Роль листовых силикатов в жизни водных экосистем
и возможности их использования в декоративном рыбоводстве
Часть 1.
Успех содержания и разведения аквариумных рыб, беспозвоночных и растений во многом зависит от химического состава используемой воды. Так как состав воды в наших источниках водоснабжения чаще всего не соответствует составу воды, в которой различные виды живут у себя на родине, задача формирования и стабилизации гидрохимических параметров среды аквариума остается весьма актуальной, несмотря на множество химических препаратов, которые в изобилии появились на прилавках зоомагазинов.
В связи с этим, не вдаваясь в подробности, рассмотрим - как формируется состав воды в природе. Состав природных вод является весьма сложным, формирование его тесно связано со свойствами подстилающей поверхности, которые обусловлены составом почв, материнских и осадочных горных пород. Соприкасаясь в своем круговороте с огромным числом разнообразных минералов, природные воды включают в свой состав значительное число ингредиентов, жизненно важных для обитающих в них животных и растений (Бессонов и др. 1987).
В результате постоянного воздействия воды на горные породы, идут процессы физического, химического и биологического выветривания в результате которых образуются соли, окиси и гидроокиси металлов, окись кремния (кварцевый песок) а также, глинистые минералы, которые накапливаются в осадочных породах в значительных количествах (Иванова, 1969).
Глинистые минералы (каолинит, монтморилонит, гидрослюды, глауконит, вермикулит и др.) относятся к подклассу листовых (слоистых) силикатов и алюмосиликатов. К этому подклассу относятся также слюды (биотит, мусковит, флогопит) и другие минералы. Они входят в состав почв и многих осадочных пород - глин и суглинков, песчаников и супесей, лёсса, латеритов и бокситов, а также илов озерно-речного и морского происхождения.
Осадочные породы, образующие кору выветривания, покрывают материнские породы мощным плащом на обширных территориях суши, дна океанов и морей (Иванова, 1969). В кристаллической решетке листовых силикатов кремнекислородные тетраэдры образуют плоские сетки (или слои) параллельные основанию кристаллов. При этом связи между слоями ослаблены и осуществляются посредством катионов.
Кроме того, большинство глинистых минералов встречается в виде чрезвычайно тонкозернистых агрегатов, состоящих из чешуек (реже из волокон) размером менее одного микрона. Поэтому у многих листовых силикатов, особенно из группы глинистых минералов, хорошо выражены свойства ионного обмена и сорбции (Здорик и др. 1970). То есть, они способны как поглощать из растворов так и выделять в них различные органические и неорганические вещества.
Благодаря этим свойствам, а также широкому распространению, глинистые минералы и включающие их породы играют весьма важную роль в формировании гидрохимического режима природных вод. Сведения, относительно способности слюд к ионному обмену, автору неизвестны. Однако, в процессе выветривания они гидратируются, превращаются в гидрослюды ,и, по-видимому, являются источником микроэлементов, которые они содержат в виде примесей.
Первый этап формирования состава вод проходит в почве, при активном влиянии её минеральных, органических и биологических составляющих. Очень важным свойством почвы является её поглотительная способность. Она важна как для предохранения элементов питания растений от вымывания, так и для очистки вод от загрязняющих веществ.
Это свойство обеспечивают главным образом коллоиды почвы - частицы размер которых не превышает одного микрона. Значительную часть этих частиц составляют глинистые минералы, которые совместно с гумусом оказывают влияние также и на создание пористой, водопрочной комковатой структуры, обеспечивающей плодородие почвы, а также способность прочно удерживать воду, одновременно пропуская большие массы её через некапиллярные промежутки. При этом кальций поглощается почвой сильнее магния, а магний сильнее калия и натрия, биогенные элементы и микроэлементы усваиваются высшими и низшими растениями. Поэтому подпочвенная вода (верховодка) обычно обладает невысоким качеством, так как имеет несбалансированный солевой состав и содержит повышенное количество органических веществ.
