Cистемы СО2 в аквариуме или что у кабомбы на обед?

Если спросить почти у любого человека, чем питаются зелёные растения, то как правило можно услышать про удобрения – азотные, фосфорные и калийные. Школьная программа почему-то крепко вбила это знание в наши головы. Несколько реже звучит ответ: «Солнечным светом и водой». Зато на вопрос о том, чем растения дышат, большинство отвечает: «Углекислотой. А выдыхают полезный кислород». Разумеется, все эти ответы неверны. На самом деле всё обстоит совсем по-другому…

Как и почти все живые существа на планете Земля (за исключением анаэробных бактерий и обитателей глубоководных серных вулканов – «чёрных курильщиков»), зелёные растения дышат кислородом. А вот углекислый газ они вовсе не вдыхают, а… едят! Именно из того углерода, который входит в его состав, растения строят все свои органы и ткани, он служит для них и топливом и строительным материалом. Поэтому одним из важнейших факторов роста зелёных растений служит содержание в окружающей среде (в воздухе для сухопутных растений и в воде для водных) углекислого газа, CO₂. О нём мы сегодня и поговорим…

Маленький ликбез. О фотосинтезе.

Как известно, почти все вещества, из которых состоит любой живой организм (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, и т.д.) состоят на 99% всего из трёх химических элементов: углерода, кислорода и водорода. Оставшийся 1% составляют макроэлементы: азот, фосфор и калий, а также так называемые «микроэлементы» (прежде всего – железо, кальций, магний, цинк, в меньших количествах другие, - почти половина таблицы Менделеева). Зелёные растения обладают удивительным механизмом, позволяющим им самостоятельно синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды. Под воздействием солнечного света особое вещество, содержащееся в их клетках – зелёный пигмент хлорофилл -  производит из CO₂ и H₂O простой сахар – глюкозу, а уже из него, с помощью макро- и микроэлементов ферменты умеют делать белки, клетчатку, крахмал и всё остальное, что нужно для строительства растительного организма. В процессе этой реакции в окружающую среду выделяется кислород. Небольшую часть этого кислорода растения используют для дыхания, а остальное – выбрасывают в воздух или в воду.

Итак, для нормального роста и развития высших зелёных растений необходимо достаточное количество:

• углекислого газа;
• воды;
• солнечного света;
• макроэлементов (азот, фосфор, калий);
• микроэлементов (железо, кальций, магний, цинк, и др.)

Все эти компоненты должны быть сбалансированы друг с другом. Дефицит или избыток любого из них немедленно даёт преимущества не высшим растениям, а вредным паразитическим водорослям (зелёным нитчатым, багрянкам, диатомовым и другим), создающим в аквариуме проблемы. Эти организмы, которые старше цветковых растений на миллионы лет, приспособлены к любым условиям. Например, если в вашем аквариуме много света и мало СО2 – вы даёте преимущество нитчатым водорослям, способным быстро заполнить ваш аквариум спутанными волокнами тины. Что же делать, чтобы этого не произошло?

В химии и биохимии есть такое понятие – «лимитирующий фактор реакции». Что это такое – хорошо понятно тем, кто часто ходит в походы: скорость движения группы всегда равна скорости движения самого медленного из её участников, который и является «лимитирующим фактором». Так же точно и в росте аквариумных растений. Воды им хватает в избытке (они в ней живут!), макро- и микроэлементы поступают из грунта, из воды и с внесением удобрений, сделать хорошее яркое освещение – тоже не проблема, а вот с CO₂ периодически возникают сложности. Он-то и становится в аквариуме «лимитирующим фактором». Почему? Почему проблемы с углекислотой возникают в аквариуме, но не возникают в природе? Давайте разберёмся…

Почему CO₂ в аквариуме – дефицит?

