В аквариумных процессах углекислый газ (СО2) влияет на гидрохимические параметры воды (жесткость, ph, содержание различных веществ), взаимодействует с рыбами и другими аквариумными животными, играет важнейшую роль в развитии водорослей и высших аквариумных растений.
Источником углекислого газа в аквариуме являются: воздух (углекислый газ постоянный компонент воздуха), живые организмы, населяющие аквариум. В темное время суток углекислый газ выделяется аквариумными растениями. К еще одному источнику СО2 можно отнести процессы разложения (гниения) различных органических веществ, присутствующих в аквариуме (отмершие листья, остатки погибших рыб, моллюсков, излишки аквариумного корма и т.п).
В аквариумистике обычно выделяют два основных процесса, протекающих при непосредственном участие СО2: фотосинтез (на свету водные растения ассимилируют углекислый газ, получая питательные вещества); становление углекислотно-известкового равновесия, определяющегося главным образом тремя параметрами: концентрация СО2, ph, KH. [И.Г. Хомченко и др., Современный аквариум и химия, 1997 г., 119 с.]
Эти параметры находятся в жесткой взаимосвязи, которая математически может быть описана в виде двухпараметрической функции общего вида: Ph = F(dKH, CO2) [мг/л]
В условиях биологического функционирования аквариума скорость изменения KH в сравнении с динамикой двух других параметров (СО2, Ph) незначительна. Поэтому для определения концентрации углекислого газа в аквариуме параметр KH может быть принят статичным.
С учетом статичности карбонатной жесткости связь параметра Ph и концентрация углекислого газа в аквариуме может быть описана экспоненциальной математической моделью вида:
Так при KHconst = 11, математическая формулировка связи будет выглядеть следующим образом:
Величина достоверности аппроксимации связи, R2 = 0,999, что свидетельствует о высокой, практически функциональной зависимости.
Оптимальная концентрация углекислого газа в аквариуме с живыми растениями находиться в пределах 16 – 32 мг/л. Снижение концентрации ниже 16 мг/л приводит к дефициту СО2, превышение концентрации в 32 мг/л может негативно сказываться на состоянии водных животных. С учетом выше сказанного справедливо утверждать, что аквариумная вода, оптимально должна содержать углекислый газ в концентрации от 16 до 32 мг/л. Нарушение этого диапазона как правило приводит к гибели рыб, креветок и других животных, замедлению роста высших растений и прогрессированию низших. Поддержание заданного предела зачастую является сложной задачей, что связано, как уже было сказано ранее, с протекающими в аквариуме процессами, в результате которых углекислый газ как потребляется, так и поглощается.
Изучению суточной динамики концентрации углекислого газа посвящены научные работы как отечественных, так и зарубежных ученых. Немаловажный вклад в изучение данного вопроса был внесен Сакирко М.В., которая в своей диссертационной работе установила модели суточных и сезонных изменений содержания в поверхностных слоях воды таких важных элемкнтов, как О2, СО2, РО4, NO3.
Установлено, что в течении суток, концентрация углекислого газа меняется следующим образом: с 0 и до 6 часов отмечается рост концентрации, период с 6 до 21 часа характеризуется плавным снижением концентрации СО2. Графически динамика представляется следующим образом [М.В. Сакирко, Динамика содержания растворенных газов и биогенных элементов в воде открытой литорали озера Байкал, Автореферат диссертационной работы, 2012 г., 24 с.]:
Применительно к аквариумной модели, динамика, и что более важно контроль динамики заключается в искусственной подаче СО2 для ее повышения в период активной (дневной) фазы, и удалению СО2 в период спокойной (ночной) фазы.
Стоит отметить, что при отсутствии искусственной подачи углекислого газа, его концентрация стремиться к концентрации СО2 в окружающем воздухе (результат естественного поверхностного газообмена), а в активной (дневной) фазе, при должной густоте посадки аквариумных растений стремиться к 0. Это объясняется тем, что интенсивно протекающий процесс фотосинтеза сравнительного большого числа водных растений характеризуется более высокой скоростью потребления углекислого газа, чем может быть восстановлено в результате газообмена из окружающего воздуха.
В то же время непрерывная искусственная подача углекислого газа в аквариум в период активной и неактивной фаз, при должной интенсивности подачи, приведет к превышению ПДК в 32мг/л, в результате чего может быть нанесен непоправимый вред аквариумным животным.
Существует правило, позволяющее поддерживать концентрацию углекислого газа в пределах, указанных выше. Эта рекомендация заключается в том, чтобы начинать подачу СО2 за час до наступления активной фазы и прекращать ее за час до наступления спокойной фазы.
На практике такой подход может приводить к высоким суточным колебаниям Ph аквариумной воды, а также нарушению (как правило неблагоприятному уменьшению) концентрации углекислого газа в аквариумной воде. Это характерно для аквариумной воды, характеризующейся высокой карбонатной жёсткостью, dKH 8, 9, 10 и более и соответственно высоким ph показателем.
Так, например, при исследовании суточной динамики концентрации СО2 в аквариуме с исходной водой, для которой dKH = 11 и Ph = 8 при использовании описанного выше метода регулирования концентрации углекислоты, при принудительном обогащении, с интенсивностью подачи примерно 0,046 г/сек. (2 пузырька в секунду) с продолжительностью активной фазы в 10 часов, с организацией поверхностного газообмена за счет циркуляции воды с выходом фильтра типа «флейта», были получены следующие результаты:
Начало активной фазы соответствует 10 часам утра, завершение – 20 часам. Всего было сделано 55 измерений, по результатам которых были получены средние значения ph аквариумной воды, соответствующие определенному времени суток. Принимая во внимание KH = const, а также с учетом экспоненциальной связи ph параметра была определена суточная динамика концентрации СО2.
Из результатов проведенного исследования видно, что оптимальная концентрация углекислого газа в воде была достигнута только в 14:30, т.е. спустя 4,5 часа после начала активной фазы и 5,5 часов после начала подачи СО2. В 18:00 была зафиксирована точка превышения ПДК углекислого газа. Опасная концентрация СО2 сохранялась до 20:15 (в течении 1:15 минут после отключения подачи СО2). К 3 часам концентрация углекислого газа составляла 3 мг/л., что является минимально возможным уровнем (обусловлено газообменом с окружающим воздухом).
С учётом полученных в результате исследования данных, справедливо утверждение, что при условии, когда исходная вода, имеет сравнительно высокую жёсткость и высокий уровень ph, необходимым условием является подача СО2 в период спокойной фазы. Это позволит сократить период недостаточной концентрации углекислого газа в начальной стадии активной фазы, а также предотвратит превышение ПДК в завершении активной фазы. Таким образом практически будет достигаться: максимальное приближение к открытым естественным водоемам, поддерживаться приемлемый уровень концентрации углекислого газа в аквариумной воде, стабилизироваться суточная динамика Ph параметра.
Принимая во внимание, что изменение непосредственной интенсивности подачи СО2 в течении суток является трудоемким и сложно технически реализуемым процессом, положительного эффекта можно достичь за счет использования суточного таймера, на котором с определенной периодичностью будет задаваться время включения подачи СО2 до наступления активной фазы. Безусловно для получения более точных временных настроечных параметров, требуется проведение дополнительного ряда экспериментов.