Далее, вода медленно перемещается в многометровом подпочвенном слое грунта, очищается от органических веществ и включает в свой состав натрий, калий, кальций, магний, железо, фосфор, а также целый ряд микроэлементов, которые образуются в результате выветривания породы. При этом глинистые минералы активно участвуют в процессе формирования и стабилизации химического состава воды. Они, как будет показано ниже, либо поглощают вещества (если их концентрации в растворе велики), либо выделяют их в раствор (если концентрации малы).
В итоге, вода приобретает сбалансированный состав (т.е. включает умеренные количества кальция, магния, натрия, биогенных элементов и микроэлементов). Поэтому, в отличие от подпочвенных вод, грунтовые воды обычно обладают питьевым, а иногда и лечебным качеством.
Поступая в водоёмы, грунтовые воды несут с собой биогенные элементы (азот, фосфор, кремний, железо и др.), а также микроэлементы (кобальт, никель, марганец, медь, цинк, стронций и др.). Биогенные элементы имеют особое значение для питания фитопланктона и высшей водной растительности.
Наряду с ними микроэлементы существенно влияют на развитие растительных и животных организмов. Причём, для микроэлементов наиболее характерна высокая биологическая активность, то есть способность в малых дозах оказывать сильное биохимическое воздействие. Недостаток или избыток микроэлементов приводит к патологии в развитии, к отравлениям организма и нередко к гибели (Бессонов и др., 1987).
Активный солевой обмен свойственен не только растениям. Захват различных ионов клетками поверхности тела, может играть существенную роль в минеральном питании многих водных животных. Например, высшие раки поглощают из воды растворённый в ней кальций, цинк. Рыбы (карповые, осетровые), поглощают через поверхность тела фосфор и другие минеральные элементы (Константинов, 1972).
Глинистые минералы обычно присутствуют в водоеме, как в виде осадков, так и в коллоидной форме - в виде взвесей. Поглощая органические вещества растворенные в воде, они выпадают в осадок, смешиваются с детритом и образуют донные отложения (озерно-речной ил, сапропель, низинный торф). Эти отложения играют значительную роль в формировании гидрохимического режима, обеспечивая обмен органическим веществом, биогенными элементами и микроэлементами. Например, поступление фосфора из донных отложений в воду происходит только в том случае, если его концентрация в воде не более 0,5 мг/л. При взаимодействии с водой, содержащей более 0,5 мг/л фосфора, иловые отложения поглощают его.
Подобным образом происходит и формирование концентраций соединений азота - аммония, нитритов и нитратов. Микроэлементы находятся в илах преимущественно в виде трудно растворимых соединений. Поступление их в воду зависит от концентрации кислорода, РН и других факторов, в частности от их формы в донных отложениях (Бессонов и др., 1987). Ниже будет показано, что грунт содержащий листовые силикаты, выделяет адсорбированные микроэлементы, в количестве необходимом для роста растений.
Этот же грунт эффективно поглощает соли цветных металлов, если их концентрация в воде велика. То есть, илы, содержащие листовые силикаты препятствуют опасным для населения водоёмов изменениям концентраций биогенных элементов и микроэлементов. В отличие от озерно-речных илов, осадок бедный минеральными веществами (в частности и глинистыми) - торф верховых болот, формирует бедные элементами питания растений (дистрофные) воды, обладающие кислой реакцией и желто-коричневым цветом.
В морях и океанах наиболее богаты биогенными элементами водные массы прибрежных районов, мелководий, морских банок и зон подъёма глубинных вод, то есть воды контактирующие с донными отложениями.
Таким образом, осадочные горные породы, почвы и природные воды с их населением, являются продуктом общего процесса геологической и биологической эволюции и находятся в тесном взаимодействии как части единой экосистемы. Листовые силикаты являются неживой, но весьма активной её частью и выполняют следующие функции:
1.Совместно с гумусом обеспечивает поглотительную способность почвы, предохраняют элементы питания от вымывания и очищают воду от загрязняющих веществ.
