Углекислый газ для аквариумных растений.
Аквариумные растения на свету образуют из углекислого газа (СО2) и воды сахара (углеводы). Этот процесс называется фотосинтезом. На протяжение всего дня растения в процессе дыхания выделяют СО2.
Большинство аквариумных растений, хоть и называются водными, в естественных условиях произрастают как болотные растения, и выставляют над водой хотя бы часть листьев и, обязательно, цветы. Так в природных биотопах в ареалах распространения в тропическом поясе Земли, аквариумах растения, растут по берегам рек и озер в зонах временного затопления в периоды дождей. Таким образом они приспособились получать углекислый газ из атмосферы и из воды, тогда как в аквариуме они вынуждены забирать его только из воды.
В достаточно озеленённом аквариуме углекислый газ (СО2) является основным лимитирующим фактором.
В то время как для растений СО2 жизненно необходим, слишком большое его количество может затруднить дыхание рыб. Поэтому ночью диффузию СО2 в аквариум следует уменьшить.
Для хорошего роста аквариумным растениям нужны:
o свет нужного спектрального состава и длительности;
o поступление (подача) углекислого газа во время фотосинтеза;
o питательные вещества и микроэлементы;
o грунт с нужными свойствами.
Подводные растения способны потреблять углерод в двух формах: как растворенный CO2 и как анион HCO3-. Все растения могут потреблять углерод CO2. Этот процесс пассивен, не требует затрат энергии и осуществляется путем диффузии из внешней среды в ткань растения. CO2 будет поглощаться тем быстрее, чем больше разница в его концентрации между водой и тканями растения и чем короче расстояние, на котором происходит выравнивание концентраций.
Таким образом, если во внешней среде происходит увеличение содержания углекислого газа, то увеличивается и его потребление растениями. Концентрация CO2 в воздухе и воде приблизительно равна 0,5 мг/л. Углекислый газ очень хорошо растворим в воде, однако его диффузия в воде идет приблизительно в 10 000 раз медленнее, чем в воздухе. В стоячих водах это обстоятельство сильно затрудняет потребление CO2. В проточных же водах газ диффундирует лишь через, так называемый, «поверхностный слой» (или границу Прандтла). Это непосредственно прилегающий к поверхности растения обусловленный силами трения крайне тонкий слой, в котором вода неподвижна даже при самом сильном течении. Его толщина приблизительно 0,5 мм, однако, это в 10 раз толще, чем у наземных растений. Как результат – требуется приблизительно 30 мг/л свободного CO2, чтобы удовлетворить фотосинтетическую потребность водных растений. Течение постоянно приносит с новой водой и новые молекулы CO2, чем поддерживается его концентрация в окружающей среде. Однако известно, что многие растения хорошо растут и в стоячей, и в щелочной воде, где потребление растворенного CO2 весьма проблематично.
Водные растения приспособились к ограниченному количеству CO2 несколькими способами. Многие виды имеют мелкорассеченные листья. Это увеличивает отношение их площади поверхности к объему и уменьшает толщину поверхностного слоя. Водные растения имеют обширные воздушные каналы, называемые, аэренхимой, которые позволяют газам двигаться свободно по всему растению. Это дает возможность, перегонять в листья и ассимилировать CO2, который поступит внутрь растения даже при получении его некоторыми видами растений из грунта при помощи корней. Наконец, многие виды водных растений способны синтезировать, используя гидрокарбонаты наравне с CO2. Это важное приспособление в щелочных водах при pH между 6,4 и 10,4, когда большинство растворимого неорганического углерода существует в форме гидрокарбонатов.
Было выяснено [3], что при возникновении белого налета на поверхности листьев растений рН воды с верхней стороны листа щелочное, а с нижней стороны слабокислое. Было высказано предположение, что, подобное явление связано с потреблением иона HCO3-. При наличии отрицательного заряда этот ион уже не может диффундировать в ткань листа подобно CO2. Для этого нужен специальный механизм активного переноса, получивший название «протонового насоса»! При этом растение в основном за счет световой энергии транспортирует на внешнюю нижнюю сторону листа Н+-ионы сдвигая там рН в кислую сторону и как следствие баланс HCO3-/CO2 в сторону последнего. Полученный таким образом углекислый газ диффундирует в ткань листа.
Одновременно с транспортом протонов идет и перенос OH-ионов на внешнюю верхнюю сторону листа. Здесь рН повышается, что приводит к выпадению в осадок соединений типа MeCO3 в виде белого налета. (где Me – Ca, Mg, и др.)
В целом процесс потребления HCO3 – менее эффективен, чем поглощение CO2 из-за своей энергетической зависимости. Очевидно растения выработали его как приспособление к существованию в щелочных, стоячих водах. Растения же кислых проточных вод такого механизма не имеют либо, как минимум, отдают предпочтение поглощению CO2.
В нейтральных до слабощелочных водах с низкой карбонатной жесткостью а следовательно и с малым количеством CO2 и HCO3-большинство растений растет крайне плохо.
Аквариумист может добиться улучшения доставки CO2 водным растениям двумя способами. Во-первых, можно увеличить степень перемешивания воды в аквариуме. Это уменьшит толщину пограничного слоя, и будет гарантировать, что уровни CO2 в воде и воздухе находятся в равновесном состоянии. Этот метод недорог, легко осуществим, и в большинстве случаев дает положительный эффект.
Во-вторых, газ CO2 может быть введен в аквариум. Это – более дорогое удовольствие и при выполнении ненадлежащим образом может приводить к гибели рыб. Однако этот метод становится единственно возможным при культивировании растений полностью неспособных использовать
Аквариумист должен знать, что растения состоят из углерода [C] на сорок три процента сухого веса, а в аквариуме без подачи углекислого газа (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 (углекислого газа) по реакции:
CO2 +6H2O +674 ккал – > С6Н12О6 +6H2О.
Как видно, это невозможно без достаточного количества CO2.
По этой формуле также видно, что процесс фотосинтеза растений требует определенного уровня энергии света. Если свет недостаточно яркий, фотосинтез происходить не будет. При уровне освещенности, близком к оптимальному [1], фотосинтез будет происходить все быстрее.
