Растворенные в воде газы
Количество отдельных газов, присутствующих в воде различных водоемов, зависит от их природы, парциального давления газов в атмосфере, погодных условий, состояния самой воды (в частности от ее солености) и других факторов. То количество газов, которое может раствориться в воде при данных условиях, называют нормальным. Часто количество газа в воде выражают не в абсолютных показателях (объемных или весовых), а в процентах от нормального содержания (т.е. показывают степень насыщения воды газом). В частности, такие показатели применяют специалисты в аквакультуре, особенно для характеристик качества воды при выращивании рыб.
Из отдельных газов наибольшее значение для водного населения имеют растворенные кислород, углекислый газ, сероводород и метан, а также аммиакион аммония, нитриты.
Рыбам для жизнедеятельности необходим кислород. Вода со многих сторон как жизненная среда имеет преимущества перед атмосферой, но только не по количеству кислорода. Жизнь зародилась в воде, но по ходу эволюции животных, усложнения организмов и их обмена веществ, требовали все больше кислорода, и возможностей воды растворять кислород не хватило. Поэтому животные «вышли» в атмосферу, среду во многом гораздо более резкую и менее благоприятную для них по сравнению с водой, но имеющую много кислорода. Понятно, почему млекопитающие, «вернувшиеся» жить в воду (киты, дельфины), продолжают дышать атмосферным воздухом, поднимаясь для этого на поверхность воды.
Коэффициент абсорбции кислорода водой при 0оС равен 0,04898. Следовательно, при нормальном содержании этого газа в атмосфере (210 мл/л) в 1 л воды окажется растворенным 210 мл*0,04898=10,29 мл кислорода. Другими словами, литр воздуха содержит в среднем около 210 см3 кислорода, а литр самой чистой и холодной воды при 0оС - менее 10 см3. Разница огромная, более чем в 20 раз. С повышением температуры и солености коэффициент абсорбции уменьшается, и величина нормального содержания кислорода понижается. Т.е. в реальных водоемах содержание кислорода в воде еще меньше по сравнению с атмосферой – до 30 раз (табл.1). Более того, за счет постоянных ветровых явлений и диффузий временные дефициты количества кислорода в атмосфере погашаются очень быстро по сравнению с водоемами. Действительно, внутренние водоемы гораздо сильнее отличаются друг от друга по концентрации кислорода, чем наземные районы. Воздух Токио, Нью-Йорка, Лондона, Ташкента и других городах отличается от лесного или горного, но намного меньше по сравнению с водой в водоемах соседних участков одной реки. В атмосфере происходят частые перемешивания воздуха, это делают ветра. По сути, атмосфера это один огромный воздушный океан. Среди водоемов ей аналогичен Мировой океан. Но внутренние водоемы в этом отличаются.
Таблица 1. Растворимость атмосферного кислорода в воде в зависимости от ее температуры и солености.
Обогащение воды кислородом происходит несколькими путями: за счет его инвазии (вторжения) из атмосферы, перемешивания вод с разным содержанием растворенного кислорода ветрами, течениями и выделения фотосинтезирующими растениями. Убыль газа происходит за счет эвазии (выхода) из воды в атмосферу и его потребления на окислительные процессы, в частности – дыхание.
Откуда кислород и другие газы попадают в воду? Прежде всего, из атмосферы. Следовательно, в водоемах, где происходят перемешивания воды, кислорода больше. Например, в реках, ручьях, каналах вода течет, и площадь соприкосновения воды с воздухом большая. Особенно много кислорода возле водопадов и порогов.
В холодной воде кислорода растворяется больше, поэтому горные водоемы более богаты кислородом.
Другой источник газов в воде – процессы, происходящие в водоемах. Так, кислород появляется в результате фотосинтеза растений (водорослей, высших растений). Рыбоводам следует помнить, что это происходит только днем, при солнечном свете. В густозаселенном растениями водоеме днем количество растворенного кислорода может хватать всем организмам для дыхания, а ночью (когда растения продолжают дышать, т.е. тратить кислород, а фотосинтеза нет), особенно под утро – уже нет. Так, в прудах летом под утро может быть дефицит кислорода вплоть до замора рыб. Конечно, такое состояние может быть только в прудах и бассейнах с высокими плотностями посадки рыб, когда рыбовод планирует получить 40-50 ц/га и выше. Тогда следует использовать специальные приспособления – аэраторы различных систем.
В свою очередь, жизнедеятельность организмов уменьшает количество растворенного кислорода в воде. Все организмы используют кислород для дыхания. Кислород также используется и для таких процессов как брожение, гниение органических остатков. При наличии большого количества органики на дне водоема также может наступить дефицит кислорода, вплоть до заморного состояния. Часто заморы могут быть в слабопроточном водоеме, зимой подо льдом (так как прекращается связь воды с атмосферой).
Различные газы растворяются в воде поразному; кислород растворяется лучше азота. Растворимость газов зависит от температуры воды и ее солености. В более холодной и в более пресной воде может раствориться больше газов.
Как рыбы дышат? Большинство рыб может дышать только кислородом, растворенным в воде. Рыба заглатывает воду, которая выходит через жаберные щели, омывая при этом жабры. Последние имеют густую кровеносную систему, именно здесь кровь обогащается кислородом.
Разные рыбы внутренних водоемов могут жить при разном количестве растворенного кислорода. По отношению к кислороду виды рыб делят на эври и стеноксидных. Ихтиологи делят рыб на несколько групп:
Рыбы, которые требуют большого количества растворенного кислорода. Нормальным для их жизни является содержание 7 - 11 см3растворенного кислорода на килограмм воды (1 литр воды весит 1 кг, поэтому для удобства определения количество растворенного кислорода измеряют в мг/л, что равно см3/кг). Содержание кислорода 5 мг/литр для них уже мало. Такие условия есть в холодных быстрых реках, особенно в горных участках. К этой группе относят таких рыб как кумжа, гольян, голец, подкаменщик.
