Ekologie rostlinného akvária

V mantinelech zdravého rozumu a kritického myšlení

606
Publikováno: 30.01.2013, Aktualizováno: 19.12.2016

Glutaraldehyd: tekutý uhlík

Co to je a k čemu je dobrý?

Glutaraldehyd (sumární vzorec C5H8O2) je bezbarvá kapalina štiplavého zápachu používaná primárně k dizinfekci předmětů a povrchů. K dezinfekčním účelům se používá obvykle roztok o koncentraci 0.1% až 1.0%. Je vysoce toxický a způsobuje vážné podráždění očí, nosu, krku a plic, bolesti hlavy, ospalost a závratě.

V akvaristice se glutaraldehyd začal používat ze dvou důvodů:

  1. kvůli tomu, že v malých koncentracích může být biologicky využitelným zdrojem uhlíku pro vyšší rostliny (nikoli však pro řasy)
  2. kvůli svým biocidním účinkům (již při koncentraci 0.5 až 5 mg/l ničí většinu řas)

Poločas rozpadu glutaraldehydu je přibližně 10,6 hodin*, a kompletně metabolizován je po 48 hodinách. Během této doby se glutaraldehyd ve vodě přemění na kyselinu glutarovou, která je následně [uvnitř rostlin] metabolizována na oxid uhličitý (CO2). Pro nás to znamená, že přibližně za 10 hodin se koncentrace této látky v akváriu sníží o polovinu, a přibližně za 24 hodin už nezůstane rostlinám k dispozici téměř žádný glutaraldehyd. Proto je také nutné ho přidávat do akvária každý den. Není vhodné dávat do akvária větší dávku v domnění, že to vystačí na delší dobu → nejpozději do 24 hodin bude většina glutaraldehydu metabolizována. Díky jeho poměrně rychlému poločasu rozpadu je také vhodné ho přidávat do akvária pokud možno těsně před rozsvícením světel (čím déle před rozsvícením světel ho do akvária dáme, tím menší množství bude během fotoperiody rostlinám k dispozici). Koncentrace běžně používané v akvaristice (max. 5 mg/l) nejsou pro většinu vodní fauny a flóry škodlivé (přestože někteří akvaristé pozorovali nežádoucí účinky těchto koncentrací na některé vodní mechy, játrovky a vodní mor).

* Tzn. že za 10,6 hodin se rozloží (bude metabolizována) přesně polovina původní dávky glutaraldehydu → jeho koncentrace tedy bude tou dobou poloviční.


[Testovaný systém obsahoval 9.45 mg/ℓ glutaraldehydu.]

Zdroj: LEUNG, H.-W. Aerobic and Anaerobic Metabolism of Glutaraldehyde in a River Water-Sediment System. DOI: 10.1007/s002440010248. Dostupné z: cactiexchange.ipc.tsc.ru.

Komerční přípravky obsahující glutaraldehyd (nebo jeho deriváty)

  1. Easy-Life EasyCarbo
  2. [Arnhem, Nizozemí]
    → Neznámé složení (pravděpodobně glutaraldehyd nebo nějaký jeho derivát). Na Internetu se mi nepodařilo najít žádné relevantní vyjádření výrobce ohledně přesného složení tohoto výrobku nebo o jeho výhodách oproti běžnému glutaraldehydu. Na dotazy o složení výrobce vytrvale nereaguje.
    Mezi akvaristy se spekuluje o tom, že EasyCarbo a Flourish Excel obsahují přibližně 1.5% roztok glutaraldehydu.
  3. Seachem Flourish Excel
  4. [Madison, Georgia]
    → Obsahuje údajně polymer izomeru glutaraldehydu, známý jako polycykloglutaracetal. Podle vyjádření výrobce (fi. Seachem) se nejedná o čistý glutaraldehyd, ale o zvláštní derivát, který byl vyvinut na základě mnohaletého výzkumu a testování. Ten je prý oproti čistému glutaraldehydu méně reaktivní a rostlinami jakožto zdroj uhlíku snáze využitelný.
  5. PlantaGrow PMFE
  6. [Kralupy nad Vltavou, ČR]
    → 1.5% roztok čistého glutaraldehydu (složení mi bylo potvrzeno přímo výrobcem)
  7. Rostlinna-akvaria.cz Invital Carbon
  8. [Hradec nad Moravicí, ČR]
    → 1.5% roztok čistého glutaraldehydu + podpůrné látky (vylepšené složení).

Kolik mg/ℓ obsahuje běžná dávka?

