Термин «pH» является математической трансформацией концентрации ионов водорода (H⁺). Он показывает, насколько вода кислая или основная. Строчная буква «p» означает «мощь — power» или «экспоненту», а pH определяется как отрицательный десятичный логарифм от концентрации ионов водорода. Изменение pH на одну единицу означает десятикратное изменение концентрации ионов водорода. Обычно диапазон изменений pH составляет 0-14 единиц, однако он может выходить за эти пределы. При 25°C, pH 7.0 является нейтральным показателем, при котором концентрации ионов водорода и гидроксид ионов (OH^—) одинаковы (каждый по 10^-7 моль/л). Условия становятся более кислыми, когда pH снижается, и более основными, когда – возрастает.

pH пресноводной экосистемы может подвергаться серьезным флуктуациям в течении дня и на сезонных отрезках времени. Большинство пресноводных животных терпимы к высоким колебаниям pH среды. Однако они могут подвергаться стрессам при слишком быстром изменении данного показателя, даже в пределах, которые считаются допустимыми. Помимо прямого эффекта pH реакции среды на гидробионтов, концентрация ионов водорода влияет на равновесие аммония, сероводорода, хлора и растворенных металлов. Взаимодействие pH с этими элементами часто более важно, чем его непосредственные эффекты. Прямая «токсичность» ионов водорода редкое явление в аквакультуре пруда, потому что рыбоводы выбирают подходящее место под ферму и подходящий источник воды (pH 6-9). Однако в определенных условиях pH может подняться или упасть за эти физиологически приемлемые пределы, что приведет к гибели животных. Статья посвящена наиболее частой проблеме, когда чрезмерная фотосинтетическая активность ведет к угрожающе высокому подъему pH. Не существует точных указаний по поводу устойчивости гидробионтов к высоким значениям pH, однако показатели выше 9.5-10 в пруду уже рассматриваются как нежелательные.

pH естественных вод

Чистая вода, находящаяся в контакте с атмосферным воздухом, имеет кислую реакцию около 5.6, потому что углекислый газ растворяется в воде и формирует угольную кислоту. Эта кислота диссоциирует до иона водорода (H⁺) и бикарбоната (HCO₃^—):
CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^—

Естественные воды никогда не бывают чистыми потому, что вода прекрасный растворитель. Вводе растворяются некоторые газы или твердые частицы, и некоторые из них влияют на pH. Бикарбонат и карбонат (CO₃^2-) отрицательно заряженные ионы (анионы), которые обычно находятся в воде. Эти основные анионы происходят из растворенного известняка и повышают pH. Бикарбонаты и карбонаты преимущественно ответственны за такое свойство воды как «щелочность» или, иными словами, способность воды нейтрализовать кислоты.

Химические взаимодействия между углекислым газом, ионами водорода и анионами, которые образуют щелочность и буферные свойства большинства естественных вод, обуславливают диапазон колебаний pH – 6-8.5. В отсутствии процессов поглощения и удаления углекислого газа, начальный pH воды при контакте с атмосферой зависит от её щелочности. Воды с низкой щелочностью имеют начальный pH на нижней границе данного диапазона, а с высокой щелочностью – на верхней границе диапазона.

Хотя щелочность определяет начальное значение pH, растворение и выход углекислого газа вызывают его подъем или падение. Озвученная выше реакция, в первом случае направлена вправо, а во втором случае – влево. Выраженность реакции зависит от количества углекислого газа и щелочности, которая обуславливает буферные свойства и сглаживает эффекты от внесения углекислого газа.

Высокий водородный показатель в пруду является проблемой

Биологическая активность под водой управляет концентрацией углекислого газа в большинстве поверхностных вод, включая пруд. Все живые организмы непрерывно дышат и выделяют углекислый газ. Днем, используя энергию солнца, водоросли и подводные растения утилизируют его в ходе фотосинтеза. Относительная скорость дыхания и фотосинтеза в пруду определяет результирующее накопление или удаление CO₂, и, соответственно, падение или подъем pH. Уровень дыхательной активности зависит от температуры воды и биомассы растений, животных и микроорганизмов в воде и донных отложениях. Уровень фотосинтетической активности зависит преимущественно от интенсивности солнечного света, биомассы растений и температуры воды.

