Каждый аквариумист должен понять - растения состоят из углерода [C] на 40-50% (сухого веса), а в аквариуме без подачи CO2 его настолько мало*, что им просто негде взять основной строительный материал для своих клеток! Это наглядно видно в Таблице состава растений.

Растения используя световую энергию, кислород, углерод и водород осуществляют фотосинтез.
С помощью фотосинтеза углеводы, например глюкоза, получается из двуокиси углерода CO2 по реакции:

CO2 + 6 H2O + 674.000 кал ---> C6H12O6 + 6H2O
или CO2 + 2H2O --> + O2 + H2O

Как видно это невозможно без достаточного количества CO2.
По этой формуле также видно, что процесс фотосинтеза растений требует определенного уровня энергии света (~674,000 кал). Если свет недостаточно яркий, фотосинтез происходить не будет. При уровне освещенности близком к оптимальному **, фотосинтез будет происходить все быстрее и быстрее.

Данные научных исследований (1994) фирмы Tropica () , крупнейшей компании по выращиванию аквариумных растений, показали что в природе при достаточном количестве питательных веществ CO2 + свето являются главными лимитирующими факторами роста растений. При условии насыщения воды всеми питательными веществами, в компании Tropica две недели наблюдали результаты по выращиванию риччии, и получили следующие результаты:
- нет подачи CO2 + низкая освещенность - рост растений = 0. (за две недели почти никакой прибавки массы листьев)
- при малой подаче CO2 + низкой освещенности рост увеличивается в 4 раза (по причине низкой точки компенсации, LCP у водных растений)
- малой подаче CO2 + высокой освещенности рост усиливается в 6 раз.
- при сильной освещенности + высокой подаче CO2 1 грамм риччии вырастет в 6,9 грамм, это дает ежедневный прирост массы на 9,2% ! (см. график)

Если подавать много CO2 при слабой интенсивности света получим совсем незначительное усиление роста растений (зеленая линия), как и при усилении одного только освещения (синяя линяя). Но при сильном свете и высокой концентрации CO2 в воде (~15-25мг/л) эффект просто потрясающий (красная линия). При интенсивности освещения ниже точки компенсации света (LCP) рост растений останавливается и энергии света хватает только на поддержание жизни растения (желтая линия).

Даже средний уровень подачи CO2 в плохо освещенном аквариуме приводит к 4-х кратному увеличению роста растений, потому что может производится 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 + подачи CO2 превосходит эффект от повышения только одного из них.
Этот график подтверждает истину что каждый фотон независимо от угла падения на лист растения используется для реакции фотосинтеза, т.е. использование в процессе этой реакции молекул CO2 напрямую зависит от интенсивности освещения.
Прим.: одно дело получить максимальный рост, другое - Стабильность .

Из вышеизложенных фактов следует что: интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого в аквариум CO2 и наоборот.

Если освещение в аквариуме слабое, все равно стремитесь к достижению концентрации CO2 не менее 15 мг/л (это малая подача)! Еще лучше - всегда поддерживать ~30мг/л.

У подавляющего большинства любителей растений не владеющих правильной методикой недостаток света и отсутствует подача CO2, поэтому темпы роста растений соответствуют желтой линии, в лучшем случае зеленой . Увеличив только свет, вы улучшите рост и получите синюю линию, но в этом случае возникает угроза появления водорослей. И только приведя освещенность в норму и сделав подачу CO2 ускорение роста будет в несколько раз (красная линия )! Это заставит растения расти невиданными темпами.
Зачем это нужно? Во первых - вы не будете ждать несколько месяцев пока композиция приобретет запланированный вид - это произойдет всего за 1,5-3 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 .

почему именно co2 ?
Растениям углерод доступен в двух формах: газообразной в виде оксида углерода , и растворенной в воде как бикарбонат . Растения предпочитают потреблять CO2 не из бикарбоната, а как чистый CO2 без больших энергетических затрат, кроме того многие растения не могут напрямую утилизировать бикарбонат для фотосинтеза. Растворенный в воде оксид углерода (CO2 - углекислый газ) дает растениям самый лучший и наиболее легко ассимилируемый источник углерода.

