворенной 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 растворенной. 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 рН. 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 жесткость воды при одновременном мощном освещении. В таком случае из-за недостатка углекислоты процесс идет в обратном порядке. Так как свободной или растворенной 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 жесткость воды уменьшается, а показатель рН возрастает. На листьях виден сероватый налет, и поверхность их на ощупь становится довольно жесткой (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.

Кислород в травнике

Если концентрация этого газа в аквариумной воде 2 – 5 мг/л, то в таком водоеме и рыбы себя чувствуют хорошо и растения растут прекрасно (конечно, если остальные необходимые условия для их роста выполнены). Но стоит повысить концентрацию кислорода до 8 – 10 мг/л и рост растений угнетается. Причина здесь в изменении окислительно-восстановительных свойств воды, ее возросший окислительный потенциал переводит жизненно важные микроэлементы в состояние непригодное для растений. При концентрациях кислорода выше 2 мг/л почти все микроэлементы становятся малодоступными для растений.

Излишне высокий окислительный потенциал препятствует фотосинтезу. Внутри хлоропласта, в центре фотосинтеза величина окислительно-восстановительного потенциала должна сохраняться на очень низком уровне rH-0.83. Если же вокруг листа находится вода с высоким окислительно-восстановительным потенциалом, то растение должно защитить себя и справиться с разницей потенциалов, которая для свежей воды составляет ощутимую величину – почти 1 Вольт! Для этого они расходуют много энергии, порой больше, чем могут запасти при фотосинтезе. Эксперименты показали, что проблемы с такими трудными в культуре растениями, как барклая, маяка и красная кабомба заключаются как раз в том, что они не могут защитить свои фотосинтезирующие центры от воды с высоким окислительным потенциалом. Эти растения могут пострадать как в результате массивной подмены свежей водой, так и при резком усилении освещения. Подобные перемены для них должны производиться постепенно.

Свет и тепло

Освещение имеет большое значение для жизни аквариума и его обитателей. Велико влияние света на жизнедеятельность микроорганизмов, населяющих толщу воды и обеспечивающих переработку органических и минеральных веществ. Свет позволяет рыбам ориентироваться в пространстве, находить корм, особей своего вида и противоположного пола; только при наличии света можно наблюдать рыб, да и сами рыбы принимают полную окраску только при достаточном освещении. Освещенный аквариум является декоративным элементом интерьера. Особенно велико влияние света на водную растительность.

Для аквариумиста важны три характеристики освещения: общая освещенность, длительность освещения и спектральный состав света.

Освещенность — величина, характеризующая силу падающего света на единицу площади поверхности воды. Освещенность влияет на интенсивность роста аквариумных растений, измеряется в люксах. Один люкс (лк) соответствует освещенности, создаваемой световым потоком в 1 люмен на площади в 1 м². В природе освещенность открытой водной поверхности в солнечный день достигает 100 000 лк. Водоемы, из которых происходит большинство обитателей аквариума, часто прикрыты деревьями, крупными кустарниками; поверхность воды бывает затянута плавающей и поднимающейся со дна растительностью; кроме того, сама поверхность воды отражает часть света. Количество отраженного света зависит от угла падения световых лучей. Так при отвесном падении света отражается 2% света. Проходящий в воду свет поглощается и рассеивается следующим образом: на глубине 1 м в чистой воде поглощается 36% красного, 23% оранжевого, 7% желтого, 1,6% зеленого и 0,5% синего света. В воде постоянно присутствуют растворенные вещества и взвешенные частицы, которые также поглощают свет. Все эти факторы приводят к тому, что освещенность, при которой существует большинство водных организмов, составляет от 5 до 5000 лк. В аквариуме мы можем создать освещенность практически до 5000 лк (на поверхности), поэтому надо следить за тем, чтобы не было слишком мало света.

Потребности различных растений в освещенности сильно различаются: придонным растениям бывает достаточно 100 лк, тогда как некоторые плавающие на поверхности воды виды требуют не менее 2000 лк.

При очень низкой интенсивности освещения растение не может поддерживать положительный фотосинтез, и не выделяет кислород, а наоборот, потребляет его. Другими словами, процессы дыхания превалируют над фотосинтезом. Однако при некотором уровне освещения оба процесса выравнивают друг друга, это место на графике называется световой точкой компенсации растения. Дальнейшая интенсификация освещения будет почти линейно приводить к увеличению фотосинтеза. Затем, дальнейшее усиление освещения будет приводить к все меньшему увеличению фотосинтеза, пока наконец не дойдет до точки, где фотосинтез будет максимальным. Далее этой точки усиление освещения не будет увеличивать фотосинтез.

При слабом освещении и низком содержании CO2 растение не имеет возможность сколько-нибудь заметно регулировать количество хлорофилла или ферментов. Если к системе добавить немного больше CO2, растение начинает затрачивать меньше энергии и ресурсов в способность потреблять CO2, и сэкономленная энергии направляется на оптимизацию потребления света, а значит большее количество хлорофилла может быть произведено без фатальных последствий для энергетического баланса растения. Следовательно, хотя мы не повысили освещенность, растение может теперь использовать доступный свет более эффективно. Точно так же можно объяснить, почему увеличение освещенности может стимулировать рост даже при очень низком содержании CO2. При большем количестве доступного света на его потребление требуется меньше энергозатрат, и высвободившаяся энергия теперь может быть использована на повышение эффективности извлечения присутствующего в воде CO2.

