При всей своей кажущейся простоте, аквариумный грунт сложная многокомпонентная система. В ней можно выделить как минимум две основные составляющие: минеральную (скелетную) и органоминеральную.
    Под минеральной частью следует понимать песок, гальку, гравий, крупные камни, т.е. разнообразные горные породы и минералы, искусственный материалы (стекло, керамзит, пластик и т.д.). Она используется в качестве субстрата для посадки и удержания растений, создания декоративного оформления аквариума и составляет основную массу аквариумного грунта.
    Органоминеральная часть - это глинистые минералы, латерит, различные органические соединения, продукты жизнедеятельности аквариумных организмов, грунтовые препараты для усиления роста растений и др., т.е. вещества участвующие в питании растений.

    Минеральная часть грунта состоит из горных пород и минералов и ее также можно разделить на части:
1) устойчивую к химическому выветриванию;
2) растворимую (неустойчивую) в водной среде (карбонаты, сульфаты, хлориды).
В качестве дополнения можно выделить токсичные или опасные природные соединения (соединения серы, мышьяка, сурьмы, ртути и др.), но если не устраивать из аквариумных декораций минералогическую выставку, то вероятность попадания таких веществ в аквариум практически сводится к нулю.

    Органоминеральная часть подразделяется на глинистую (минеральную), органическую и бактериальную составляющие.

    Подобные идеи постоянно витают в ряде работ но, на мой взгляд, до конца не оформлены. К примеру, если возникли какие либо проблемы в аквариумной системе, то при полной или частичной уборке аквариума мы никогда не избавляемся от грунта в целом, достаточно его промыть, удалив органоминеральную часть и минеральная часть грунта будет вновь готова к применению.
Устойчивые минералы и горные породы:


Фото 1. Гранит
Гранит сероцветный

Фото 2. Базальт
Различные базальты (Камчатка). Размер образцов 10-12 см

Фото 3. Кварц
Разновидности кварца: морион и "горный хрусталь"

Фото 4. Полевой шпат
Калиевый полевой шпат, одна из его разновидностей "амазонит, или амазонский камень"

Минералы и горные породы, растворимые в воде:

Фото 5. Галит и сильвин
Каменная соль из Соликамского месторождения. Серые и светло-серые слои - галит NaCl, красно-бурые - сильвин KCl

Фото 6. Ангидрит
Образец ангидритовой породы со следами растворения.
Побережье Камского водохранилища. Размер образца около 20 см

Фото 7. Гипс
Вверху кристаллы гипса, слева "гипсовая сосулька или
лединец" это прозрачный гипс со следами растворения водой. Крупный прозрачный кристалл гипса с включениями кристаллической серы

Фото 8. Кальцит
Друза кальцита, коричневый цвет кристаллам придает обильная вкрапленность гидроокислов железа

Фото 9. Кальцит
Друзы кальцита с кристаллами различной формы и окраски. Размер образцов около 12-15 см

Фото 10. Арагонит
От кальцита отличается шестоватой (игольчатой) формой кристаллов и более высокой степенью растворимости в воде. Это связано с особенностями кристаллической структуры минерала

Токсичные минералы:

Фото 11. Антимонит
Кристаллы антимонита Sb2S3 (сульфид сурьмы). В поверхностных условиях легко образует различные окислы и гидроокислы сурьмы

Фото 12. Сера (включения в кальците)
Кристаллы серы имеют светло-желтый, темно-коричневый (примесь селена), ярко-красный (примесь мышьяка) цвет. Легко диагностируется по цвету, хрупкости и горючести. В поверхностных условиях сера окисляется с образованием серной кислоты, иногда при наличии бактерий переходит в сероводород

Фото 13. Реальгар с включениями аурипигмента
Ярко-красные, оранжево-красные кристаллы реальгара As4S4, под действием света легко разрушается и окисляется. Аурипигмент As2S3. Кристаллы лимонно-желтого цвета легко разрушаются с образованием окислов мышьяка. Даже небольшое количество этих соединений может вызвать отравление водных организмов