какая концентрация co2 нужна растениям?
Оксид углерода CO2 хорошо растворяется в воде. Концентрация CO2 в воде и воздухе уравнивается при 0,5мг/л. К сожалению CO2 растворяется в воде в десять тысяч раз медленнее чем в воздухе. Эта проблема решается относительно толстым недвижимым слоем (unstirrable layer или Prandtl boundary) который окружает листья водных растений. Недвижимый слой водных растений это слой спокойной воды через которую газы и питательные вещества должны диффундировать чтобы достичь листьев растений. Его толщина около 0,5мм, что в десять раз толще чем для наземных растений.
Как следствие этого, чтобы обеспечить оптимальный фотосинтез водных растений концентрация свободного CO2 в воде должна быть порядка 15-30мг/л , при этом нельзя превышать предельно допустимую концентрацию CO2 для рыб 30мг/л.
Низкая растворимость CO2 в воде, относительно толстый недвижимый слой и высокая концентрация CO2, нужная для обеспечения фотосинтеза подсказали одному ученому утверждение: "Для пресноводных растений, естественный уровень соединений углерода в воде является главным сдерживающим фактором фотосинтеза..." (подробнее см. оптимальное насыщение воды CO2 и )
Прим.: ADA используя диффузор и отключение CO2 на ночь подает углекислоту до значительно больших значений, хотя из-за интенсивного потребления растениями концентрация в воде не превысит 30мг/л. Получаемый туман из мелких пузырьков дает газообразный CO2, что значительно ускоряет рост растений.

co2 и кислород
Вопреки распространенному заблуждению, углекислый газ не вытесняет из воды кислород*** и не ограничивает его доступность для дыхания рыб - они успешно сосуществуют. Наоборот - благодаря хорошему росту растений концентрация кислорода днем, когда растения активно фотосинтезируют, достигает 11 мг/л, что намного выше 100% границы насыщения при температуре воды 24С, и к утру падает только до 8,0 мг/л. Для нормальной жизнедеятельности рыб достаточна концентрация растворенного кислорода в воде 5 мг/л (насыщение 60%). На самом деле в аквариуме с растениями качество среды настолько выше чем в обычном аквариуме, что рыбы будут в значительно лучшей форме, и большинство видов будет размножаться без всякой стимуляции к нересту, а мальки прекрасно вырастают в общем аквариуме (если им подходит тот корм что размножается в общем аквариуме, мелкий циклоп и пр.). При подаче CO2 и pH 7.2-7.5 даже содержание малавийских цихлид дает прекрасные результаты с регулярным размножением в общем аквариуме.

отключение co2 на ночь
Что касается вопроса выключать подачу CO2 на ночь или нет, то здесь есть два мнения. Одни источники утверждают что этого делать не нужно. Считают что если в аквариуме до 1200 литров нормально буферизированная вода (с dKH=2-4), и он не перенаселен рыбами, содержание кислорода к утру остается достаточно высоким (8мг/л), а pH более-менее стабилен. Использование подачи CO2 по ADA при помощи диффузора имеет свои особенности, позволяет отключать подачу газа на ночь без опасений, и дает неожиданно хороший эффект !
Растения потребляют CO2 только во время фотосинтеза, поэтому подача газа ночью просто не нужна. Максимальный фотосинтез происходит утром , когда в воде много свободного CO2, а уровень O2 и солнечной иррадиации наиболее низкие [см. ], поэтому важно утром перед включением света насытить воду углекислотой включив подачу CO2 за 1-2 часа ДО включения света. При Ступенчатом методе освещения активность Rubisco значительно больше и потребность в CO2 утром ниже чем при равномерном и потребление CO2 эффективнее, поэтому включать подачу CO2 за 1-2 часа до включения света не нужно. [см., раздел Metabolic flexibility]
Обычно выбор делается на основании личных предпочтений. Если подавать CO2 методом распыления на ночь ее отключают, если же методом растворения (в канистровый фильтр) то нет, позволяя сэкономить на стеклянном диффузоре и убрать один прибор из аквариума, значительно сократить расход газа, и сделать обслуживание системы проще. Распыление может давать несколько лучший вид растений и очень хорошо очищает воду от взвеси. В любом случае одним из решающих факторов стабильности аквариума является стабильность подачи CO2. Оба варианта работают хорошо.