Хотя все отдельные ресурсы трудно контролировать, все же мы способны определить, сколько света, CO² и питательных веществ в форме азота, фосфора, железа и микроэлементов, мы бы хотели предложить нашим растениям. Начнем с питательных веществ. Среднестатистическое аквариумное растения с приличным населением рыб в банке обычно имеет достаточно азота и фосфора. Что касается железа, кальция, марганца и других микроэлементов, то это весьма скользкий момент. Некоторые аквариумы хорошо спланированы с самого начала, например, в субстрат заложены латерит или другие удобрения, другие аквариумы – плохо. Однако в большинстве случаев, удобрения, не содержащие азот и фосфор, могут быть внесены в аквариум без особых проблем. Намного более трудная и дорогая задача – обеспечить адекватный свет в аквариуме. Люминесцентные или ртутные лампы высокого давления обеспечивают достаточное освещение, к тому же, если они еще и снабжены эффективными отражателями, но в глубоком аквариуме (более 50 см) очень трудно обеспечить хорошее освещение для маленьких светолюбивых растений переднего плана. Поэтому, основываясь на наших экспериментах, мы предлагаем начать с добавления CO² прежде, чем вы предпримете любые другие действия! Мы полагаем, что даже при очень скромном освещении, вы увидите заметное изменение в состоянии растений в вашем аквариуме. Точное количество CO² всегда можно обсуждать, но если вы не содержите очень чувствительных рыб, концентрации от 25 до 50 mg/l только улучшат рост растений, и вы сможете заметить, что те растения, которые до сих пор были способны только оставаться в живых, в присутствии CO² начнут процветать.

О соотношении рыб, количества корма, режима подмен и баланса протекающих процессов

Аквариумная система фильтрации не фильтрует какое-то количество воды, она фильтрует загрязняющие вещества.  Количество загрязняющих веществ определяется количеством корма, предоставленного обитателям аквариума. Фильтр, который может быть оптимальным для 100-литрового аквариума с 30 данио рерио, может не подходить для того же 100-литрового аквариума, если в нем поселить 10 крупных золотых рыбок. Почему? 10 золотых рыбок производят гораздо больше отходов, чем  30 данио, т.к. они едят гораздо больше. Сначала предположим, что вода в аквариуме оптимальна для рыб и полностью замещается каждый час новой водой. Открытая система. Такая среда относительно стабильна, пока поступающая вода не меняется. Наблюдается небольшое накопление аммиака (но он удаляется). Поскольку в биофильтре нет необходимости, нитриты и нитраты не производятся. Уровень pH стабилен и потребности рыб в кислороде обеспечиваются энергичной аэрацией. Такой аквариум позволяет содержать огромное количество рыб. Но это нереально для подавляющего большинства домашних аквариумов.

Теперь представим тот же аквариум в другой экстремальной ситуации: неограниченное снабжение водой отсутствует. Вода, изначально использованная для заполнения аквариума, это все, что имеется. Закрытая система. Новая вода не поступает в аквариум. Потому аквариумная вода должна быть пропущена через фильтр. Требуемая от фильтра функция – удалять взвешенные частицы, растворенные загрязняющие вещества и поддерживать низкий уровень аммиака. Если бы фильтры были 100% эффективны, они бы возвращали воду в то состояние, в котором она была при заливании в аквариум. Тогда плотность заселения рыбами была бы такой же, как и в первом примере. Системы фильтрации работают чудесно в идеальном мире. Но фильтры (и мир в целом) не идеальны: они не возвращают воду в изначальное состояние. А изменения воды ограничивают увеличение количества рыб.

Первый лимитирующий фактор – это не присутствие аммиака или нитритов и не pH, а кислород. Рыбам нужен кислород, чтобы дышать. Чем больше рыб, тем больше нужно кислорода. Но рыбы не единственные потребители кислорода в аквариуме. Бактерии также потребляют весьма значительную его часть. По мере увеличения количества рыб, увеличивается и количество аммиака, доступного для окисления, и количество отходов, подлежащих минерализации. А это способствует увеличению количества бактерий, необходимых для выполнения этих задач. А большее количество бактерий и увеличение бактериальной активности требуют еще большего количества кислорода. К счастью, кислород относительно легко обеспечить в аквариумах. Самые эффективные методы обеспечения кислородом создают существенное перемешивание у поверхности воды, т.е. именно там, где происходит газообмен.

Углекислый газ – второй лимитирующий фактор. Рыбы при дыхании выделяют углекислый газ. И поскольку определенные его концентрации токсичны для рыб (а также он понижает pH), количество углекислого газа нужно контролировать. Часто аквариумистов удивляет, что рыба может умереть от отравления углекислым газом («задохнуться») даже в воде, которая насыщена кислородом. Некоторые аквариумисты полагаются на растения в связи с потреблением углекислого газа и производством кислорода, но в плотно населенном рыбами аквариуме это не будет работать достаточно эффективно. Ночью, когда растения не фотосинтезируют, они начинают потреблять кислород. Это создает еще большую потребность в кислороде.

