Часть молекул воды Н2О постоянно диссоциирует на ионы Н+ и ОН-. В 1 л воды при 25° С содержится всего 10-14 ионов. Если ионов Н+ и ОН- содержится равное количество, по 10-7 в 1 л, то вода будет нейтральной:
10-7H + 10-7OH- = 10-14.
Обычно в качестве показателя активной реакции воды берется десятичный логарифм показателя концентрации ионов с обратным знаком. Следовательно, нейтральному водородному показателю соответствует цифра 7. Если рН меньше 7 – вода кислая, если больше 7 – щелочная. Показатель рН зависит от температуры воды: чем она ниже, тем содержание ионов водорода меньше.
В природных водах показатель рН довольно устойчив, поскольку растворенные в них карбонаты представляют собой своеобразный буфер, препятствующий резким изменениям этого показателя. В воде, называемой мягкой, содержащей мало карбонатов, по мере насыщения воды углекислым газом показатель рН уменьшается. Так, в мягких водах бассейна Амазонки рН обычно колеблется от 6,3 до 6,9. Но в особо мягких, называемых черными, водах – в них обитают некоторые РИДЫ эхинодорусов – рН в течение года может не превышать 4,8 – 5,6 3. Мягкие воды реки Невы также не способствуют устойчивости показателя рН. В период интенсивного фотосинтеза показатель рН увеличивается до 10 – 11, особенно у поверхности, в зарослях растений, вследствие почти полного потребления растениями из воды растворенного углекислого газа4. Богатые карбонатами воды Москвы-реки и Волги не знают таких резких колебаний активной реакции воды.
В аквариумах, где отсутствует постоянный приток воздуха от приборов аэрации, а вода мягкая, ночью вследствие насыщения воды углекислым газом показатель рН понижается, днем повышается. Такие колебания реакции воды отрицательно воспринимаются стеноионными (stenos – узкий) растениями – криптокоринами, некоторыми апоногетонами, барклайей – и совершенно не действуют на более устойчивые эвриионные (ewrys – широкий) виды. В целом все виды растений сформировались при определенных показателях рН. Эвриионные виды пластично приспосабливаются к большим или меньшим отклонениям от этих природных показателей, стеноионные с трудом выдерживают резкие изменения природных констант. Поступление воздуха в воду через аэраторы уменьшает амплитуду колебаний показателя рН как за счет движения воды в вертикальной плоскости, так и за счет постоянного растворения в воде углекислого газа, поступающего через аэратор из жилых помещений.
Теперь познакомимся с другим показателем – rH – редокс-потенциалом, или окислительно-восстановительным потенциалом. Термин "редокс" возник от двух слов: "редукция" (восстановление) и "оксидация" (окисление). От редокс-потенциала, по словам Г.Брюннера, зависит рост растений. Различные группы гидрофитов имеют разные оптимумы редокс-потенциала.
Потенциал rH характеризует условия, при которых происходят окислительно-восстановительные процессы. Условия разные – и реакции протекают по-разному. В результате окислительно-восстановительных реакций с участием растворенных в воде веществ одно вещество отдает свои электроны и заряжается положительно – окисляется, а другое вещество приобретает электроны и заряжается отрицательно – восстанавливается. Например, кальций, соединяясь с кислородом, образует окись кальция: Са+O = СаО – это реакция окисления. При реакции восстановления происходит отдача кислорода (или прием водорода) и восстановление первичного вещества. Между заряженными по-разному веществами возникает разность электрических потенциалов. Это и есть редокс-потенциал.
Чем выше отношение концентрации компонентов, способных окисляться, к концентрации компонентов, способных восстанавливаться, тем выше редокс-потенциал. Для каждого компонента среды соотношение между количеством окисленной и восстановленной формы одинаково. Поэтому по характеристике этих двух форм одного из компонентов среды можно судить о редокс-потенциале всей среды.
Концентрация окисленной формы водорода Н характеризуется величиной рН, значит, для определения окислительно-восстановительных условий в воде нам надо знать концентрацию в ней восстановленной формы водорода, выражаемой показателем rH. Чем меньше rH, тем выше восстановительная способность воды. Величина редокс-потенциала обычно измеряется милливольтами, но в последние годы введены более удобные – условные единицы, указывающие концентрацию молекулярного водорода, способную создавать.определенные условия окисления-восстановления. Чем больше в воде ионов водорода (вода кислая, показатель рН ниже 7), тем больше нужно давление молекулярного водорода для создания более восстановленной среды. Концентрация восстановленной формы водорода (молекулярное давление газа) в воде выражается показателем рН (А.С.Константинов. Общая гидробиология, М., 1967).
Шкала редокс-потенциала разбита на 42 деления. О – означает чистый газ водород, т. е. вода обладает сильнейшей способностью восстановления; 42 – означает чистый кислород: вода характеризуется сильнейшим окислением. В пресных водоемах с водными растениями колебания rH обычно не выходят за пределы 27 – 32, однако в некоторых водоемах, где живут криптокорины, обнаружена неожиданно низкая величина редокс-потенциала, равная 25,6. Как правило, криптокоринам более привычна величина rH, равная 28 – 29, валлиснерии, ротале, гидриллам и эхинодорусам 29 – 30, элодее, кабомбе, мириофиллюму – выше 30, а самый высокий rH – до 32 – выдерживает хетерантера5.
Отношение аквариумных гидрофитов к редокс-потенциалу (по Г.Брюннеру и К.Хорсту, журнал "Аквариен-магазин", ФРГ)
Состояние растений в водоеме
Показатель rН
Специальный криптокориновый сад; другие растения, кроме эхинодоруса парвифлорус, не адаптируются, заболевают и гибнут.
