Концентрация углекислого газа воде

CO2 — как обеспечить растениям в аквариуме правильное питание

Углекислый газ – важнейшее условие развития водных растений

Жизнь на Земле имеет углеродную основу – главной составляющей большинства органических веществ являются соединения углерода. Если животные потребляют всё необходимые для строительства тканей организма с пищей, то большинство растений синтезирует «строительный материал» самостоятельно.

Процесс получения растениями простейшего углевода (глюкозы) называется фотосинтезом. Его основная реакция:

Протекает синтез с поглощением энергии, на образование каждой молекулы глюкозы требуется порядка 674 кал. Растения получают ее за счет поглощения молекулами хлорофилла и других пигментов (хромофиллов).

В дальнейшем, простейшие углеводы под действием ферментов превращаются в;

• более сложные сахара;
• аминокислоты, белки, жиры, для синтеза которых требуются макро- (азот, фосфор, калий) и микроэлементы.

Это обеспечивает рост растений, развитие корневой системы, накопление листовой массы и т.д.

Некоторые растения могут использовать в качестве источника углерода другие соединения. Например, часть водных растений (элодеи, валлиснерия, роголистники, анубиасы, эхинодорусы и некоторые другие) приспособилась к потреблению ионов гидрокарбонатов (HCO₃ — ) и карбонатов (CO₃ 2- ), наличие которых обусловлено ненулевой концентрацией солей жесткости.

Таким образом, для развития растения необходимы несколько факторов:

• Наличие воды (для водных растений – неактуально, поскольку вода – родная среда их обитаний).
• Источника углерода, для большинства – именно CO₂.

• Энергии (читай, освещения).
• Макро- и микроэлементов.

Проблем со световой энергией и питательными веществами аквариумные растения практически не испытывают. Для большинства из них достаточно естественного светового дня и запасенных в грунте веществ. Для более требовательных легко организовать искусственную подсветку и внесение удобрений. С основным же строительным элементом (углеродом) существуют определенные проблемы.

Причина недостатка углерода (углекислого газа)

Дефицит соединений углерода в искусственных домашних водоемах объясняется достаточно просто.

В естественных условиях источниками углерода в водоемах являются:

• Углекислый газ из атмосферы. СО2 растворяется в воде значительно лучше кислорода, но также легко и высвобождается. При этом за счет большой площади контакта водного зеркала с воздухом, концентрация CO_2, полученного из этого источника может быть достаточно велика.

• Соли (карбонаты) различных элементов. Наряду с труднорастворимыми, источники приносят в водоемы и легкорастворимые (например, соли натрия).
• Углекислый газ, выделяемый при дыхании представителями водной фауны. Этот источник также обеспечивает интенсивное поступление CO₂.

В результате, концентрация углекислоты в природных водоемах может составлять от 3 до 10 мг/л (в проточных) и до 30 мг/л в застойных. Этого вполне достаточно для роста водных растений.

В домашних аквариумах, даже значительного объема, картина другая:

• Аквариумисты, как правило, стремятся снизить до рекомендованных значений показатель карбонатной жесткости.
• Площади поверхности недостаточно для обогащения объема воды углекислым газом.
• Те же, кто специализируется на разведении растений, весьма неохотно идут на заселение рыб (особенно, крупных) и беспозвоночных.

Соответственно, без дополнительного источника углерода, подводная флора будет обречена на его дефицит и проблемы с развитием. Решить вопрос могут системы подачи CO₂ в аквариум.

Оптимальная концентрация углекислого газа в аквариумной воде

Лучшим способом добиться роста и гармоничного развития аквариумных растений считается обеспечение концентрации углекислого газа, соответствующей их естественным условиям обитания.

В различных источниках и на форумах по аквакультуре приводятся различные границы концентрации CO₂. Так, опытные аквариумисты нередко говорят о концентрациях от 7 до 30 мг/л, производители оборудования для аквариумов, в том числе, систем для подачи CO₂, предпочитают оперировать цифрами от 15 до 40 мг/л., например, Dennerle рекомендует поддерживать концентрацию в 15-30 мг/л, при оптимальной величине 20-25 мг/л.

Оценить верхний предел несколько сложнее. Обычно здесь учитывают факт жесткой связи содержания CO₂ в воде с карбонатной жесткостью (kH) и показателем кислотности (pH). Он позволяет по kH и pH рассчитывать концентрацию углекислоты. Но верна и обратная зависимость – рост содержания углекислого газа приводит к увеличению жесткости и снижению pH.