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

Исследования фирмы Tropica подтверждают то, что говорил Takashi Amano для 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."

тоже 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. [См. Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen , 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.
pHэто 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 бикарбонатfов в воде, которые нейтрализуют действие постоянно образующихся в аквариуме кислот понижающих pH, удерживая тем самым pH от понижения.

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.
О том как использовать значительно большую подачу говорилось ¬.

Эти рекомендации дают только ориентировочные безопасные рамки подачи CO2. Наиболее эффективный способ подачи CO2 это метод распыления . Это можно сделать при помощи стеклянного диффузора, диффузора-помпы , или реактора конструкции Tom Barr .

влияние co2 на pH

co2 понижает pH
При подаче CO2 в аквариум в воде образуются небольшие количества угольной кислоты (0.1-0.2%), она диссоциирует на ион и бикарбонат (основа KH), концентрация ионов H+ увеличивается, понижая рН - значит подавая CO2 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, т.е. растворенного в воде CO2 становится больше чем бикарбонатов. (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 . 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 , 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 , 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 в процессе нитрификации потребляется много щелочного буфера - бикарбоната HCO3-. 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. В этом залог стабильности pH, и таков pH (6.6-7.2), выбранный T. Amano как оптимальный для Nature Aquarium.
Прим.: возможно на этом явлении основан метод Krause определения оптимального pH воды для конкретного аквариума.

Соотношение аммония NH4+ и токсичного аммиака NH3.
аммоний может существовать и в форме аммиака , 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 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 .

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 а в т о м а т и ч е с к и буферизируется на уровне pH=6.0-7.3 потому что большинство углерода в ней содержится в форме углекислого газа а не угольной кислоты , значит во избежание падения pH ниже нормы при подаче углекислого газа минимальный уровень kH до подачи CO2 в аквариум должен быть min.KH=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 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 (т.н. обвал pH), 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 обвалу pH. Есть и другая возможность этого избежать - субстрат с хорошими буферными свойствами который будет буферизировать pH за счет щелочности а не kH.

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.

Чем ниже pH (<7.0), тем больше в воде легко потребляемого растениями растворенного CO2, и тем лучше потребление растениями всех остальных питательных веществ. В то же время kH растениям совершенно не важен, важен pH. Часто значение kH равно dH, но бывает что нет. Жесткость воды dH является несущественным фактором и второстепенна для аквариума с растениями. Высокий GH вовсе не подавляет рост растений, часто даже длинностебельные растения растут в воде с жесткостью dH 10-12 лучше чем в мягкой, и вода никогда не должна быть слишком мягкой чтобы не было радикулита .

Важно знать, что подобная взаимозависимость pH/kH/CO2 характерна только для аквариума в котором основным компонентом щелочности является карбонатная жесткость воды kH (с нейтральным грунтом без органики и без растений), в аквариуме же с растениями, с богатым органикой и гуминовыми кислотами грунтом kH в буферной системе играет намного меньшую роль, что делает подобные таблицы и pH-контроллеры бесполезными. Единственный верный способ контролировать концентрацию CO2 - дропчекер с калиброванным раствором kH=4.00.