28,0
"Голландский аквариум": криптокорины разрастаются, размножаются вегетативно; рост других растений заторможен, они не гибнут, но и не затемняют криптокорины; растет и размножается эхинодорус парвифлорус, хорошо растет лимнофила.
28,3 – 28,5
Большинство аквариумных растений развивается нормально; из криптокорин продолжают медленно расти к. Бласса и виды с зелеными листьями, красно-листные виды не растут. Разрастаются эхинодорусы и апоногетоны, лимнофила.
29,0 – 30,0
Валлиснерия, роталы быстро растут; эхинодорусы и апоногетоны обильно цветут; криптокорины сбрасывают листья.
30,2 – 30,6
Хетерантера, элодея, кабомба зацветают; апонегетоны сбрасывают листья, эхинодорусы заболевают; погибают в грунте корневища криптокорин.
30,7 – 31,0
Гибель корневищ апоногетонов и эхино-дорусов. Остальные растения останавливаются б росте; хорошо растет хетерантера.
31,2-31,6
Хорошо растет хетерантера.
32,0
Определить показатель rН в домашних аквариумах, как замечает Г.Штерба, практически невозможно. Это под силу сделать лишь в специальной лаборатории, где есть соответствующее оборудование. А знать этот показатель желательно, раз от него зависит рост и благополучие подводного сада. Поэтому можно прибегать к косвенным приемам определения.
Так, бурное разрастание в аквариуме зеленых водорослей свидетельствует о высоком показателе rH (выше 30), криптокорины, наоборот, хорошо растут при низких показателях rH (27 – 29). В верхних слоях воды показатель rH выше, чем в придонных, поэтому верхнюю зону водоема можно назвать окислительной, нижнюю, придонную – восстановительной, а зону между ними – промежуточной, переходной. На поверхности грунта rH выше, чем в глубине слежавшегося грунта. В таком грунте концентрируется сероводород (H2S), метан (СН4), аммиак (NH3), соли аммония – нитраты и нитриты6. На показатель rH влияют количество и соотношение в грунте соединений серы, магния, железа и других элементов с переменной валентностью. Следовательно, величина rН зависит от грунта, содержания в нем различных органических веществ, газов, oт температуры в аквариуме, от жизнедеятельности в грунте бактерий, восстанавливающих метан, серобактерий и бактерий (нитритных и нитратных), переводяших аммиак и соли аммония в нитрит-ионы (NO2-), а затем в нитрат-ионы (NO3-), пригодные для использования их растениями (наряду с ионами фосфора, кремния, и др.).
Значит, грунт, его свойства – факторы, влияющие на показатель rН. Грунтом в аквариумах служит песок. Новый, недавно промытый песок содержит мала бактерий-восстановителей, необходимых растениям. Мне очень понравился совет В.С.Жданова: поместить в такой аквариум щепотку грунта из старого, давно устоявшегося аквариума. Это ускоряет превращение чистого песка в питательный грунт для растений. Впрочем, как мы уже говорили, многие растения поглощают питательные вещества всей поверхностью вегетативных органов, и грунт им нужен лишь постольку, поскольку он служит складом, где накапливаются в аквариуме питательные вещества. А образуются они в результате жизнедеятельности тех же растений, мельчайших водорослей и животных обитателей аквариума, например рыб. Значит, речь идет как бы не о самом грунте, а о влиянии его свойств на показатель rH.
Но почему мы говорим о накоплении питательных веществ в чистом песке, разве не надо под него класть садовую землю, торф или глину? Для некоторых гидрофитов действительно песка, даже заиленного, маловато. Сажать их можно только в небольшие садовые горшочки с обогащенными почвами, а не в фигурные, и глазированные "специально аквариумные". Почему? Во-первых, потому, что стенки этих горшков пористы и хорошо промываются водой, грунт в них дольше сохраняет свежесть. Причем утапливать горшочки полностью в песок грунта аквариума нецелесообразно. Во-вторых, все питательные почвы "питательны" в лучшем случае полгода, а потом начинают существенно снижать показатель rН. Вынуть горшок, обновить грунт, снова разместить растение в горшке на песке аквариума – не проблема. Проблема возникает через 6 – 8 месяцев, когда "питательный" грунт под песком аквариума начинает работать против подводного сада – резко снижать показатель rH. В этом случае надо все выбрасывать и начинать сначала.
Происходит это не только с глиной, землей, торфом под песком, но и с грунтом из чистого, со временем заиленного песка. Правда, такой грунт начинает губить подводные растения, тормозить их развитие значительно позже, чем "питательный"; порой он нормально действует 3 – 5 лет. Это зависит от многих причин – числа рыб, обильного кормления их, плохой и редкой чистки аквариума и т. д.
Этот процесс необратим – подводный сад, пережив пору расцвета, начал деградировать, медленно погибать. Что делать? Путь простой – все начинать сначала. Промыть песок. Положить его снова. Залить свежую отстоявшуюся воду. Правда, резко перебрасывать растения из старой воды в новую – катастрофа для них, в результате часть растений погибнет, другие оправятся, но не сразу. Может быть, предварительно слитую старую воду, после перемывания грунта, залить вновь? Нет, эта вода имеет крайне низкий редокс-потенциал, она будет подтормаживать развитие растений. Лучше всего взять 1/3 такой воды, а новой водой, разделив ее на 6 доз, заполнять аквариум постепенно – по одной дозе каждый день. Тогда и растения не травмируются, и величина rH поднимается плавно.
