Окислительно-восстановительный потенциал аквариумной воды.

Среду содержания дискусов в домашних условиях характеризуют обычно такими параметрами как температура, жесткость, значение pH (водородный показатель), уровнем содержания аммиака/аммония, нитритов, нитратов и др. В тоже время такому важному параметру как редокс-потенциал уделяется недостаточное внимание. А ведь этот параметр характеризует особые условия жизни аквариумных обитателей и также условия протекания в аквариумной среде жизненно важных процессов. Поэтому необходимо понять как измерить редокс-потенциал, на что он влияет и от чего зависит, как и какими средствами можно его изменить. Данная работа является попыткой ответить на поставленные вопросы. В работе использована информация из книги Мартина Сандлера «Техническое оснащение аквариума» - М.: Астрель,2004г., некоторые источники Интернет и экспериментальные данные, полученные автором.

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), называемый также редокс-потенциал (от английского RedOx - Reduction/Oxidation), характеризует способность химического вещества присоединять и отдавать электроны в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов и выражается в милливольтах.

Окислением называют процесс, при котором кислород образует соединения. Основу связи с кислородом представляют реакции присоединения электронов: в химии ее называют в настоящее время «передачей электрона». Кислород – важнейший окислитель в природе. Существуют, конечно, и более сильные окислители, но в аквариумной технике из окислителей применяются только озон и перекись водорода, т.к. при разложении они не образуют никаких биологически опасных веществ.

Процесс отдачи кислорода, противоположный окислению, называется восстановлением. Если вещество восстанавливается, то при этом принимает электроны. В качестве восстановителей, присутствующих в воде, прежде всего надо назвать органические вещества, которые образуются как продукты распада остатков корма, экскрементов и мертвых растений. Они, как правило, содержат много белка и приводят к очень большому потреблению кислорода.

Процесс отдачи кислорода, противоположный окислению, называется восстановлением. Если вещество восстанавливается, то при этом принимает электроны. В качестве восстановителей, присутствующих в воде, прежде всего надо назвать органические вещества, которые образуются как продукты распада остатков корма, экскрементов и мертвых растений. Они, как правило, содержат много белка и приводят к очень большому потреблению кислорода.

Различные области окислительно-восстановительного потенциала (ОВП).

ОВП Среда Условия для гидробионтов
-100 - 0 мВ Восстановительная среда, анаэробиозис. Непригодная область для рыб, беспозвоночных, аэробных бактерий; оптимальна для анаэробных бактерий
0 - 150 мВ Слабоокислительная среда. Плохо аэрируемая вода, постоянная угроза для жизни обитателей аквариума.
150 - 250 мВ Окислительная среда, аэробиозис. Хорошо аэрируемая вода, нормальные условия для жизни в аквариуме.
250 - 350 мВ Сильно окислительная среда. Очень хорошее снабжение кислородом, незначительное протекание или вообще полное отсутствие процессов восстановления.
350 - 450 мВ Завышенный ОВП. Экстремально аэрируемая вода в присутствии органической субстанции, достигается интенсивным озонированием.
450- 600 мВ Экстремально высокий ОВП. Достигается только посредством добавки сильного окислительного средства, для жизни в аквариуме пригодна далеко не всегда. Окисление кожного покрова обитателей аквариума, производит сильное обеззараживающее воздействие.
Таблица показывает спектр различных окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) в связи с условиями жизни в аквариуме. Нормальные условия жизни в аквариуме характеризуются значением ОВП 150-250 мВ. Чистые природные воды характеризуются ОВП 200 мВ, при экстремальной аэрации – до 300 мВ. Технические и химические вспомогательные средства позволяют целенаправленно регулировать окислительно-восстановительный потенциал.
Рисунок демонстрирует значения ОВП для различных типов воды.
Рисунок демонстрирует значения ОВП для различных типов воды.

Остановимся кратко на процессах, влияющих в аквариуме на значение ОВП.

Современные аквариумы оборудованы необходимой техникой для аэрации. Из аэрационного аппарата поступает самая насыщенная кислородом вода, которая создает аэробные условия. Вода в самом аквариуме характеризуется уже несколько меньшим содержанием кислорода. В аквариуме следует избегать анаэробных условий, так как это может привести к образованию токсичного сероводорода. Анаэробные условия могут возникать в аквариуме в грунте и в механических фильтрах. Грунт является местом сбора всех осажденных веществ. Одновременно он недостаточно снабжается кислородом, поэтому и создаются оптимальные условия для восстановительной среды. Такая же опасность существует для механического фильтра. Органические вещества накапливаются в фильтре, а обеспечение его кислородом, по крайней мере в некоторых зонах, минимально.

