баланс света и co2
Интенсивность освещения и подача CO2 должны соответствовать друг другу.

• Исследования фирмы Tropica подтверждают то, что говорил Takashi Amano на сайте Aqua Journal: “Ватты света должны соответствовать количеству подаваемого CO2. Если свет слишком интенсивный и растения не получают достаточного количества CO2, сильный свет принесет больше вреда чем пользы.”

Olaf Deters говорит, что слишком много света без соответствующей подачи CO2 приносит растениям только вред. Для фотосинтеза растений не всегда нужно очень много CO2, что видно из формулы фотосинтеза: 6 CO2 + 12 H2O –> C6H12O6 + 6 H2O. При этом растения могут выделять кислород (активно фотосинтезировать) даже БЕЗ поступления питательных веществ! Это не может продолжаться долго. Растения становятся все более слабыми несмотря на активный фотосинтез. При этом потребление ими фосфатов и азота из воды уменьшается, а этим сразу воспользуются водоросли.

Если много света но недостаточно CO2, растения не будут активно расти и появятся водоросли. Вносимые жидкие удобрения (например PMDD) еще больше усугубят проблему. С другой стороны если недостаточно света, а CO2 подается много, растения не потребляют CO2 и его концентрация может превысить допустимый предел став токсичной для рыб и беспозвоночных (>30мг/л). Некоторые растения более светолюбивые чем другие, например длинностебельные с очень тонкими листьями. Требуя больше света они, соответственно, требуют и большей подачи CO2 ! Как говорит Takashi Amano, нет сложных и простых растений, просто есть светолюбивые и тенелюбивые - кроме разного необходимого количества света и CO2 они ничем не отличаются. Следует с самого начала создания NA определить мощность флуоресцентных ламп и подачу CO2, чтобы в последующем эти факторы не уменьшали рост растений - будет проще определение их потребности в других питательных веществах.
[По материалам www.vectrapoint.com, статьи Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen "CO2 and light stimulate the growth",1994 © www.tropica.com.]

сколько подавать co2

Как сделать pH и насыщение воды CO2 идеальными для растений? Сделать в аквариуме KH=min.4 градуса, и отрегулировать подачу CO2 так, чтобы pH установился на уровне 6,8 утром и 7,2 вечером - в результате средняя концентрация CO2 будет ~15-30мг/л.

pH и KH это то что каждому, кто держит аквариум с растениями абсолютно необходимо понимать. Это два взаимосвязанных понятия.
pH это мера кислотности воды (acidity). Ее определяет негативный логарифм количества гидроксидных ионов (H+) в воде - чем их больше, тем ниже pH. pH реакция воды может быть кислой (мене 7,0), нейтральной (pH=7,0) или щелочной (pH>7.0).
Карбонатная жесткость kН (т.е. карбонатная жесткость) это мера щелочности воды. KH указывает на способность удерживать pH на определенном уровне, то есть является показателем буферных свойств воды. Она постоянно изменяется, поэтому ее называют временной жесткостью. Значение KH это количество бикарбонатов [HCO3-] в воде, которые нейтрализуют действие постоянно образующихся в аквариуме кислот, например нитратов, понижающих pH, удерживая тем самым pH от понижения. Соответственно чем больше бикарбонатов [HCO3-] в воде (путем подачи CO2), тем ниже уровень pH.

В природе концентрация CO2 в воде редко бывает столь высока как того требует подводный сад, но в естественных водоемах соотношение поверхности воды, через которую поглощается CO2, к массе растений несоизмеримо больше чем в аквариуме, и его запасы постоянно возобновляются течением и выделением из донных отложений. Без искусственного обогащения воды CO2 весь доступный в аквариуме углекислый газ будет использован растениями за первые час-два после включения освещения и рост остановится.

На практике темпы подачи можно определить так (при 100% эффективности реактора):
при kH=2-4 подача должна быть 1 пузырек в минуту на каждые 10л воды в аквариуме. Это даст CO2=7-19мг/л при pH=6.8-7.2.
Если kH выше то по формуле: (kH x объем воды в аквариуме) / 30.
О том как использовать значительно большие концентрации говорилось выше.

