ПОТРЕБЛЕНИЕ CO2 РАСТЕНИЯМИ

[M.D.Jeorgick]

ПОТРЕБЛЕНИЕ CO2 РАСТЕНИЯМИ

Растворимый неорганический углерод в пресной воде имеется в четырех различных формах, находящихся в динамическом равновесии друг с другом - это углекислый газ (CO2), углекислота (H2CO3), гидрокарбонаты (HCO3-) и карбонаты (CO32-). Суммарное содержание этих веществ в значительной степени определяет буферную ёмкость пресных вод, а их соотношение друг с другом в значительной степени определяет pH.

Водные растения способны потреблять углерод в двух формах: как растворенный CO2 и как анион HCO3~. Все растения могут потреблять углерод в форме CO2. Этот процесс пассивен, не требует затрат энергии и осуществляется путем диффузии из внешней среды в ткань растения. CO2 будет поглащаться тем быстрее, чем больше разница в его концентрации между водой и тканями растения и чем короче растояние, на котором
происходит выравнивание концентраций.

Таким образом если во внешней среде происходит увеличение содержания углекислого газа, то увеличивается и его потребление растениями. Концентрация CO2 в воздухе и воде приблизительно равна 0,5 мг/л. Углекислый газ очень хорошо растворим в воде, однако его диффузия в воде идет приблизительно в 10'000 раз медленнее, чем в воздухе. В стоячих водах это обстоятельство сильно затрудняет потребление CO2. В проточных же водах газ диффундирует лишь через, так называемый, "поверхностный слой" (или границу Прандтла). Это непосредственно прилегающий к поверхности растения обусловленный силами трения крайне тонкий слой, в котором вода неподвижна даже при самом сильном течении. Его толщина приблизительно 0.5 мм, однако это в 10 раз толще, чем у наземных растений. Как результат - требуется приблизительно 30 мг/л свободного CO2, чтобы удовлетворить фотосинтетическую потребность субмерсных водных растений. Течение постоянно приносит с новой водой и новые молекулы CO2, чем поддерживается его концентрация в окружающей среде. Однако известно, что многие растения хорошо растут и в стоячей, и в щелочной воде, где потребление растворенного CO2 весьма проблематично.

Водные растения приспособились к ограниченному количеству CO2 несколькими способами. Многие виды имеют мелкорассеченные листья. Это увеличивает отношение их площади поверхности к объему и уменьшает толщину поверхностного слоя. Водные растения имеют обширные воздушные каналы, называемые аэренхимой, которые позволяют газам двигаться свободно по всему растению. Это дает возможность, перегонять в листья и ассимилировать CO2, который поступит внутрь растения даже при получении его некоторыми видами растений из грунта при помощи корней. Наконец, многие виды водных растений способны фотосинтезировать используя гидрокарбонаты наравне с CO2. Это важное приспособление в щелочных водах при pH между 6,4 и 10,4, когда большинство растворимого неорганического углерода существует в форме гидрокарбонатов.

Было выяснено, что при возникновении белого налета на поверхности листьев растений рН воды с верхней стороны листа щелочное, а с нижней слабокислое. Было высказано предположение, что подобное явление связано с потреблением иона HCO3~. При наличии отрицательного
заряда этот ион уже не может диффундировать в ткань листа подобно CO2. Для этого нужен специальный механизм активного переноса, получивший название "протонового насоса". При этом растение в основном за счет световой энергии транспортирует на внешнюю нижнюю сторону листа H+-ионы сдвигая там рН в кислую сторону и как следствие баланс HCO3~/CO2 в сторону последнего. Полученный таким образом углекислый газ диффундирует в ткань листа.

Одновременно с транспортом протонов идет и перенос OH~-ионов на внешнюю верхнюю сторону листа. Здесь рН повышается, что приводит к выпадению в осадок соединений типа MeCO3 в виде белого налета.

Вцелом процесс потребления HCO3~ менее эффективен чем поглощение CO2 из-за своей энергетической зависимости. Очевидно растения выработали его как приспособление к существованию в щелочных стоячих водах. Растения же кислых проточных вод такого механизма не имеют либо, как
минимум, отдают предпочтение поглощению CO2.

В нейтральных до слабощелочных водах с низкой карбонатной жесткостью (а следовательно и с малым количеством CO2 и HCO3~) большинство растений растет крайне плохо.