Даже если вода не заселена рыбами и животными, в ней все равно потребляется кислород. Потребность в кислороде объясняется наличием различных процессов. Так, неорганические вещества окисляются кислородом, например железо. Это окисление может происходить относительно просто. Окисление белковых соединений из-за своих, часто очень длинных молекул, приводит к значительному потреблению кислорода. Многие вещества вообще не окисляются.

Однако существуют бактерии, которые способны окислять такие недоступные соединения. Такой процесс называется бактериальным окислением. Чем больше органической субстанции находится в воде, тем больше кислорода требуется бактериям. Итак, потребность бактерий в кислороде – мера качества воды. Эту величину называют «биологическая потребность в кислороде» или сокращенно БПК.

В литературе встречается также понятие «химическая потребность в кислороде» или ХПК. Наряду с веществами, которые благодаря биологическим процессам могут разрушаться, в воде имеется группа соединений, которые не разрушаются бактериальным окислением и не удаляются из аквариума биологическими фильтрами. Их можно устранить лишь сменой воды.

Чтобы найти величину общей потребности аквариума в кислороде, в качестве очень сильного окислителя используют бихромат калия, который может окислить всю органическую субстанцию. После пересчета получают соответствующую потребность в кислороде.

Естественная группа соединений, которые разрушаются биологическим путем незначительно или даже совсем не разрушаются, - типичные для болотных вод гуминовые кислоты, которые большей частью из-за больших молекул очень прочны. Они часто содержат металлы такие, как железо, марганец, медь, цинк. Итак, чтобы обсуждать качество воды, загрязненной органическим веществом, необходимо измерить и биологическую и химическую потребность в кислороде.

Вид воды БПК мг/л ХПК мг/л
Питьевая вода 0 0
Чистая аквариумная вода 1-2 2-10
Установка  для аквариума 2-6 5-10
Выход из установки чистой воды 30 75
Индустриальный сток до 10000 до 100000
Примеры биологической и химической потребности в кислороде.

Согласно таблице, вода в наших аквариумах должна соответствовать нижней границе как по биологической, так и по химической потребности в кислороде. Из таблицы также следует, что один миллилитр сточных вод, растворенный в литре чистой воды, со значением химической насыщенности 1 мл/л, поднимает химическую потребность в кислороде в 100 раз.

Следует отметить также, что температура воды влияет на физические, химические и биологические процессы в растениях и животных. Температура оказывает действие на вязкость воды, содержание кислорода, скорость химических реакций, рост водорослей и растений, а также на обмен веществ у животных. Чем выше температура, тем выше у животных и растений потребность в кислороде.

В тоже время содержание кислорода в воде ведет себя с точностью до наоборот (рис.5), т.е. с повышением температуры содержание кислорода в воде всегда понижается. Об этом очень важно помнить, т.к. при содержании дискусов в аквариуме поддерживается температура воды 28-30 градусов.

Соотношение аммония и аммиака в воде зависит от pH и температуры. Растворенный в воде кислород самостоятельно не может окислять аммоний и аммиак. Гораздо более активный озон только при высоких значениях pH в состоянии это делать. Аммиак и аммоний могут окислить аэробные бактерии Nitrosomonas . Для этого им необходима вода, богатая кислородом. График зависимости интенсивности нитрификации от имеющегося в воде кислорода представлен на рисунке.

Представим некоторые расчеты. Ионная масса аммония равна 18. Чтобы окислить эту массу бактериям нужно 1,5 молекула кислорода с общей массой 48. Итак, чтобы один миллиграмм аммония окислить до нитритов необходимо 2,6 мг кислорода! Если привести подобные расчеты для окисления нитритов в нитраты , то можно установить, что требуется только 0,35 мг кислорода для 1 мг нитритов. Для проведения этой реакции необходима гораздо меньшая потребность в кислороде, и на практике она протекает значительно легче. Сопоставив эти факты с тем, как часто нам приходится слышать об аммиачном отравлении дискусов, можно сделать определенные выводы!

Рассмотрим теперь основные способы насыщения аквариумной воды кислородом:

  1. аэрация воды воздухом;
  2. аэрация воды кислородом;
  3. озонирование;
  4. использование перекиси водорода.

В случае аэрации воды воздухом, следует помнить, что воздух содержит только 21% кислорода. Если мы аэрируем наш аквариум со скоростью 200 л/час, то кислород подается со скоростью только 40 л/час. Это относительно небольшое количество кислорода не приводит к проблемам в аквариуме. Важно также, чтобы при движении воды не создавались «мертвые углы» , в которых возможны анаэробные процессы.