Фото 14. Киноварь
Киноварь HgS, кристаллы от ярко красного до вишнево-красного цвета. Один из наиболее устойчивых сульфидов, но часто сопровождается вторичными минералами, такими как самородная ртуть, галогениды и окислы ртути

    В процессе взаимодействия с водой, многочисленными бактериями и гуминовыми кислотами, ряд минералов и горных пород подвергается разрушению, т.е. физическому, химическому и биологическому выветриванию или их комбинации. Интенсивность (скорость) его зависит от многих параметров, но она достаточно мала, для того чтобы обеспечить быстрорастущие растения всеми необходимыми питательными компонентами. Если минеральная часть не является собственно источником питательных веществ для растений, то и менять его необходимо лишь в том случае если он, например, надоест аквариумисту. Иное происходит с органоминеральной частью, ее значительно меньше по объему, но именно в ней интенсивно происходят различные химические и биохимические реакции. Разложение органического вещества и деятельность различных бактерий формируют разнообразные химические соединения, которые затем легко могут усваиваться растениями. Именно на эту часть грунта и направлено большинство усилий аквариумистов занимающихся выращиванием растений и разработок крупных аквариумных фирм таких как Tetra, Sera, Aquarium Pharmaceuticals и др. Достаточно вспомнить про глиняные шарики, торф, садовую землю, различные грунтовые таблетки, гранулы и питательные смеси (например, CompleteSubstrate, Crypto, ZMF Dynoplant, InitialSticks и многие др.), если в них и присутствует какой либо минеральный субстрат, то в большинстве своем, я думаю, это сделано для увеличения объема. Следовательно, самыми логичными действиями при недостатке питательных веществ будет увеличение или изменение качества органоминеральной части грунта. У здравомыслящих аквариумистов не возникает желание при недостатке питательных веществ подсыпать к растению больше песка и гальки, чтобы оно получало питание за счет растворения близлежащих пород и минералов, во всяком случае, я на это надеюсь.

Фото 15. Различные грунтовые добавки используемые для улучшения роста и развития аквариумных растений*

    Для того чтобы понять что происходит с горными породами и минералами в аквариумной среде необходимо ознакомится с процессами, протекающими в природной среде, а именно с процессами химического выветривания.

Виды и скорость химического выветривания
минералов и горных пород

    Большинство минералов входящие в магматические, метаморфические и осадочные породы (за небольшим исключением) достаточно устойчивы, и если и разрушаются, то этот происходит очень медленно. Важно отчетливо представлять, что простые химические уравнения иллюстрируют только возможный ход химических реакций, но они не дают информации о скорости реакции (Ollier, 1984).
    Химическое выветривание заключается в химическом взаимодействии минералов с воздухом и водой и изменении химического состава минералов и горных пород, неустойчивых в условиях земной поверхности, с образованием новых устойчивых вторичных минералов.
    Химические соединения, входящие в состав горных пород, по степени растворимости и подвижности делятся на четыре группы. Первыми выщелачиваются из пород соединения хлора и серы (хлориды, сульфаты). Затем - соединения кальция с натрием, магнием и калием (карбонаты). Еще медленнее поступает в раствор кремнезем, входящий в состав силикатов, последними выносятся полуторные окислы железа и алюминия и свободный кремнезем.
    При химическом выветривании наблюдаются следующие реакции: растворение, окисление, восстановление, гидролиз, карбонатизация, гидратация и хелатизация (Полынов, 1934; Страхов, 1960; Лукашев, 1963; Ollier,1984). В природе в различных химических и физических процессах участвуют живые организмы, которые могут оказывать большое влияние на характер и скорость выветривания.
    Чем больше число переменных в системе, тем сложнее предсказать ход реакции, а в процессах выветривания часто число переменных бывает очень большим. Например, в реакцию простого растворения кальцита включено семь переменных даже при условии постоянных температур и давления. Более того, даже простая реакция может разделяться на несколько различных стадий. В процессе растворения кальцита выделяется четыре отдельные стадии, еще большее количество стадий выделяется в процессе изменения сложных силикатных минералов глины (Ollier,1984).