2. Обеспечивают доочистку воды в подпочвенном слое от органических и минеральных загрязнений, выделяют недостающие элементы и создают сбалансированный солевой состав грунтовых вод.
3. Способствуют коагуляции органического вещества растворенного в воде и образуют донные отложения, которые обеспечивают в водоёмах обмен биогенными элементами и микроэлементами, а также препятствуют опасным изменениям их концентраций.
Благодаря своим замечательным свойствам глинистые минералы находят весьма широкое применение, в частности - для улучшения состава и структуры почвы, для очистки сточных вод, для смягчения жесткой воды, для очистки и отбеливания сиропов, пива, вин, фруктовых соков, растительных масел, для подготовки питьевой воды. Однако в аквариумистике глинистые минералы пока не нашли достойного применения. По известной причине они удаляются при промывке грунта как ненужная грязь и используются обычно в ограниченном количестве - в виде комочков, вносимых в грунт под корни растений, или в качестве примеси к грунту при выращивании растений в горшочках.
Однако, эти, в общем-то не новые сведения, были собраны автором несколько позже. Причины, побудившие взяться за перо, были следующие. В октябре 1998 года я устроился на работу в небольшое аквариумное хозяйство в одном из Подмосковных городов. Для заполнения аквариумов использовалась артезианская вода, имеющая весьма высокую жесткость (dGH = 22 градуса), слабощелочную реакцию (РН = 8,5) и содержащую очень мало железа и микроэлементов (в 3-4 раза ниже ПДК для питьевой воды). В качестве грунта использовали гравий размером 5-10 мм. Экологическая обстановка в аквариумах была явно ненормальной:
Растения, выращивание которых в Московской воде не является проблемой, развивались крайне медленно, имели бледно-зеленую окраску и низкие декоративные качества. Хорошо росли лишь различные мхи - риччия, фонтиналис, яванский мох. Во многих аквариумах бурно развивались сине-зеленые водоросли и водоросли рода Compsopogon ("вьетнамка").
Рыбы (цихлиды, карповые, карпозубые живородящие, лабиринтовые и др.), по-видимому, испытывали дефицит иммунитета и часто поражались микобактериозом. Часто возникали вспышки костиоза, особенно среди новых рыб. Плодовитость таких не проблемных рыб как барбусы, гуппи и меченосцы была невысокой, а отход молоди на ранних стадиях развития был весьма значителен.
Внесение удобрений для аквариумных растений давало лишь небольшой кратковременный эффект, так как из-за высокой жесткости и щелочной реакции, растения, по-видимому, испытывали углеродное голодание. Внесение ила из аквариумов с рыбами в аквариум с растениями, не давало положительного результата.
В связи с этим я решил попробовать в качестве удобрения для растений своеобразный весьма древний (возрастом 200-250 млн. лет) песчаник, который был найден в одном из обнажений осадочных пород. Этот песчаник, включающий различные (в том числе и редкие) глинистые минералы и слюды, получил условное название "Аквамин". Минералогическое название и состав аквамина являются секретом до окончания патентования, поэтому ограничусь лишь описанием опытов, с помощью которых удалось выявить некоторые его полезные свойства. Надеюсь, что в скором времени каждый желающий сможет их воспроизвести и убедится в достоверности представленной информации.
1. В грунт одного малонаселенного аквариума (с объемом воды 40 литров) был внесен аквамин. Водные растения - Vallisneria spiralis, Ludvigia repens, Nomaphila stricta, Ceratopteris thalictroides и Echinodorus tenelus через 2-3 недели приобрели нормальную окраску и стали быстрее расти. При этом улучшились декоративные качества не только растений, но и аквариума в целом. Кроме того, через месяц после внесения аквамина вода стала более мягкой и менее щелочной (dGH = 8 градусов, РН = 7,5). Нормальное развитие растений продолжалось в течение 14 месяцев (за это время накопилось много ила и аквариум пришлось промыть).