Аквариумист может добиться улучшения доставки CO2 водным растениям двумя способами. Во-первых, можно увеличить степень перемешивания воды в аквариуме. Это уменьшит толщину пограничного слоя и будет гарантировать, что уровни CO2 в воде и воздухе находятся в равновестном состоянии. Этот метод недорог, легко осуществим и в большинстве случаев дает положительный эффект.

Во-вторых, CO2 может быть введен в аквариум. Это - более дорогое удовольствие и при выполнении ненадлежащим образом может приводить к гибели рыб. Однако этот метод становится единственно возможным при культивировании растений полностью неспособных использовать гидрокарбонат (например, виды рода Cabomba).

[Aleshka]

В нейтральных до слабощелочных водах с низкой карбонатной жесткостью (а следовательно и с малым количеством CO2 и HCO3~) большинство растений растет крайне плохо.


Privet!A u menja, sootvetstvenno takoj vpolne konkretnyj vopros.A 4to budet proishodit v nejtralnoj vode s vysokoj karbonatnoj zhestkost'ju?(voda izna4alno pH 8,4,no esli kak nibud iskustvenno ponizit pH)
Spasibo!

[M.F.]

Сообщение от Aleshka

В нейтральных до слабощелочных водах с низкой карбонатной жесткостью (а следовательно и с малым количеством CO2 и HCO3~) большинство растений растет крайне плохо.


Privet!A u menja, sootvetstvenno takoj vpolne konkretnyj vopros.A 4to budet proishodit v nejtralnoj vode s vysokoj karbonatnoj zhestkost'ju?(voda izna4alno pH 8,4,no esli kak nibud iskustvenno ponizit pH)
Spasibo!

Возмите раствор питьевой соды и добавьте уксусной кислоты до нейтрального pH ... вот примерно тоже произойдёт .

[Кокан]

На эту статью никто не реагировал с момента её публикации. В ней много неточностей, вернее несовсем корректных формулировок. Некоректные формулировки вызывают непонемание у читателя. Автор может прекрасно разбираться в материале и понимать то, о чем он пишет, но к сожалению, не все заботятся о том, поймут ли его читатели. Я не имею в виду те случаи, когда автор недомолвками специально провоцирует читателей изучить вопрс самостоятельно или вступить в дискуссию.
Хочу обратить внимание на неточности в этой статье.

Растворимый неорганический углерод в пресной воде имеется в четырех различных формах, находящихся в динамическом равновесии друг с другом - это углекислый газ (CO2), углекислота (H2CO3), гидрокарбонаты (HCO3-) и карбонаты (CO32-).

1.На самом деле, не растворимый углерод, а растворённые углерод содержащие ионы. Это просто несовсем корректная формулировка.
2.Во всех приведенных ионах углерод находится не в четырёх разных формах, а в одной и той-же форме -- углерод со степенью окисления +4. Это уже грубая ошибка.
3.Буферную ёмкость пресных вод определяет только содержание в расстворе солей сильных оснований и слабых кислот. Слабые кислоты в водоёмах представлены в основном углекислотой, а сильные основания щелочными и щелочноземельными металлами. Само по себе суммарное содержание этих веществ((CO2) углекислота (H2CO3), гидрокарбонаты (HCO3-) и карбонаты (CO32-)). ни как не определяет буферную ёмкость пресных вод.
4.Автор упустил одну существенную деталь -- свободный оксид углерода (СО2) в расстворе находится в мизерных количествах, когда пишут о растворённом в воде СО2 имеют в виду именно кислоту Н2СО3 и именно она усваивается ратениями в процессе фотосинтеза. Этот факт ставит подводные растения в более выгодное положение (в условиях фотосинтеза) в сравнении с сухопутными, нет необходимости транспортировать воду из грунта к листьям.

Вцелом процесс потребления HCO3~ менее эффективен чем поглощение CO2 из-за своей энергетической зависимости