Эти рекомендации дают только ориентировочные безопасные рамки подачи CO2. Ориентируясь по темпам роста растений, состоянию креветок и перлингу, при помощи диффузора-помпы или реактора конструкции Tom Barr можно подавать микро-пузырьки CO2 и получить максимальный эффект.

влияние co2 на pH

co2 понижает pH
При подаче CO2 в аквариум в воде образуются небольшие количества угольной кислоты [H2CO3] (0.1-0.2%), она диссоциирует на ион [H+] и бикарбонат [HCO3-] (основа KH), концентрация ионов H+ увеличивается, понижая рН - значит подавая СО2 мы можем понижать рН в аквариуме одновременно давая важнейший питательный элемент для роста растений - углерод [C].
С понижением pH в воде увеличивается доля углерода в форме CO2. (см. ниже в разделе “pH”)
Так как на значение pH влияет карбонатный буфер KH и концентрация CO2 в воде, то взаимосвязь {pH <-> KH <-> растворенный CO2} является жесткой. В связи с тем что pH в основном определяется наличием карбонатного буфера KH, количество подаваемого CO2 зависит от того, кокой нам нужен уровень pH в аквариуме с растениями. То есть в тройке {pH - KH - CO2} pH и KH являются заданными величинами, а подача CO2 будет регулироваться для обеспечения одновременно оптимального уровня pH=6.8-7.2 и концентрации углекислого газа в воде. Для получения оптимальной концентрации CO2=15-30мг/л и pH=6.8-7.2 вода должна быть с исходным KH=2-8, что соответствует воде с общей жесткостью dGH=4-10.

но какими должны быть kH и pH?

pH

Оптимальным для роста растений является pH=6.8-7.2. Почему именно 6,8-7,2?

Растениям нужно много CO2.
Для хорошего роста растений нужно много CO2. Как говорилось ранее, для растений лучший источник углерода это CO2. Но в воде углерод может существовать в двух формах: углекислого газа CO2 растворенного в воде, и бикарбоната [HCO3-]. Растворенный в воде газообразный CO2 непосредственно поглощается ратениями путем диффузии через стенки клеток. Бикарбонат же содержит химически связанный CO2 - то есть НЕ доступный для непосредственного потребления растениями - они должны сначала поглотить HCO3- и уже внутри клеток извлечь CO2. Это сложный и энергоемкий процесс, и не далеко все растения могут это делать (подробнее).

• В мягкой и кислой воде с pH<7.0 большинство углерода (~70%) будет находится в виде CO2 прекрасно усваиваемого растениями, и только 30% в виде бикарбоната [HCO3-], то есть: чем ниже pH, тем больше углерода находится в легко доступной для растений форме - растворенном в воде газообразном CO2! Это говорит о том что при равной подаче CO2 в аквариуме с мягкой водой с KH=2-6 (dGH=4-6°) растения получают больше CO2 чем в аквариуме с более жесткой водой.

Стабильность pH при протекании биологических процессов в аквариуме.
Буферизация это результат действия химических свойств слабых кислот. Когда слабая кислота диссоциирует в воде, отношение сформировавшихся пар кислота-основание имеет логарифмическое отношение. Если распечатать график отношения кислота/щелочность (acid-bace ratio) относительно pH, увидим что выше или ниже определенного значения pH, кривая зависимости практически плоская, то есть когда кислоты или основания добавляются в воду, pH не будет существенно изменяться! При определенном pH, называемом точкой равновесия, кривая практически плоская, означая что добавление кислот и оснований очень мало изменят pH. Заметьте что может быть больше чем одна точка равновесия, и они разные для разных кислот.
Нас же интересует угольная кислота [H2CO3], точка равновесия которой pH=6.37. Это идеальное значение для аквариумных растений, так как желаемый уровень pH чуть-чуть выше этого значения и обычно имеет тенденцию к понижению потому что в аквариуме кислоты, которыми являются нитраты [NO3] (nitric acid), постоянно производятся биологическим путем. Так как начальный уровень pH ВЫШЕ точки равновесия и любое смещение будет по направлению к ней, довольно много кислоты может быть «буферизировано» перед тем как pH упадет ниже этой точки. [2] В этом залог стабильности pH, и таков pH (6,8-7,2), выбранный T. Amano как оптимальный для Nature Aquarium.
Прим.: возможно на этом явлении основан метод Krause определения оптимального pH воды для конкретного аквариума. По моим данным он всегда дает pH=6.8.