Výpočet koncentrace glutaraldehydu v nádrži:
--------------------------------------------
100 mL 1.5% roztoku glutaraldehydu (GA)1) = 1.5 mL GA + 98.5 mL H2O
Hustota GA = 1.06 g/mL
100 mL 1.5% roztoku glutaraldehydu = (1.5 mL)*(1.06 g/mL) = 1.6 g GA
1 mL 1.5% roztoku glutaraldehydu = 1*1.6 g/100 mL = 0.016 g GA (= 16 mg GA)
Doporučené dávkování v rostlinných nádržích (Seachem Flourish Excel) = 2.0 ml 1.5% roztoku glutaraldehydu na  40 L vody
Doporučené dávkování v rostlinných nádržích (Easy-Life EasyCarbo)    = 2.0 ml 1.5% roztoku glutaraldehydu na  50 L vody
Doporučené dávkování v rostlinných nádržích (PlantaGrow PMFE)        = 2.5 ml 1.5% roztoku glutaraldehydu na 100 L vody
Koncentrace glutaraldehydu v nádrži (Seachem):    2.0 ml * 16 mg /  40 L = 0.8 mg/ℓ GA (?)
Koncentrace glutaraldehydu v nádrži (Easy-Life):  2.0 ml * 16 mg /  50 L = 0.6 mg/ℓ GA (?)
Koncentrace glutaraldehydu v nádrži (PlantaGrow): 2.5 ml * 16 mg / 100 L = 0.4 mg/ℓ GA

1) Uvedený výpočet platí pouze v případě použití 1.5% roztoku čistého glutaraldehydu. Vzhledem k tomu, že firma Seachem ani firma Easy-Life přesné složení ani koncentraci roztoku u svých produktů nezveřejňuje, nemusí [zde uvedená] výsledná koncentrace odpovídat skutečnosti, a je třeba ji brát s rezervou.

Toxicita glutaraldehydu

OrganismusBez zjevných účinků
→ NOEC
První negativní příznaky
→ LOEC
Inhibice u 25% populace
→ IC25
Inhibice u 50% populace
→ IC50
Úhyn 25% populace
→ LC25
Úhyn 50% populace
→ LC50
Řasy~ 1 mg/ℓ~ 1.5 mg/ℓ~ 1 mg/ℓ~ 1.5 mg/ℓ
Zooplankton2.5 mg/ℓ~ 5 mg/ℓ~ 5 mg/ℓ
Rybí embrya~ 13 mg/ℓ
Rybí embrya (líhnutí)1.3 mg/ℓ1.5 mg/ℓ1.8 mg/ℓ
Ryby10-20 mg/ℓ

Zdroj: SANO, Larissa L., Ann M. KRUEGER a Peter F. LANDRUM. Chronic toxicity of glutaraldehyde: differential sensitivity of three freshwater organisms. DOI: 10.1016/j.aquatox.2004.12.001. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0166445X04003340

Co z výše uvedené tabulky vyplývá: Koncentrace glutaraldehydu pod 1 mg/ℓ nebude mít pravděpodobně na řasy žádný negativní vliv; k útlumu růstu u řas dochází teprve až při koncentraci kolem 1-1.5 mg/ℓ → to ovšem nemusí platit pro všechny druhy řas. Takováto koncentrace už ale negativně působí na vylíhnutí rybích plůdků, takže při tření ryb určitě není vhodné zvyšovat koncentraci glutaraldehydu v nádrži nad 1 mg/ℓ. Kromě toho při koncentraci kolem 5 mg/ℓ už může dojít k úhynu zooplanktonu, který je důležitou součástí vodních ekosystémů (takto vysoká hodnota se považuje za kritickou i pro většinu bezobratlých, např. krevetky).

Důležité upozornění

Jelikož je glutaraldehyd velmi toxický, je s ním třeba zacházet velmi opatrně (obzvláště pokud si někdo bude chtít namíchat požadovaný 1.5% roztok sám - z koncentrovanější sloučeniny glutaraldehydu)! V případě, že si budete chtít 1.5% roztok glutaraldehydu namíchat sami, můžete k tomu použít tuto excelovskou kalkulačku.

Co víme o účincích glutaraldehydu

Studie firmy Seachem údajně prokázaly, že
při použití tekutého uhlíku dochází k
vylepšení růstu o 200-500%
(ve srovnání s růstem bez použití tekutého uhlíku).