нужен ли нам вообще kH ?
Увеличение концентрации CO2 в воде вызывает понижение как pH, так и kH. Выше говорилось о том, что при подаче CO2 обязательно должен быть некий минимальный уровень min.kH который не позволит обрушиться (необратимо резко упасть) кислотности pH когда концентрация CO2 достигнет определенной величины что исчерпает весь буфер kH, то есть буферизация pH прекратится. Проблема в том что после такого обвала после снижения подачи CO2 восстановиться kH уже не сможет. То есть нужен щелочной буфер. Это так, но аквариум с растениями может обойтись вообще без kH и иметь достаточный буфер чтобы не было никакого обвала pH.
Например, если мы подаем CO2~30мг/л в очень мягкую воду, pH может быть 5.8, а kH=0. Почему тогда не происходит обвала pH и он стабильно держится? Это происходит потому, что в субстрате и в воде кроме kH (карбонат/бикарбонат) все же есть вещества буферизирующие pH, то есть еще есть щелочность, а щелочность это далеко не только карбонтаная жесткость kH...
Непонимание происходит от того что путают понятия карбонтаной жесткости kH и щелочности вообще (alkalinity). Щелочность и kH совсем не одно и то же. Щелочность это способность раствора сопротивляться падению pH (буферизировать) при добавлении кислоты. Чем выше значение, тем больше щелочность. Она формируется за счет соединений карбонатов, бикарбонатов, боратов, фосфатов, гидроксидов. А KH это только мера количества карбонатов/бикарбонатов в воде. То есть мера щелочности вовсе не обязательно показывает присутствие какого либо из этих соединений, а именно карбонатов/бикарбонатов - kH. Проще говоря, щелочность это способность удерживать pH вообще, а kH это только ее часть - карбонаты/бикарбонаты. То есть отсутствие kH вовсе не означает что раствор не имеет щелочной буферной емкости. KH воды может быть 0-1, но при подаче CO2~30мг/л обвала pH не будет – он будет удерживаться не за счет kH, а за счет других соединений дающих щелочность. Обычно kH образует большинство щелочности в системе, но в аквариуме с растениями это не так. В таких аквариумах pH удерживает буферная емкость субстрата с высоким содержанием гуминовых кислот и органики вроде ADA Aqua Soil или его аналогов , они способны делать это несколько лет. Гуминовые кислоты понижают pH до 6.8 безо всякой подачи CO2, в то же время при подаче CO2 до 30мг/л cистема уравновешивается при pH~6.5. Кроме того, часть kH и буфера субстрата постоянно возобновляется за счет подменной воды .
Но если в буферизированной иной нежели kH щелочностью при kH=0 кислотность pH не зависит от kH, как тогда контролировать концентрацию CO2, ведь тогда нельзя воспользоваться таблицей зависимости pH<->kH ? Только при помощи дропчекера с калиброванным раствором KH=4.00 .
Непонимание этих вещей иногда приводит аквариумистов к покупке самого ненужного прибора для аквариума с растениями - pH-контроллера .
Что касается благополучия растений, то им нужен определенный pH, а kH им безразличен . KH это не общая жесткость воды dH дающая жизненно важные элементы (Ca, Mg), и он никак не влияет на рост растений, только оптимальный диапазон pH 6.8-7.2 улучшает их рост. А большинство рыб подходящих для аквариума с растениями совершенно спокойно относятся даже к pH 5.5. Поэтому kH нам не нужен, но только если есть другой щелочной буфер - в субстрате.

жесткая вода
Для наилучшего роста растений требуется оптимальный pH=6.8-7.2. Если водопроводная вода имеет KH выше чем 7.0dKH, вы не сможете достичь нужного уровня потому что концентрация CO2 превысит предельно допустимую для рыб - 30мг/л. Нужно умягчить воду смешав с водой полученной после фильтрации методом обратного осмоса (KH~0).
Распространенное заблуждение - думать что при подаче CO2 снижение уровня pH в жесткой воде будет намного больше чем в мягкой. Это не так. Что для мягкой, что для жесткой воды при подаче CO2 смещение pH будет почти равным, в том числе и суточные колебания при отключении подачи CO2 на ночь. Достаточно внимательно посмотреть Таблицу kH-pH-CO2.