Рыбы, требующие большого количества кислорода в воде, но хорошо себя чувствующие и при понижении содержания кислорода до 5-7 см3/литр. Типичными представителями этой группы являются голавль, хариус, подуст, пескарь, налим.
Рыбы, требующие сравнительно небольшого количества кислорода в воде, они могут активно жить и при 4 см3/литр. Такими являются некоторые рыбы равнинных водоемов: плотва, лещ, белоглазка.
Рыбы, выдерживающие очень слабое насыщение воды кислородом. Они могут жить даже тогда, когда в воде остается всего 0,5 см3/литр. Такими могут быть условия в озерах с застоявшейся водой, в болотах. Там могут жить сазан (карп), линь и карась.
Любой рыбовод или аквариумист может привести примеры, подтверждающие или объясняющие приведенное разделение рыб на группы. Высокогорные рыбы не могут жить в равнинных водоемах изза нехватки для них кислорода. Многие аквариумисты с удовольствием содержали бы горных рыб, ведь они красивы (вспомним пеструю окраску их тела, имитирующую игру солнечных зайчиков в брызгах бурных потоков). Но для этого необходимо обеспечить высокий уровень растворенного кислорода, например за счет высокого водообмена в аквариуме, что иногда невозможно сделать в домашних условиях. Другой пример: судак быстро плавает в открытой части равнинного водоема, где достаточно высокая насыщенность кислородом. И, если судак попадает в сеть, то запутывается в ней и находится на одном месте, в результате чего быстро погибает: без движения воды ему очень скоро не хватает кислорода, и он задыхается. А сазан, лещ, карась, сом могут часами быть запутанными в сеть и оставаться живыми.
Особенно большое внимание кислородному режиму уделяют рыбоводы. Представьте, огромное количество рыбы, концентрации которых в сотни и тысячи раз превосходят любые естественные водоемы, содержится в небольших прудах, а уж тем более в проточных бассейнах или в рыбоводных садках в условиях индустриальной аквакультуры. Если недосмотреть, то может произойти замор. И наиболее вероятной причиной замора будет дефицит кислорода. Поэтому в рыбхозах есть специальные гидрохимические лаборатории, сотрудники которых каждый день должны проверять содержание кислорода в пруду. При дефиците кислорода рыбоводы используют специальные аэраторы.
Отметим, что по отношению к кислороду морские рыбы отличаются от пресноводных. В морях вода полностью насыщена или даже перенасыщена кислородом изза ветров, течений, большой площади соприкосновения воды и воздуха и деятельности фитопланктона. В морях и океанах колебания содержания кислороды незначительны. Внутренние (континентальные) водоемы сильно отличаются друг от друга по количеству растворенного кислорода, что зависит от многих причин.
В связи с отношением рыб к количеству растворенного кислорода можно упомянуть об одной удивительной группе рыб. Есть водоемы, где периодически возникает дефицит кислорода, т.е. его количество уменьшается практически до нуля. В этом случае рыбы приспособились использовать дополнительно кислород воздуха. У некоторых сомов и вьюнов, которые живут в условиях дефицита кислорода, потребление его из атмосферного воздуха происходит через кишечник. Это дополняет жаберное дыхание. У двоякодышащих рыб для этого используется плавательный пузырь. В процессе эволюции пузырь стал органом дыхания и сильно видоизменился, появилась губчатость как в легких у наземных высших позвоночных. Этих рыб и называютто двоякодышащими, они могут жить в болотах, где кислород часто отсутствует. А когда водоем пересыхает, то рыбы закапываются в ил. Двоякодышащие рыбы встречаются в Африке, Австралии и Америке. Обитают в мелких водоемах, которые на длительное время высыхают. Хорошим примером является африканская двоякодышащая рыба протоптерус, который достигает значительных размеров – до 2 м длины. В засушливый период он зарывается в ил, образуя вокруг себя кокон из глины, и впадает в спячку. Австралийский чешуйчатник, достигающий 1,2 м длины, обитает также в мелких медленнотекущих реках, сильно заросших растительностью. В засушливый период при массовом гниении растительности в воде наступает дефицит кислорода, и чешуйчатник переходит на дыхание атмосферным воздухом.Мы уже упоминали рыбпрыгунов, которые надолго выходят на сушу в поисках пищи. У них на период сухопутного путешествия плотно закрываются жаберные крышки, защищая жабры от высыхания.
У некоторых рыб, замечательных в этом отношении, развились специальные наджаберные камеры. Рыбы заглатывают воздух из атмосферы, который попадает в эти камеры и поглощается через их стенки. К таковым относится анабас ползун. В настоящее время в наших водоемах представителем этой группы является амурский змееголов. У него наджаберный орган представлен парными выростами в глотке. Змееголов легко переползает по почве из водоема в водоем, дышит при этом воздухом. Более того, этот орган стал настолько важен для рыбы, что ей необходимо заглатывать воздух. Если ее отлучить от поверхности воды, то рыба погибнет через несколько часов. Поэтому садок со змееголовом у рыбака должен быть не полностью погруженным в воду. В последние годы в Узбекистане стали разводить африканского сома (Clariasgariepinus), который также имеет наджаберный орган для дыхания, дышит атмосферным кислородом, может легко переползать из водоем в водоем по суше.
