Экологическая стабильность: Природа против аквариума: Фотосинтетически активное излучение, ультрафиолетовое излучение, растворенный кислород и ОВП, часть 2

Часть гребня рифа в Хонаунау, Большой остров Гавайев. Здесь преобладают кораллы Pocillopora meandrina и Porites lobata.

В первой части этой серии мы исследовали условия на различных участках гавайских рифов и сравнили их с теми, которые наблюдаются в небольшом аквариуме. Эти параметры включали pH, температуру и соленость, и было обнаружено, что некоторые переменные более стабильны в аквариуме. Подробности смотрите здесь: На этот раз мы рассмотрим фотосинтетически активное излучение (PAR), ультрафиолетовое излучение (UVR), растворенный кислород (DO) и окислительно-восстановительный потенциал (ORP).

Описание аквариумной системы

Данные по аквариуму были собраны из системы общим объемом около 140 галлонов. Аквариум-витрина вмещает около 55 галлонов и содержит морские водоросли и ряд фотосинтезирующих беспозвоночных. Этот аквариум освещается около 12 часов шестью 39-ваттными люминесцентными лампами T5. Перелив позволяет воде гравитировать в 100-галлоновую ванну Rubbermaid™ (вмещающую около 85 галлонов воды). Этот отстойник содержит морские водоросли и освещается люминесцентной лампой в ночное время, когда свет в аквариуме выключен. Протеиновый скиммер ETS™ модели 800 приводится в действие насосом MagDrive 900™ и работает непрерывно. Водяной насос Ehiem™ 1250 обеспечивает циркуляцию воды между поддоном и аквариумами-витринами.

В экспериментах, в которых наблюдалась работа металлогалогенной лампы, использовалась 250-ваттная двухсторонняя металлогалогенная лампа (Ushio 14 000K), размещенная в коммерчески доступном светильнике (осветительный прибор, изготовленный компанией Sunlight Supply). Этот светильник был подвешен над 100-галлонной ванной Rubbermaid, расстояние от лампы до поверхности воды составляло примерно 7 дюймов. Датчики PAR и УФ-излучения находились на глубине ~6 дюймов.

Мы продолжим обсуждение различных физических параметров, начав с фотосинтетически активного излучения, или ФАР.

Свет (фотосинтетически активное излучение, или ФАР)

Наша глобальная экосистема движима энергией, получаемой от солнца. И, как мы все знаем, кораллы и другие симбиотические беспозвоночные нуждаются в свете, чтобы выжить и процветать. Для того чтобы фотосинтез в зооксантеллах, зоохлорах и морских “растениях” продолжался, свет должен быть соответствующей интенсивности. Слишком мало света, и точка компенсации не будет достигнута, и животное/водоросль будет полагаться на гетеротрофию или накопленные запасы (крахмал, жиры), чтобы выжить. С другой стороны, слишком много света приведет к фотоингибированию, когда скорость фотосинтеза будет подавлена. В худшем случае симбиотическое беспозвоночное изгонит свои зооксантеллы в последней попытке выжить.

Фотосинтетически активное излучение (ФАР) – это метрика, используемая здесь для описания интенсивности солнечного света. PAR обычно указывается в единицах, называемых микромоль фотонов на квадратный метр в секунду (мольм²сек). Максимальное значение PAR в полдень в ясный день на Гавайях составляет ~2 200 мольм²сек.

PAR измерялся с помощью регистратора данных WatchDog™ и водонепроницаемого датчика PAR производства Spectrum Technologies, Inc, Плейнфилд, Иллинойс. Для того чтобы сравнить общее количество фотонов, падающих на заданную площадь, мы можем использовать информацию, полученную с регистратора данных, и рассчитать суточную освещенность (Daily Light Integer, DLI). К счастью, программное обеспечение Spectrum Technologies способно генерировать эту информацию в виде отчета и избавляет нас от утомительных расчетов вручную.

