Растворённые газы и пересыщение аквариумной воды

Как температура, солёность и давление задают растворимость газов, что означают общее давление газов и процент насыщения и как нагрев воды или подсос воздуха насосом вызывает пересыщение.

Почему газы растворяются в воде

Закон Генри гласит, что в равновесии количество растворённого в жидкости газа пропорционально парциальному давлению этого газа над жидкостью. У каждого газа свой коэффициент пропорциональности — константа Генри. При 25 °C безразмерная константа растворимости углекислого газа (около 0,83) примерно в 26 раз выше, чем у кислорода (0,032), а у кислорода она примерно вдвое выше, чем у азота (0,015), поэтому CO2 растворяется гораздо лучше двух основных газов воздуха. Вода в контакте с воздухом содержит смесь азота, кислорода, аргона и CO2 — каждого в соответствии с его долей в давлении воздуха и собственной растворимостью.

Температура, солёность и давление

Вблизи комнатной температуры растворимость газов в воде падает с ростом температуры; эту зависимость описывает уравнение Вант-Гоффа. Растворённые соли дополнительно снижают растворимость — эффект высаливания, описываемый уравнением Сеченова. Давление действует в обратную сторону: при более высоком атмосферном или гидростатическом давлении растворяется больше газа, а пониженное барометрическое давление на высоте уменьшает растворимость. Программа USGS DOTABLES, основанная на уравнениях Бенсона и Краузе, даёт следующие значения насыщения кислородом при давлении на уровне моря (760 мм рт. ст.):

При 25 °C морская вода нормальной солёности при насыщении содержит примерно на 18% меньше кислорода, чем пресная (6,8 против 8,3 мг/л, расчёт по таблице USGS). Это одна из причин, почему при той же температуре в морском аквариуме запас по кислороду меньше, чем в пресноводном. Потребность в кислороде и проблемы его нехватки разобраны отдельно в руководстве по растворённому кислороду.

Общее давление газов и процент насыщения

Вода пересыщена, если в ней больше газа, чем она удерживала бы в равновесии с атмосферой при текущих температуре и барометрическом давлении. Общее давление газов (TGP) — сумма давлений всех растворённых газов, включая водяной пар. Процент насыщения общим растворённым газом сравнивает эту сумму с барометрическим давлением, а ΔP — разность между общим давлением газов и барометрическим давлением в мм рт. ст. Пример из материалов по аквакультуре Обернского университета: вода при 20 °C, содержащая 30,17 мг/л растворённого воздуха при насыщении 25,06 мг/л, насыщена примерно на 120%.

Измерения одного газа недостаточно. EPA указывает, что вода может быть сильно пересыщена кислородом, а общее давление газов при этом останется на уровне 100% или ниже, если азот недонасыщен. Азот — около 80% атмосферы и почти биологически инертный — главная причина газопузырьковой болезни, поскольку кислород потребляется тканями, а азот нет. Общее давление газов измеряют сатурометром — тонкостенной силиконовой трубкой, проницаемой для газов, но не для воды, соединённой с манометром.

Как возникает пересыщение

• Нагрев холодной воды, насыщенной газами. С ростом температуры то же содержание газа означает более высокий процент насыщения. По значениям USGS для пресной воды вода, насыщенная кислородом при 10 °C (11,3 мг/л) и нагретая до 25 °C без дегазации, была бы насыщена кислородом примерно на 136% (11,3 ÷ 8,3, расчёт). В рыбопитомниках Миннесоты пересыщение регистрировали как от родниковой и скважинной воды, так и при нагреве насыщенной воды для ускорения выклева икры.
• Подсос воздуха на всасывающей стороне насоса или недостаточно погружённый водозабор затягивают воздух в поток, где давление загоняет его в раствор.
• Грунтовая и скважинная вода, которая может быть пересыщенной при выходе на поверхность.
• Интенсивный фотосинтез водорослей или растений, пересыщающий именно кислородом; EPA отмечает, что цветение водорослей часто совпадает с потеплением воды, что усиливает пересыщение.
• Воздух, увлечённый под давлением, — например, вода, падающая в глубокие ямы под водосбросами плотин, или очень эффективные погружные аэраторы.

Влияние на рыб и беспозвоночных

Газы воды уравновешиваются с кровью рыбы через жабры и другие поверхности. Когда жидкости тела пересыщаются, газ выходит из раствора пузырьками (эмболами), которые могут закупоривать сосуды. Признаки — пузырьки в плавниках, коже, жаберных крышках и глазах, кровоизлияния в глаз и пучеглазие, нарушения плавучести из-за переполненного плавательного пузыря, гибель от эмболов в сердце и крупных сосудах. Диагностика и лечение газопузырьковой болезни описаны в отдельном руководстве по этой болезни.

Чувствительность сильно различается. В документах EPA по критериям указано, что для лососёвых 115% насыщения общим газом и выше остро летальны для большинства видов, 120% и выше быстро летальны для всех испытанных лососёвых, а при 110% уже возможна наружная эмфизема. В эксперименте в Миннесоте с 7-часовой экспозицией гибель лососёвых обычно начиналась при 120–125% насыщения общим газом, у синежаберного солнечника (рыбы без протока между плавательным пузырём и кишечником) гибель отмечена при 113%, а у мальков белого чукучана эффектов не было при 127%. Daphnia magna оказалась примерно столь же чувствительной, как лососёвые, а раки выдерживали почти 140%. Хроническое сублетальное воздействие снижало рост и конверсию корма и было связано с повреждениями глаз и вторичными инфекциями плавников.

Глубина, перемешивание и дегазация

Гидростатическое давление компенсирует пересыщение примерно на 10 процентных пунктов на метр глубины, поэтому вода с насыщением 130% у поверхности на глубине 3 м насыщена примерно на 100%. Аквариумы слишком мелкие, чтобы рыбы могли заметно использовать такую компенсацию. Газы уходят из воды, когда она контактирует с воздухом тонкой плёнкой или каплями: в аквакультуре применяют дегазационные колонны с насадкой, где вода стекает по сеткам или наполнителю, и аэраторы, разбрызгивающие воду в воздух. В испытаниях в питомнике перелив воды между двумя бассейнами снимал 3–4% насыщения, и озёрная палия в дегазированной воде росла примерно на 25% быстрее.