Розчинені гази та перенасичення акваріумної води

Як температура, солоність і тиск визначають розчинність газів, що означають загальний тиск газів і відсоток насичення та як нагрівання води чи підсмоктування повітря насосом спричиняє перенасичення.

Чому гази розчиняються у воді

Закон Генрі стверджує, що в рівновазі кількість розчиненого в рідині газу пропорційна парціальному тиску цього газу над рідиною. Кожен газ має власний коефіцієнт пропорційності — константу Генрі. За 25 °C безрозмірна константа розчинності вуглекислого газу (близько 0,83) приблизно у 26 разів вища, ніж у кисню (0,032), а в кисню вона приблизно вдвічі вища, ніж в азоту (0,015), тож CO2 розчиняється значно краще за два основні гази повітря. Вода в контакті з повітрям містить суміш азоту, кисню, аргону та CO2 — кожного відповідно до його частки в тиску повітря та власної розчинності.

Температура, солоність і тиск

Поблизу кімнатної температури розчинність газів у воді знижується з підвищенням температури; цю залежність описує рівняння Вант-Гоффа. Розчинені солі додатково знижують розчинність — ефект висолювання, що описується рівнянням Сєченова. Тиск діє у зворотний бік: за вищого атмосферного чи гідростатичного тиску розчиняється більше газу, а знижений барометричний тиск на висоті зменшує розчинність. Програма USGS DOTABLES, що ґрунтується на рівняннях Бенсона і Краузе, дає такі значення насичення киснем за тиску на рівні моря (760 мм рт. ст.):

За 25 °C морська вода нормальної солоності в стані насичення містить приблизно на 18% менше кисню, ніж прісна (6,8 проти 8,3 мг/л, розрахунок за таблицею USGS). Це одна з причин, чому за тієї ж температури в морському акваріумі запас кисню менший, ніж у прісноводному. Потребу в кисні та проблеми його нестачі розглянуто окремо в посібнику з розчиненого кисню.

Загальний тиск газів і відсоток насичення

Вода перенасичена, якщо в ній більше газу, ніж вона утримувала б у рівновазі з атмосферою за поточних температури й барометричного тиску. Загальний тиск газів (TGP) — сума тисків усіх розчинених газів, включно з водяною парою. Відсоток насичення загальним розчиненим газом порівнює цю суму з барометричним тиском, а ΔP — різниця між загальним тиском газів і барометричним тиском у мм рт. ст. Приклад із матеріалів з аквакультури Обернського університету: вода за 20 °C, що містить 30,17 мг/л розчиненого повітря при насиченні 25,06 мг/л, насичена приблизно на 120%.

Вимірювання одного газу недостатньо. EPA зазначає, що вода може бути сильно перенасичена киснем, а загальний тиск газів при цьому залишиться на рівні 100% або нижче, якщо азот недонасичений. Азот — близько 80% атмосфери й майже біологічно інертний — головна причина газобульбашкової хвороби, оскільки кисень споживається тканинами, а азот ні. Загальний тиск газів вимірюють сатурометром — тонкостінною силіконовою трубкою, проникною для газів, але не для води, з'єднаною з манометром.

Як виникає перенасичення

• Нагрівання холодної води, насиченої газами. Зі зростанням температури той самий вміст газу означає вищий відсоток насичення. За значеннями USGS для прісної води вода, насичена киснем за 10 °C (11,3 мг/л) і нагріта до 25 °C без дегазації, була б насичена киснем приблизно на 136% (11,3 ÷ 8,3, розрахунок). У рибних господарствах Міннесоти перенасичення реєстрували як від джерельної та свердловинної води, так і під час нагрівання насиченої води для пришвидшення викльову ікри.
• Підсмоктування повітря на всмоктувальному боці насоса або недостатньо занурений водозабір затягують повітря в потік, де тиск заганяє його в розчин.
• Ґрунтова й свердловинна вода, яка може бути перенасиченою при виході на поверхню.
• Інтенсивний фотосинтез водоростей або рослин, що перенасичує саме киснем; EPA зазначає, що цвітіння водоростей часто збігається з потеплінням води, що посилює перенасичення.
• Повітря, захоплене під тиском, — наприклад, вода, що падає в глибокі ями під водоскидами гребель, або дуже ефективні занурювані аератори.

Вплив на риб і безхребетних

Гази води врівноважуються з кров'ю риби через зябра та інші поверхні. Коли рідини тіла перенасичуються, газ виходить із розчину бульбашками (емболами), які можуть закупорювати судини. Ознаки — бульбашки в плавцях, шкірі, зябрових кришках і очах, крововиливи в око та банькатість, порушення плавучості через переповнений плавальний міхур, загибель від емболів у серці та великих судинах. Діагностику й лікування газобульбашкової хвороби описано в окремому посібнику з цієї хвороби.

Чутливість суттєво різниться. У документах EPA щодо критеріїв зазначено, що для лососевих 115% насичення загальним газом і вище гостро летальні для більшості видів, 120% і вище швидко летальні для всіх випробуваних лососевих, а за 110% уже можлива зовнішня емфізема. В експерименті в Міннесоті із 7-годинною експозицією загибель лососевих зазвичай починалася за 120–125% насичення загальним газом, у синьозябрового сонячника (риби без протоки між плавальним міхуром і кишківником) загибель відзначено за 113%, а в мальків білого чукучана ефектів не було за 127%. Daphnia magna виявилася приблизно такою ж чутливою, як лососеві, а раки витримували майже 140%. Хронічний сублетальний вплив знижував ріст і конверсію корму та був пов'язаний з ушкодженнями очей і вторинними інфекціями плавців.

Глибина, перемішування та дегазація

Гідростатичний тиск компенсує перенасичення приблизно на 10 відсоткових пунктів на метр глибини, тому вода з насиченням 130% біля поверхні на глибині 3 м насичена приблизно на 100%. Акваріуми надто мілкі, щоб риби могли помітно використати таку компенсацію. Гази виходять із води, коли вона контактує з повітрям тонкою плівкою або краплями: в аквакультурі застосовують дегазаційні колони з насадкою, де вода стікає сітками чи наповнювачем, і аератори, що розбризкують воду в повітря. У випробуваннях у господарстві перелив води між двома басейнами знімав 3–4% насичення, і озерна палія в дегазованій воді росла приблизно на 25% швидше.