Тем не менее, для тех, кто заинтересован в расчете DLI, вот формула:

PAR (микромоль фотонов на квадратный метр в секунду) умножить на 60 секунд в минуту умножить на 60 минут в час умножить на количество часов в фотопериоде разделить на 1,000,000, что равно Моль фотонов за фотопериод, или день.

Рисунок 1. PAR над и под водой (~1 метр глубины) на гавайском рифе. PAR: аквариум, низкий уровень освещенности

Расчет DLI для аквариума прост, хотя может включать несколько расчетов при использовании люминесцентных ламп для перехода к металлогалогенному освещению в середине дня и обратно к люминесцентным лампам для перехода к сумеркам и темноте.

ПАР: Плоский риф

Эта конкретная рифовая площадка находится в парке Kahalu’u Beach Park на Ali’i Drive в Каилуа-Кона, Большой остров Гавайев, и представленные измерения относятся к типичному весеннему дню (см. рис. 1). Обратите внимание, что подводные измерения иногда превышают показатели над поверхностью воды. Эти датчики PAR делали снимок каждую минуту, и длина снимка очень мала, что позволяет датчику увидеть “линии блеска” или эффект линзирования от действия волн. Резкий спад световой энергии около полудня обусловлен облачностью.

Рисунок 2. Изменения в поле низкой освещенности в аквариуме в течение 10,5 часов при отсутствии перемешивания поверхности воды. PAR: аквариум, высокий уровень освещенности

На рисунке 2 показаны временные значения PAR в аквариуме, освещенном одной лампой T5. Обратите внимание, что эти значения PAR недостаточны для поддержания жизнедеятельности многих, если не большинства, фотосинтезирующих беспозвоночных и представлены здесь только для демонстрации изменений в световом поле при низком уровне PAR.

Для этих наблюдений 250-ваттная односторонняя металлогалогенная лампа была помещена в отражатель, подвешенный над 100-галлонным отстойником Rubbermaid. Циркуляция и перемешивание поверхности воды создавались с помощью модифицированной головки (обзор продукта см. здесь): .

Регистратор данных WatchDog записывал значения PAR каждую минуту. См. рисунок 3.

Рисунок 3. Данные, полученные с помощью регистратора данных во время части 100-часового прогорания металлогалогенной лампы. На светильнике не было защитного экрана (брызговика).

Ультрафиолетовое излучение (УФИ)

Ультрафиолетовое излучение (УФИ) измерялось с помощью регистратора данных WatchDog™ и водонепроницаемого датчика УФИ производства Spectrum Technologies, Inc, Плейнфилд, Иллинойс. Этот датчик регистрирует УФ-А и УФ-В (диапазон от 280 нм до 400 нм) в микромолях фотонов на квадратный метр в секунду (мольм²сек). Максимальное УФ-излучение по данным этого прибора в ясный день в полдень составляет ~250 мольм²сек.

На рисунке 7 показана ультрафиолетовая часть солнечного спектра, наблюдаемая в солнечный день на уровне моря. Эта информация была получена с помощью спектрометра Ocean Optics™ USB-2000.

Ультрафиолетовое излучение и аквариумные лампы

Хотя солнечный свет состоит из широкополосного ультрафиолетового излучения, лампы, изготовленные для аквариумов (или любых других целей, если на то пошло), обычно не имитируют характеристики ультрафиолетового излучения солнечного света.

Рисунок 4. Подводное ультрафиолетовое излучение в течение типичного апрельского дня на западном побережье Большого острова Гавайев.

Элемент ртуть, содержащийся в большинстве аквариумных ламп (включая люминесцентные и мощные компактные лампы, металлогалогенные лампы и ртутные пары), вызывает “шипастые” спектральные сигнатуры, обычно с наибольшей мощностью при 365 нм (см. рисунок 7). Некоторые специализированные лампы (например, для террариумов с рептилиями и ультрафиолетовой дезинфекции) могут производить большое количество УФ-В и УФ-С соответственно.