5.Фотосинтез это по сути процесс окисления коислорода (О2-/О) и восстановления углерода (С4+/С4-). Процесс этот уникален своей высочайшей энергоёмкостью, по этому сравнивать энергозависимость "процесса потребления HCO3~ и поглощение CO2" нет смысла (существенной разницы нет).
В условиях природных водоёмов рН воды определяется прежде всего буферной ёмкостью этот показатель говорит о том, какое колличество кислоты необходимо добавить в воду, чтобы сдвинуть рН в кислую сторону. Если искуственно снизить рН, то снизится и буферная ёмкость (а точнее станет нулевой) а поскольку в природных водоёмах б.ё. определена в основном наличием карбонатов и бикарбонатов (и сильных иснований) то снизится и карбонатная жёсткость. Сильные основания будут связаны уже не с карбонат анионами, а с остатками сильных кислот. При этом высвободится определённое количество свободной углекислоты, что на каое-то время облегчит условия фотосинтеза растениям.
Вообще в водах с низкой какрбонатной жёсткостью, а следовательно и буферной ёмкостью, свободной углекислоты может существовать гораздо больше, чем в воде с высокими этими показателями. Растворимость СО2 значительно выше в нейтральной и кислой среде, чем в щелочной.
Сложность с питанием при использовании для фотосинтеза HCO3~иона связана именно с изменением рН в щелочную сторону в области листа, что затрудняет дальнейшую диффузию углекислоты, или HCO3~ионов в эту область.
В водах с низкой карбонатной жесткостью плохо растут только те растения, которые плохо переносят резкие колебания рН в незначительных пределах, а таких очень немного.

[Aleshka]

Благодарю вас за столь подробный ответ!
А как может быть так,что вода при высокой пХ имеет имеет низкую карб.жесткость?
ЗЫ:Это навеяно прочитанным,но не касается его напрямую...

[smirnoff_No21]

Сообщение от Кокан

4.Автор упустил одну существенную деталь -- свободный оксид углерода (СО2) в расстворе находится в мизерных количествах, когда пишут о растворённом в воде СО2 имеют в виду именно кислоту Н2СО3 .

Вот это и нет. "Угольная кислота" в растворе как раз на 99,9...% находится в виде именно молекул СО2.
Если бы это было не так, то по силе угольная кислота была бы примерно сравнима с серной. Наблюдаемая же константа ионной диссоциации угольной кислоты - на 4 порядка ниже теоретической. Почему же? Именно потому, что кроме ионной диссоциации у.к-та подвержена ещё и диссоциации неионной, на воду и СО2, и равновесие этой реакции смещено в сторону продуктов диссоциации. В результате концентрация продуктов ионной диссоциации уменьшается на эти самые 4 порядка. Вот и выходит фокус, что у.к-та - на самом-то деле сильная кислота, а наблюдаемая её слабость обусловлена просто её термодинамической нестабильностью.
_______________________
Кстати, то же самое касается и некоторых других "слабых" кислот и оснований, например, сернистой кислоты (совершенно аналогично угольной) и так называемого "гидроксида аммония", который в р-ре точно так же почти нацело распадается на воду и аммиак.

[Кокан]

Очевидно, при высоком рН.
Это вообще может зависить от того, как вы измеряете карбонатную жесткость. Т.е. смотря что имеется в виду карбонатная жесткость или буферная ёмкость, все тесты на карб. жесткость измеряют на самом деле буферную ёмкость.

[Aleshka]

Ja vidimo tormozu,no ne pojmu nikak....
Vzaimozavisimy pH i karbonatnaja zestkost ili net?
I esli zavisimy,to ja polagaju,4to zavisimost' prjamaja...
Ili vse taki mozet byt,4to pH nizkaja,a karbonatka vysokaja;i ,naoborot,pH vysokaja,a karbonatka nizkaja?

[Артем Мищенко]

Прямой зависимость назвать трудно, но зависимость есть! И правильно Кокан сказал про тесты. У нас если дедовскими методами мерить, kH <4, а серовскими kH>10!

[Кокан]

Артем Мищенко. Ничего понять не могу это видимо ошибка в расчётах (ну типа градусы с грммэквивалентами перепутали) суть в том, что тесты измеряют буферную ёмкость, и она приведена к общему знаменателю с кН. По этому это соответствует истине, только тогда когда общая жесткость больше эквивалентного содержания карбонат анионов, в противном случае (это часто бывает в воде с низкой общей жёсткостью) может получиться так, что общая (постоянная) жёсткость ниже, чем измеренная тестами карбонатная (временная).
Численное значение рН не зависит на прямую только от карбонатной жёсткости, но при высокой карбонатной жесткости рН будет скорее в щелочном диапазоне, а при низкой - может сильно колебаться и в аквариумах с больщим коллич. растений и ярким освещением, при условии отсутствия в воде гуминовых кислот, может быть утром кислой, а вечером щелочной. Если вода с низкой кН старая она будет стабильно кислой. Если в воду с низкой кН добавить соды она станет щелочной, но тесты будут теперь показывать высокую кН.

