Dabas minerāli akvārija gruntij (1.daļa)

Jautājumi par gruntīm regulāri rodas visos akvāriju forumos un lapās. Diemžēl, mūsdienu akvāriju un poludāriju literatūrā šīs problēma tiek skatīta virspusēji vai viss tiek skaidrots vispārēji, ka neko īsti saprast neizdodas (Iļjins, 1968; Cirlings, 1991; Malhins, 1998, Kasseļmans 2001; Gusjevs, 2002 un citi). Vēlos uzreiz piebilst, ka neapskatīšu grunts graudu izmērus vai krāsas, vai sintētisko materiālu izmantošanu, kas jau pieteikami izskatītu interneta resursos, piemēram, Slavas Judakova rakstā “Akvārija gruntis” (Слава Юдаков "Грунт в аквариуме"), materiālu izvēli tāpat var izpētīt mājas lapā палюдариум.ру.

Lai arī viss šķiet vienkārši, akvāriju grunts tomēr ir sarežģīta, daudz komponentu sistēma. Tajā var izdalīt kā minimums 2 galvenās sastāvdaļas: minerālo (uzbūve) un organiski minerālo.

Zem minerālās daļas jāsaprot smiltis, oļus, granti, lielie akmeņi, tas ir, daudzveidīgi kalnu minerāli, mākslīgie materiāli (stikls, keramzīts, plastitks un citi). Tos izmanto kā substrātu, lai stādītu un noturētu augus, radot dekoratīvu noformējumu un veidojot grunts pamatsastāvu.

Organisko minerālu daļa – tie ir mālveida minerāli, laterīts, dažādi organiskie savienojumu, akvārija organismu blakus produkti, augu augšanu pastiprinošās piedevas un citas vielas, kuras piedalās augu barības ciklā.

Minerālo grunts daļu veido kalnu ieži un minerāli, kuras ar var iedalīt daļās:

1. Ķīmiski noturīgie (stabilie);
2. Ūdens vidē šķīstošie (nestabili, piem., karbonāti, sulfāti, hlorīdi).

Piebilstot var izdalīt toksiskos vai bīstamos savienojumus (sēra, ciankālija, dzīvsudraba, antimona un citi savienojumi), bet ja no akvārija neveido dekoratīvu minerālu izstādi, tad varbutība akvārijā nokļūt šādiem savienojumiem ir tik pat kā neiespējama.

Organiski minerālo daļu var sadalīt mālainā (minerālā), organisko un bakteriālo daļu.

Līdzīgas idejas regulāri var atrast dažādos darbos, bet manuprāt, joprojām nav līdz galam noformulētas. Piemēram, ja akvārijā radušās kādas problēmas, tad pilnībā vai deļējo iztīrot akvāriju, nekad neatbrīvosimies no grunts, pietiks to kartīgi izskalot, izvācot organiski minerālo daļu un minerālā daļa atkal būs izmantojama.

Stabilie minerāli un kalnu ieži

Granīts. Pelēkais granīts

Bazalts. Dažādi bazalta veidi (Kamčatka), paraugu izmērs 10-12cm

Kvarcs. Kvarca paveids – morions un kalnu kristāls

Laukšpats. Viens no tā paveidiem amazonīts vai amazones akmens.

Ūdenī šķistoši minerāli un kalnu ieži.

Halīts un silvīns. Akmens sāls no Sahalīnas apgabala. Pelēkie un krāsu slāņi – halīts NaCl; sarkani brūnie – silvīns KCl.

Anhidrīts. Paraugs ar sķīduma pazīmēm no Kamskas ūdenkrātuves krastime. Parauga izmērs 20cm.

Ģipsis. Augšpusē ģipša kristāli, pa kreisi ģipša “ledene”- caurspīdīgs kristāls ar kusuma pazīmēm ūdenī. Liels caurspīdīgs ģipša kristāls ar kristāliska sēra iekļāvumiem

Kalcīts. Kalcīta drūzai brūno krāsu piešķir liels daudzums zelsz hidroksīda iekļāvumu.

Kalcīts. Kalcīta drūzas ar kristāliem dažādā formā un krāsā. Paraugu izmērs 12-15cm.

Aragonīts. No kalcīta atšķiras ar sešstūra (adatveida) kristālu formu un lielāku šķīdamību ūdenī, kas saistīta ar minerālu kristālu struktūru.

Toksiskie minerāli

Antimonīts. Antimonīta kistāli Sb₂S₃ . Atklātā veidā viegli veido oksīdus un antimona hidropaskābes.

Sērs (ieslēgumi kalcītā). Sēra kristāli ir gaiši zaļā, tumši brūnā (selēna piejaukums), spilgti sarkanā (arsēna piejaukums) krāsā. Viegli noteikt peč krāsas, drupenuma un degšanas. Atklātā veidā sērs oksidējas, veidojot sērskābi, dažreiz baktēriju ietekmē partop sērūdeņradī.