Посмотрите на биотоп любого природного пресного водоёма. Водных растений там обычно немного, и сидят они редко, а дно покрыто органическими отложениями, в которых в изобилии живут разнообразные микро- и макроорганизмы, в основном беспозвоночные. Да и рыбы изрядно, и головастиков… И все они – от микроорганизмов, перерабатывающих донные отложения, до рыбы и лягушек, выделяют в воду значительные количества СО₂. Иное дело – типичный растительный аквариум, который, как правило, густо засажен растениями, а рыбы в нём мало, и она невелика (ибо большинство крупных рыб портят растения). Обычное население наших аквариумов – мелкая стайная харацинка и гуппи с пецилиями, которые в силу малого размера и медленного обмена веществ углекислого газа выделяют совсем мало.

А вот света в наших обычных аквариумах в достатке, азота с фосфором – обычно тоже хватает. Вот и получается, что тем самым «лимитирующим фактором» становится СО₂. Часть растений при его дефиците просто угнетаются в росте и в конце концов погибает, а другие – приспособились сами добывать себе СО2 из минеральных веществ, разлагая растворённые в любой воде гидрокарбонаты. При этом в качестве «побочного продукта» образуются нерастворимые соли кальция, выпадающие на листьях таких растений в виде грубой некрасивой корки (на которой быстро поселяются одноклеточные диатомовые водоросли). Такой фокус умеют проделывать элодеи, анубиасы, роголистники и некоторые другие виды, живущие в природе в стоячих водоёмах и сталкивающиеся там с периодическим дефицитом углекислоты. Так что если мы хотим, чтобы растения выглядели так, как на картинках в интернете, а не являли из себя тощие унылые и понурые хвостики, покрытые известковой коркой и водорослевыми обрастаниями, то волей-неволей придётся подумать о добавлении в аквариум углекислого газа.

Если же вы привыкли более дотошно подходить к таким проблемам, и мои краткие пояснения вас не убедили - советую обратиться к научной статье вот по этой ссылке, в которой всё это подробно разъяснено с точки зрения химии и биохимии:

• Углекислый газ и карбонатная система воды. Часть 1.
• Углекислый газ и карбонатная система воды. Часть 2.

Мы же перейдём к практике. Но прежде - маленькое предупреждение:

Не переборщи!

Безусловно, СО2, подаваемый в растительный аквариум в разумных количествах, стимулирует рост и развитие растений. Но ключевое слово здесь – «в разумных»! Прежде, чем переходить к описанию систем подачи углекислоты, хочется напомнить, что по неосторожности можно, как известно, сломать и такие части тела, которые к переломам не слишком предрасположены ;-) .  И если избыточной аэрацией, к примеру, навредить аквариуму сложно, то избыток СО₂ запросто способен потравить ваших рыб и креветок, поэтому контроль за его концентрацией необходим. И первое, что необходимо приобрести прежде, чем вы начнёте кормить свои растения углекислым газом – это индикатор его содержания. Оптимальная концентрация СО₂ в аквариуме – 5-20 мг/л. Содержание углекислоты менее 3 мг/л грозит растениям голодом, а 30 мг/л – концентрация, опасная для рыб и беспозвоночных.

Карбонатная жёсткость, кислотность воды и концентрация СО₂ - это взаимозависимые параметры, поэтому зная два из них можно определить третий. Более точно понять, какова концентрация СО₂ в вашем аквариуме, вам помогут индикаторы карбонатной жесткости (kH) и кислотности (pH) воды, а также вот такая таблица:

С помощью счётчика пузырьков необходимо отрегулировать подачу углекислого газа из вашей системы в аквариум так, чтобы его содержание находилось в «зелёной» области. Если ваш аквариум стабилен, то обычно бывает достаточно раз в месяц-два отрегулировать по индикатору, запомнить скорость подачи газа в пузырьках в минуту, и в дальнейшем просто поддерживать подачу с этой постоянной скоростью. На ночь подачу СО₂ нужно отключать (вручную или автоматическим клапаном), иначе ночью pH воды будет сильно понижаться.