Днем, фотосинтез обычно протекает более активно, чем дыхание, поэтому концентрация углекислого газа снижается, и значение pH, соответственно, возрастает. Как только солнце опускается за горизонт, фотосинтез снижается и полностью останавливается. Так как ночью дыхательная активность сохраняется, pH начинает опускаться. На следующий день фотосинтез вновь запускается, и 24-часовой цикл повторяется. Большинство водных сред имеют примерно эквивалентный уровень фотосинтетической и дыхательной активности, поэтому диапазон колебаний pH невысок. Однако, когда растения и водоросли растут быстро, каждый день удаляется больше углекислого газа. В результате pH растет до высоких уровней вечером и даже может оставаться высоким в течении ночи. Эти условия могут сохраняться несколько дней, до тех пор, пока фотосинтез не снизится или дыхание не возрастет.

Проблема высокого pH часто наблюдается в прудах малявочниках и предназначенных для выращивания пресноводных креветок (Macrobrachium rosenbergii). Она связана с практикой внесения удобрений в ходе подготовки водоема к заселению. Удобрения обеспечивают быстрый рост фитопланктона, который утилизирует весь углекислый газ. К сожалению, ранние стадии развития ракообразных и рыб чрезвычайно восприимчивы к токсическому влиянию высоких значений pH. Мальки не способны переместиться в более глубокие области с более высокой кислотностью.

Несмотря на то, что высокий pH обычно наблюдается в недавно заполненном и удобренном пруду, водоемы, в которых прошло цветение, также подвержены этой напасти. Активность фитопланктона в удобренных прудах часто имеет циклический характер – периоды цветения и вымирания. Когда большое количество водорослевых клеток погибает, гниение приводит к выделению питательных веществ и стимулирует новое цветение. Когда растения растут быстро, захват ими углекислого газа может повлечь рост pH, до тех пор, пока сообщество фитопланктона не придет к новому равновесию.

Длительные эпизоды подъема водородного показателя преимущественно наблюдается в прудах, где среди растительности доминируют нитчатые водоросли. Обычно эти водоемы имеют чистую воду, позволяя солнечному свету проникать глубоко в толщу и провоцировать интенсивный фотосинтез под водой или на поверхности.

В аквакультурных прудах данная проблема возникает очень часто, и она тем серьезнее, чем ниже общая жесткость и выше щелочность (умеренная, высокая). Причина этого неясна.

Решение проблем высокого pH

Контроль высоких значений водородного показателя в аквакультурном пруду сложен и не имеет специфической, успешной практики. Затруднения связаны с тем, что понятие «высокий pH» охватывает не только химические аспекты, но также сложные взаимодействия химических и биологических процессов. С точки зрения химии, эту проблему можно легко решить внесением кислоты. Однако сложные процессы обмена углекислым газом останутся прежними, поэтому причины напасти никуда не исчезнут. Добавление кислоты позволит на время снизить pH, но он возрастет вновь, пока не будут изменены условия окружающей среды.

Долгосрочное решение проблемы в пруду вовлекает вопросы биологии водоема. Необходимо свести ежедневную утилизацию углекислого газа к нулю. Этого можно добиться, снижая фотосинтетическую или повышая дыхательную активность. Но повлиять на метаболизм сообщества пруда сложно, потому что биологические процессы имеют значительный экологический импульс. Он базируется на заданных условия окружающей среды, настойчиво ведущих к конкретному экологическому результату. Например, когда вновь наполненный пруд содержит много питательных веществ, принимает яркий солнечный свет и имеет теплую воду, непременно произойдет развитие биологического сообщества, которое повысит pH среды. Поменять эти условия сложно. В общем, лучше не допустить появление проблемы, чем пытаться её решать.

Наполняйте и готовьте пруд как можно раньше

Проблемы с высоким вечерним значением водородного показателя обычно возникают в первые несколько недель после наполнения аквакультурного пруда. В это время питательные вещества для растений, образующиеся из корма и удобрений, провоцируют бурный рост водорослей. С другой стороны, биомасса дышащих организмов сравнительно низкая. После первой вспышки цветения, вечерний pH снижается, так как наступает баланс между образованием и удалением углекислого газа. Со старением пруда, начинает накапливаться органическая материя (особенно в осадке). Её гниение и продукция углекислого газа способствует снижению пиковых значений pH.