[akuz]

может получиться так, что общая (постоянная) жёсткость ниже, чем измеренная тестами карбонатная (временная).

2 Кокан:
вот у меня как раз така фигня (kh=8-9, dh=4-5). и шо бы это могло значить?

[Артем Мищенко]

2 Кокан Может и так, я мерял только серовскими, а народ по жданову. Чо он там мерял, нескажу!
2 akuz А чо тебя смущает? Купи книгу "Техническое оснащение аквариума", там подробно обо всем! Книга - И написано для таких чайников, как я!

[Кокан]

Да, книга супер!

[naman]

co2 в аквариуме с растениями (by naman)

> зачем растениям CO2
> почему именно CO2
> какая концентрация CO2 нужна растениям
> CO2 и кислород
> влияние нитратов на pH
> влияние фотосинтеза растений на pH в течение суток
> контроль за концентрацией CO2
> выветривание CO2 и неприменимые в Nature Aquarium фильтры
> результаты подачи CO2 в аквариум
> влияние CO2 на pH
> объяснение теории какими и почему должны быть pH и KH при подаче CO2
и что делать если жесткость воды слишком высокая
> соотношение подачи CO2 и освещенности
> какие бывают системы подачи CO2 в аквариум

краткое резюме о co2

Растения на 40-50% состоят из углерода, поэтому для аквариума с растениями подача достаточного количества CO2 является первоочередной задачей.

Подача CO2 усиливает рост растений в несколько раз.
Основной источник углерода для растений - растворенный в воде CO2.
Интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого CO2 и наоборот.
Оптимальная концентрация CO2 в аквариуме с растениями 15-30мг/л. Предел для рыб - 30мг/л.
Подача CO2 рассчитывается так: при kHmin=4 градуса подача должна быть 1 пузырек в минуту на 10л живого объема аквариума.
Углекислый газ не вытесняет из воды кислород.
Нитраты и подача CO2 понижают pH.
Оптимальный pH=6,8-7,2. Для получения такого уровня pH нужно чтобы вода была KHmax.=7.
Во избежание обвала pH, минимальный безопасный уровень kHmin.=4 градуса.
В течение суток pH изменяется: понижается к утру и повышается к вечеру.
Концентрацию CO2 в аквариуме определяют по Таблице 1 или формуле, измерив сначала kH и pH:
CO2=3.0 x kH(град.) x 10^(7.00 - pH)
Подавать в аквариум CO2 можно от баллона со сжатым углекислым газом или методом брожения.

зачем растениям CO2

Для хорошего роста растениям нужны четыре вещи:
- свет нужного спектрального состава и длительности
- постоянная подача CO2 во время фотосинтеза
- питательные вещества и микроэлементы
- грунт с нужными свойствами.

• Каждый аквариумист должен понять - растения состоят из углерода [C] на 40-50% (сухого веса), а в аквариуме без подачи CO2 его настолько мало*, что им просто негде взять основной строительный материал для своих клеток! Это наглядно видно в Таблице состава растений.

Состав растений (от сухого веса).
Макроэлементы
Минерал Примерная концентрация, %
Углерод C 43 %
Азот N 1 - 3
Калий K 0.3 - 6
Кальций Ca 0.1 - 3.5
Фосфор P 0.05 - 1
Магний Mg 0.05 - 1.5
Сера S 0.05 - 1.5
Микроэлементы
Железо Fe 10 - 1500 мг/л
Хлор Cl 100 - 300
Марганец Mn 5 - 1500
Цинк Zn 3 - 150
Медь Cu 2 - 75
Бор B 2 - 75
Молибден Mo следы

Растения используя световую энергию, кислород, углерод и водород осуществляют фотосинтез.
С помощью фотосинтеза углеводы, например глюкоза, получается из двуокиси углерода CO2 по реакции:

CO2 + 6H2O + 674.000 кал ---> C6H12O6 + 6H2O.

Как видно это невозможно без достаточного количества CO2.
По этой формуле также видно, что процесс фотосинтеза растений требует определенного уровня энергии света (~674,000 кал). Если свет недостаточно яркий, фотосинтез происходить не будет. При уровне освещенности близком к оптимальному**, фотосинтез будет происходить все быстрее и быстрее.