мягкая вода
Слишком мягкая вода несет в себе две опасности: вероятность обвала pH при подаче CO2, и недостаток Ca+Mg. Мягкая вода обычно (но не всегда!) имеет и очень низкий kH. Если в воде отсутствует щелочной буфер подача CO2 может привести к обвалу pH. Но так как kH является только частью этого буфера, нужно ли повышать карбонатную жесткость воды kH заисит от того какой у вас субстрат. Если это аквариум с растениями c богатым органикой грунтом , kH можно не повышать . В этом случае жесткость воды повышают внося только составляющие постоянной жесткости воды, например Amania GH Booster . Если же вам нужен высокий pH+kH (например вы выращиваете растения в акваруиме с цихлидами), используйте состав повышающий и GH, и kH - Amania GH+KH Booster. Можно также смешать жесткую водопроводную воду с RO-водой для получения воды с требуемым dkH и dH. О повышении жесткости RO-воды смотри в разделе восстановление RO-воды .

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). Понизить pH до оптимального значения подачей CO2 не получится так как для это придется превысить допустимую концентрацию CO2 для рыб 30мг/л, но это можно сделать используя субстрат подкисляющий воду вроде ADA Aqua Soil . Никогда не используйте для этого ионнобменную колонку!

Пример. В аквариуме вода ДО подачи CO2 была KH=10. Настроим подачу CO2. 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.

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 угольной кислоты , 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." (vectrapoint.com)

Влияние процесса нитрификации на pH
В процессе нитрификации, т.е. процесса преобразования бактериями аммония NH4+ в нитрат NO3, бактерии Nitrosomonas используя NH4+ и бикарбонат HCO3- производят сначала токсичный нитрит NO2- и угольную кислоту H2CO3, а затем Nitrobacter преобразуют нитрит NO2- в безвредный нитрат NO3- в процессе чего на каждый 1мг преобразования аммония потребляется 8.64мг щелочного буфера, а именно бикарбоната HCO3-. При этом при преобразовании промежуточного метаболита азотной кислоты HNO3 до NO3 выделяется H+ что понижает pH. При преобразовании одной молекулы NH4 до NO3 высвобождается два иона H+, упрощенно процесс описывается как: NH4+ + 2O2 => H2O + H+ + H+ + NO3- (см. Understanding soil analysis data 59p.). Более детально для NH4->NO2 бактериями Nitrosomonas: 55NH4++ 76 O2 + 109HCO3- => C5H7O2N + 54NO2-+ 57H2O + 104H2CO3; для NO2->NO3 бактериями Nitrobacter: 400NO2- + NH4+ + 4H2CO3 + HCO3- + 195 O2 => C5H7O2N + 3H2O + 400 NO3- ().
В аквариуме с растениями со временем снижается как карбонатная kH и общая жесткость воды GH, так и pH. При ухудшении роста растений в воде и состояния колонии бактерий в фильтре и грунте процесс нитрификации останавливается на полпути и происходит накопление не только токсичного нитрита NO2-, но и бикарбоната HCO3-, в результате чего pH повышается.

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 аэрируйте воду днем, только ночью
- 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 или водопадных как - они сильно выветривают из воды углекислый газ! 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 и pH очень высокий, понизьте pH увеличив подачу CO2." (прим.: но не ранее второй недели setup!) В зрелом аквариуме в грунте и фильтре много бактерий что pH, выделяется больше CO2, и как следствие pH ниже.

* концентрация CO2 всего 2-3 ppm: от жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий разлагающих органику в грунте и канистровом фильтре, дыхания рыб и растений
**расчет мощности флуоресцентных ламп для NA смотри в разделе освещение.
*** смотри раздел роль кислорода.