Ультрафиолетовое излучение: рифовая квартира

Регистратор данных WatchDog старательно регистрировал UVR каждые 60 секунд в течение апрельского дня в Kahalu’u Beach Park. УФ-датчик находился на расстоянии около 0,3 м во время отлива (около 9 часов утра) и около 1,5 м во время прилива (около 17:30).

УФ-излучение: аквариум, низкий уровень освещенности

Рисунок 5. Данные УФР (УФ-А + УФ-В), полученные во время части 100-часового прогорания металлогалогенной лампы. На светильнике не было защитного экрана или брызговика.

Ультрафиолетовое излучение, генерируемое одной лампой T5, было ниже предела обнаружения прибора (или менее 1 микромоль на квадратный метр в секунду УФ-А плюс УФ-В; данные не показаны).

Ультрафиолетовое излучение: аквариум, высокая освещенность

250-ваттная металлогалогенная лампа была подвешена над 100-галлонной ванной Rubbermaid, на самом мелком дне которой лежал материал яичного ящика. Энергичное перемешивание поверхности воды обеспечивалось пропеллерным насосом. Регистратор данных WatchDog отслеживал и записывал УФ-излучение (УФ-А + УФ-В) каждые 60 секунд. Этот регистратор данных был развернут дважды – один раз для регистрации УФИ от неэкранированной металлогалогенной лампы (когда ультрафиолет в определенной степени поглощается материалом, помещенным между лампой и водой; см. рис. 5) и второй раз для экранированной лампы (рис. 6).

Рисунок 6. Другой набор данных с условиями, аналогичными условиям на рисунке 5, за исключением того, что на светильник был установлен брызгозащитный экран. Экран удаляет только ~40% ультрафиолетового излучения.

Рисунок 7. В данном случае спектральные характеристики естественного солнечного света и искусственного освещения (250-ваттная металлогалогенная лампа Ushio 14 000K) удивительно похожи в области ~375 нм и выше.

Растворенный кислород (DO)

Кислород необходим для жизни. Минимальной концентрацией растворенного кислорода (DO) в аквариумной воде принято считать около 2 миллиграммов на литр (мг/л). Добиться этого показателя несложно, поскольку концентрация растворенного кислорода в~4 мг/л наблюдались в аквариумах, фильтруемых только субпесчаными фильтрами. В аквариумах, использующих протеиновые скиммеры, концентрация обычно близка к насыщению (6-7 мг/л, в зависимости от температуры воды, барометрического давления, высоты над уровнем моря, солености и т.д.). Системы, использующие водорослевые скрубберы (или содержащие много водорослей и/или симбиотических беспозвоночных), могут стать перенасыщенными DO.

Рисунок 8. Растворенный кислород в полуизолированном приливном бассейне в течение примерно 20 минут.

Значения растворенного кислорода в приливном бассейне и аквариуме на западе Гавайев (данные приведены ниже) были получены с помощью устройства регистрации данных (мультиметр HQ40D производства Hach, Loveland, CO, USA) и люминесцентного зонда растворенного кислорода.

Растворенный кислород: Приливной бассейн (NELHA)

Растворенный кислород измерялся во время отлива в полуизолированном приливном бассейне, расположенном рядом с Лабораторией природной энергии. Волны периодически были достаточно высокими, чтобы выталкивать воду в бассейн и из него, создавая медленный водообмен. Как показано на рисунке 8, вода была на уровне или чуть выше точки насыщения.

Растворенный кислород: Аквариум

Как показано на рисунке 9, растворенный кислород поднимался выше точки насыщения в период, когда в аквариумах-витринах было включено освещение.

Рисунок 9. Растворенный кислород в аквариуме. Обратите внимание на повышение pH при включении света около 10 часов утра.