В случае аэрации воды кислородом, используются кислородный баллон под давлением и специальные кислородные ректоры. В этом случае в литре газа теперь находится пятикратное количество кислорода, который к тому же быстрее диффундирует в воду. Этот способ относится к дорогостоящим, так как баллоны весьма тяжелы и недешевы. Если работают с чистым кислородом, появляется вероятность, что вода перенасытится. Следовательно, с чистым кислородом нужно работать очень осторожно.

Для озонирования аквариумной воды используют специальные приборы – озонаторы. Озон получают с помощью электрического разряда на озоновых электродах. Этот процесс происходит при очень высоком напряжении, которое подается в озонатор от трансформатора высокого напряжения. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Когда эта молекула распадается, отдельные атомы стремятся к реакциям окисления. Все взаимодействия, которое озон оказывает на ход биохимических реакций, основаны на этом сильном окисляющем действии. Озон – сильнейшее технически доступное средство окисления.

На рисунке показано измерение уровня нитритов в аквариуме города Киль. Измерение проводили между двумя аэраторами и за ними. Причем, во втором используется озон. Концентрация нитритов за этим аэратором (нижняя кривая) явно ниже, чем перед ним или между аэраторами.

Озон также обладает антимикробным действием. Его используют для стерилизации воды. График зависимости ОВП от концентрации в воде озона показан на рисунке.

С повышением концентрации озона ОВП повышается, и количество микроорганизмов снижается вплоть до стериализации.

При использовании озонаторов лучше применять автоматическое регулирование с помощью прибора, измеряющего окислительно-восстановительный потенциал, чтобы исключить передозировку.

Для насыщения воды кислородом используют также перикись водорода. Известно, что добавление в аквариум перикиси водорода позволяет справиться с замором, оказывает лечебное воздействие. Существуют специальные устройства Оксидаторы фирмы Sochting, использующие перикись водорода для производства кислорода.

На рисунке представлены несколько типов оксидаторов, отличающихся между собой рабочим объемом и, соответственно, длительностью работы.
На рисунке представлены несколько типов оксидаторов, отличающихся между собой рабочим объемом и, соответственно, длительностью работы.
На рисунке представлен Оксидатор W в аквариуме.
На рисунке представлен Оксидатор W в аквариуме.

Выделяемый кислород заметен как легкий туман, который вскоре исчезает, полностью растворившись в воде. При температуре воды 29-30 градусов оксидатор «работает» от одной недели до месяца в зависимости от рабочего объема прибора, числа катализаторов и концентрации перекиси водорода.

Оксидатор – автономный и саморегулируемый прибор, который непрерывно снабжает аквариум кислородом без применения шлангов и электропроводов.

В рекламных материалах об оксидаторах отмечается, что их использование:

  • круглосуточно удаляет аммиак, нитриты, сероводород, гнилостные и затхлые запахи, бактериальную пленку с поверхности воды, камней, шлангов, губок и т.д.
  • подходит для пресноводного и морского аквариума
  • поднимает редокс-потенциал
  • уменьшает илистые отложения и помутнение
  • устраняет позеленение воды, разрушает клетки сине-зеленых водорослей, препятствует их размножению
  • устраняет замор рыб от удушья, дает возможность дышать рыбам и растениям интенсивнее
  • непрерывно лечит многие болезни рыб, закупорку кишечника, бактериальную пленку на слизистой глаз, язвы после тяжелых инфекций, нейтрализует кожных и жаберных паразитов. При высокой концентрации в воде растворенного активного кислорода погибают цисты многих бактерий и простейших (ихтиофтириоза и т.п.), останавливает распространение болезни.

Для экспериментальной оценки влияния оксидаторов на ОВП потенциал были приобретены оксидаторы различных типов (мини, D, W), а также электронный ОВП метр фирмы Kelilong ORP-169C. Измерения ОВП потенциала проводились в течение двух месяцев в аквариумах объемом 400, 150 и 100 литров и обобщены в приведенной ниже таблице.

В 400л аквариуме был установлен оксидатор W ( 11 дискусов подростков 10-12 см, два птеригоплихта, пять сомиков штерба, внешний Eheim 2080, внутренний Eheim Aquaball 2212, аэрация, T=29 C).

В 150л аквариуме был установлен оксидатор D ( 5 дискусов подростков 12 см, два птеригоплихта, внешний Eheim 2026, аэрация, T=30 C).

В 100л аквариуме был установлен оксидатор mini ( 3 дискуса подростка 10 см, птеригоплихт, аэрлифтный фильтр, аэрация, T=30 C).