Данные научных исследований (1994) фирмы Tropica [1], крупнейшей компании по выращиванию аквариумных растений, показали что в природе, при достаточном количестве питательных веществ, CO2 в м е с т е со светом являются главными лимитирующими факторами роста растений. При условии насыщения воды всеми питательными веществами, в компании Tropica две недели наблюдали результаты по выращиванию риччии, и получили следующие результаты:
- нет подачи СО2 + низкая освещенность - рост растений = 0. (за две недели почти никакой прибавки массы листьев)
- при малой подаче СО2 + низкой освещенности рост увеличивается в 4 раза (по причине низкой точки компенсации, LCP у водных растений)
- малой подаче СО2 + высокой освещенности рост усиливается в 6 раз.
- при сильной освещенности + высокой подаче СО2 1 грамм риччии вырастет в 6,9 грамм, это дает ежедневный прирост массы на 9,2% ! (см. график)

Если подавать много CO2 при слабой интенсивности света получим совсем незначительное усиление роста растений (зеленая линия), как и при усиении одного только освещения (синяя линяя). Но при сильном свете и большой концентрации CO2 в воде (~15-25мг/л) эффект просто потрясающий (красная линия). При интенсивности освещения ниже точки компенсации света (LCP) рост растений останавливается и энергии света хватает только на поддержание жизни растения (желтая линия).

Даже средний уровень подачи CO2 в плохо освещенном аквариуме приводит к 4-х кратному усилению роста растений, потому что может производится больше хлорофилла без фатальных последствий для баланса энергии растения - растение тратит меньше энергии и ресурсов для извлечения CO2 из воды, и остается больше энергии для оптимизации переработки световой энергии в ткани растения. В результате хотя не увеличивалась интенсивность освещения, растение может более эффективно использовать уже имеющийся свет. Очевидно, что выгода от увеличения интенсивности освещения + подачи CO2 превосходит эффект от повышения только одного из них.

• Из вышеизложенных фактов следует что: интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого в аквариум CO2 и наоборот.

У подавляющего большинства любителей растений не владеющих методикой Nature Aquarium недостаток света и отсутствует подача CO2, поэтому темпы роста растений соответствуют желтой линии, в лучшем случае зеленой. Увеличив только свет, вы улучшите рост и получите синюю линию, но в этом случае возникает угроза появления водорослей. И только приведя освещенность в норму и сделав подачу CO2 ускорение роста будет в несколько раз (красная линия)! Это заставит растения расти невиданными темпами.
Зачем это нужно? Во первых - вы не будете ждать несколько месяцев пока композиция приобретет запланированный вид - это произойдет всего за 1,5-2 месяца; во вторых - это дает возможность часто подрезать растения и точно формировать композицию; в третьих - только достаточно молодые листья водных растений имеют идеальное состояние и соответственно, идеальный внешний вид. Только при очень быстром росте растений можно получить совершенный аквариум, подобный работам Takashi Amano.

Почему именно CO2 ?
Растениям углерод доступен в двух формах: оксида углерода [CO2], и бикарбоната [HCO3-]. Растения предпочитают использовать CO2 вместо бикарбоната потому что могут потреблять его из воды без больших энергетических затрат, кроме того многие растения не могут напрямую утилизировать бикарбонат для фотосинтеза.
Растворенный в воде оксид углерода (CO2 - углекислый газ) дает растениям самый лучший и наиболее легко ассимилируемый источник углерода.

Какая концентрация CO2 нужна растениям?
Оксид углерода CO2 хорошо растворяется в воде. Концентрация CO2 в воде и воздухе уравнивается при 0,5мг/л. К сожалению CO2 растворяется в воде в десять тысяч раз медленнее чем в воздухе. Эта проблема решается относительно толстым недвижимым слоем (unstirrable layer или Prandtl boundary) который окружает листья водных растений. Недвижимый слой водных растений это слой спокойной воды через которую газы и питательные вещества должны диффундировать чтобы достичь листьев растений. Его толщина около 0,5мм, что в десять раз толще чем для наземных растений.
Как следствие этого, чтобы обеспечить оптимальный фотосинтез водных растений концентрация свободного CO2 в воде должна быть порядка 15-30мг/л, при этом нельзя превышать предельно допустимую концентрацию CO2 для рыб 30мг/л.
Низкая растворимость CO2 в воде, относительно толстый недвижимый слой и высокая концентрация CO2, нужная для обеспечения фотосинтеза подсказали одному ученому утверждение: "Для пресноводных растений, естественный уровень соединений углерода в воде является главным сдерживающим фактором фотосинтеза..." (подробнее см. оптимальное насыщение воды CO2 и [3])