    По данным П. Вейля (Weyl, 1958) в растворении кальцита выделяются следующие четыре стадии:
диссоциация кальцита на поверхности раздела между твердой частицей и жидкостью на ионы Ca2+ и CO32-, т. е. диффузия ионов Ca2+ и CO32- с этой поверхности в раствор;
реакция между ионами CO32-, растворенным CO2 и водой дает HCO3-. В действительности эта реакция протекает в несколько стадий:
CO2 + H2O <=> H2CO3
H2CO3 <=> H+ + HCO3-
CO32- + H+ <=> HCO3-
если раствор находится в контакте с газовой фазой, содержащей CO2, то имеет место дополнительная реакция:
CO2(газ) + H2O <=> CO2 (водный раствор);
диффузия растворенных компонентов по градиенту концентрации.

    Растворимость многих веществ сильно зависит от рН. Так, например, растворимость железа при рН = 6 примерно в 100000 раз больше, чем при рН = 8.5. Очень сильное влияние оказывает рН на растворимости глинозема и кремнезема, как это показано на рисунке. При очень низких рН (меньше 4) глинозем становится более растворимым, чем кремнезем. С другой стороны, между рН 5 и 9 глинозем практически нерастворим, тогда как растворимость кремнезема постепенно увеличивается.

Растворимость кремнезема и глинозема в зависимости от pH
(Лукашев, 1963; Mason, 1966)

    Первая стадия химического выветривания обычно заключается в растворении, которое может происходить в текучей воде или тонкой пленке воды, окружающей твердую частицу. Степень растворения зависит от количества воды, проходящей через поверхность частицы. Наиболее растворимы породы и минералы, сформировавшиеся в водной среде, это хлориды, сульфаты и карбонаты. Хлориды: каменная (пищевая) соль (NaCl), калийная соль (KCl) и др., они легко растворяются в воде и использовать их в качестве грунта не придет никому в голову.
    Следующие по степени растворимости идут сульфаты (гипс CaSO4·2H2O, ангидрит CaSO4 и др.), самыми труднорастворимыми являются различные карбонаты (кальцит CaCO3, арагонит CaCO3, магнезит MgCO3, доломит CaMg[CO3]2, сидерит FeCO3 и др.) 

Фото 16. "Гипсовая роза" - друза кристаллов гипса сформировавшаяся в глинистых породах в степных условиях. Размер друзы около 15 см. Камень очень красив, но в аквариуме быстро разрушится, хотя особого вреда при этом не принесет. Растворимость гипса в воде несколько выше чем у кальцита, но жесткость воды не будет возрастать со слишком большой (опасной для рыб) скоростью


Фото 17-18. Арагонит
Арагонит очень часто находится в тесной ассоциации с кальцитом. Арагонит обычно генетически связан с биогенными процессами, из него состоят раковины многих моллюсков и скелеты животных, где он часто чередуется со слоями кальцита. На фото виден фрагмент раковины аммонита

Фото 19 Магнезит

Фото 20. Сидерит
FeCO3. Возможно, присуствие этого минерала в грунте будет полезно растениям, так как растворяясь, он выделяет в воду двухвалентное железо. Но для рыб избыток железа в воде вреден, так как оно легко окисляется и красно-бурый осадок Fe(OH)3 затрудняет жаберное дыхание

    Окисление минералов газообразным кислородом происходит через стадию промежуточного воздействия воды, в которой сначала растворяется кислород. Воздействие окисления особенно четко фиксируется присутствием оксидов и гидроксидов железа, которые придают характерные красные и желтые окраски многим породам и минералам.