Можно упростить процедуру, приобретя стеклянный индикатор содержания СО₂ в воде, так называемый «дроп-чекер». Цвет жидкости в нём изменяется в зависимости от концентрации углекислого газа, и означает то же самое, что и цвета в табличке на рисунке: жёлтый – много СО₂, голубой – мало, а зелёный – в самый раз. До жёлтой окраски лучше не доводить никогда: обычно жидкость в дроп-чекере желтеет уже тогда, когда концентрация превысила опасный для рыб уровень.  Учтите ещё, что «дроп-чекер» - прибор довольно «тормозной», и реагирует на изменения не сразу, поэтому после изменения скорости подачи газа надо подождать полчасика, прежде чем его показания начнут соответствовать реальности. Индикаторная жидкость в дроп-чекерах работает до трёх месяцев, потом она бледнеет, мутнеет, и требует замены. Кстати, продающиеся в зоомагазинах жидкости для дроп-чекеров разных брендов вполне взаимозаменяемы (их состав совершенно одинаков).

Откуда же взять СО₂?

Итак, из всего выше изложенного мы поняли, что раз СО₂ в аквариуме так уж необходим, а рыбки выделяют его недостаточно, то следует подавать его принудительно. Но откуда его взять? Существуют множество вариантов. Если у вас маленький аквариум на 10-30 литров, и вы большую часть дня находитесь рядом с ним, то никакой генератор СО₂ вам не нужен вообще: в такую баночку достаточно 2-3 раза в день аккуратно выливать в аквариум 20 мл рюмочку самой обыкновенной питьевой газированной воды из бутылки (разумеется не сладкой, не солёной и не минеральной). Лучше брать самую дешёвую, которую делают из водопроводной воды, - там гарантированно нет вредных добавок. Если же у вас аквариум побольше, то понадобится генератор углекислого газа, арматура для его подачи, счётчик пузырьков и реактор, обеспечивающий его растворение в воде в нужной концентрации. Начнём с генераторов.

Генератор брожения

Самый старый из существующих в аквариумистике способов получения углекислого газа – метод брожения, основанный на реакции сахара и дрожжей. Принцип известен и понятен всем: дрожжи в водном растворе поедают сахар, превращая его в спирт и углекислый газ. Если проводить процесс в герметичной ёмкости, то через трубочку из неё полученный СО₂ можно подавать в аквариум. Преимущества дрожжевого метода понятны – «дёшево и сердито»: сахар и дрожжи стоят копейки, замешать бражку умеет каждый, и, казалось бы, никаких затрат. Но всё не так просто!

Во-первых, дрожжи поедают сахар достаточно быстро, и СО₂ нормально выделяется только в первые пару дней. Потом в растворе заканчивается сахар, а сами дрожжи отравляются образующимся спиртом и погибают. Для того, чтобы замедлить процесс, аквариумисты придумали множество различных ухищрений: от банального «смешать, но не размешивать» (чтобы сахар растворялся постепенно) до добавления соды и разного рода загустителей (желатина, агара, крахмала), затрудняющих дрожжевым клеткам путь к вожделенному сахару. Но даже самая продвинутая бродилка «пузыряет» СО₂ не больше двух-трех недель, после чего её всё равно надо разбирать, сливать дурнопахнущее содержимое и заправлять по новой.

Во-вторых в период интенсивного брожения в реакторе образуется органическая пена, которая может, попав в аквариум, вызвать в нём «биохимическую катастрофу», поэтому углекислый газ из такого аппарата нужно обязательно пропускать через «склянку Дрекселя», чтобы пена, капли, и прочее остались в ней и не дошли до аквариума. Лучше всего на дно такой склянки налить немножко раствора питьевой соды, чтобы СО₂ булькал сквозь него, очищаясь не только от пены, но и от паров спирта, уксусной и других кислот, образующихся при брожении.

В-третьих, если пропустить окончание брожения, то избыточное давление газа в реакторе может смениться недостаточным, и вместо подачи газа в аквариум может начать поступать вода из аквариума в реактор. А значит – нужен обратный клапан, перекрывающий трубку в такой ситуации.

Наконец, в-четвёртых скорость выделения газа при брожении очень нестабильна, зависит от температуры окружающей среды, сорта и качества дрожжей и множества других факторов, и её придётся постоянно контролировать по счетчику пузырьков, в начале процесса ограничивая поступление газа в аквариум, а в конце – открывая на полную.