Результаты подачи CO2 в аквариум
Ничто так не улучшает рост растений как подача CO2! Если растения расли посредственно, подача CO2 **при условии достаточного количества света, ежедневного внесения жидких удобрений со всеми микроэлементами и железа Fe} ускорит рост в 4-6 раз! Например большой куст анубиаса (очень медленно растущее растение) удваивает размер за 4 месяца, или вырастает 1 лист в две-три недели!
Длинностебельные растения растут 6-12см в неделю. Растения переднего плана заполняют все свободное дно за 3-6 недель в аквариуме 100см.
При быстром росте растений после начала подачи CO2 очень скоро начнут проявляться признаки нехватки питательных веществ так как растения быстро использую все железо, калий, магний и прочие микроэлементы, так что подачу углекислого газа можно использовать ТОЛЬКО в сочетании с ежедневным внесением жидких удобрений.

CO2 и кислород
Вопреки распространенному заблуждению, углекислый газ не вытесняет из воды кислород*** и не ограничивает его доступность для дыхания рыб - они успешно сосуществуют. Наоборот - благодаря хорошему росту растений концентрация кислорода днем, когда растения активно фотосинтезируют, достигает 11 мг/л, что намного выше 100% границы насыщения при температуре воды 24С, и к утру падает только до 8,0 мг/л. Для нормальной жизнедеятельности рыб достаточна концентрация растворенного кислорода в воде 5 мг/л (насыщение 60%).
Если в аквариуме до 200 литров нормально буферизированная вода (с dKH=2-4), и он не перенаселен рыбами, содержание кислорода к утру остается достаточно высоким (8мг/л), а pH более стабилен, если подачу CO2 не выключать на ночь.

Баланс света и CO2
Интенсивность освещения и подача CO2 должны соответствовать друг другу.
Исследования фирмы Tropica подтверждают то, что говорил Takashi Amano на сайте Aqua Journal:
"Ватты света должны соответствовать количеству подаваемого CO2. Если свет слишком интенсивный и растения не получают достаточного количества CO2, сильный свет принесет больше вреда чем пользы."
Если много света и недостаточно CO2, растения не будут активно расти и появятся водоросли. Вводимые жидкие удобрения (например PMDD) еще больше усугубят проблему. С другой стороны если недостаточно света, а CO2 подается много, концентрация CO2 может превысить допустимый предел и станет токсичной для рыб и беспозвоночных (30мг/л).
Некоторые растения более светолюбивые чем другие, например длинностебельные с очень тонкими листьями. Требуя больше света они, соответственно, требуют и большей подачи CO2 ! Как говорит Takashi Amano, нет сложных и простых растений, просто есть светолюбивые и тенелюбивые. Кроме разного необходимого количества света и CO2 они ничем не отличаются.
Следует с самого начала создания NA определить мощность флуоресцентных ламп и подачу CO2, чтобы в последующем эти факторы не уменьшали рост растений - будет проще определение их потребности в других питательных веществах.
[По материалам www.vectrapoint.com, статья Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen "CO2 and light stimulate the growth",1994 © www.tropica.com.]

определение сколько подавать CO2

Как сделать pH и насыщение воды CO2 идеальными для растений? Сделать в аквариуме KH= 2-4 градуса, и отрегулировать подачу CO2 так, чтобы pH установился на уровне 6,8 утром и 7,2 вечером - в результате средняя концентрация CO2 станет идеальной ~15мг/л.

• pH и KH это то что каждому, кто держит аквариум с растениями абсолютно необходимо понимать. Это два взаимосвязанных понятия.

pH это мера кислотности воды (acidity). Ее определяет негативный логарифм количества гидроксидных ионов (H+) в воде - чем их больше, тем ниже pH. pH реакция воды может быть кислой (мене 7,0), нейтральной (pH=7,0) или щелочной (pH>7.0).
А карбонатная жесткость kН (т.е. карбонатная жесткость) это мера щелочности воды. KH указывает на способность удерживать pH на определенном уровне, то есть является показателем буферных свойств воды. Она постоянно изменяется, поэтому часто называется временной жесткостью. Значение KH это количество бикарбонатов [HCO3-] в воде, которые нейтрализуют действие постоянно образующихся в аквариуме кислот, например нитратов, понижающих pH, удерживая тем самым pH от понижения. Соответственно чем больше бикарбонатов [HCO3-] в воде (путем ввода CO2), тем ниже уровень pH (при той же концентрации CO2).