Соответственно, при искусственной подаче газа в аквариум, возможно изменение параметров воды, при котором водные организмы окажутся в опасности. При начальной величине kH порядка 4 градусов и нейтральной реакции, опасной для рыб и беспозвоночных концентраций может стать содержание CO₂ уже 30 мг/л., впрочем, высокий показатель жесткости и низкий pH не добавят здоровья и аквариумной флоре.

Существует понятие т.н. «карбонатного буфера». Суть явления в том, что при высоких уровнях kH для серьезного повышения pH требуется большая концентрация углекислого газа. Соответственно, в более жесткой воде содержание CO2 может быть выше без необратимых последствий для обитателей аквариума.

Важность баланса

Заботы только об оптимальной концентрации в воде углекислого газа явно недостаточно для обеспечения стабильного роста и развития аквариумных растений. Следует помнить и о других факторах, упомянутых выше – освещенности и наличии питательных веществ.

Так специалисты считают достаточным для стабильного, хоть и не быстрого роста аквариумной флоры параметры (приводятся для столба воды 0.4-0.5м):

• Концентрация углекислого газа 5-7 мг/л;

В этом случае достаточно питательных веществ, являющихся результатом жизнедеятельности нитрифицирующих микроорганизмов и гидробионтов.

При повышении содержания CO2 до 15-20 мг/л потребуется увеличение освещенности до уровня 0.7-0.8 Вт/л. Окажется необходимо внесение питательных веществ, прежде всего азота. Необходимость подкормки фосфором и калием следует проверять по аквариумным тестам.

Владельцу аквариума следует помнить, что именно в условиях баланса высшие водные растения демонстрируют всю свою эффективность и выигрывают в конкурентной борьбе. Их бурное развитие угнетает водоросли, которые оказываются «на голодном пайке», аквариум выглядит чистым и здоровым.

Но как только баланс нарушается, простые древние водоросли (нитчатка, «Черная борода»), более приспособленные к трудным условиям одерживают верх. Их рост провоцирует дальнейшее ухудшение ситуации.

Контроль концентрации CO₂ в аквариуме

Наиболее точный и эффективный метод контроля содержания CO₂ – измерение карбонатной жесткости и pH. Выше говорилось, что концентрация углекислого газа в воде связана с этими показателями жесткой зависимостью. Значения при разных pH и kH сведены в таблицу. В ней зеленым цветом выделены оптимальное содержание в 15-30 мг/л.

Главные преимущества этого метода:

• Точность определения концентрации углекислоты;

Многие, даже достаточно опытные аквариумисты предпочитают более простые методы:

• Использование дроп-чекеров

Такой индикатор представляет собой малоразмерный сосуд, наполненный специальным составом (как правило, вода с kH=4 и химический индикатор кислотности pH). Сосуд погружается в аквариум, раствор контактирует с водой и изменяет цвет в зависимости от содержания CO2.

Достоинство метода – простота, из недостатков – ограниченное время работы (но индикаторную жидкость можно перезаправить) и инерционность (на изменение цвета дроп-чекера требуется от 0.5 до 2 часов). На этом же принципе работает множество тестовых индикаторов, которые легко найти в зоомагазинах

• Подсчет пузырьков газа, поступающего из системы

В магистрали от системы до аквариума встраивается счетчик пузырьков –прозрачный заполненный водой сосуд, в котором удобно наблюдать выделение газа. . Максимально быстрый способ – позволяет оценивать концентрацию CO₂ во время подачи, даже до его растворения в воде.

Считается, что 1 пузырек в минуту на 10 л объема аквариума соответствует содержанию CO₂ 7-19 мг/л. Конечно, точность контроля невелика, но оценить концентрацию и не допустить превышения норм вполне можно.

• Интенсивность пирлинга («пузыряния»).

Интенсивность выделения растениями кислорода также напрямую зависит от концентрации углекислого газа. Многие опытные владельцы аквариумов именно по «пузырянию» растений и химическому составу воды могут на глаз оценить показатель достаточно точно

Подача CO₂ в аквариум

В простейшем варианте система подачи углекислого газа в аквариум состоит из:

• Генератора – устройства, являющегося источником CO₂.
• Реактора – погружного устройства, находящегося в аквариуме, в котором происходит растворение газа.

• Газовой магистрали – трубок, соединяющих генератор и реактор.

Источник

Что такое CO2

Что такое CO2

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

Углекислый газ в организме человека

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.

Источник