Справедливости ради следует сказать, что поскольку среди аквариумистов довольно много поклонников "бродильного" метода, считающегося экологически чистым и природно-естественным, то некоторые известные производители аквариумного оборудования, идя навстречу их убеждениям, выпускают промышленные наборы для получения СО₂ брожением. Как правило, в состав этих наборов входит сменная бутыль с "биогелем" (раствором сахара и специального загустителя) и специальные "медленные" дрожжи, а также все необходимые аксессуары. Содержимое бутыли работает обычно около месяца, после чего придётся купить новую бутыль.

Пример такого набора:

• Система СО2 в аквариум Dennerle BIO 120
• Система СО2 в аквариум Dennerle BIO 60
• Система CO2 Dennerle Einweg 160 Primus
• Система CO2 JBL ProFlora bio80 eco 2 с пополняемым баллоном для аквариумов от 12 до 80 л
• Система CO2 JBL ProFlora bio80 eco 2 с пополняемым баллоном и мини-CO2-реактором для аквариумов от 12 до 80 л
• Установка для подачи CO2 Dennerle Nano Bio

Сменная бутыль:

• Баллон с гелем Dennerle запасной

В общем, простота и дешевизна «бражки» на поверку оказываются кажущимися, а забот она требует постоянных. Какие же ещё варианты существуют?

Химический способ

Второй способ получения СО₂ – гораздо менее распространён в аквариумистике. Он основан на химической реакции между гидрокарбонатами или карбонатами (питьевая сода, известь, поташ, мел, мрамор, яичная скорлупа, доломит, и т.д.) и кислотами (уксусной, соляной, лимонной, и др.), при которой интенсивно выделяется углекислый газ. Для того, чтобы контролировать скорость реакции и объём выделяемого СО₂, процесс проводят обычно в довольно сложном агрегате, называемом «аппарат Киппа» (его классический лабораторный вариант показан на рисунке ), в котором можно тонко регулировать реакцию между твёрдым карбонатом и жидкой кислотой. Преимущества метода – дешевизна исходных компонентов. Недостатки – в общем-то те же самые, что и у метода брожения: сложность регулировки процесса, необходимость периодически менять реактивы (известь и кислота расходуются), а также нужность тех же самых защитных приспособлений – склянки Дрекселя и обратного клапана – т.к. химический СО₂ тоже способен уносить с собой следы кислоты и прочих вредных компонентов, а попадание аквариумной воды обратным ходом в аппарат способно его испортить.

Экзотические способы

На них мы подробно останавливаться не будем, скажем лишь, что они существуют. Это получение СО₂ с помощью электролизёра, порошкового генератора, TPV-аппарата, гидрокарбонатного термореактора, и прочих странных приспособлений, применение которых в бытовой аквариумистике не только сложно, но и, при отсутствии навыка, может быть опасно. К подобной же экзотике следует отнести, пожалуй, и испарители «сухого льда» (твёрдой углекислоты), способные в неумелых руках привести в взрыву и обморожению.  Из промышленной экзотики можно отметить выпускаемые некоторыми фирмами таблетки для насыщения воды углекислотой. Состоят такие таблетки, как правило, из карбоната кальция и сухой органической кислоты, а также замедлителей и минеральных добавок. Будучи помещённой в аквариум (или в специальный приборчик - карбонатор, устанавливаемый на дно), такие таблетки постепенно растворяются, выделяя в воду СО₂. Однако, контролировать этот процесс невозможно, и их эффективность вызывает обоснованные сомнения.

Пример таких таблеток:

• Таблетки для насыщения воды углекислым газом Hobby Sanoplant CO2 100 таблеток
• Таблетки для насыщения воды углекислым газом Hobby Sanoplant CO2 20 таблеток

Что же остаётся? Не самое дешевое, зато самое современное и надёжное решение: подавать СО₂ из баллона...