влияние CO2 на pH

CO2 понижает pH.
При подаче CO2 в аквариум в воде образуются небольшие количества угольной кислоты [H2CO3] (0.1-0.2%), она диссоциируется на ион [H+] и бикарбонат [HCO3-] (основа KH), концентрация ионов H+ увеличивается, понижая рН - значит подавая СО2 мы можем понижать рН в аквариуме одновременно давая важнейший питательный элемент для роста растений - углерод [C].
С понижением pH в воде увеличивается доля углерода в форме CO2. (см. ниже в разделе "pH")
Так как на значение pH влияет карбонатный буфер KH и концентрация CO2 в воде, то взаимосвязь {pH <-> KH <-> растворенный CO2} является жесткой. В связи с тем, что pH в основном определяется наличием карбонатного буфера KH, количество подаваемого CO2 зависит от того, кокой нам нужен уровень pH в аквариуме с растениями. То есть в тройке {pH - KH - CO2} pH и KH будут жестко заданными величинами, а подача CO2 будет регулироваться для обеспечения одновременно оптимального уровня pH=6.8-7.2 и концентрации углекислого газа в воде.
но какими должны быть kH и pH?

pH

Оптимальным для роста растений является pH=6.8-7.2. Почему именно 6,8-7,2?

Растениям нужно много CO2
Для хорошего роста растений нужно много CO2. Как говорилось ранее, для растений лучший источник углерода это CO2. Но в воде углерод может существовать в двух формах: углекислого газа CO2 и бикарбоната [HCO3-] (гидрокарбонат). Бикарбонат содержит химически связанный CO2 - то есть НЕ доступный для питания растений! В мягкой и кислой воде с pH<7.0 большинство углерода (~70%) будет находится в виде CO2 прекрасно усваиваемого растениями, и только 30% в виде бикарбоната [HCO3-], то есть:
чем ниже pH, тем больше углерода находится в легко доступной для растений форме - углекислом газе CO2.
Кроме того чем выше общая жесткость воды dGH, тем больше надо СО2 в воде чтобы поддерживать угольную кислоту [H2CO3] в растворенном состоянии и она не выпадала в осадок.

Стабильность pH при протекании биологических процессов в аквариуме
Буферизация это результат химических свойств слабых кислот. Когда слабая кислота диссоциируется в воде, отношение сформировавшихся пар кислота-основание имеет логарифмическое отношение. Если распечатать график отношения кислота/щелочность (acid-bace ratio) относительно pH, увидим что выше или ниже определенного значения pH, кривая зависимости практически плоская, то есть когда кислоты или основания добавляются в воду, pH не будет существенно изменяться! При определенном pH, называемом точкой равновесия, кривая практически вертикальна, означая что добавление кислот и оснований очень мало изменят pH. Заметьте что может быть больше чем одна точка равновесия, и они разные для разных кислот.
Нас же интересует угольная кислота [H2CO3], точка равновесия которой pH=6.37. Это идеальное значение для аквариумных растений, так как желаемый уровень pH чуть-чуть выше этого значения и обычно имеет тенденцию к понижению потому что в аквариуме кислоты, которыми являются нитраты [NO3] (nitric acid), постоянно производятся биологическим путем. Так как начальный уровень pH ВЫШЕ точки равновесия и любое смещение будет по направлению к ней, довольно много кислоты может быть «буферизировано» перед тем как pH упадет ниже этой точки. [2] В этом залог стабильности pH, и таков pH (6,8-7,2), выбранный T. Amano как оптимальный для Nature Aquarium.
Прим.: возможно на этом явлении основан метод Krause определения оптимального pH воды для конкретного аквариума. По моим данным он всегда дает pH=6.8.

Соотношение аммония NH4+ и токсичного аммиака NH3
аммоний [NH4+] может существовать и в форме аммиака [NH3], который очень токсичен для всего живого (токсичен уже при концентрации 0,06 мг/л). Соотношение аммоний/аммиак в аквариуме в основном зависит от значения pH. Чем ниже pH, тем меньше токсичного аммиака. При pH=7.0 его только 0,5%, но при повышении pH до 7,5 аммиака уже 4%. То есть в восемь раз больше! Простое правило: при pH больше 7.0 начинает значительно увеличиваться доля токсичного аммиака. При pH=6.8-7.2 в NA будет доля токсичного аммиака [NH3] в пределах 0,4-0,8%. Так как в NA поддерживается очень низкий уровень аммония/аммиака, то даже при ухудшении ситуации, pH в пределах 6,8-7,2 гарантирует отсутствие токсичного аммиака [NH3].