Bez přidaného CO2 je rychlost růstu rostlin závislá na rychlosti, jakou se koncentrace atmosferického CO2 vyrovnává s koncentrací ve vodě. CO2 ze vzduchu bude do vody (kde prakticky žádný oxid uhličitý přirozeně není) přecházet jen do té míry, než se rozdíl v koncentraci ve vodě a ve vzduchu vyrovná → při běžném tlaku se koncentrace CO2 v čisté vodě ustálí zhruba na 0,6 mg/ℓ*. Podstatné je si uvědomit, že pokud máme v nádrži hodně rostlin, ty budou z vody odčerpávat CO2 mnohem rychleji, než se tam bude ze vzduchu doplňovat. Proto ve většině (především rostinných) akvárií závisí rychlost růstu rostlin právě na množství dostupného CO2.

* V běžném rostlinném akváriu bude tato rovnovážná koncentrace vyšší (přibližně kolem 3-5 mg/ℓ CO2), protože zde zdrojem CO2 není pouze atmosférický vzduch, nýbrž také rozkladné a respirační procesy v akváriu (rozklad organických látek či dýchání ryb).

Zvyšovat koncentraci CO2 v akvarijní vodě za účelem zlepšení růstu rostlin je možné několika způsoby:

Při metabolismu tekutého uhlíku vzniká jednoduchá molekula organického uhlíku (podobná té, jež vzniká při fotosyntéze), kterou může rostlina využít jako stavební prvek pro složitější uhlovodany. A protože se jedná o organický zdroj uhlíku, neovlivňuje se jím pH. Způsob, jakým je tekutý uhlík rostlinami využíván, zahrnuje dva procesy: 1) adsorpci, a 2) přeměnu. Protože aktivní složka tekutého uhlíku (polycykloglutaracetal) má neutrální náboj a relativně malou molekulovou hmotnost, je snadno vstřebáván přímo přes buněčné membrány většiny rostlin. Jakmile se ocitne uvnitř buňky, může zde být buď přeměněn na CO2 (a následně zpracován), nebo může být přeměněn v některou složitější organickou sloučeninu potřebnou pro životní procesy rostliny (např. cukry, škrob, aminokyseliny apod.). Tyto přeměny řídí nejrůznější enzymy. K odhalení přesných mechanismů (tj. přeměnu směrem dolů na CO2 nebo přeměnu směrem nahoru na složitější řetězce) bude třeba provést řadu dalších testů s radioaktivním uhlíkem (14C). I přesto lze však už na základně dnešních studií říci, že tekutý uhlík poskytuje rostlinám měřitelné, kvantitativní růstové výhody. Ty jsou také důkazem toho, že rostliny tekutý uhlík skutečně využívají. Studie společnosti Seachem údajně* prokázaly, že tekutý uhlík vede u rostlin nejen k jasnému kvalitativnímu nárůstu jejich kondice a vitality, ale také k jasně měřitelnému zvýšení rychlosti růstu. Navíc také prokázaly, že při použití tekutého uhlíku dochází k vylepšení růstu o 200-500% (ve srovnání s růstem bez použití tekutého uhlíku). A přestože přidávání plynného CO2 podpoří růst rostlin ještě více, než samotný tekutý uhlík, není sporu o tom, že při použití tekutého uhlíku se růst a kondice rostlin výrazně zlepší.

* Tyto studie bohužel nejsou nikde přístupné, takže tvrzení firmy Seachem není podložené žádnými relevantními daty. Je tedy na každém akvaristovi, zda bude proklamacím firmy Seachem věřit či nikoli.

Glutaraldehyd slouží sice rostlinám jako užitečný zdroj uhlíku, nicméně CO2 samo o sobě vede ke kvantitativně markantnějšímu zlepšení růstu než samotný glutaraldehyd, přestože tekutý uhlík také rostlinám poskytuje určité množství uhlíku. Pokud by na stupnici preference rostlin dostal oxid uhličitý 10 bodů, pak by (dle tvrzení firmy Seachem) měl tekutý uhlík přibližně 6-7 bodů.* Tekutý uhlík lze používat jak samostatně, tak zároveň s CO2 (souběžné používání plynného CO2 a tekutého uhlíku ničemu neškodí → rostlinám to údajně nevadí). Čeření hladiny ani jiné formy provzdušňování vody nemají na účinek (resp. koncentraci) organického uhlíku ve vodě vliv. Vzhledem k tomu, že glutaraldehyd vydrží ve vodě přibližně 24 hodin, než vyprchá (resp. než bude kompletně metabolizován), je možné ho dávkovat kdykoli během dne, a po 24 hodin od aplikace budou mít rostliny zajištěn trvalý přísun uhlíku. Přesto je ale lepší ho dávkovat spíše na začátku dne, protože koncentrace glutaraldehydu (a tedy i jeho dostupnost) se s přibývajícím časem snižuje. Při doporučeném dávkování by měl být tekutý uhlík naprosto bezpečný pro ryby. Nicméně na některé druhy citlivějších rostlin (např. rod Anacharis → Egeria nebo Elodea) může působit destruktivně.

