Kysličník uhličitý CO2 ve vodě

CO2 je oxid uhličitý, sloučenina, jejíž molekulu tvoří dva atomy kyslíku a jeden atom uhlíku. CO2 se vyskytuje v atmosféře ve velmi nízké koncentraci (0,036 %) a ze vzduchu se dostává do vody. Je poměrně dobře rozpustný a ve vodě tvoří část jeho molekul kyselinu uhličitou (H2CO3), což má za následek např. nízké pH dešťové vody - kapky vody se při průchodu atmosférou obohatí o CO2 (a o další látky). Podobně se při styku se vzduchem obohacuje jakákoliv voda, včetně destilované - proto její pH klesne, necháme-li ji v neuzavřené nádobě.

Vztah pH a CO2 je velmi těsný a vstupují do něj i jiné formy anorganického uhlíku. A jsme zase u tzv. uhličitanové rovnováhy, která ovlivňuje pH a alkalitu:

Ve vodě je přítomen anorganický uhlík ve 4 formách:

molekulární oxid uhličitý CO2

kyselina uhličitá H2CO3

hydrogenuhličitan HCO3-

uhličitan CO32-

Všechny tyto formy jsou spolu v rovnováze a vytvářejí vysoce účinný pufrační systém, nejrozšířenější v přírodě. Zastoupení jednotlivých forem závisí především na pH. V kyselém prostředí převažuje oxid uhličitý (který se rozpouští ve vodě za vzniku kys. uhličité), při pH 6,5 začíná převažovat hydrogenuhličitan, při pH nad 10,5 jej nahrazuje uhličitan. CO2 je ve vodě přítomen ve využitelném množství až do pH 8,3.

Rovnovážná koncentrace CO2 ve vodě je při pokojové teplotě 0,4-0,7 mg/l. Skutečné množství rozpuštěného CO2 ovlivňuje zejména teplota, pohyb hladiny, nadmořská výška (resp. atmosférický tlak) a také celková mineralizace (obsah solí). Je-li naším cílem zvýšení koncentrace CO2 oproti rovnovážnému stavu (a o to se snažíme prakticky vždycky, pokud chceme pěstovat živé akvarijní rostliny), musíme zabránit provzdušňování vody, tj. vyhneme se filtrům čeřícím hladinu, rozstřikovacím rampám a vzduchovacím kamínkům. Čím více je voda ve styku se vzduchem, tím více se přibližuje rovnovážnému stavu - a tedy koncentracím CO2, které jsou pro zdárný růst většiny rostlin naprosto nedostatečné. Odchylku od rovnovážného stavu způsobují přídatné zdroje CO2 (mimo atmosféru): v přírodě často podzemní vody, velmi bohaté na CO2, nebo intenzivně probíhající rozklad organických materiálů.

V akváriu připadají v úvahu kromě atmosféry tyto zdroje CO2:

dýchání organismů, tj. ryb, rostlin, bezobratlých a baktérií v akváriu (v hustě osídlených akváriích se střední intenzitou osvětlení a minimálním pohybem hladiny se může obsah rozpuštěného CO2 v ranních hodinách blížit k optimu) filtr, resp. baktérie v něm usídlené (udává se, že na každý gram umělého krmiva pro ryby připadá produkce CO2 až 1 g/l)

Význam:

Z pohledu živočišné říše je CO2 odpadem, z pohledu rostlin je to však životně důležitá látka. CO2 je jediným zdrojem uhlíku, který tvoří základní stavební kámen všech organických látek. Rostliny ho získávají v procesu fotosyntézy, kdy CO2 přijímají za využití světelné energie a uhlík zabudovávají do svých pletiv (asi 43 % rostlinné sušiny představuje uhlík!). Organické látky rostlinného původu jsou pak zdrojem uhlíku pro býložravce atd. Dvě molekuly kyslíku jsou při fotosyntéze nadbytečné a díky tomu produkují rostliny O2.

Protože rostliny ke svému růstu potřebují nezbytně CO2, musíme se nutně zajímat o to, jestli je ho v akváriu dostatek. Tím nemyslím neustálé testování nebo dodávání CO2 bez znalosti širších souvislostí, jak se často v akvaristikách doporučuje. Neplatí totiž, že čím více CO2 akvarijní voda obsahuje, tím lépe. Zvýšení koncentrace CO2 má i nepříjemné stránky - riziko udušení ryb (pokud je CO2 příliš mnoho) a pokles pH/alkality (vždy).