Активность нитрифицирующих бактерий
При pH=6,6 нитрифицирующая деятельность бактерий составляет примерно 85% от максимального уровня. Это значит что в NA при pH=6.8-7.2 бактерии никогда не работают на максимуме, и при незначительном ухудшении параметров воды всегда смогут немного увеличить активность и справится с увеличившейся нагрузкой, сохранив стабильность аквариума. Таким образом создается такой же запас стабильности, как и в описанном выше примере с точкой равновесия pH. (Наиболее активно нитрификация протекает при pH=7,5-8,5; ниже pH7,5 она замедляется.)

KH

Теперь нужно определить какое должно быть значение KH. Мы выяснили, что в аквариуме для оптимального роста растений нужно поддерживать pH=6.8-7.2.

• Мягкая вода с kH=2-5 сама по себе кислая и а в т о м а т и ч е с к и буферизируется на уровне pH=6.0-7.3 потому что большинство углерода в ней содержится в форме углекислого газа [CO2] а не угольной кислоты [H2CO3], значит во избежание падения pH ниже нормы при подаче углекислого газа минимальный уровень kH до подачи CO2 в аквариум должен быть KHmin.=4.0.

Почему не больше? Потому что если начальный уровень kHmax.>=7.0, т.е. вода слишком жесткая, она будет иметь начальный pH ~ 7.8, и для для достижения нужного уровня pH потребуется превысить предельно допустимую для рыб концентрацию CO2 в 30мг/л. В этом случае просто не получится снизить pH до оптимального уровня.
Если же KH слишком низкий (kH<2), при завышенной подаче CO2 или повышении уровня нитратов возникнет угроза внезапного резкого падения уровня pH ниже 6.8, что губительно для растений и рыб.

Для поддержания стабильного pH вода до начала подачи CO2 должна иметь минимальный уровень kHmin.=4, чтобы в любой момент не исчерпался карбонатный буфер воды, и это не привело к резкому падению pH.

Далее. Вы помните, что взаимосвязь {pH - kH - CO2} является жесткой, значит по Таблице 1 зависимости одной величины от другой по требуемому pH и заданному KH можно определить, какая будет концентрация CO2 при выбранных нами kH и pH.

По таблице видно, что при pH=6.8-7.2 и KH=4-5 концентрация CO2 будет 7,6-23,8 мг/л. Введя такое количество CO2 в воду, при KH=4-5, мы получим и оптимальный pH, и оптимальное насыщение воды CO2 для бурного роста растений в Nature Aquarium.

• Растворенный в воде CO2 максимально поглощается растениями только при kH=3.5-4.
Таким образом уровень карбонатной жесткости kH приобретает важную роль в интенсификации роста растений. Повысить kH можно внесением поваренной соды. Общая жесткость GH является несущественным фактором и второстепенна для аквариума с растениями. GH не особо влияет на рост растений, но не должна быть слишком низкой или слишком высокой для здоровья рыб.

[Serpentarius]

Сообщение от naman

pH это мера кислотности воды (acidity). Ее определяет негативный логарифм количества гидроксидных ионов (H+) в воде - чем их больше, тем ниже pH. pH реакция воды может быть кислой (мене 7,0), нейтральной (pH=7,0) или щелочной (pH>7.0).

Во-первых гидроксид-ион это не Н+, а ОН-. Если быть точными в формулировках, то ОН- это ион гидроксила.
Во-вторых, здесь имеет место неточность перевода. По определению рН - водородный показатель - это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода Н+ (или ионов гидроксила ОН-, что равнозначно. Но принято привязываться именно к концентрации катионов водорода Н+, потому этот показатель и называется водородным)
В-третьих, нитрат - это не кислота, это кислотный остаток - составляющая часть кислоты (здесь опять неточность перевода).
Вещества, принадлежащие к классу кислот, объединяет именно наличие ионов водорода (катионы), которые отщепляются при диссоциации. А отличают их только кислотные остатки (анионы). Потому на рН в такой же степени, как нитраты, влияют и сульфаты, и хлориды и в меньшей степени растворимые фосфаты, карбонаты, бикарбонаты, нитриты, гуматы и т.п.
Но это замечания к определениям. А в целом механизм и взаимосвязи описаны достаточно понятно.