Баллонные системы

Сегодня самыми распространёнными и надёжными являются баллонные системы, подающие СО₂ в аквариум из одноразовых или многоразовых (заправляемых) газовых баллонов.

Одноразовые баллончики, похожие на аэрозольные, объёмом от 100 до 500 мл – хорошее решение для маленьких аквариумов. Из такого баллончика раз в день, утром, наполняется углекислым газом реактор типа «колокол» или «перевернутый стаканчик» (о типах реакторов мы расскажем чуть ниже) и в течение дня этот объём постепенно растворяется и используется растениями. Газа в таком баллончике хватает примерно на месяц-два, в зависимости от интенсивности использования.

Для совсем маленьких нано-аквариумов выпускаются СО₂-системы со сменными баллончиками, похожими на баллончики для старо-советских сифонов с газировкой или для пневматических пистолетов, например, такие:

Гораздо более распространены многоразовые заправляемые баллоны с редуктором. В таких баллонах ёмкостью от 1 до 200 литров  СО₂ находится в виде жидкости под давлением. Для подачи из них газа в аквариум нужен двухступенчатый редуктор, понижающий давление до разумного. Обычно он снабжён двумя манометрами, один из которых показывает давление в балоне (и позволяет контролировать, сколько ещё углекислоты в нём осталось) а второй – давление на выходе.

Пример редуктора:

• Редуктор CO2 Sera Flore CO2

Регулируется подача газа игольчатым клапаном (краном тонкой регулировки) и специальным электромагнитным клапаном, обычно входящим в состав аквариумных баллонных СО₂-комплектов - они позволяют автоматизировать регулировку подачи газа, устанавливать суточные режимы и отключать его подачу на ночь (когда его всё равно некому потреблять). Обязательно понадобится вам счётчик пузырьков (для чего – мы уже рассказывали выше) и обратный клапан, предотвращающий засасывание аквариумной воды в редуктор (который от воды может легко выйти из строя).

CO₂-реакторы, распылители и диффузоры

Итак, способ генерации СО₂ выбран (надеюсь, что это всё-таки баллон, а не "бродилка"!), аксессуары подобраны, и остаётся последний штрих - как подавать СО₂ в аквариум, чтобы он растворялся в воде, а не выветривался из неё в помещение? Разумеется, обычные распылители, с помощью которых мы аэрируем воду - категорически не подходят! С их помощью мы будем насыщать газом не аквариум, а помещение, в котором он стоит. Нужны специальные приспособления, которые в аквариумистике называются собирательным термином "СО₂-реакторы". Начнём с простейших.

"Колокол" или "перевёрнутый стаканчик". Собственно, что это такое - понятно из названия. Обычно это небольшая пластмассовая или стеклянная ёмкость, которая заполняется водой, помещается в аквариум открытой стороной вниз (прикрепляем к стенке с помощью присоски) и заполняется газом из баллона. В течение светового дня газ из стаканчика постепенно растворяется, расходуется, а вечером стаканчик снова наполняется водой, с тем чтобы с утра операцию повторить. Такой СО₂-реактор годится только для самых маленьких нано-аквариумов, т.к. эффективность его невелика. основное достоинство "колокола" - с его помощью невозможно "переборщить" и создать в ёмкости концентрацию СО₂, опасную для рыб.

Деревянный диффузор - распылитель древесины лиственных пород (используется обычно рябина, береза, ива или липа). Такой диффузор (в отличие от обычного распылителя для подачи воздуха) создаёт мельчайшие пузырьки газа, облегчающие его растворение. Преимуществом таких распылителей является простота в сочетании со значительной эффективностью. Недостатки - необходимость подачи газа под довольно высоким давлением (иначе такую палочку трудно "продавить"), переменная производительность (древесина постепенно разбухает и портится) и недолговечность (замена нужна каждые 2-3 месяца). Такой диффузор можно сделать самому, а можно купить готовый:

Стеклокерамические и мембранные диффузоры

Это самый распространённый и разнообразный тип реакторов для растворения СО₂. Объединяет их все принцип действия: газ подаётся в расположенную под водой стеклянную ёмкость, верхняя часть которой закрыта полупроницаемой микропористым стеклянным диском, керамической пластиной или пластиковой мембраной. В её поверхности имеются мельчайшие отверстия, сквозь которые газ с трудом медленно продавливается в воду в виде мельчайших пузырьков. Давление подачи регулируется таким образом, чтобы пузырьков газа было мало (а не так, как на рисунке слева!), и они бы не долетали до поверхности воды, растворяясь полностью в её толще.