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП)

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) или восстановительно-окислительный потенциал (ОВП) опосредует многие реакции в воде, и в первые дни существования рифовых аквариумов был популярен для определения чистоты аквариумной воды. В последнее десятилетие или около того его использование, похоже, вышло из моды, и, по моим наблюдениям, немногие любители полагаются на него как на индикатор.

ОВП: рифовая квартира

Я не слежу за ОВП ни в одном аквариуме, но подумал, что будет интересно представить эту информацию в любом случае. Эти измерения были сделаны за день до сезонного нереста Pocillopora meandrina в Kahalu’u Beach Park. См. рисунок 10.

Рисунок 10. ОВП морской воды в Kahalu’u Beach Park.

На заре рифоводства были сторонники использования озона для очищения аквариумной воды, и, хотя рекомендации варьировались, значения ОВП (или окислительно-восстановительной реакции) в 350-400 мВ были обычным явлением.

Обсуждение

Сравнение доз фотосинтетически активного излучения (ФАР) в природе и аквариумах

Daily Light Integer сообщает об общем количестве фотонов, падающих на поверхность за определенный период времени (чаще всего за весь фотопериод). Как упоминалось в предыдущей статье, DLI аналогичен количеству дюймов осадков в день, в то время как мгновенные значения PAR дают нам представление о количестве капель дождя, падающих в секунду. Используя формулу Daily Light Integer (DLI – подробнее см. www.advancedaquarist.com/), эти DLI были рассчитаны для естественного рифа и аквариума, при этом фотопериод был стандартизирован до 597 минут (9,95 часа):

Рисунок 11. Количество света, генерируемого 250-ваттной металлогалогенной лампой, составляло ~60% от PAR, падающего на коралл на рифовой плоскости в “средний” весенний день на Гавайях.

• PAR, плоский риф, DLI = 29,03/597 минут
• PAR, металлогалогенная лампа (неэкранированная) DLI = 17,46/597 минут

Также очевидно, что количество света, производимого как лампой Т5 (“низкий” свет), так и металлогалогенной лампой (“высокий” свет), не совпадает в течение фотопериода. Хотя причина этого не была исследована, предполагается, что это связано с колебаниями в электроснабжении (напряжение в сети). Эти наблюдения проводились при отсутствии волнения поверхности воды, поэтому мы можем исключить колебания, вызванные эффектом “линзирования” волн (“блестящие линии”).

Однако, когда движение воды вызывает перемешивание поверхности, значения PAR могут легко удвоиться в течение долей секунды. Обратите внимание, что эти наблюдения были сделаны с помощью регистратора данных, записывающего значения с “выдержкой” (временем интеграции) всего в доли секунды. Многие измерители PAR усредняют измерения или сообщают значения PAR, полученные за более длительное время интеграции. Тем не менее, линии блеска играют определенную роль в быстро меняющихся значениях PAR, о которых сообщают многие любители.

Рисунок 12. Доза ультрафиолетового излучения (UV-A + UV-B) рифовой плошки и экранированной и неэкранированной металлогалогенной лампы.

Сравнение доз ультрафиолетового излучения в природе и аквариуме

При использовании исключительно искусственного освещения количество ультрафиолетового излучения, фактически попадающего на содержащиеся в неволе организмы в аквариуме, зависит от многих факторов. Тип источника света (металлогалогенная, люминесцентная лампа, светодиод и т.д.) и количество генерируемого ультрафиолетового излучения является основным фактором. Геометрия отражающей поверхности и материал, используемый в качестве отражающей поверхности, могут фокусировать (или не фокусировать) УФ-излучение. Материал, используемый для защиты лампы (ламп) от пыли, солевых брызг, брызг и т.д., может ослабить или устранить количество УФ-лучей, фактически достигающих поверхности воды в аквариуме. После попадания УФ-лучей в толщу воды их интенсивность может быть ослаблена за счет избирательного поглощения органическими соединениями (например, теми, которые придают воде желтый оттенок). Учитывая эти предостережения, вот DLI ультрафиолетового излучения, рассчитанные для рифовой квартиры и аквариума, освещенного металлогалогенной лампой (экранированной и неэкранированной):

• УФИ, рифовая квартира: 2,45 моль/597 минут
• УФР, металлогалогенная лампа (неэкранированная): 5,06/597 минут
• УФР, металлогалогенная лампа (экранированная): 2,89/597 минут

Рисунок 13. Максимальные уровни растворенного кислорода, наблюдаемые в приливном бассейне и аквариуме.

