Углекислый газ для аквариумных растений. Часть 1

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:

свет нужного спектрального состава и длительности;
поступление (подача) углекислого газа во время фотосинтеза;
питательные вещества и микроэлементы;
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 гидрокарбонат (например, виды рода Cabomba).

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.

Данные исследований фирмы «Тропика», крупнейшей компании по выращиванию аквариумных растений, показали, что в природе, при достаточном количестве питательных веществ, углекислый газ вместе со светом являются главными лимитирующими факторами роста растений. При условии насыщения воды всеми питательными веществами. В компании «Тропика» две недели наблюдали результаты по выращиванию риччии, и получили следующие результаты:

нет подачи углекислого газа плюс низкая освещенность — рост растений равен нулю (за две недели почти никакой прибавки массы листьев);
при малой подаче углекислого газа и низкой освещенности рост увеличивается в четыре раза;
при малой подаче углекислого газа и высокой освещенности рост усиливается до 6 раз.

Даже средний уровень подачи CO₂ в плохо освещенном аквариуме приводит к 2-х кратному усилению роста растений. Потому что может производиться больше хлорофилла без фатальных последствий для баланса энергии растения — растение тратит меньше энергии и ресурсов для извлечения CO₂ из воды, и остается больше энергии для оптимизации переработки световой энергии в ткани растения. В результате, хотя не увеличивалась интенсивность освещения, растение может более эффективно использовать уже имеющийся свет. Очевидно, что выгода от увеличения интенсивности освещения и подачи углекислого газа превосходит эффект от повышения только одного из них.

Из вышеизложенных фактов следует что: интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого в аквариум углекислого газа и наоборот.
У большинства любителей растений, не владеющих методикой “Nature Aquarium”, — недостаток света и отсутствует подача углекислого газа, поэтому темпы роста растений не высоки — один лист в неделю. Увеличив только свет, вы улучшите рост, но в этом случае возникает угроза появления водорослей. И только приведя освещенность в норму, и сделав подачу углекислого газа получите ускорение роста будет в несколько раз.

Зачем это нужно? Во-первых, занимаясь аквариумным дизайном, вы не будете ждать несколько месяцев пока композиция приобретет запланированный вид — это произойдет всего за полтора-два месяца; во-вторых — это дает возможность часто подрезать растения и точно формировать композицию; в-третьих — только достаточно молодые листья водных растений имеют идеальное состояние и соответственно, идеальный внешний вид. Только при очень быстром росте растений можно получить совершенный аквариум, подобный работам Takashi Amano [2].

Чтобы обеспечить оптимальный фотосинтез водных растений концентрация свободного углекислого газа в воде должна быть порядка 15-30 мг/л, при этом нельзя превышать предельно допустимую концентрацию для рыб 30 мг/л.

Низкая растворимость углекислого газа в воде, относительно толстый недвижимый слой и высокая концентрация, необходимая для обеспечения фотосинтеза подсказали одному ученому утверждение: «Для пресноводных растений, естественный уровень соединений углерода в воде является главным сдерживающим фактором фотосинтеза…» [3]

При быстром росте растений после начала подачи CO₂ очень скоро начнут проявляться признаки нехватки питательных веществ, так как растения быстро использую все железо, калий, магний и прочие микроэлементы. Так что подачу углекислого газа можно использовать ТОЛЬКО в сочетании с ежедневным внесением жидких удобрений.

Михаил Климовицкий