Диффузоры:

Ещё один тип реакторов - это так называемые "пузырьковые лесенки". Это стеклянные или пластиковые прозрачные лабиринты, в которых каждый пузырёк СО₂, запущенный снизу, постепенно поднимается по ступенькам или по спирали, медленно проходя сквозь толщу воды и растворяясь в ней по дороге. При правильной настройке "лесенки" ни один пузырёк не должен доходить до последней её ступеньки, или же доходить уже таким маленьким, что не имеет шансов попасть на поверхность воды. Штука эта может и громоздкая, но в декорировании обычно не нуждается, т.к. само по себе наблюдение за поднимающимися по лабиринту пузырьками - зрелище поистине медитативное! :-) Лесенок таких выпускается великое множество, разных форм и размеров. Их преимущество - не только в завораживающем медленном танце пузырьков, но и в том, что для них (в отличие от деревянных и мембранных диффузоров) не нужно избыточное давление газа, что позволяет использовать их вместе с генераторами "бражного" типа.  Не нужен им и отдельный счётчик пузырьков - их легко посчитать с секундомером на входе в реактор.

Реакторы типа "лесенка" или "спираль":

• Система для подачи CO2 Hagen
• Реактор CO2 Dennerle Cyclo Turbo XL
• Реактор CO2 Dennerle Micro-Flipper
• Реактор CO2 Dennerle Maxi-Flipper
• Реактор CO2 Aqua Medic 500

Наиболее технически продвинутые реакторы подачи СО₂ - это активные помпы. Конструкции таких реакторов очень разнообразны, каждый производитель патентует свои технические решения, но принцип их работы един: навстречу пузырькам газа, бегущим по трубке или лесенке, с помощью помпы подаётся противоток воды, тормозящий их движение и ускоряющий растворение. Преимущество таких реакторов - максимальная эффективность (весь СО₂ переходит в раствор и не выветривается) и отсутствие потребности в избыточном давлении газа. Недостаток - пожалуй, излишняя техническая сложность, избыточная для выполняемой функции. Тем не менее, самые современные системы подачи СО₂ от лучших мировых брендов комплектуются именно активными помповыми реакторами.

Примеры активных помповых реакторов от нескольких производителей:

• Реактор CO2 Aqua Medic с прокачивающей помпой
• Реактор активный Sera Flora CO2 1000
• Помпа Aqua Medic AQ 400 для Реактора CO2

Товары, упомянутые в статье, вы можете купить в супермаркетах Аква Лого. Цены и наличие товара вы можете посмотреть в прайс-листе.

В заключение, хочу порекомендовать всем заинтересовавшимся темой подачи СО₂ в растительный аквариум, классическую статью шведских аквариумистов, коротко и понятно объясняющую научные основы этого процесса: 

Оле Педерсен (Ole Pedersen), Троелс Андерсен (Troels Andersen) и Клаус Кристенсен (Claus Christensen). CO₂ в аквариуме с растениями (The Aquatic Gardener 2007 том. 20 (3) стр. 24-33, перевод Руслан Иванюшин, Tropica).

© Аква Лого
Андрей Клочков

Оставить свой комментарий:

	Ваше имя *
	Контактный e-mail (не будет показан)
	Комментарий *
	Дважды два равно? впишите ответ цифрой!
Нажимая кнопку "Оставить комментарий", я подтверждаю свою дееспособность и даю согласие на обработку моих персональных данных в соответствии с информацией о конфиденциальности данных.

Поля, отмеченные знаком *, обязательны для заполнения.

Комментарии к статье