Термін «pH» є математичною трансформацією концентрації іонів водню (H +). Він показує, наскільки вода кисла або основна. Рядкова буква «p» означає «міць - power» або «експоненту», а pH визначається як негативний десятковий логарифм від концентрації іонів водню. Зміна pH на одну одиницю означає десятикратне зміна концентрації іонів водню. Зазвичай діапазон змін pH становить 0-14 одиниць, однак він може виходити за ці межі. При 25 ° C, pH 7.0 є нейтральним показником, при якому концентрації іонів водню і гідроксид іонів (OH -) однакові (кожен по 10 -7 моль / л). Умови стають більш кислими, коли pH знижується, і більш основними, коли - зростає.
pH природних вод
Чиста вода, що знаходиться в контакті з атмосферним повітрям, має кислу реакцію близько 5.6, тому що вуглекислий газ розчиняється в воді і формує вугільну кислоту. Ця кислота дисоціює до іона водню (H +) і бікарбонату (HCO3 -):
CO2 + H2 O = H2 CO3 = H + + HCO3 -
Природні води ніколи не бувають чистими тому, що вода прекрасний розчинник. Введенні розчиняються деякі гази або тверді частинки, і деякі з них впливають на pH. Бікарбонат і карбонат (CO3 2-) негативно заряджені іони (аніони), які зазвичай знаходяться у воді. Ці основні аніони відбуваються з розчиненого вапняку і підвищують pH. Бікарбонати і карбонати переважно відповідальні за таку властивість води як «лужність» або, іншими словами, здатність води нейтралізувати кислоти.
Хімічні взаємодії між вуглекислим газом, іонами водню і аніонами, які утворюють лужність і буферні властивості більшості природних вод, обумовлюють діапазон коливань pH - 6-8.5. У відсутності процесів поглинання і видалення вуглекислого газу, початковий pH води при контакті з атмосферою залежить від її лужності. Води з низькою лужністю мають початковий pH на нижній межі даного діапазону, а з високою лужністю - на верхній межі діапазону.
Хоча лужність визначає початкове значення pH, розчинення і вихід вуглекислого газу викликають його підйом або падіння. Озвучена вище реакція, в першому випадку спрямована вправо, а в другому випадку - вліво. Виразність реакції залежить від кількості вуглекислого газу і лужності, яка обумовлює буферні властивості і згладжує ефекти від внесення вуглекислого газу.
Високий водневий показник в ставку є проблемою
Біологічна активність під водою управляє концентрацією вуглекислого газу в більшості поверхневих вод, включаючи ставок. Всі живі організми безперервно дихають і виділяють вуглекислий газ. Днем, використовуючи енергію сонця, водорості і підводні рослини утилізують його в ході фотосинтезу. Відносна швидкість дихання і фотосинтезу в ставку визначає результуючий накопичення або видалення CO2. і, відповідно, падіння або підйом pH. Рівень дихальної активності залежить від температури води і біомаси рослин, тварин і мікроорганізмів у воді і донних відкладеннях. Рівень фотосинтетичної активності залежить переважно від інтенсивності сонячного світла, біомаси рослин і температури води.
Днем, фотосинтез зазвичай протікає більш активно, ніж дихання, тому концентрація вуглекислого газу знижується, і значення pH, відповідно, зростає. Як тільки сонце опускається за горизонт, фотосинтез знижується і повністю зупиняється. Так як вночі дихальна активність зберігається, pH починає опускатися. На наступний день фотосинтез знову запускається, і 24-годинний цикл повторюється. Більшість водних середовищ мають приблизно еквівалентний рівень фотосинтетичної і дихальної активності, тому діапазон коливань pH невисокий. Однак, коли рослини і водорості ростуть швидко, кожен день видаляється більше вуглекислого газу. В результаті pH зростає до високих рівнів ввечері і навіть може залишатися високим протягом ночі. Ці умови можуть зберігатися кілька днів, до тих пір, поки фотосинтез не знизиться або дихання не зросте.
Проблема високого pH часто спостерігається в ставках малявочніках і призначених для вирощування прісноводних креветок (Macrobrachium rosenbergii). Вона пов'язана з практикою внесення добрив в ході підготовки водойми до заселення. Добрива забезпечують швидке зростання фітопланктону, який утилізує весь вуглекислий газ. На жаль, ранні стадії розвитку ракоподібних і риб надзвичайно сприйнятливі до токсичного впливу високих значень pH. Мальки не здатні переміститися в більш глибокі області з більш високою кислотністю.
Незважаючи на те, що високий pH зазвичай спостерігається в недавно заповненому і удобреному ставку, водойми, в яких пройшло цвітіння, також схильні до цієї напасті. Активність фітопланктону в удобрених ставках часто має циклічний характер - періоди цвітіння і вимирання. Коли велика кількість водорослевих клітин гине, гниття призводить до виділення поживних речовин і стимулює нове цвітіння. Коли рослини ростуть швидко, захоплення ними вуглекислого газу може спричинити зростання pH, до тих пір, поки співтовариство фітопланктону не прийде до нової рівноваги.