* Tvrzení firmy Seachem.

Zdroj: APC.com, plantedtank.net, seachem.com (1), seachem.com (2)

Kolik CO2 mi vyprodukuje 1 dávka glutaraldehydu?

Před pár lety (10/2013) se na českém Internetu objevil článek, který užitečnost "tekutého uhlíku" zpochybňuje (viz Glutaraldehyd v akvaristice - hnojivo nebo lákadlo na peníze?). Autor tohoto článku se zamýšlí nad tím, kolik uhlíku (C) lze teoreticky získat z 1 dávky glutaraldehydu, vypočtené množství pak převádí na ekvivalentní množství oxidu uhličitého (CO2), a výsledek srovnává s koncentrací, kterou akvaristé udržují v rostlinných akváriích pomocí CO2 setů:

Sumární vzorec glutaraldehydu (GA) je C5H8O2. Z toho můžeme vypočítat, že v 5 ml 1.5% roztoku glutaraldehydu (což je doporučená dávka pro 100L akvárium) je zhruba 0,075 g čistého glutaraldehydu (C5H8O2). Na samotný uhlík (C) v tomto množství připadá 0,045 g, což v přepočtu na CO2 dělá 0,165 g = 165 mg CO2. Takže jedna doporučená dávka tekutého uhlíku (5 ml na 100L) nám čistě teoreticky zvýší koncentraci CO2 v našem 100L akváriu o 165 mg, což v přepočtu na litr činí přibližně 2 mg/ℓ CO2 na den.

Následně autor na základě naměřené spotřeby dusičnanů (NO3) dopočítává teoretické množství CO2, které rostliny ke svému růstu skutečně potřebují:*

* Autor původně počítá s denní spotřebou 4 mg/ℓ NO3, což mi připadalo trochu přehnané; proto jsem ve výpočtu použil střízlivější odhad 1 mg/ℓ NO3. (Autor totiž nezohledňuje vliv substrátu [který do sebe může vstřebat poměrně podstatnou část živin, aniž by to nutně znamenalo, že dané množství skutečně rostliny spotřebují], ani vliv anaerobních procesů [při kterých se mohou dusičnany částečně přeměnit na plynný dusík → tuto schopnost mají údajně některé vysoce porézní filtrační náplně]. Nicméně při tomto výpočtu není přesná spotřeba ani tak důležitá. Tak jako tak totiž ve výsledku vyjdou mnohonásobně vyšší hodnoty než u glutaraldehydu.)

Změříte-li první den koncentraci dusičnanů (NO3), a druhý den ve stejný čas ji změříte opět, zjistíte, kolik NO3 vaše rostliny za 1 den spotřebovaly. Dejme tomu, že naměříte spotřebu 1 mg/ℓ NO3 za den. Ve 100L akváriu tedy rostliny spotřebují celkem 100 mg NO3. Na dusík (N) z tohoto množství připadá 22,6 mg. Jak víme, v rostlinné sušině je přibližně 45% uhlíku (C) a 2% dusíku (N). Tyto dvě látky jsou zde tedy v poměru zhruba 20:1 (C:N). Takže pokud rostliny každý den spotřebují 22,6 mg dusíku (N), pak tedy čistě teoreticky potřebují 452 mg uhlíku (C), což v přepočtu na CO2 dělá 1655 mg = 16 mg/ℓ CO2 na den ve 100L akváriu.

Přestože tyto úvahy (a výpočty) považuji za velmi užitečné a přínosné pro každého akvaristu, který tekutý uhlík používá, je třeba brát v potaz, že se jedná pouze o teoretické výpočty. To, zda tyto teoretické výpočty odpovídají skutečnosti, nebo se od ní výrazně liší, si nemůžeme jednoduše ověřit. K tomu by bylo zapotřebí provést složité a finančně nákladné testy s radioaktivním uhlíkem (14C), pomocí kterého bychom mohli "vystopovat" přesnou trasu a množství uhlíku v testovaném akváriu.