Realgārs ar auripigmenta iekļāvumiem. Spilgti sarkanie, oranži sarkanie realgāra kristāli As₄S₄ gaismas ietekmē viegli sadalās un oksidējas. Auripigments As₂S₃ – citrondzelteni kristāli viegli sadalās veidojot arsēna oksīdus. Pat neliela deva šo savienojumu radīs ūdens organismu saindēšanos.

Kinovārs. HgS – dzīvsudraba sulfīda kristāli ir no spilgti sarkana līdz kiršu sarkanai krāsai. Viens no stabilākiem sulfīdiem, ko bieži pavada dzīvsudrabs, dzīvsudraba oksīdi un halogēni.

Ūdens, baktēriju un humīnskābju ietekmē, daļa kristālu un kalnu iežu sairst – fiziski, ķīmiski un bioloģiski izdaloties vai savienojoties. Sadalīšanās intensitāte (ātrums) atkarīgs no daudziem parametriem, bet tā ir salīdzinoši lēna, lai spētu nodrošināt atri augošus augus ar barības vielām. Ja minerālā daļa nav augu barības vielu avots, tad to mainīt nepieciešams tikai tad, kad tā apnīk akvārija īpašniekam. Pretēji ir ar organiski minerālo daļu – tās ir salīdzinoši maz pēc apjoma, bet tajā intensīvi norisinās dažādi ķīmiskie un bioķīmiskie procesi. Organisko vielu sadalīšanās un dažādu baktēriju darbība veido dažādus kīmiskos savienojumus, kurus pēc tam viegli absorbā augi. Tiesi uz šo grunts daļu arī ir vērsti vairums akvāriju turētāju pūliņi audzējot augus un arī lielas kompānijas pie tā strādā, piemēram, Tetra, Sera, Aquarium pharmaceuticals un citas. Var pieminēt māla lodītes, kūdru, dārza zemi, dažādas grunts tabletes, granulas un barojošus maisījumus (piemēram, CompleteSubstrate, Crypto, ZMF Dynoplant, InitialSticks un citas) un ja tajos ir kāds minerāls substrāts, tad tikai tilpuma palielināšanai. Tāpat loģiskākā darbība barības vielu trūkuma gadījumā būs palielināt vai izmainīt organiski minerālo grunts daļu. Saprātigiem akvāriju turētājiem nerodas vēlme, barības vielu trūkuma gadījumā, augiem piebērt vēl klāt smiltis vai oļus, kuriem šķistot izdalītos papildus barības vielas, vismaz es tā ceru.

Dažādas grunts piedevas, lai palielinātu augu augšanu un veidošanos

Lai saprastu, kas notiek ar kalnu iežiem un minerāliem akvārija vidē, jāiepazīstas ar procesiem, kas norisinās dabīgā vidē, jo īpaši ar ķīmiskās sadalīsānās procesu.

Kalnu iežu un minerālu ķīmiskās sadalīšanās veidi un ātrums

Vairums magmātisko, metamorfozisko un nosēdumu iežu (ar nelieliem izņēmumiem) ir salīdzinoši stabili un ja arī noārdās, tad ļoti lēni. Jāsaprot, ka vienkāršie ķīmiskie vienādojumi ilustrē tikai iespējamo ķīmisko reakciju, bet nakādi nenorāda šīs reakcijas ātrumu (Ollier, 1984).

Ķīmiskās noārdīšanās būtība ir ķīmiska mijiedarbība starp minerāliem, ūdeni un gaisu, mainot minerāla ķīmisko sastāvu zemes virsmas apstākļos, veidojot jaunus stabilus minerālus.

Ķīmiskie savienojumu, kas iekļauti kalnu iežos, pēc šķīdības pakāpes un kustības iedalās 4 grupās. No iežiem pirmie izdalās hlora un sēra savienojumi (hlorīdi, sulfāti). Tad – kalcija savienojumi ar nātriju, magnijs un kālijs (karbonāti). Vēl lēnāk šķīst silīcija oksīds, kas ir silikātu sastāvā un pēdējie sadalās dzelzs un alumīnija oksīdi un brīvie silīcija oksīdi.

Ķīmiskās sadalīšanās procesā vērjamas šādas reakcijas: šķīdamība, oksidēšanās, atjaunošanās, hidrolīze, karbonizācija, hidratizācija un halatizācija (Polinovs, 1934; Strahovs, 1960; Lukaševs, 1963, Ollier, 1984). Dabā dažādos ķīmiskos un fiziskos procesos piedalās dzīvi oraganismi, kas būtiski ietekmē sairšanas procesa būtību un ātrumu.