Соотношение аммония NH4+ и токсичного аммиака NH3.
аммоний [NH4+] может существовать и в форме аммиака [NH3], который очень токсичен для всего живого (токсичен уже при концентрации 0,06 мг/л). Соотношение аммоний NH4+/аммиак NH3 в аквариуме в основном зависит от значения pH. Чем ниже pH, тем меньше токсичного аммиака. При pH=7.0 его только 0,5%, но при повышении pH до 7,5 аммиака уже 4%. То есть в восемь раз больше! Простое правило: при pH больше 7.0 начинает значительно увеличиваться доля токсичного аммиака. При pH=6.8-7.2 в NA будет доля токсичного аммиака [NH3] в пределах 0,4-0,8%. Так как в NA поддерживается очень низкий уровень аммония/аммиака, то даже при ухудшении ситуации, pH в пределах 6,8-7,2 гарантирует отсутствие токсичного аммиака [NH3].

Активность нитрифицирующих бактерий.
При pH=6,6 нитрифицирующая деятельность бактерий составляет примерно 85% от максимального уровня. Это значит что в NA при pH=6.8-7.2 бактерии никогда не работают на максимуме, и при незначительном ухудшении параметров воды всегда смогут немного увеличить активность и справится с увеличившейся нагрузкой, сохранив стабильность аквариума. Таким образом создается такой же запас стабильности, как и в описанном выше примере с точкой равновесия pH. (Наиболее активно нитрификация протекает при pH=7,5-8,5; ниже pH7,5 она замедляется.)

KH

Теперь нужно определить какое должно быть значение KH. Мы выяснили, что в аквариуме для оптимального роста растений нужно поддерживать pH=6.8-7.2.

• Мягкая вода с kH=2-5 сама по себе кислая и автоматически буферизируется на уровне pH=6.0-7.3 потому что большинство углерода в ней содержится в форме углекислого газа [CO2] а не угольной кислоты [H2CO3], значит во избежание падения pH ниже нормы при подаче углекислого газа минимальный уровень kH до подачи CO2 в аквариум должен быть KHmin.=4.0.

Почему не больше? Потому что если начальный уровень kHmax.>7.0, т.е. вода слишком жесткая, она будет иметь начальный pH~7.8, и для для достижения нужного уровня pH потребуется превысить предельно допустимую для рыб концентрацию CO2 в 30мг/л. В этом случае просто не получится снизить pH до оптимального уровня.
Если же KH слишком низкий (kH<2), при завышенной подаче CO2 или повышении уровня нитратов возникнет угроза внезапного резкого падения уровня pH ниже 6.8, что губительно для растений и рыб.

• Для поддержания стабильного pH вода до начала подачи CO2 должна иметь минимальный уровень kHmin.=4, чтобы в любой момент не исчерпался карбонатный буфер воды, и это не привело к резкому падению pH.

Далее. Вы помните, что взаимосвязь {pH - kH - CO2} является жёсткой, значит по Таблице 1 зависимости одной величины от другой по требуемому pH и заданному KH можно определить, какая будет концентрация CO2 при выбранных нами kH и pH.

По таблице видно, что при pH=6.8-7.2 и KH=4-5 концентрация CO2 будет 7,6-23,8 мг/л. Подавая в воду такое количество CO2 при KH=4-5 мы получим и оптимальный pH, и оптимальное насыщение воды CO2 для бурного роста растений в аквариуме.