Koncentrace CO2 v akváriu může být velmi různorodá a významně se mění v čase - narozdíl od např. dusíkatých látek, které se v akváriu nemohou znenadání objevit "odnikud" ani se záhadně ztratit, může obsah CO2 kolísat i v horizontu několika hodin. Je to proto, že CO2 intenzivně spotřebovávají rostliny a uvolňuje se při dýchání, může do vody pronikat z atmosféry a zase se do ní vracet a také může uhlík přecházet do různých forem. Podstatný je ale fakt, že rostliny nejsou nikdy zcela bez zdroje uhlíku - má-li pH "rozumnou" hodnotu, je ve vodě vždy nějaký uhlík ve formě CO2. "Rozumnou" hodnotu poznáte tak, že ryby žijí. Jen velmi málo přírodních (sladkých) vod oživených rybami má pH nad 8,3 (nad tuto hodnotu je volný CO2 prakticky nepřítomný) nebo nižší než 4,3. Není to samozřejmě náhoda - 4,3 až 8,3 je právě ten rozsah pH, který je pod kontrolou uhličitanového pufračního systému (viz ALKALITA). Při pH vyšším než 8,3 je stále dostupný uhlík ve formě hydrogenuhličitanů, které umí řada rostlin využívat (podrobnosti najdete ve zvláštním článku).

Jaké je tedy optimální množství CO2?

Akvárium průměrně osázené prosperujícími rostlinami spotřebuje za den asi 1-2 mg/l CO2. Pro růst i těch náročnějších druhů rostlin postačí udržovat koncentraci asi 15 mg/l. Občas se doporučují i vyšší hodnoty, ale pak stoupá riziko otrávení ryb a významně se nezlepšuje růst rostlin, takže vyšší koncentrace CO2 považuju za zbytečné. Jak už jsem psala výše, v běžné vodě nebývá zpravdila CO2 více než asi 0,5-3 mg/l. V případě velmi husté rybí osádky to může být i více, ale velmi hustá rybí obsádka znamená i velkou produkci odpadů a tedy ne zrovna ideální podmínky pro pěstování náročnějších druhů rostlin. V rostlinném akváriu je často nezbytné dodávat CO2, pokud chceme růst rostlin urychlit. Neznamená to ale, že bez CO2 nemůžeme mít krásné a prosperující rostliny! Je volbou každého z nás, jestli investuje peníze a určitou námahu do hnojení CO2 a další čas potřebný k protrhávání rychle rostoucích rostlin, nebo si to všechno ušetří a spokojí se s pomalejším růstem rostlin. Pokud už chceme dodávat CO2, je nutné zajistit rostlinám i dostatečnou intenzitu osvětlení a přísun mikroprvků, jinak je jakékoliv hnojení zbytečné.

Měření:

V akvaristice se běžně nevyužívají testy měřící CO2 (viz níže) - resp. u nás se zatím nerozšířili. Místo toho lze ale poměrně spolehlivě odhadnout množství CO2 na základě Henderson-Hasselbachovy rovnice: pH = 6,35 + log ([HCO3-]/[H2CO3]). Z této rovnice je jasné, že nám stačí znát pH a koncentraci hydrogenuhličitanů (v ideálním případě ji měříme jako alkalitu) - obsah CO2 už dopočítáme. (Výše uvedená rovnice platí pro rozsah pH 4,35 až 8,35.)

Není třeba pracovat s rovnicí, na základě vztahu CO2/pH/alkalita funguje tzv. Tillmanova tabulka, která je akvaristy široce využívána. Jednu její verzi najdete na konci tohoto článku. Různá permanentní čidla na sledování koncentrace CO2, která se připevňují na stěnu akvária a umožňují neustálou kontrolu, pracují na stejném principu.

Při stanovování CO2 je potřeba mít na paměti tři věci: zaprvé, obsah CO2 se významně mění během dne. Proto chceme-li srovnávat dvě hodnoty, musíme zohlednit, ve kterou denní dobu byly stanoveny. Zadruhé, měříme-li CO2 (resp. pH a alkalitu) ve vodovodní vodě nebo v akváriu po výměně většího množství vody, musíme několik hodin počkat. Ve vodárně se z vody CO2 odstraňuje, aby nedocházelo k poškozování potrubí. Během několika hodin, kdy je voda ve styku se vzduchem, se CO2 doplní na běžné množství a pH trochu klesne.