Статья Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen (2001) ,1994 www.tropica.com ();
она же на англ. в формате.pdf в он-лайн журнале: Interactions between CO2 and light stimulate the growth of aquatic plants. .
из статьи "", by George and Karla Booth, Copyright 2000, www.frii.com/~gbooth/AquaticConcepts/Articles/book.htm#Intro
,
by Dave Hueber t http://www.hallman.org, mailto:[email protected]
Horst, Kaspar, & Kipper, Horst E. (1986). The Optimum Aquarium. Bielefeld, Germany: AD aquadocumenta Verlag GmbH
By Ole Pedersen, Troels Andersen and Claus Christensen, This article first appeared in The 2007 vol. 20 (3) pp 24-33;
Interactions between light and CO2 enhance the growth of Riccia fluitans L.; Andersen T & Pedersen O. (2002); HYDROBIOLOGIA 477: 163-170
Andersen T, Pedersen O (2004) Higher CO2 concentrations alleviate co-limitation of light, N and P on growth in the aquatic liver wort Riccia fluitans L. XXIX SIL Congress. 8-14 August, Lahti, Finland,
by John Whitmarsh, Govindjee
Фотосинтез -
CO2 for Landscaped Aquariums - TFH, 06/00
CO2 Supplementation in thePlanted Tank - TFH, 03/96
на Petfrd.com
, by John LeVasseur
самая большая про CO2 (англ.)
""
www.rexgrigg.com - .
, Tom Barr
, Tropica ()
Understanding the General Chemistry of the Planted Aquarium, Gregory Morin, Ph.D, Seachem ()

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углекислый газ (двуокись углерода, угольный ангидрид, диоксид углерода) – оксид углерода (IV).

Формула – СО 2 . Молярная масса – 44 г/моль.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная. Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

CO 2 + H 2 O ↔ CO 2 ×H 2 O(solution) ↔ H 2 CO 3 .

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO 2 = 2CO + O 2 .

Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

CaO + CO 2 = CaCO 3 ;

Al 2 O 3 + 3CO 2 = Al 2 (CO 3) 3 ;

CO 2 + NaOH (dilute) = NaHCO 3 ;

CO 2 + 2NaOH (conc) = Na 2 CO 3 + H 2 O.

Углекислый газ не поддерживает горения, в нем горят только активные металлы:

CO 2 + 2Mg = C + 2MgO (t);

CO 2 + 2Ca = C + 2CaO (t).

Углекислый газ вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t, kat = Cu 2 O);

CO 2 + C = 2CO (t).

При взаимодействии углекислого газа с пероксидами активных металлов образуются карбонаты и выделяется кислород:

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .

Качественной реакцией на углекислый газ является реакция его взаимодействия с известковой водой (молоком), т.е. с гидроксидом кальция, в которой образуется осадок белого цвета – карбонат кальция:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Физические свойства углекислого газа

Углекислый газ – газообразное вещество без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Термически устойчив. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояния. Углекислый газ в твердом агрегатном состоянии носит название «сухой лед» и легко возгоняется при комнатной температуре. Углекислый газ плохо растворим в воде, частично реагирует с ней. Плотность – 1,977 г/л.

Получение и применение углекислого газа

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения углекислого газа. Так, в промышленности его получают обжигом известняка (1), а в лаборатории – действием сильных кислот на соли угольной кислоты (2):

CaCO 3 = CaO + CO 2 (t) (1);

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (2).

Углекислый газ используется в пищевой (газирование лимонада), химической (регулировка температур при производстве синтетических волокон), металлургической (защита окружающей среды, например, осаждение бурого газа) и других отраслях промышленности.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

О проблеме превышения содержания углекислого газа в воздухе помещений говорят все чаще в последние 20 лет. Выходят новые исследования и публикуются новые данные. Поспевают ли за ними строительные нормы для зданий, в которых мы живем и работаем?

Самочувствие и работоспособность человека тесно связаны с качеством воздуха там, где он трудится и отдыхает. А качество воздуха можно определить по концентрации углекислого газа СО2.

Почему именно СО2?