Jo vairāk mainīgo sistēmā, jo grūtāk paredzēt reakcijas gaitu un sairsānas procesos parasti mainīgo skaits ir ļoti liels. Piemēram, parastā kalcīta šķīšanas reakcijā piedalās 7 mainīgie pat pie stabilas temperatūras un spiediena. Vēl vairāk, pat vienkārša reakcija var sadalīties vairākās atšķirīgās stadijās. Kalcīta šķišanas procesā ir 4 atsevišķas stadijas, vēl lielāks stadiju skaits ir mainoties sarežģītiem māla silikāta minerāliem (Ollier, 1984).

Pēc P.Veila (Weyl, 1958) datiem kalcīta šķīšanā izdalās šādas 4 stadijas:

• Kalcija disasociācija uz virsmas starp cieto un šķidro daļu jonos Ca²⁺ un CO₃², tas ir jonu difūzija no virsmas šķīdumā;
• Rekacija starp joniem CO₃^2-, izšķīdušu CO₂ un ūdeni veido HCO₃^-. Patiesībā šī reakcija noteik vairākos posmos;

CO₂ + H₂O <=> H₂CO₃ 
H₂CO₃ <=> H⁺ + HCO₃^- 
CO₃^2- + H⁺ <=> HCO₃^-

• Ja šķīdums ir saskarē ar gāzveida fāzi, kurā ir CO₂, tad veidojas papildus reakcija

CO₂(газ) + H₂O <=> CO₂ 

• Izšķidušo komponemtu difūzija atbilstoši to koncentrācijai.

Daudzu elementu šķīdība atkarība no pH. Piemēram, dzelzs škīdība pie pH=6 ir aptuveni 100 000 reižu lielāka nekā pie pH=8,5. pH lielums stipri itekmē alumīnija un silīcija oksīdu šķīdību (skatīt attēlu). Ja ir zems pH (zem 4), alumīnija oksīds šķīst vairāk nekā silīcija oksīds. No otras puses starp pH 5-9 alumīnija ksīds praktiski nešķīst, kamēr silīcija oksīdu šķīdība palielinās.

Alumīnija un silīcija oksīdu šķīdamība atkarībā no pH (Lukaševs, 1963, Mason, 1966)

Pirmā ķīmiskās sadalīšanās stadija parasti saistās ar šķīdamību tekošā ūdenī vai plānas ūdens plēves ietekmē, kas nosedz cieto daļu. Šķīdības pakāpe atkarīga no ūdens dadzuma, kas tieši saskaras ar virsmu. Visvieglāk šķīst ieži un minerāli, kas veidojušies ūdens vidē- hlorīdi, sulfāti un karbonāti. Hlorīdi: akmens (vārāmā) sāls (NaCl), kālija sāls (KCl) un citi, tie viegli šķīst ūdenī un izmantot kā grunti neviens neiedomāsies.

Nākamie pēc šķīdības ir sulfāti (ģipsis CaSO₄·2H₂O, anhidrīts CaSO₄ un citi), paši grūtāk šķīstošie ir dažādi karbonāti (kalcīts CaCO₃, aragonīts CaCO₃, magnezīts MgCO₃, dolomīts CaMg[CO₃]₂, siderīts FeCO₃ un citi.

Ģipša roze. Ģipša kristālu drūza izveidojusies mālainā stepes augsnē. Izmērs aptuveni 15cm. Skaists akmens, bet akvārijā ātri sadalīsies, kaut gan kaitējumu neradīs. Ģipša šķīdība ūdenī ir nedaudz lielāka nekā kalcītam, bet ūdens cietība nemainīsies strauji (radot bīstamību zivīm).

Aragonīts. Argonītu bieži atrod kopā ar kalcītu. Aragonīts parasti genētiski saistīts ar biogēniem procesiem un no tā veidoti daudzu molusku gliemežvāki un skeleti, kārtām kārtojoties ar kalcīta slāņiem. Attēlā redzama amonīta čaula.

Magnezīts

Siderīts. FeCO₃. Iespējams šī minerāla klātbūtne gruntī būs noderīga augiem, jo šķīstot ūdenī tas izdalīs dzelzi. Be zivīm par daudz dzelzs ūdenī kaitē, jo tas viegli oksidējas veidojot sarkani brūnu nosēdumu Fe(OH)₃, traucējot elpošanu caur žaunām.

Minerālu oksidācija norit caur ūdenī izšķīdušu skābekli. Oksiedēšanās vislabāk novērojama fiksējot dzelzs oksīdus un hidroksīdus, kas piešķir daudziem iežiem un minerāliem raksturīgu sarkanu vai dzeltenu krāsu. Piemēram, siderīta aksidēšanās norit šādi:

4FeCO₃ + 6H₂O + O₂ => Fe(OH)₃ + 4CO₂

Brūna dzelzs rūda. Dabīgs dažādu dzelzs oksīdu un hidroksīdu maisījums.