Тривалі епізоди підйому водневого показника переважно спостерігається в ставках, де серед рослинності домінують нитчасті водорості. Зазвичай ці водойми мають чисту воду, дозволяючи сонячному світлу проникати глибоко в товщу і провокувати інтенсивний фотосинтез під водою або на поверхні.
У аквакультурного ставках дана проблема виникає дуже часто, і вона тим серйозніше, чим нижче загальна жорсткість і вище лужність (помірна, висока). Причина цього неясна.
Рішення проблем високого pH
Контроль високих значень водневого показника в аквакультурній ставку складний і не має специфічної, успішної практики. Труднощі пов'язані з тим, що поняття «високий pH» охоплює не тільки хімічні аспекти, але також складні взаємодії хімічних і біологічних процесів. З точки зору хімії, цю проблему можна легко вирішити внесенням кислоти. Однак складні процеси обміну вуглекислим газом залишаться колишніми, тому причини напасті нікуди не зникнуть. Додавання кислоти дозволить на час знизити pH, але він зросте знову, поки не будуть змінені умови навколишнього середовища.
Довгострокове вирішення проблеми в ставку залучає питання біології водойми. Необхідно звести щоденну утилізацію вуглекислого газу до нуля. Цього можна домогтися, знижуючи фотосинтетичну або підвищуючи дихальну активність. Але вплинути на метаболізм спільноти ставка складно, тому що біологічні процеси мають значний екологічний імпульс. Він базується на заданих умови навколишнього середовища, наполегливо ведуть до конкретного екологічного результату. Наприклад, коли знову наповнений ставок містить багато поживних речовин, приймає яскраве сонячне світло і має теплу воду, неодмінно станеться розвиток біологічного співтовариства, яке підвищить pH середовища. Поміняти ці умови складно. Загалом, краще не допустити появу проблеми, ніж намагатися її вирішувати.
Наповнюйте і готуйте ставок якомога раніше
Проблеми з високим вечірнім значенням водневого показника зазвичай виникають в перші кілька тижнів після наповнення аквакультурного ставка. В цей час поживні речовини для рослин, які утворюються з корми і добрив, провокують бурхливе зростання водоростей. З іншого боку, біомаса дихаючих організмів порівняно низька. Після першого спалаху цвітіння, вечірній pH знижується, так як настає баланс між освітою і видаленням вуглекислого газу. Зі старінням ставка, починає накопичуватися органічна матерія (особливо в осаді). Її гниття і продукція вуглекислого газу сприяє зниженню пікових значень pH.
Згідно з цим, для мінімізації проблеми високого pH, слід готувати ставок так рано, як це можливо, переважно за кілька тижнів перед зарибненням. Це не завжди можливо, тому що деякі тварини, щоб уникнути втрат від хижих комах або для потрапляння на період достатку природного корму, повинні заселятися незабаром після наповнення і добрива водойми. Наприклад, мальки гібрида смугастого окуня повинні Зарибнювати в період достатку коловерток. Коловертки кращий корм для мальків, і пік чисельності їх популяції спостерігається незабаром після початку внесення добрив. Проте, коли є можливість, пізніше зариблення, аж до першого цвітіння, допоможе запобігти втратам, пов'язані з високим водневим показником.
Баланс жорсткості та лужності
Найчастіше проблема високого значення pH виникає в ставках, де загальна лужність (кількість бікарбонату і карбонату в воді) перевершує твердість (кількість кальцію і магнію у воді).
Наприклад, ставки для культивування прісноводної креветки в Університеті штату Міссісіпі, Старквілл, мають високі значення pH в кінці весни. Жорсткість і лужність грунтових вод, що живлять ставки, становить 30 мг / л CaCO3 і 90 мг / л, відповідно.
Недолік жорсткості по відношенню до лужності може коригуватися внесенням гіпсу (CaSO4). Бажано проводити цю процедуру до зариблення, навесні, після заповнення.
Для грубого врівноваження значень жорсткості та лужності потрібно наступне кількість гіпсу: x = (жорсткість-лужність) * 2.
Наприклад, якщо жорсткість становить 30 мг / л CaCO3. а лужність 90 мг / л CaCO3. потрібно 120 мг / л гіпсу. При таких умовах, для 1 га водойми глибиною 1,2 метра буде потрібно 1400 кг CaSO4. Це велика кількість гіпсу, але плоди своєї праці зберігатися надовго, тому що кальцій надзвичайно повільно вимивається з дощами.
Зростання кальцію в ставку допоможе знизити значення pH і допоможе гідробіонтів краще реагувати на скачки водневого показника та інші стресові фактори середовища. Відносно висока концентрація цього іона також корисний для ракоподібних (наприклад, прісноводних креветок), які втрачають кальцій під час линьки.
Проте, користь від використання гіпсу викликає суперечки.
Внесення галун або органічних речовин
Кислотами складно істотно знизити водневий показник, тому що ставкова вода зазвичай Буферізірованний підставами (лужність). Для більш-менш значимого зниження pH потрібно багато кислоти. Крім того, кислота це тимчасове рішення, яке впливає на слідство, але не причину.