• Этот газ есть везде, где есть люди.
• Концентрация углекислого газа в помещении напрямую зависит от процессов жизнедеятельности человека – ведь мы его выдыхаем.
• Превышение уровня углекислого газа вредно для состояния организма человека, поэтому за ним необходимо следить.
• Рост концентрации СО2 однозначно свидетельствует о проблемах с вентиляцией.
• Чем хуже вентиляция, тем больше загрязнителей концентрируется в воздухе. Поэтому рост содержания углекислого газа в помещении – признак того, что качество воздуха снижается.

В последние годы в профессиональных сообществах врачей и проектировщиков зданий появляются предложения пересмотреть методику определения качества воздуха и расширить перечень измеряемых веществ. Но пока ничего нагляднее изменения уровня CO2 не нашли.

Как узнать, является ли приемлемым уровень углекислого газа в помещении? Специалисты предлагают перечни нормативов, причем для зданий разных назначений они будут различными.

Нормы углекислого газа в жилых помещениях

Проектировщики многоквартирных и частных домов берут за основу ГОСТ 30494-2011 под названием «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Этот документ оптимальным для здоровья человека уровнем CO2 считает 800 — 1 000 ppm. Отметка на уровне 1 400 ppm – предел допустимого содержания углекислого газа в помещении. Если его больше, то качество воздуха считается низким.

Однако уже 1 000 ppm не признается вариантом нормы целым рядом исследований, посвященных зависимости состояния организма от уровня CO2. Их данные свидетельствует о том, что на отметке 1 000 ppm больше половины испытуемых ощущают ухудшения микроклимата: учащение пульса, головную боль, усталость и, конечно, пресловутое «нечем дышать».

Физиологи нормальным уровнем CO2 считают 600 – 800 ppm.

Хотя некоторые единичные жалобы на духоту возможны и при указанной концентрации.

Выходит, что строительные нормативы уровня СО2 вступают в противоречие с выводами исследователей-физиологов. В последние годы именно со стороны последних все громче раздаются призывы обновить допустимые пределы, но пока дальше призывов дело не идет. Чем ниже норма СО2, на которую ориентируются строители, тем дешевле обходится . А расплачиваться за это приходится тем, кто вынужден решать проблему вентилирования квартиры самостоятельно.

Нормы углекислого газа в школах

Чем больше углекислого газа в воздухе, тем сложнее сосредоточиться и справиться с учебной нагрузкой. Зная об этом, власти США рекомендуют школам поддерживать уровень СО2 не выше 600 ppm. В России отметка чуть выше: уже упомянутый ГОСТ считает оптимальным для детских учреждений 800 ppm и менее. Однако на практике не только американский, но и российский рекомендуемый уровень – голубая мечта для большинства школ.

Один из наших показал: больше половины учебного времени количество углекислого газа в воздухе превышает 1 500 ppm, а иногда приближается к 2 500 ppm! В таких условиях невозможно сосредоточиться, способность к восприятию информации критически снижается. Другие вероятные симптомы переизбытка СО2: гипервентиляция, потливость, воспаление глаз, заложенность носа, затрудненное дыхание.

Почему так происходит? Кабинеты редко проветриваются, потому что открытое окно – это простывшие дети и шум с улицы. Даже если школьное здание оснащено мощной центральной вентиляцией, она, как правило, либо шумная, либо устаревшая. Зато окна в большинстве школ современные – пластиковые, герметичные, не пропускающие воздух. При численности класса 25 человек в кабинете площадью 50–60 м2 c закрытым окном углекислый газ в воздухе подскакивает на 800 ppm за каких-то полчаса.

Нормы углекислого газа в офисах

В офисах наблюдаются те же проблемы, что и в школах: повышенная концентрация СО2 мешает сосредоточиться. Ошибки множатся, и производительность труда падает.

Нормативы содержания углекислого газа в воздухе для офисов в целом те же, что для квартир и домов: приемлемым считается 800 – 1 400 ppm. Однако, как мы уже выяснили, уже 1 000 ppm доставляет дискомфорт каждому второму.

К сожалению, во многих офисах проблема никак не решается. Где-то просто ничего о ней не знают, где-то ее сознательно игнорирует руководство, а где-то – пытается решить при помощи кондиционера. Струя прохладного воздуха действительно создает кратковременную иллюзию комфорта, однако углекислый газ никуда не исчезает и продолжает делать свое «черное дело».