A konečně do třetice: v řadě případů nejsme schopni na základě Tillmanovy tabulky obsah CO2 určit. Tahle skutečnost se často opomíjí. Jak tabulka, tak Henderson-Hasselbachova rovnice platí jen tehdy, pokud je uhličitanový systém jediným prvkem ovlivňujícím pH vody. Jinými slovy, pokud změřená alkalita není tvořena pouze a jedině hydrogenuhličitany a pH není ovlivněno pouze a jedině množstvím volného CO2 (resp. H2CO3), nemůžeme Tillmanovu tabulku použít. Přitom je úplně jedno, jaké hydrogenuhličitany v rovnici figurují - tj. nejde ani o tzv. uhličitanovou tvrdost. Také nezáleží na tom, z jakého zdroje CO2pochází - tabulka platí i pro akvária, kam CO2 přidáváme uměle. Tvrzení, že Tillmanova tabulka platí jen pro tzv. přirozené vody, často akvaristy zmate a myslí si, že při umělém hnojení pomocí CO2 už ji nelze použít. Pod pojmem "přirozené vody" se myslí takové vody, kde mezi anionty naprosto dominují hydrogenuhličitany - tak je to běžné ve většině povrchových vod. Na druhou stranu v našich povrchových vodách mezi kationty převládají Ca2+ a Mg2+. Co už tedy není "přirozené" je třeba přídavek jedlé sody (NaHCO3), běžný prostředek ke zvýšení pH v akváriu. A přesto i v takové vodě platí Tillmanova tabulka.

K tomu všemu patří ještě jeden dodatek: ne vždy je naše vodovodní voda "přirozená", ač se traduje, že by taková měla být. Zjistíme to snadno, když spočítáme obsah CO2 na základě hodnot změřených v odstáté vodovodní vodě (ne v akváriu). Je-li odhadované množství CO2 větší než asi 1 mg/l, pak nemůžeme Tillmanovou tabulku použít, protože alkalita není způsobována jen hydrogenuhličitany a získáváme tak vyšší odhad, než je skutečnost. Častější je to v oblastech, kde je hodně tvrdá voda, a také tam, kde zjistíme znatelný rozdíl mezi tvrdostí a alkalitou. Jen pro ilustraci: moje vodovodní voda má pH 7,2 a alkalitu asi 7 °dKH. To by odpovídalo koncentraci CO2 asi 15 mg/l. Je to vlastně ideální množství CO2, a to ve vodě, která teče přímo z kohoutku - jen škoda, že je to pouhá iluze. Tato hodnota totiž není reálná bez dodatkového zdroje CO2.

Co ví jen málokdo je fakt, že obdobné nepřesnosti, jaké jsou spojené se zjišťováním množství CO2 na základě pH a alkality, se týkají i přímých testů CO2. Ty pracují na základě titrace do fenolftaleinového bodu, tj. přidáváme tolik NaOH, kolik stačí na neutralizaci všech přítomných kyselin a dosáhnutí pH 8,3. Ideálně by měly probíhat následující reakce:

H2CO3 + NaOH = NaHCO3 + H20

NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H20

Reakce skončí, až se všechen CO2 přemění na CO32-, tj. při pH 8,3. Dosažení pH nám ukáže fenolftaleinový barevný indikátor a na základě spotřeby NaOH spočítáme koncentraci CO2. Předpokladem ale je, že neutralizujeme jen H2CO3. Jakékoliv další kyseliny výsledek zkreslují, podobně jako jakékoliv jiné zásady, které "zahájily" neutralizaci dávno před námi a jejichž "spotřebu" nemáme změřenou.

Jak je vidět, zjistit spolehlivě množství CO2 v akváriu je prakticky nemožné bez kompletního chemického rozboru vody. Musíme se spokojit s orientačními hodnotami, které jsou zkreslené přítomností nejrůznějších solí (vodovodní voda), dusíkatých látek (vodovodní voda, odpadní produkty živočichů, tlející rostliny, kořeny apod.), fosforečnanů (krmivo), huminových kyselin (rašelina, kořeny), o nejrůznějších použitých chemikáliích nemluvě. Výsledky jsou navíc zkreslené případnou nepřesností testů pH a alkality - všimněte si, že odečtete-li např. pH jen o jedinou desetinu chybně, dostanete velmi rozdílné výsledky, co se koncentrace CO2 týká. Bazírovat na nějakých absolutních číslech tedy nemá smysl, ostatně tak to platí v akvaristice všeobecně.

