Таніни та гумінові речовини в акваріумній воді

Хімія танінів і гумінових речовин з листя, деревини та торфу: як вони забарвлюють воду, знижують pH і поглинають світло, що відомо про їхній вплив на здоров'я риб і як їх видаляє вугілля.

Хімія: дві групи, що перетинаються

Таніни — в'яжучі поліфенольні молекули рослинного походження, які зв'язують і осаджують білки; для цього їм потрібні щонайменше 12 гідроксильних груп і п'ять фенільних груп. Їх поділяють на гідролізовані та конденсовані таніни, причому конденсовані таніни можуть становити до половини сухої маси листя. Таніни трапляються в листі, корі та деревині більшості родин рослин.

Гумінові речовини — забарвлені органічні сполуки, які повільно утворюються під час розкладання мікробами відмерлої рослинної маси, зокрема лігніну та целюлози, і стійкі до подальшого розпаду. Їх поділяють за розчинністю: гумінова кислота розчиняється за нейтрального та лужного pH, але випадає в осад нижче pH 2; фульвокислота розчиняється за будь-якого pH, містить більше карбоксильних груп і має меншу молекулярну масу; гумін нерозчинний за жодного pH. Для водних гумінових кислот наводять молекулярну масу приблизно до 1700, для фульвокислот — менше 900. Карбоксильні та фенольні групи роблять їх слабкими кислотами і дають змогу хелатувати іони металів — кальцію, магнію та заліза, — що змінює доступність цих металів для організмів. Разом ці сполуки становлять більшу частину розчиненої органічної речовини прісних вод, а її забарвлену фракцію називають забарвленою (хромофорною) розчиненою органічною речовиною, CDOM.

Джерела в акваріумі

• Деревина: непідготовлені корчі виділяють таніни, які знижують pH і забарвлюють воду в колір чаю; світлі листяні породи містять менше танінів, ніж темні.
• Листя: листовий опад багатий на таніни та інші фенольні сполуки. Сухе листя Terminalia catappa (індійського мигдалю) традиційно додають у воду рибоводи та власники Betta splendens; екстракти містять гідролізовані таніни, фенольні кислоти, флавоноїди та органічні кислоти.
• Торф: у прісноводних акваріумах торф пом'якшує воду, діючи як іонообмінник, і забарвлює її в жовтий або коричневий колір у міру вимивання танінів. Сфагнум, головний торфоутворювач, сам виділяє таніни.

У природі ті самі сполуки створюють чорноводні річки, такі як Ріу-Негру, куди таніни та гумінові речовини вимиваються з лісової та болотної рослинності. Вікіпедія наводить середній pH близько 5,1 для чорноводних річок проти близько 6,9 для білих вод, провідність близько 9 мкСм/см, близьку до дощової води, і низький вміст розчинених мінералів; равликів там мало, бо у воді замало кальцію для черепашок.

Вплив на pH і KH

Гумінові та фульвокислоти й вимиті таніни — кислоти, тому вони знижують pH, а торф додатково видаляє жорсткість за рахунок іонного обміну. Наскільки впаде pH, залежить від лужності (KH). Інформаційний листок SRAC про pH і лужність пояснює, що лужність, переважно бікарбонати та карбонати, — це здатність води поглинати кислоту до зміни pH: у помірно та сильно лужній воді для зсуву pH потрібно більше кислоти, а в слабко забуференій воді невелике надходження кислоти сильно зсуває pH. На практиці джерела танінів забарвлюють жорстку лужну воду, але мало змінюють її pH, тоді як у м'якій воді з низьким KH вони можуть помітно знизити pH — тому природні чорні води водночас м'які та кислі.

Поглинання світла

CDOM найсильніше поглинає короткохвильове світло — від синього до ультрафіолету, тому багата на гумінові речовини вода має жовто-коричневий, а не синій вигляд. Вона зменшує кількість світла, що досягає глибини, і високі концентрації можуть обмежувати ріст водоростей і фітопланктону, хоча в озерах помірні рівні CDOM у низці випадків, за наявними даними, посилюють фотосинтез. CDOM також поглинає UVA та UVB і тим самим захищає водні організми від пошкодження ДНК. Ультрафіолет руйнує CDOM, поступово знебарвлюючи його та вивільняючи дрібні молекули й біогенні елементи, доступні мікробам і водоростям.

Твердження про користь для здоров'я: що показують дані

Забарвленій танінами воді часто приписують протимікробну та оздоровчу дію. Таніни справді пригнічують мікроорганізми — це одна з причин, чому вони сповільнюють розкладання рослинних тканин. Огляд 2008 року щодо розчинених гумінових речовин в аквакультурі та декоративному рибництві показав, що вони можуть покращувати стан риб, зменшувати пошкодження, спричинені стресом, знешкоджувати важкі метали та прискорювати загоєння уражень, спричинених бактеріями й паразитами, а деякі паразити, переважно гриби, імовірно, зазнають прямого впливу. Проте ті самі автори називають ці дані різнорідними, а іноді суперечливими, зазначають, що механізм незрозумілий, і доходять висновку, що гумінові речовини не є повноцінною альтернативою традиційним лікувальним засобам.

Інші дослідження показують, що ефект залежить від дози та умов. У східної райдужниці (Melanotaenia splendida splendida) гумінові речовини в концентрації 10 і 20 мг/л зменшували дихальний стрес за помірно низького pH, але за pH 3,5 у м'якій воді та pH 4 у жорсткій збільшували захворюваність. Синтетична гумінова речовина спричиняла слабку дозозалежну фемінізацію в мечоносця Xiphophorus helleri. Для екстракту листя Terminalia catappa восьмитижневий дослід на самцях Betta splendens показав, що 0,25 г/л не впливає на ріст і показники крові та пов'язаний із частішим будуванням пінних гнізд; дослідження пероральної токсичності на червоній гібридній тиляпії виявило зміни тканин органів за 125 мг/кг маси тіла і вище, але не за 31,25–62,5 мг/кг.

Видалення активованим вугіллям

Активоване вугілля адсорбує розчинені органічні сполуки на внутрішній поверхні, яка може перевищувати 3000 м² на грам, а вугілля із сумішшю макро- та мезопор застосовують саме для адсорбції танінів і видалення кольоровості. Більшість неорганічних іонів, сильні кислоти й основи воно зв'язує погано, тому прибирає колір і органіку, але не відновлює втрачену жорсткість чи лужність. Адсорбційна ємність обмежена: відпрацьоване вугілля потрібно замінювати або регенерувати, а під час промислової термічної регенерації за 800–900 °C за цикл вигорає 5–15 % завантаження. Для акваріумів Вікіпедія радить вугілля з низьким вмістом розчинної золи, щоб уникнути вимивання металів і стимуляції водоростей. Таніни також заважають молібдатному тесту на кремнезем та іншим колориметричним тестам, тому забарвлена вода може давати спотворені показники.