Может быть и так, что офисное помещение построено с соблюдением всех нормативов, но эксплуатируется с нарушениями. Например, плотность размещения сотрудников слишком велика. Согласно строительным правилам, на одного человека должно приходиться от 4 до 6,5 м2 площади. Если сотрудников больше, то и углекислый газ в воздухе накапливается быстрее.

Выводы и выходы

Проблема с вентиляцией наиболее остро стоит в квартирах, офисных зданиях и детских учреждениях.
Тому есть две причины:

1. Расхождение между строительными нормативами и санитарно-гигиеническими рекомендациями.
Первые гласят: не выше 1 400 ppm CO2, вторые предупреждают: это слишком много.

2. Несоблюдение нормативов при возведении, реконструкции или эксплуатации здания.
Самый простой пример – установка пластиковых окон, которые не пропускают уличный воздух и усугубляют тем самым ситуацию с накоплением углекислого газа в помещении.

Очень часто люди, закончившие курс обучения фридайвингу, спрашивают, как можно тренировать свою задержку дыхания дома вдали от моря, чтобы лучше подготовиться к следующей поездке и не растерять форму.

Довольно эффективной и популярной у фридайверов тренировкой, позволяющей существенно увеличить время задержки дыхания, является стратическая тренировка задержки по таблицам CO2 и O2. Что это такое и для чего это нужно?

Таблица CO2. Гиперкапническая таблица

Как хорошо известно, основным триггером на вдох является уровень углекислого газа в легких. При задержке дыхания и увеличении количества углекислого газа, наш мозг посылает сигнал дыхательной системе о необходимости дышать. Т.о. задержку дыхания разделяют на 2 фазы: фаза комфорта и фаза борьбы, когда мозг активно посылает сигналы дыхательной системе, а та начинает отвечать на это сокращениями диафрагмы (контракциями).

Тренировка представляет из себя серию задержек дыхания, направленную на развитие у организма толерантности к повышению уровня CO2 (гиперкапнии), увеличивая уровень углекислого газа во время каждой следующей задержки. Для этого время задержки дыхания остается постоянным, а время отдыха между задержками постепенно уменьшается, тем самым увеличивая остаточный уровень CO2 для каждой следующей задержки.

Пример таблицы СO2

Таблица O2. Гипоксическая таблица

Серия задержек дыхания, направленная на развитие у организма толерантности к понижению уровня кислорода (гипоксии). Это достигается постепенным увеличением длительности задержки дыхания при одинаковом времени отдыха. Интервал отдыха должен быть достаточно большой, чтобы успеть избавиться от излишнего уровня CO2, накопившегося после задержки, и восстановиться. Интервал задержки достаточно большим, чтобы получить необходимую гипоксическую нагрузку, т.е. к концу таблицы задержка должна быть близка к максимальной.

Пример таблицы O2

Напоминаем, что все самостоятельные тренировки на задержку дыхания необходимо проводить только на суше! Первое правило фридайвинга - никогда не ныряй в одиночку, относится в том числе и к статической задержке дыхания.

Для удобства мы рекомендуем использовать клипсу для носа, а для отслеживания и фиксирования результатов приобрести оксиметр. Можно создать таблицу, в которой фиксировать важные параметры, такие как частота сердцебиения, сатурация крови кислородом, время начала контракций, максимальное время задержки и т.д. Это позволит анализировать свои результаты, видеть прогресс и будет создавать дополнительный стимул для тренировок.

При задержки дыхания на время один за важных принципов - не думать о времени. Поэтому для тренировки по таблицам рекомендуется использовать специальные приложения для телефона, в которых настраиваются необходимые параметры тренировки, после чего вы комфортно располагаетесь на кровати, кладете рядом телефон, и приложение говорит вам все инструкции.

Примеры приложений для телефонов на базе Android: