Osady wapienne w akwarium i odwapnienie biogenne

Osady wapienne z biegiem czasu pojawiają się w każdym domowym akwarium. Najczęściej powstają na brzegach szkła, na styku tafli wody z powietrzem oraz na liściach roślin. W przypadku wody miękkiej problem jest niewielki. Jednak przy twardych wodach wodociągowych występujących w wielu rejonach Polski, osady wapienne w akwarium spędzają akwarystom sen z powiek. O ile w przypadku odparowywania wody ze zbiornika biały nalot pojawiający się na krawędziach szkła to zjawisko zupełnie oczywiste, to czemu osady pojawiają się także pod wodą? Dlaczego tak się dzieje?

Czym są osady wapienny w akwarium?

To, co potocznie nazywamy „osadami wapiennymi”, to nic innego jak mieszanka trudno rozpuszczalnych soli wapnia, rzadziej magnezu (a wyjątkowo także żelaza), więc składników, które wpływają w bezpośredni sposób na twardość wody. Woda, jak każdy rozpuszczalnik, posiada ograniczoną pojemność dla różnych substancji. Im związek jest trudniej rozpuszczalny, tym mniej go jesteśmy w stanie rozpuścić w danej temperaturze. Czy zatem osady są spowodowane zwiększeniem ilości tych soli? Skąd się biorą, skoro nikt zazwyczaj ich do wody celowo nie dodaje?

Rola fotosyntezy w tworzeniu osadów wapiennych

Fotosynteza, o której każdy z nas słyszał, jest podstawą rozwoju roślin. Bez wątpienia do rozwoju potrzeba energii. W przyrodzie każdy o energię konkuruje i w różny sposób stara się ją dla siebie pozyskać. Rośliny wybrały metodę, w której przy obecności źródła węgla i światła słonecznego stają się praktycznie samowystarczalne. O ile moc światła możemy dowolnie w każdym akwarium zmieniać, dodając lub odejmując ilość świetlówek, o tyle z dwutlenkiem węgla (CO₂)  nie jest już tak łatwo. Każdy akwarysta, który pragnie w domowym zbiorniku mieć swego rodzaju ogród, musi prędzej czy później zdecydować się na podawanie do niego CO₂.

Formy występowania CO₂ w wodzie różnią się znacznie w zależności od pH środowiska. I tak: w wodach o pH 4 – 5 znaleźć możemy wyłącznie rozpuszczoną, gazową formę CO₂. Powyżej tej wartości, w zakresie pH 5 – 12, wraz z gazową formą, współistnieją węglany i wodorowęglany. Te ostatnie mają zdolności buforujące (stabilizujące odczyn wody) i to na nich w tym artykule się skupimy. Powyżej 12 pH w wodzie obecne są już tylko węglany.

Łatwo z powyższego faktu wywnioskować, że w 99% akwariów domowych, gdzie wartość pH oscyluje najczęściej w zakresie 6 – 8, podawany przez nas gazowy CO₂ znajduje się w zbiorniku w niewielkiej ilości. Ponieważ większość błyskawicznie łączy się z wodą tworząc nietrwały kwas węglowy (H₂CO₃), który dysocjuje na jon H⁺ oraz jon wodorowęglanowy HCO₃^–.

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^–

W przypadku akwarium z dużą ilością roślin, bardzo szybko widoczny jest deficyt rozpuszczonego CO₂. Dlatego rośliny poszukują innych jego źródeł. Takim rezerwuarem CO₂ dla wielu roślin są wodorowęglany. A proces pozyskiwania z nich CO₂, nazywamy odwapnieniem biogennym.

Odwapnienie biogenne

Wodorowęglany to bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie sole o budowie MeHCO₃^–, gdzie Me oznacza metal (np. Ca, Mg, Na, K). Odpowiadają one za tzw. „twardość przemijającą”, a powstający po rozpuszczeniu wodorowęglanów w wodzie jon HCO₃^– to nic innego jak związek CO₂ i H₂O. Tak powszechny rezerwuar dwutlenku węgla, który w przeciwieństwie do rozpuszczonego gazu łatwo nie „ucieknie” z wody, aż prosi się o wykorzystanie.

Odwapnienie biogenne po raz pierwszy opisali Kaj Sand-Jensen oraz Henning Frost-Christensen. Swoje obserwacje prowadzili na Rdestnicy połyskującej (Potamogeton lucens). W naszych warunkach najłatwiej zobaczyć to zjawisko na Moczarce kanadyjskiej, która jest dużo bardziej popularna. W wyniku tego procesu powstają osady wapienne na liściach roślin.

Mechanizm odwapnienia biogennego

Na spodniej stronie liścia rdestnica wydziela jony H⁺ (odpowiedzialne za obniżenie pH, występują licznie w środowisku kwaśnym), obniżając lokalnie kwasowość do poziomu ok. 6 pH. W takich warunkach wodorowęglany obecne w toni wodnej przechodzą do czystej formy CO₂. Gaz ten drogą dyfuzji dostaje się do wnętrza rośliny i tam jest wykorzystywany do fotosyntezy.

Rzecz jasna jon H⁺ nie wziął się znikąd – został pobrany przez powierzchnię liścia. Spowodowało to w tym miejscu zaburzenie równowagi elektrolitowej i miejscowo wytworzone zostało większe stężenie anionu OH^–, prowadzące do powstania pH o wartości około 10. W takich warunkach środowiska wodorowęglany są przekształcane w węglany CO₃^2-, które ulegają natychmiastowemu strąceniu. Proces ten obserwujemy na blaszce liścia w postaci białego nalotu. Pojawiające się w ten sposób osady wapienne to ważny wskaźnik dla każdego właściciela akwarium, który powinien wzbudzić jego czujność. Zapewnienie roślinom odpowiedniej ilości światła i nawozów nie wystarcza do prawidłowego rozwoju. Ponieważ często muszą one tracić cenną energię na przeprowadzenie procesu, który w zasilanym w CO₂ akwarium jest im najczęściej zbędny.

Konsekwencje odwapnienia biogennego

Odwapnienie, potencjalnie nieszkodliwe, niesie ze sobą jeden, bardzo poważny problem. Z każdym ubytkiem buforów pH (jakimi są wodorowęglany) narażamy zbiornik na wahania tego parametru. Może to prowadzić do problemów zdrowotnych ryb i w końcu zahamowania procesu wzrostu roślin. O jak dużym problemie mówimy?

Badania wykazały, iż w przypadku środowiska alkalicznego, w którym zdecydowana większość dwutlenku węgla jest zmagazynowana w postaci wodorowęglanów i w całości wykorzystywana w czasie dnia do fotosyntezy, wahania pH między dniem i nocą mogą wynosić nawet 4–5 stopni. Przypomnijmy, iż wartość pH z definicji to ujemny logarytm ze stężenia jonów hydroniowych, czyli -log[H₃O⁺]. Zgodnie z nią zmiana pH już o 1 stopień, to zmiana o cały rząd wielkości! Tak duże wahania są niebywale niebezpieczne dla zamkniętego ekosystemu, jakim jest akwarium. Z pewnością w dłuższej perspektywie przyniosą znaczne straty wśród fauny zbiornika.

Rozwiązaniem problemu, gdy nie posiadamy zewnętrznego źródła CO₂, wydaje się być stałe zwiększanie zawartości wodorowęglanów w wodzie poprzez ciągłe ich dozowanie, by nie pozwolić na wahania pH. Niestety, po przekroczeniu pewnej granicznej ilości, zahamowana zostaje fotosynteza. Na przeszkodzie staje także efektywność samego procesu. Wyniki badań wskazują, iż rośliny pod względem wydajności wykorzystują CO₂ i wodorowęglany w stosunku 10:1. Oznacza to, że nawet rośliny naturalnie występujące w środowisku alkalicznym, dla których odwapnienie biogenne jest koniecznością, w przypadku obecności w wodzie CO₂ wykazują znacznie większe przyrosty.

Akwarium jest fascynującym środowiskiem, w którym codziennie obserwujemy zmiany, wzrost, czasem rozród ryb i innych jego mieszkańców. Obcując z nim, codziennie zauważamy coś nowego, a każdy dzień przynosi nową wiedzę i doświadczenie.

Bibliografia:
Hydrobiologia M. Pliński (1995)
Limnology Wetzel (1983)
Comparative kinetics of photosynthesis in floating and submarged Potamogeton leaves H. Frost-Christensen & K. Sand-Jensen

Michał Wyskiel