К примеру, окисление сидерита происходит так:

         4FeCO3 + 6H2O + O2 => Fe(OH)3 + 4CO2 

Фото 20. Бурый железняк
Это природная смесь различных окислов и гидроокислов железа

     Множество процессов окисления протекает под воздействием бактериальной деятельности, причем бактерии получают энергию за счет окисления железа, марганца, серы и, возможно, других элементов, включая фосфор.
    Восстановление - это процесс, противоположный окислению, и обычно оно осуществляется в анаэробной обстановке в условиях застойных вод. Восстановление оксидов железа представляет собой одно из очевидных изменений; красные и желтые окраски в восстановительных условиях сменяются зелеными и серыми. Восстановление в значительной мере осуществляется бактериями; например, сульфаты - в сульфиды, а органическое вещество (гумус) восстанавливается ферментирующими бактериями.
    Многие силикатные минералы содержат катионы, которые легко меняют состояние окисления, например Fе2+/Fе3+. При изменении восстановительного потенциала минералы, содержащие эти катионы, могут окисляться или восстанавливаться. Для сохранения электронейтральности кристаллической структуры в решетку должны внедриться или покинуть ее другие ионы. Это приводит к тому, что кристаллическая решетка становится неустойчивой и более восприимчивой к другим реакциям выветривания, таким как гидролиз, или к переходу в другие минералы.
    Карбонатизация - это реакция ионов карбоната или бикарбоната с минералами. Карбонаты не служат конечными продуктами выветривания in situ. Однако образование карбонатов - это определенная ступень в ходе выветривания, особенно при разрушении полевых шпатов. Раствор углекислоты в воде (Н2СО3) представляет собой кислоту, присутствие которой сильно облегчает процесс обмена основаниями и является необходимым для растворения самих карбонатов.
    Гидратация - это добавление воды к минералу. Например, оксиды железа могут поглощать воду и превращаться в гидратированные оксиды или гидроксиды железа. Гидратация - это важный процесс в образовании глинистых минералов, она подготавливает поверхности минералов для дальнейшего изменения путем окисления и карбонатизации и способствует более легкому изменению заряда ионов.
    Хелатизация (или комплексообразование) - это образование вокруг какого-либо комплексируемого иона, обычно металла, кольцевой постройки органического вещества. Хелатизирующие агенты могут извлекать ионы из твердых веществ, обычно нерастворимых, и способствовать переносу ионов в такие условия, в которых они обычно осаждаются химическим путем.
    Гидролиз - это химическое взаимодействие между минералом и водой, т.е. между ионами воды Н+ или ОН- и ионами минерала. Эта реакция происходит всюду, где минерал находится в контакте с водой. Реакции гидролиза характерны для силикатов, алюмосиликатов и ряда других минералов.
    При гидролизе ионы OH- образуют с щелочными и щелочноземельными металлами легко подвижные соединения, которые выносятся из пород. Глинистые, алюминистые, железистые окисные минералы, образовавшиеся при гидролизе, труднорастворимы (каолинит, гидрослюда, диаспор, лимониты и др.). Они выносятся в виде взвеси или остаются на месте.
    Живые растения и нитрифицирующие бактерии представляют собой постоянный источник ионов Н+, которые создают кислую среду и выветривают близлежащие минералы. Растения обменивают Н+ на питательные вещества и за счет удаления Н+ реакция постоянно остается несбалансированной, так что выветривание продолжается на протяжении всей жизни растения, причем фронт выветривания распространяется в стороны от границы раздела между корнем и глиной.
    Только на основании общего химического состава пород и минералов нельзя судить точно о реакциях, которые могут иметь место при выветривании, так как важную роль играет кристаллическая структура минералов. Кальцит и арагонит имеют один и тот же состав - однако атомы в этих минералах распределены по-разному, в результате арагонит примерно в десять раз более растворим, чем кальцит.

Модели кристаллической структуры кальцита (А) и арагонита (В).
Черные шарики – катионы кальция, светлые треугольники – анионы CO3 (Бетехтин, 1956)

    Примерно так же при выветривании глин натрий оказывается намного подвижнее калия, тогда как последний гораздо легче входит в структуры глинистых минералов, хотя и натрий и калий являются весьма подвижными элементами.

    Игорь Жуков, кандидат геолого-минералогических наук.

24 апреля 2005 г.

источник http://www.vitawater.ru/aqua/hydro/mine … runt.shtml

Отредактировано Sip (2010-05-05 23:25:36)