Согласно этому, для минимизации проблемы высокого pH, следует готовить пруд так рано, как это возможно, предпочтительно за несколько недель перед зарыблением. Это не всегда возможно, потому что некоторые животные, во избежание потерь от хищных насекомых или для попадания на период изобилия естественного корма, должны заселяться вскоре после наполнения и удобрения водоема. Например, мальки гибрида полосатого окуня должны зарыбляться в период изобилия коловраток. Коловратки предпочтительный корм для мальков, и пик численности их популяции наблюдается вскоре после начала внесения удобрений. Тем не менее, когда имеется возможность, позднее зарыбление, вплоть до первого цветения, поможет предотвратить потери, связанные с высоким водородным показателем.

Баланс жесткости и щелочности

Чаще всего проблема высокого значения pH возникает в прудах, где общая щелочность (количество бикарбоната и карбоната в воде) превосходит жесткость (количество кальция и магния в воде).

Например, пруды для культивирования пресноводной креветки в Университете штата Миссисипи, Старквилл, имеют высокие значения pH в конце весны. Жесткость и щелочность грунтовых вод, питающие пруды, составляет 30 мг/л CaCO₃ и 90 мг/л, соответственно.

Недостаток жесткости по отношению к щелочности может корректироваться внесением гипса (CaSO₄). Желательно проводить эту процедуру до зарыбления, весной, после заполнения.

Для грубого уравновешивания значений жесткости и щелочности потребуется следующее количество гипса: x = (жесткость-щелочность)*2.

Например, если жесткость составляет 30 мг/л CaCO₃, а щелочность 90 мг/л CaCO₃, нужно 120 мг/л гипса. При таких условиях, для 1 га водоема глубиной 1,2 метра потребуется 1400 кг CaSO₄. Это большое количество гипса, но плоды трудов сохраняться надолго, потому что кальций чрезвычайно медленно вымывается с дождями.

Возрастание кальция в пруду поможет снизить значение pH и поможет гидробионтам лучше реагировать на скачки водородного показателя и другие стрессорные факторы среды. Относительно высокая концентрация этого иона также полезен для ракообразных (например, пресноводных креветок), которые теряют кальций во время линьки.
Тем не менее, польза от использования гипса вызывает споры.

Внесение квасцев или органических веществ

Кислотами сложно существенно снизить водородный показатель, потому что прудовая вода обычно буферизирована основаниями (щелочность). Для сколько-нибудь значимого снижения pH требуется много кислоты. Кроме того, кислота это временное решение, которое влияет на следствие, но не причину.

С целью снижения значений pH, экстренная обработка воды может проводиться квасцами (Al₂(SO₄)₃). Это безопасное, относительно недорогое средство, реагирующее в воде в форме кислоты. Помимо своего основного эффекта, квасцы также являются флокулянтами и удаляют водоросли путем осаждения. Т.е. они снижают биомассу водорослей и, соответственно, фотосинтетическую активность. Квасцы также помогают снизить водородный показатель опосредованно, через удаление фосфора – важного биогенного элемента.

Сульфат алюминия обладает не постоянным эффектом и может потребовать больше одного внесения, вплоть до исчезновения значительной части растений. Вследствие многообразия факторов водной среды, особенно, щелочности, невозможно точно оценить эффект квасцев. Передозировка может вызвать сильное закисление, и даже более опасное, чем изначально высокий pH.

Практический опыт диктует осторожность использования квасцев. Начинать нужно с маленькой дозы 10 мг/л, с постепенным добавлением 5-10 мг/л. Это вещество нельзя добавлять в воду с общей щелочностью менее 20 мг/л CaCO₃, потому что даже его маленькое количество приведет к опасному закислению среды.