Растворенный кислород

На рисунке 13 представлены наблюдаемые значения растворенного кислорода в естественном приливном бассейне и аквариуме с большим количеством фотосинтетических растений.

Выводы

В условиях этих экспериментов, одна 250-ваттная металлогалогенная лампа DE, подвешенная ~7 дюймов над поверхностью воды в аквариуме (при этом датчик находился на глубине ~6″) обеспечивала 60% от общего количества света, получаемого плоскими кораллами рифа в парке Kahalu’u Beach Park на Гавайях в обычный весенний день. При других обстоятельствах (более высокая мощность или лампа, производящая больше PAR; меньшее расстояние от лампы до поверхности воды и т.д.) можно было бы доставить кораллам в аквариуме такое же количество фотонов (световой энергии).

Интенсивность света в аквариуме, освещенном искусственными источниками света, подвержена большим колебаниям из-за напряжения в сети, движения поверхности воды и так далее.

К моему удивлению, количество ультрафиолетового излучения, передаваемого неэкранированной и экранированной металлогалогенной лампой, превышало то, которое наблюдается на гавайской рифовой плоской поверхности. Поскольку экран этого конкретного светильника сделан из стекла (и не покрыт поглощающим ультрафиолет материалом), количество передаваемого ультрафиолета относительно велико. Экран из акрила или стекла с УФ-поглощающим покрытием, скорее всего, пропускал бы гораздо меньше ультрафиолета. В случае, если общее количество ультрафиолета, поступающего на подводный датчик, было выше, чем наблюдаемое в природе в один конкретный день. Когда мы исследуем спектральные характеристики естественного и искусственно генерируемого УФ-излучения, мы отмечаем различия. В частности, спектральная характеристика показывает, что УФ-B, генерируемый металлогалогеном, не так велик, как тот, который видят кораллы на плоском рифе, но УФ-A превышает естественное количество на длине волны 365 нм и более или менее соответствует УФ, генерируемому фильтром воды, на длинах волн от 370 до 400 нм. ~от 370 до 400 нм.

Интересно, что наибольшее количество растворенного кислорода, наблюдаемое в аквариуме с закрытой системой, превышало количество, наблюдаемое в полуизолированном приливном бассейне во второй половине дня. Вода в аквариуме стала перенасыщенной кислородом даже при относительно низком уровне PAR, создаваемом лампами T5 (по оценкам, 150 мольм²сек). ~150 мольм²сек). Следует помнить, что растворенный кислород в аквариуме зависит от многих факторов, включая интенсивность освещения, количество водорослей и/или фотосинтезирующих беспозвоночных, наличие питательных веществ, движение воды, потребность обитателей аквариума в кислороде и т.д.). Однако при определенных условиях уровень кислорода может достигать и превышать точку насыщения. Было бы интересно провести мониторинг pH в нанорифе – модуляции pH должны быть потрясающими!

Значения окислительно-восстановительного потенциала изменялись в утренние часы, при этом в течение всего периода наблюдений наблюдалась общая тенденция к увеличению значений. Ни разу значения ОВП не достигали значений, рекомендованных в начале 1990-х годов для рифовых аквариумов.

На этом на сегодня все. У меня слишком много проектов, только что завершенных или находящихся в работе, чтобы определиться с темой следующего месяца, так что скоро снова заходите ко мне, чтобы увидеть сюрприз.

Комментарии? Вопросы? Лучше всего связаться со мной по адресу RiddleLabs@aol.com.

Source: reefs.com