Autor výše uvedeného článku sice píše, že jeho výsledky jsou založeny na několika proměnných, ale mezi tyto proměnné počítá prakticky jen účinnost hnojení CO2 vs. glutaraldehydu. Na co ale zapomíná, je, že tyto teoretické výpočty by byly platné pouze v případě, že 1 mol C5H8O2 vyprodukuje 1 mol CO2 (což ovšem nemusí být, a pravděpodobně ani není, pravda). Do složitých chemických reakcí, které probíhají při metabolismu glutaraldehydu, mohou totiž vstupovat i prvky a sloučeniny odjinud, než jen z glutaraldehydu, takže z výše uvedených výpočtů nelze jednoduše vyvozovat žádné platné závěry o množství vyprodukovaného uhlíku, resp. CO2. Podle výzkumů firmy Seachem dochází při použití tekutého uhlíku (glutaraldehydu nebo jeho derivátů) k vylepšení růstu o 200-500% (oproti růstu bez použití tohoto přípravku, resp. oproti rovnovážnému stavu, při kterém je ve vodě zhruba 0,6 mg/ℓ CO2). Teoreticky bychom z toho mohli dovodit, že je-li rovnovážný stav 100% (0,6 mg/ℓ), pak nárůst o 200% bude představovat zhruba 2 mg/ℓ a nárůst o 500% asi 4 mg/ℓ.

Tekutý uhlík je tedy schopen rostlinám poskytnout přibližně 2-4 mg/ℓ plně využitelného CO2 → Tento údaj je třeba brát s rezervou.

O kolik se zvýší růst rostlin při mírném zvýšení koncentrace CO2

Nárůst rostlinné biomasy u Riccia fluitans v průběhu 1 měsíce

Parametry pokusu: Středně silné osvětlení (90 µmol PAR), koncentrace CO2 = 6,6 mg/ℓ → tj. o 6 mg/ℓ vyšší než je v rovnovážném stavu (0,6 mg/ℓ).
Procentuální nárůst je zde brán ve vztahu k rovnovážnému stavu. Z níže uvedeného grafu vyplývá, že zvýšíte-li koncentraci CO2 z rovnovážného stavu (0,6 mg/ℓ) na necelých 7 mg/ℓ, Riccia fluitans zvýší svůj objem denně o 6% (za měsíc o 500%):

Poznámka: Ve výše zmíněné studii si můžete všimnout zajímavého faktu, že při zvýšení koncentrace CO2 z rovnovážného stavu (0,6 mg/ℓ) na 6,6 mg/ℓ dojde k výraznému nárůstu rostlinné biomasy (230% za 15 dní), zatímco při zvýšení koncentrace CO2 na 35 mg/ℓ už k tak rapidnímu nárůstu biomasy nedochází (260% za 15 dní).

Zdroj: PEDERSEN, Ole; CHRISTENSEN, Claus; ANDERSEN, Troels. CO2, Light, and Growth of Aquatic Plants. Planted Aquaria, Spring 2001.

Na tomto příkladu vidíme, že při zvýšení koncentrace CO2 o pouhých 6 mg/ℓ, zvýší (rychle rostoucí) rostliny svůj objem přibližně o 500% ! Pokud se tedy při metabolismu glutaraldehyd vyprodukuje přibližně poloviční množství CO2 (2-4 mg/ℓ), dá se předpokládat, že dojde u rostlin přibližně k polovičnímu nárůstu biomasy oproti výše uvedeným hodnotám (vzhledem k nižší míře využitelnosti plynného CO2 oproti glutaraldehydu to ale může být i více).

Závěr

Tekutý uhlík se zdá být horším (méně efektivním/přístupným) zdrojem uhlíku než plynné CO2 z tlakové lahve nebo kvasnic. Koncentrace kolem 10-15 mg/ℓ CO2 se tedy z praktických zkušeností zdá být mnohonásobně výživnější než doporučená dávka tekutého uhlíku. Při sycení plynným oxidem uhličitým sice dochází k enormním ztrátám, ale pořád se jedná o mnohem efektivnější způsob přihnojování rostlin uhlíkem. Přesto přese všechno je tekutý uhlík bezpochyby užitečným zdrojem uhlíku, protože (přestože se co do účinnosti nemůže srovnávat s plynným CO2) poskytuje rostlinám dostatek uhlíku na to, aby několikanásobně zvýšily svůj růst a zlepšily svoji kondici a vitalitu. Díky tekutému uhlíku je tedy možné pěstovat v akváriu i náročnější druhy rostlin, které by jinak (bez dodatečného přísunu uhlíku) nebylo možné pěstovat (nebo jen s jistými obtížemi).