Úprava:

V úvahu v běžné praxi připadá jen zvýšení množství CO2. Jak vyplývá z předchozího textu, zvýšit množství CO2 můžeme jedině pomocí úpravy uhličitanového systému. Nestačí snížit pH, jak se mnoho lidí domnívá při pohledu na Tillmanovu tabulku. Máme v podstatě dvě možnosti:

1) posunutí rovnováhy v uhličitanovém systému směrem k volnému CO2 (resp. H2CO3): nezvýšíme tím sice množství anorganického uhlíku, ale zlepšíme jeho dostupnost pro rostliny. Prakticky to znamená snížení pH jakýmkoliv způsobem. Jak moc snížit pH můžete rozhodnout na základě tabulky nebo grafu, které najdete na začátku této stránky. Mějte přitom na paměti, že tímto způsobem není možné zvýšit množství CO2 nad koncentraci odpovídající přirozeným podmínkám, tj. nedosáhneme více než cca 3-5(-10) mg/l (záleží na rybí osádce). Také se připravíme o možnost kontroly množství CO2 - Tillmanova tabulka přestává platit! Tento způsob příliš nedoporučuju, protože snažit se snížit pH, aniž bychom pracovali s uhličitanovým pufračním systémem, je vždycky ošidné a může to nadělat víc škod než užitku. Za určitých okolností ale může tato metoda umožnit růst těch druhů rostlin, které při vyšším pH prostě růst nedokáží - viz článek o příjmu uhlíku vodními rostlinami. V tom případě je nejlepší použít rašelinu, která má i jiné výhody.

2) umělé dosycování CO2 nejrůznějšími způsoby: přímočaré zvýšení koncentrace CO2 a zároveň snížení pH. Různé technologické postupy jsou popsány na internetu, nebudu je rozebírat - dopad na chemismus vody je u všech stejný. Musíme dát jen pozor, abychom množství CO2 nepřehnali a neotrávili si ryby. K tomu dochází nejčastěji ráno, kdy je koncentrace CO2 nejvyšší a naopak množství kyslíku nejnižší vzhledem k tomu, že v noci fotosyntéza neprobíhá. Není pravda, že nadbytečné CO2 vyhání z vody kyslík - množství rozpuštěných plynů na sobě vzájemně nezávisí a v akváriích, kde se výborně daří rostlinám (a tedy často dodáváme uměle CO2), bývá více kyslíku než v akváriích průměrně zarostlých. Více o tom v kapitole o KYSLÍKU (připravuje se). Jak ale stoupá koncentrace CO2 ve vodě, je pro ryby stále nesnadnější zbavovat se CO2 v krvi, protože žábry potřebují k optimální činnosti určitý rozdíl mezi koncentracemi "uvnitř" a "venku". CO2 se váže na hemoglobin místo kyslíku a znemožňuje tak normální dýchání. Nejvíce doporučovanou prevencí je vypnout na noc dávkování CO2, což však nebývá vždycky technicky snadno proveditelné. Nejlepší je proto nepřehánět hnojení s CO2 - pokud dodržujeme rozumné dávkování do 15 mg/l, riziko otrávení ryb je minimální (hrozí až při koncentracích cca 50 mg/l, pro některé citlivější ryby se uvádějí zdravotní obtíže už od 20 mg/l, a naopak někteří autoři zastávající názor, že optimum je 35-45 mg/l tvrdí, že rybám nevadí ani koncentrace řádově stovek mg/l!). Případně je možné na noc zapnout vzduchování nebo jinak podpořit pohyb hladiny - CO2 tak z vody rychleji vyprchá.

Při pohledu na Henderson-Hasselbachovu rovnici zjistíme, že je tu ještě třetí alternativa, jak ovlivnit chemismus vody. Zmíním ji pro úplnost:

3) zvýšení alkality přidáním (hydrogen)uhličitanů: zákonitě se při takovém zákroku zvyšuje i pH, takže klesá relativní množství volného CO2. Přitom ale zvyšujeme celkové množství uhlíku. (Nejen) pro druhy získávající uhlík i z hydrogenuhličitanů může být takový zásah prospěšný (jsou některé akvarijní rostliny, které prosperují právě v těchto podmínkách, zatímco ve vodě s nízkou alkalitou a vysokou koncentrací volného CO2 se jim příliš nedaří). Pozor ale na to, že celý uhličitanový systém je dynamický a otevřený - není možné vodu jednorázově a trvale předávkovat uhlíkem v jakékoliv formě. Nadbytečný uhlík ve formě CO2 z vody vyprchá, příliš velké množství HCO3- zase posune pH nad 8,3. Potom už ve vodě není přítomný volný CO2, ale vstupuje do hry rovnováha hydrogenuhličitany/uhličitany. Nadbytečné hydrogenuhličitany se tedy vysráží v podobě nerozpustných uhličitanů.