Несмотря на полное отсутствие химических добавок, растения сильно разрастались, заполняли весь аквариум и многократно подвергались сильному прореживанию. При выращивании растений без аквамина, с применением химических удобрений, через 3-4 месяца после посадки, их корни загнивали из-за появления сероводорода вследствие накопления органики. Внесение аквамина в грунт других аквариумов (42 аквариума объемом 300 л каждый) также вызывало улучшение роста растений. Кроме этого, постепенно исчезли водоросли рода Compsopogon , реже стали появляться сине-зелёные водоросли, а также заметно снизилась частота заболеваний рыб.
Эти опыты показывают способность аквамина выделять в течение длительного времени, минеральные вещества, в количестве необходимом для питания и развития высших водных растений. Для абсолютного их большинства необходимо присутствие в среде около 30 химических элементов. Недостаток даже одного их них может вызвать угнетенное состояние, появление патологии и даже гибель. Согласно данным полученным из интернета, породы подобные аквамину содержат значительное количество железа, алюминия, кальция, магния, натрия, а также 30-40 микроэлементов (в том числе барий, кобальт, хром, медь, никель, ванадий, марганец, цинк, титан и др.), и, способны не только выделять различные элементы, но и поглощать кальций, магний, марганец, железо, цветные металлы, радионуклиды, хлор, сероводород, аммоний, детергенты и гербициды.
Видимо аквамин создаёт в воде аквариума невысокие концентрации питательных элементов, и, выделяет их по мере потребления растениями. Это исключает опасные изменения концентраций даже при высокой дозе его внесения. По-видимому, постепенное исчезновение вьетнамки связано с тем, что её подавили растения и зеленые водоросли, которые стали нормально развиваться в среде обогащенной микроэлементами. Снижение частоты заболеваний рыб, вероятно, также связано с восполнением дефицита микроэлементов в воде аквариумов.
2. Для проверки способности аквамина поглощать кальций и умягчать воду, он был внесен в два сосуда (объемом 3 л каждый). В сосуд № 1 налили воду из водопровода (dGH = 22 град. РН = 8,5), а в сосуд № 2 химически обессоленную воду (dGH = 0 град. РН = 4,5) и периодически измеряли жесткость и РН. Жесткость воды в сосуде №1 стабилизировалась через три недели на уровне dGH = 7 град., а в сосуде № 2 , через одну неделю, на уровне dGH = 9 град. Кислотность воды в обоих сосудах составила РН = 7,5 (см. рис.1).
Результаты этого, а также многих других опытов, показывают, что аквамин не только изменяет жесткость и кислотность воды, но и стабилизирует эти параметры обычно на уровне dGH от 5 до 9 град. (в среднем 7 град. В некоторых случаях dGH снижалась до 4 град), РН от 7,3 до 7,5. (При ведении в воду углекислого газа РН снижалась до 6,8.) Из литературных источников известно, что такие параметры близки к оптимальным для многих тропических рыб и большинства водных растений. Оптимизация жесткости и кислотности приводит к улучшению углеродного питания растений и снижает риск возникновения у рыб повреждений, связанных с повышенной жесткостью воды (Бауэр, 2000).
Поэтому в аквариумы стали устанавливать фильтры, представляющие собой емкости заполненные гравием с прослойками аквамина, циркуляция воды через которые осуществлялась с помощью эрлифтов или электрических помп. Через некоторое время после установки фильтров с аквамином, вода в аквариумах изменяла цвет - исчезали желто-коричневые оттенки. При этом в фильтрах накапливалось значительное количество ила, даже если вода поступала в них через слой мелкопористого поролона. Это указывало на способность аквамина поглощать растворенные в воде красители и органические вещества. В связи с этим были поставлены следующие опыты.
С.Н. Тюрюков (ихтиолог)
Поля, отмеченные знаком *, обязательны для заполнения.
Беспозвоночные
Растения
Аквариумы и тумбы
Аквариумные товары