Третий лимитирующий фактор – аммиак/аммоний. Аммиак/аммоний выделяется рыбами в количестве, пропорциональном количеству полученного ими корма. Он также выделяется бактериями в процессе преобразования органики (минерализация).  Высокие уровни аммиака/аммония чрезвычайно токсичны; рыбы гибнут очень быстро. Даже постоянные низкие уровни аммиака/аммония вредны, т.к. они тормозят рост рыбы. Старая пословица гласит, что рыбы растут только в пределах размера аквариума. Это неверно; они растут только в пределах эффективности системы биофильтрации. Например, университетское исследование, проведенное на Inctalurus punctatus показало, что даже концентрация аммиака/аммония 0.5 мг/л вызывает 50%-ое уменьшение роста рыб в сравнении с рыбами в аквариумах без него. Концентрация 1.0 мг/л приводит к прекращению роста.

Аммиак/аммоний удаляется нитрификацией: бактериальным окислением его до нитритов и затем нитритов до нитратов.  Но нитрификация также производит ионы водорода, понижая таким образом pH. По мере того, как pH падает, нитрификация замедляется, т.к. нитрифицирующие бактерии работают гораздо менее эффективно при более низких значениях pH. Это приводит к увеличению количества аммиака/аммония. По мере снижения pH и увеличения количества аммиака рыбы подвергаются стрессу и становятся более восприимчивыми к заболеваниям. Об этом говорит Т.Хованек.

Но здесь я хочу сделать одно уточнение. Чем ниже рН, тем меньше азота существует в аммиачной форме и больше в аммонийной. При рН 8 и выше до 10% азота может находиться в аммиачной форме. При рН 7 – около 1%. При рН ниже 7 аммиака по определению быть не может – он находится в аммонийной форме. Аммоний не менее ядовит, но убивает рыбу медленно, в отличие от аммиака.

Таким образом, сам по себе уровень pH также является лимитирующим фактором. В целом, пресноводные рыбы могут переносить более широкий диапазон значений pH, чем морские. Однако у большинства рыб значение pH около 6 и ниже вызывает стресс. Часто возникает ситуация, которую можно назвать «Смертельный синдром новой рыбы». Это происходит при добавлении новой рыбы в давно установившийся, но обслуживаемый не лучшим образом аквариум.  Новая рыба умирает буквально в течение 1 – 2 дней. Рыбы в аквариуме медленно акклиматизировались к понижающемуся уровню pH. Новая рыба сразу же имеет дело со значительно более низким pH, чем она «привыкла». Рыба подвергается шоку и погибает.

Как уже было сказано, pH падает из-за нитрификации. А поскольку поддержание низкого уровня аммиака критично необходимо, то отказаться от нитрификации невозможно. Скорость падения pH зависит от буферной емкости воды и интенсивности нитрификации. А интенсивность нитрификации определяется количеством корма. А количество корма, в свою очередь, зависит от количества рыб.

Теперь, возможно, общая картина более-менее обрисована. Химия и биология в рыбном аквариуме неразрывно взаимосвязаны. Изменение одного фактора означает всегда соответствующие изменения всех остальных факторов.

Дополнительный лимитирующий фактор – накопление растворенной органики, параметр, называемый DOC (Dissolved Organic Carbon – Растворенный Органический Углерод). Растворенная органика накапливается в результате ряда биологических процессов в аквариуме, большинство из которых – бактериальные процессы. Исследования показали, что высокие уровни DOC угнетают нитрификацию.

В аквариумистике есть один приемлемый способ уменьшения уровня DOC – использование активированного угля.

Нитриты токсичны, но, в целом, появляются в высоких концентрациях только в течение периода созревания нового аквариума. Нитраты и фосфаты не токсичны в их обычных аквариумных концентрациях, но могут способствовать вспышкам водорослей и сделать аквариум эстетически непривлекательным.

Постоянное добавление рыб в установившийся аквариум запускает в действие такую схему: больше рыб означает больше корма, больше корма означает больше аммиака, больше аммиака означает больше нитрификации, больше нитрификации означает большую скорость падения pH. Схема работает независимо от количества рыб. Конечно, в аквариуме с меньшим количеством рыб это будет происходить медленнее, но все равно будет происходить.

Лучший, простейший и самый эффективный способ сломать эту схему – регулярные частичные подмены воды. Система фильтрации сама по себе не может разрушить эту схему. Фильтрация удаляет взвешенные частицы (механическая фильтрация), уменьшает DOC (химическая фильтрация), контролирует аммиак (биологическая фильтрация). А подмены воды восстанавливают буферную емкость аквариумной воды. Они помогают поддерживать стабильный уровень pH. Они также удаляют и предотвращают накопление DOC. Они также удаляют нитраты и фосфаты.