Безопасным, долгосрочным способом снижения pH является добавление углекислого газа. Его концентрация повышается после внесения органики – молотой кукурузы, соевого шрота или хлопковой муки. Гниение органической материи приводит к высвобождению CO₂. Метод не снизит pH немедленно, но он безопасен и относительно надежен. В общем случае, внесение 17 кг/га органики в течение 1 недели предотвратит возрастание водородного показателя до нежелательного уровня. Это количество можно вносить вместе с ежедневной дозой удобрений. Общая ежедневная доза органической материи не должна превышать 56 кг/га. Процессы гниения, в ходе которых высвобождается углекислый газ, также потребляют кислород, поэтому могут снизить его концентрацию до угрожающего уровня. Концентрация растворенного кислорода должна измеряться регулярно, а пруд при необходимости аэрироваться.

Подавление роста растений

Быстрое удаление углекислого газа в период бурного роста растений является причиной высокого pH в пруду. Ожидание момента, когда скорость их развития снизится, как описано выше, хороший вариант. Однако, если нужно быстро снизить водородный показатель, скорость роста растительной биомассы снижают гербицидами или ограничением количества проникающего света.

Используя гербициды для борьбы с водорослями или высшими растениями, удастся решить проблему высокого pH. Но польза от этой процедуры часто не стоит риска и затрат. Гниение растений, погибших от гербицидов, приводит к кислородному голоданию и накоплению углекислого газа и аммония. Некоторые гербициды также относительно токсичны для молоди гидробионтов. Медесодержащие продукты, например, имеют относительно слабую грань между концентрацией, которая убивает растения, и концентрацией, которая погубит молодь рыб и креветок. Контроль высоких значений pH путем подавления роста растений приходит в противоречие с целями, которые преследуются при внесении удобрений. Последнее сопровождается образованием естественной подкормки в пруду для повышения его продуктивности. Таким образом, использование гербицидов для снижения pH плохое решение.

Главным образом, гербициды должны вноситься для замещения одного типа растения другим, более желательным. Например, настил из нитевидных водорослей часто выступает основной причиной высоких значений pH в пруду, который был недавно наполнен водой, и предназначен для культивирования молоди креветок и рыб. Эти водоросли нежелательны, потому что они усложняют работу с водоемом, в особенности, кормление и сбор животных. Некоторые гербициды аккуратно применяют для уничтожения нитевидных водорослей, на радость фитопланктону.

Более безопасным, но менее эффективным, чем обработка гербицидами, выступает ограничение доступа света. Один из методов был опробован в пруду. Он включает особый краситель для контроля роста сорняков, который окрашивает воду в синий свет и снижает светопропускание. Обычно краситель эффективен в течение нескольких недель. Однако гибель водорослей в толще воды способствует развитию ковра нитевидных водорослей на поверхности. Другой метод снижения светопропускания заключается в непрерывной аэрации водоема и взмучивании осадка со дна.

Внезапное возрастание pH

Неожиданный подъем водородного показателя подвергает стрессу или даже может убить водных животных. Эта проблема отмечается при скачках pH в диапазоне, который рассматривается как физиологически допустимый. Исследования Центра Национальной пресноводной аквакультуры в Стонвилле, Миссисипи продемонстрировали высокую восприимчивость канального сома к внезапному возрастанию pH. Мальки могут адаптироваться к воде со значением pH около оптимального (7.5-8.5) и выдерживают неожиданные изменения показателя на 4 единицы ниже. Однако особи погибают при выходе значения на 1 единицу выше диапазона. Подъем на 1.5 единицы убивает 50% особей, а на 2.2 единицы – 100%.

Эта восприимчивость сомов к резкому возрастанию водородного показателя имеет важное практическое значение. Большинство вновь вылупившихся мальков в течение нескольких дней содержатся в емкостях с проточной грунтовой водой (pH около 8.0). Затем их пересаживают в транспортную емкость, наполненную той же водой, и переносят в пруд. Кислотность в пруду меняется в течение дня, и если рыбу переносить после полудня, когда pH высокий, многие особи погибнут. Решение простое: вначале измеряют водородный показатель в транспортной емкости и пруду, и, когда они совпадут, проводят перенос сомов. Как правило, значение pH наиболее низкое в течение нескольких часов после рассвета. Это наилучшее время для пересадки.
——
Craig S.Tucker and Louis R. D’Abramo. Managing High pH in Freshwater Ponds. SRAC Publication No. 4604. 2008
www.extension.org/mediawiki/files/1/10/ManagingHighpHinFreshwaterPonds.pdf