• РАстения макимально эффективно потребляют CO2 при KH=3.5-4. Чем ниже pH (<7.0), тем больше в воде легко потребляемого растениями растворенного CO2. Таким образом уровень карбонатной жесткости kH приобретает важную роль в интенсификации роста растений.
Общая жесткость GH является несущественным фактором и второстепенна для аквариума с растениями. GH не особо влияет на рост растений, но не должна быть слишком низкой или слишком высокой (для здоровья рыб).

жесткая вода
Если водопроводная вода имеет KH выше чем 7.0dKH, вы не сможете достичь нужного уровня pH=6.8-7.2 потому что концентрация CO2 превысит предельно допустимую для рыб - 30мг/л. Нужно умягчить воду смешав с водой полученной после фильтрации методом обратного осмоса (ее KH=0).

мягкая вода
Повысить карбонатную жесткость слишком мягкой воды без повышения общей жесткости dGH можно добавлением поваренной соды (бикарбонат натрия, sodium bicarbonate) [NaHCO3] - 1 чайная ложка на 50 литров повысит dKH на 4 градуса. Повысить одновременно GH и KH до 4dKH и 4dGH можно внеся 2 чайные ложки карбоната кальция [CaCO3] на 50 литров воды.
Не используйте для повышения жесткости воды толченый известняк - это нарушит катионный баланс воды.
О повышении жесткости RO-воды смотри в разделе восстановление RO-воды. Можно также смешать жесткую водопроводную воду с RO-водой для получения воды с требуемым dKH и dGH.

что делать, если карбонатная жесткость воды (KH) слишком высока?

Можно умягчить воду до требуемых KH=4 путем очистки жесткой водопроводной воды методом обратного осмоса и смешивая ее с водопроводной.
Если карбонатная жесткость воды dKH намного выше чем требуется (>=7.0), и нет возможности умягчить воду, подавать CO2 нужно до достижения концентрации не более 30мг/л (pH~7.0).

Например: в аквариуме вода ДО подачи CO2 была kH=10, настроить подачу CO2 (из расчета что при при KHmin=4 градуса подача должна быть: 1 пузырек в минуту на 10л живого объема аквариума). Затем раз в день измерять pH (в середине осветительного периода аквариума), если pH выше 7,0 понемногу увеличить подачу углекислого газа. Когда подача CO2 будет такой что pH=7,0 это и будет оптимальная подача углекислого газа в ваш аквариум. Еще раз измерить несколько понизившееся от подачи CO2 значение KH, и по таблице узнать концентрацию CO2. При kH=6,0 и pH=7,0 концентрация CO2 будет 18мг/л, причем утром pH будет 6,8 а вечером 7,2.
Если KH воды более 7.0, вам не удастся понизить pH до нужного значения 6,8-7,2 поскольку при этом будет превышение допустимой концентрации CO2 для рыб (30мг/л).

влияние фотосинтеза растений на pH в течение суток

В течение суток фотосинтез растений влияет на pH воды в аквариуме. Растения в течение дня фотосинтезируют, потребляя небольшое количество углеродной кислоты [H2CO3], понижая тем самым кислотность. При этом pH повышается.
Независимо от того, освещено растение или нет, оно дышит 24 часа в сутки. То есть растения постоянно потребляют кислород и производят CO2. Только днем, фотосинтезируя, растения потребляют CO2 и производят кислород как побочный продукт.
В густо засаженном растениями аквариуме, свет включается в 10-00 утром, и выключается в 21-00 вечером. Ночью, когда света нет, растения дышат 11 часов, выделяя CO2 который понижает pH, соответственно pH упадет к утру до 6,8. Когда утром свет включается, растения одновременно и фотосинтезируют и дышат, потребляя CO2 и выделяя кислород - pH начинает повышаться. В полдень pH поднимется до 7,0, и будет продолжать расти вплоть до 21-00 вечера, до 7,2. С выключением света pH снова начнет постепенно падать, потому что растет концентрация CO2.
Чем более активно растут растения, тем больше они потребляют CO2 в течение дня, и тем сильнее к вечеру повысится pH.