Daudzi oksidēšanās procesi norit baktēriju ietkmē, kā rezultātā baktērijas iegūst enerģiju oksidējot dzelzi, sēru, mangānu un citus elementus, piemēram, fosforu.

Atjaunošanās ir pretēks process oksidācijai un parasti norit anaerobā vidē ilgi stāvošā ūdenī. Dzelzs oksīdu atjaunošanās rada redzamas izmaiņas – sarkanās un dzeltenās krāsas atjaunojoties kļūst zaļas un pelēkas. Atjaunošanās procesu lielā mērā veic baktērijas, piemēram, sulfāti pārtop sulfīdos, bet organiskas vielas (humus) atjaunojas fermentējošu baktēriju ietekmē.

Daudzi silikātie minerāli saturs katjonus, kas viegli maina oksidēšanās stāvokli, piemēram, Fе2+/Fе3+. Uzkrājot atjaunojošo potenciālu minerāli, kas satur katjonus, var oksidēties vai atjaunoties. Lai noturētu elektro neitrālu stāvokli kristāliskā struktūrā jānokļūst vai to jāpamet papildus joni. Tas noved pie tā, ka kristāliskie režģi klūst nestabili un kļūst ietekmējami sadalīšanās procesiem, piemēram, hidrolīzei vai pārtapšanai citos minerālos.

Karbonizācija ir karbonātu vai bikarbonātu jonu reakcija ar minerāliem. Karbonāti nav sadalīšanās procesa gala produkts, tomēr karbonātu veidošanās, savā ziņā ir sadalīšanās procesa sastāvdaļa, jo sevišķi sadaloties laukšpatiem. Ogļskābes ūdens šķīdums (Н₂СО₃) ir skābe, kas stipri atvieglo pamatvielu apmaiņas procesu un nepieciešama, lai šķīdinātu karbonātus.

Hidratācija ir ūdens pievienošana minerālam, piemēram, dzelzs oksīdi var uztvert ūdeni un pārvērsties hidratētos oksīdos vai dzelzs hidroksīdos. Hidratācija ir svarīgs process mālveida minerālu izveides procesā, tā sagatavo minerālu virsmu, lai tālāk noritētu oksidācija vai karbonizācija un nodrošina vieglāku jonu apmaiņu.

Helatizācija ir veidošanās apkārt kādam kompleksam jonam, parasti organiskas vielas apļveida uzbūves metālam. Helācijas aģenti var iegūt jonus no cieām vielām, parasti nešķīstošām un pārvietot jonus tādos apstākļos, kuros tie parasti parasti izdalās ķīmiskā ceļā.

Hidrolīze ir ķīmiska minerālu un ūdens mijiedarbība, tas būtu, starp ūdens joniem Н⁺ un ОН^- ar minerāla joniem.. Šī reakcija noris visur, kur minerāls saskaras ar ūdeni. Hidroližes reakcija raksturīga silikātiem, alumīnija silikātiem un citiem minerāliem.

Hidrolīzes procesā ОН^- joni kopā ar sārmiem un sārmu izmainītiem metāliem veido vieglus savienojumus, kas pamet iezi. Mālainie, alumīnija, dzels ksidēti minerāli, kas veidojas hidrolīzes procesā ir grūti šķīstoši (kaolinīts, hidromika, diaspora, limonīti un citi).

Dzīvie augi un nitrificējošas baktērijas ir pastāvīgs jona H⁺ avots, radot skābu vidi un noārda tuvāk esošos minerālus. Augi apmaina H⁺ pret barības vielām un zaudējot H⁺ reakcijām veidojas disbalans un minerālu sadalīšanās noris visu auga dzīvi, izplatoties no auga saknes virzienā uz minerāliem.

Tikai pamatojoties uz kopējo grunts un minerālu ķīmisko sastāvu nevar lemt par sadalīšanās reakciju norisi, jo būtiska loma ir minerālu kristāliskajai struktūrai. Kalcītiem un aragonītiem ir vienāds sastāvs, tomēr atomi šajos minerālos izvietoti dažādi kā rezultātā aragonīts ir aptuveni 10x sķīstošāks nekā kalcīts.

Kalcīta (A) un aragonīta (B) kristālisko režģu modeļi. Melnās lodītes – kalcija katjoni, gaišie trīsstūri- CO₃ anjoni (Betextins, 1956)

Tāpat sadaloties māliem nātrijs ir kustīgāks nekā kālijs, kaut gan kālijs vieglāk vieglāk piesaistās mālainiem minerāliem.

Tulkoja: normunds.grikitis@gmail.com

Autors:     Игорь Жуков