Аквариум ОВП до исп. оксидатора (mv) ОВП с исп. оксидатора (mv) ОВП после подмены 20% воды (mv) Примечание
400л 140-160 190-200 210-230 оксидатор W
150л 120-150 175-185 200-220 оксидатор D
100л 130-140 170-180 210-220 оксидатор mini
В таблице приведены диапазоны показаний ОВП в аквариумах до установки оксидаторов, после их установки и после подмены воды. Целью измерений была оценка влияния использования оксидатора на ОВП аквариумной воды, а не получение точных значений параметра. Кроме того, нет уверенности, что купленный ОВП метр правильно откалиброван.
На рисунке показано измерение ОВП потенциала водопроводной воды ОВП метром.
На рисунке показано измерение ОВП потенциала водопроводной воды ОВП метром.

ОВП московской водопроводной воды составляет 274 мВ.

Можно утверждать, что оксидатор увеличивает ОВП потенциал и, следовательно, качество аквариумной воды. Дискусы в аквариумах стали чувствовать себя заметно лучше. А раньше у некоторых периодически замечались поражение хилодонеллой и проблемы с гексамитозом. Следует отметить также, что лучше всего повышает ОВП потенциал подмена воды (см. четвертый столбец таблицы). Поэтому если в аквариумном хозяйстве используется «протока», необходимость использования оксидатора не так очевидна. Да и затраты на покупку оксидаторов и перекиси водорода к ним оказываются достаточно велики. К недостаткам можно отнести также периодические хлопоты по заправке приборов перекисью водорода.

Любители дискусов знают как важно соблюдать чистоту в аквариуме. Это утверждение наглядно подтвердилось в ходе эксперимента. ОВП потенциал воды в аквариуме изменяется после установки оксидатора достаточно медленно, день ото дня. При этом в разных аквариумах характер его изменения различен. Именно поэтому эксперимент занял так много времени. Стоит отметить, что изменение ОВП назвать линейным при этом нельзя. Наибольший рост ОВП потенциала был замечен после промывки фильтров, что согласуется с процессами изменения ОВП, протекающими при подаче озона.

Чем больше восстанавливающих веществ содержится в воде, тем ниже опускается ОВП. Чем больше имеется окисляющих веществ, тем выше значение окислительно-восстановительного потенциала. Следовательно, имеется возможность противодействия негативному действию восстанавливающих веществ через повышение ОВП. Но этого большей частью не происходит. На рис. 12 показаны три типичные кривые протекания процесса. Кривая А описывает процесс в относительно чистой воде. Сначала ОВП остается почти постоянным или очень слабо повышается. Лишь по прошествии значительного времени от начала процесса он поднимается, но потом достаточно быстро достигает стабильного уровня, который при увеличении дозировки озона больше не повышается. Кривая В на рис 12. вначале показывает подобное течение процесса. Спустя значительное время ОВП снижается. Только после продолжительной дозировки озона он опять повышается и достигает наконец уровня, изображенного на кривой А. Как можно объяснить такой вид кривой? Когда идет описание кривой А, мы имеем дело с чистой водой, в случае с кривой В – это уже вода с определенными загрязнениями. Вещества загрязнений окисляются озоном, когда вода уже достигла определенного значения ОВП. Дальнейший подъем ОВП возможен, если они уже окислились. Кривая С показывает совсем другое течение процесса. Здесь имеется существенное органическое загрязнение воды. Часто содержащиеся в воде органические вещества не разлагаются биологически. Если такую воду обработать озоном, то эти вещества достаточно быстро разлагаются на более короткие молекулярные цепи, которые разрушаются легче. Теперь за короткое время большое число органических веществ доступно для биологических реакций, которые действуют так, что ОВП снова заметно снижается.

Только если вся органическая субстанция окислится, ОВП может снова возрасти. В начале падение ОВП представляется малопонятным. На самом деле это очень важный этап. В результате устраняется органическая субстанция, которая держала бы в напряжении биологическую систему в аквариуме. Представленные на рис. 12 кривые показывают только типичные варианты. Как правило, мы имеем дело с тремя подобными процессами и при использовании перекиси водорода.

Для аквариумов, в которых содержатся растения, рекомендуемое значение ОВП потенциала зависит от вида растений. Исследование этого вопроса выходит за рамки данного доклада.

В заключении следует отметить, что в специальной литературе отсутствуют рекомендации по точному значению ОВП потенциала, который следует поддерживать в аквариуме. Есть ссылки на диапазон значений, соответствующий комфортному содержанию аквариумных растений и животных. Поэтому важно обращать внимание не на абсолютное значение ОВП потенциала, а на то попадает ли его значение в требуемый диапазон и, конечно, на самочувствие аквариумных обитателей. Измерения же помогут понять, что нужно предпринять и каким образом изменилась ситуация в аквариуме в связи с произведенными действиями. Отдельного рассмотрения заслуживает тема уровня ОВП в нерестовых и выростных аквариумах для дискусов.

Александр Бурцев. г. Москва, май 2013г.

Posted in Видео, Водоподготовка, фильтрация воды, Доклады 22 Sep 2013