Т. Амано говорит: “Для определения сколько растения потребляют CO2 можно сравнить уровень pH утром и вечером. Наименьший уровень pH будет утром - перед ВКлючением света, после ночи дыхания рыб и потребления ими кислорода и выдыхания CO2, а наивысший уровень pH будет вечером, перед ВЫключением света, после дня потребления CO2 растениями и производства кислорода. Чем больше эта разница, тем больше потребление CO2 и соответственно здоровее ваши растения.” (www.vectrapoint.com)

влияние нитратов на pH

На pH влияют два фактора: нитраты [NO3] понижающие pH, которые сами по себе кислоты, и нитрифицирующие бактерии, выделяющие CO2, который тоже понижает pH.
Нитраты понижают pH - проще это запомнить так: нитраты это nitric acid - кислота, и если увеличивается количество кислоты, увеличивается кислотность воды, то есть pH понижается, т.е.: чем больше кислоты (нитрата), тем кислее вода (pH все меньше 7.0). Кислота подкисляет воду!

Так как нитраты [NO3] постоянно образуется в аквариуме биологическим путем (она является конечным продуктом окисления аммония), это объясняет, почему со временем уровень нитратов (кислот) повышается, а pH понижается, если плохо растут растения и недостаточна еженедельная подмена воды.

выветривание co2

Углекислый газ очень легко выветривается из воды в окружающий воздух, так же легко как и при взбалтывании бутылки с газированной водой, поэтому нужно полностью исключить движение поверхности воды. Для этого:
- НИКОГДА не применяйте аэрацию воды, в аквариуме с растениями она просто не нужна!
- всегда размещать выходной патрубок канистрового фильтра ниже уровня воды,
- не использовать разбрызгиватель на возврате воды в аквариум из фильтра,
- в случае применения помп для создания движения воды располагать их так, чтобы исключить движение поверхности воды.
Никогда не используйте открытые навесные фильтры типа биоколесо Marineland BIO-Wheel или водопадные Hydor BRAVO - они сильно выветривают из воды углекислый газ и будет иметь место чрезмерная биофильтрация. Некоторые акваскейперы используют и их, но тут важно как его установить. Если повесить его на аквариум с рамкой, так что вода падает с высоты, то он выветривает CO2, если аквариум без рамок и стяжек и носик погружен в воду, то нет.

контроль концентрации co2

Для определения концентрации CO2 в воде достаточно измерить KH воды и ее pH, а затем рассчитать по формуле: CO2 = 3.0 * KH (в градусах) * 10^(7.00 - pH). Можно также определить по таблице или графику, или с помощью калькулятора. Этот метод имеет большую погрешность и не может служить точным ориентиром.

думать что pH и co2 это одно и то же - опасно

Если падение pH происходит от большого количества СO2 в результате дыхания бактерий в грунте, можно увеличивать подачу CO2. Но если это происходит на фоне высокого уровня нитратов, значит низкий pH вызван плохим биологическим равновесием и нужно увеличить подмену воды, понизить нитрат, и только потом увеличивать подачу CO2.
Слишком высокий pH является типичной «болезнью» аквариума на ранней стадии Setup. T. Amano в разделе о борьбе с водорослями на сайте журнала Aqua Journal обращает внимание на это обстоятельство:
«на ранних стадиях бактерий недостаточно, из-за этого pH очень высокий (прим.: потому что в воде мало CO2 ), понизьте pH усиленной подачей CO2». (прим.: но не ранее второй недели setup!)
«In the early stages, there are not enough bacteria and the pH value is high, lower pH with increase CO2 injection.» (T. Amano) В старом аквариуме в грунте и фильтре много бактерий выделяющих CO2 и как следствие pH ниже.