З метою зниження значень pH, екстрена обробка води може проводитися квасцами (Al2 (SO4) 3). Це безпечне, відносно недороге засіб, що реагує в воді в формі кислоти. Крім свого основного ефекту, галун також є флокулянтами і видаляють водорості шляхом осадження. Тобто вони знижують біомасу водоростей і, відповідно, фотосинтетичну активність. Галун також допомагають знизити водневий показник опосередковано, через видалення фосфору - важливого біогенного елемента.
Сульфат алюмінію володіє не постійним ефектом і може зажадати більше одного внесення, аж до зникнення значної частини рослин. Внаслідок різноманіття факторів водного середовища, особливо, лужності, неможливо точно оцінити ефект галун. Передозування може викликати сильне закислення, і навіть більш небезпечне, ніж спочатку високий pH.
Практичний досвід диктує обережність використання галун. Починати потрібно з маленької дози 10 мг / л, з поступовим додаванням 5-10 мг / л. Ця речовина не можна додавати в воду із загальною лужністю менше 20 мг / л CaCO3. тому що навіть його невелика кількість призведе до небезпечного закислення середовища.
Безпечним, довгостроковим способом зниження pH є додавання вуглекислого газу. Його концентрація підвищується після внесення органіки - меленої кукурудзи, соєвого шроту або бавовняної борошна. Гниття органічної матерії призводить до вивільнення CO2. Метод не знизить pH негайно, але він безпечний і щодо надійний. У загальному випадку, внесення 17 кг / га органіки протягом 1 тижня запобіжить зростання водневого показника до небажаного рівня. Це кількість можна вносити разом із щоденною дозою добрив. Загальна щоденна доза органічної матерії не повинна перевищувати 56 кг / га. Процеси гниття, в ході яких вивільняється вуглекислий газ, також споживають кисень, через що можуть знизити його концентрацію до загрозливого рівня. Концентрація розчиненого кисню повинна вимірюватися регулярно, а ставок при необхідності аерувати.
Придушення росту рослин
Швидке видалення вуглекислого газу в період бурхливого росту рослин є причиною високого pH в ставку. Очікування моменту, коли швидкість їх розвитку знизиться, як описано вище, хороший варіант. Однак, якщо потрібно швидко знизити водневий показник, швидкість росту рослинної біомаси знижують гербіцидами або обмеженням кількості проникаючого світла.
Використовуючи гербіциди для боротьби з водоростями або вищими рослинами, вдасться вирішити проблему високого pH. Але користь від цієї процедури часто не варто ризику і витрат. Гниття рослин, які загинули від гербіцидів, призводить до кисневого голодування і накопичення вуглекислого газу і амонію. Деякі гербіциди також щодо токсичні для молоді гідробіонтів. Мідноскладові продукти, наприклад, мають відносно слабку грань між концентрацією, яка вбиває рослини, і концентрацією, яка погубить молодь риб і креветок. Контроль високих значень pH шляхом пригнічення росту рослин заходить у суперечність із цілями, які переслідуються при внесенні добрив. Останнє супроводжується утворенням природної підживлення в ставку для підвищення його продуктивності. Таким чином, використання гербіцидів для зниження pH погане рішення.
Головним чином, гербіциди повинні вноситися для заміщення одного типу рослини іншим, більш бажаним. Наприклад, настил з ниткоподібних водоростей часто виступає основною причиною високих значень pH в ставку, який був недавно наповнений водою, і призначений для культивування молоді креветок і риб. Ці водорості небажані, тому що вони ускладнюють роботу з водоймою, особливо, годування і збір тварин. Деякі гербіциди акуратно застосовують для знищення ниткоподібних водоростей, на радість фітопланктону.
Більш безпечним, але менш ефективним, ніж обробка гербіцидами, виступає обмеження доступу світла. Один з методів був випробуваний в ставку. Він включає особливий барвник для контролю росту бур'янів, який забарвлює воду в синій світло і знижує світлопропускання. Зазвичай барвник ефективний протягом декількох тижнів. Однак загибель водоростей в товщі води сприяє розвитку килима ниткоподібних водоростей на поверхні. Інший метод зниження світлопропускання полягає в безперервній аерації водойми і взмучиванії осаду з дна.
Раптове зростання pH
Несподіваний підйом водневого показника піддає стресу або навіть може вбити водних тварин. Ця проблема відзначається при скачках pH в діапазоні, який розглядається як фізіологічно допустимий. Дослідження Центру Національної прісноводної аквакультури в Стонвілле, Міссісіпі продемонстрували високу сприйнятливість канального сома до раптового збільшення pH. Мальки можуть адаптуватися до води зі значенням pH близько оптимального (7.5-8.5) і витримують несподівані зміни показника на 4 одиниці нижче. Однак особини гинуть при виході значення на 1 одиницю вище діапазону. Підйом на 1.5 одиниці вбиває 50% особин, а на 2.2 одиниці - 100%.