Carbo, a "folyékony szén" - Nagy Viktor Akvarisztikai Blogja

Post Top Ad

2018. június 20., szerda

Carbo, a "folyékony szén"


A "Carbo", mint növényeket segítő tápkiegészítő igen elterjedt vegyszer a növényes akvarisztikában. Sok flakonon nem kevesebbet állítanak, mint hogy ez nem más, mint folyékony formában lévő szén-dioxid. A fizikai ismereteinket segítségül hívva gyorsan rájöhetünk, hogy ebben sántít valami. A szén-dioxid szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú, folyékony állapot eléréséhez igen nagy nyomásra van szükség( a nagynyomású palackokban 50-60 bar-ról beszélünk, 1 bar= 0,987 atmoszféra, tehát ez a tengerszinten mérhető légnyomás 50-60 szorosa). A műanyag flakonban megtalálható, fecskendővel, vagy mérőkupakkal kimérhető folyékony anyag biztosan nem folyékony szén-dioxid, hiszen ha a nyomást nem tartjuk fenn, a CO2 igen gyorsan alkalmazkodik a fizikai törvényeknek, és újra kitágul, gázzá alakul.
 Néhány terméken fel van tüntetve, és valószínűleg minden termékre igaz, hogy a hatóanyag a glutáraldehid nevű, folyékony, széntartalmú szerves vegyület, vagy annak valamelyik kémiai úton előállított verziója(izomerje).
A glutáraldehid szerkezeti képlete


A glutáraldehidet az iparban egyáltalán nem arra használják, mint mi, akvaristák. Ez a szénvegyület nem más, mint egy nagy hatékonyságú fertőtlenítőszer. Alapvetően mérgező minden élőlényre, biokémiai nyelvezetre lefordítva keresztköti a fehérjéket, hozzákötődik a sejtfalhoz, meggátolja a sejtek normális működését, aminek hatására a sejt elpusztul.

De miért használjuk még is, akváriumba adagolva, naponta? Ha túllépünk a nyilvánvaló marketing indíttatású megfogalmazáson, hogy folyékony szén-dioxidról van szó, a glutáraldehid elméletben két úton segíti a növényeket, megfelelő koncentrációban(!):

  • Gátolja az algák növekedését( de a magasabb rendű növényekét még pont nem)
  • Valamilyen formában felvehető szenet biztosít a növények számára, ezzel segítve a fejlődésüket.



A megfelelő koncentrációt az egyes gyártók a saját termékeikre legtöbbször szigorúan meghatározzák, ettől eltérni nem érdemes, illetve csak saját felelősségre. Az adagolást hosszú távú kísérletsorozatok által kapott eredmények alapján alakították ki, így azt az ígéretet kapjuk, hogy ha ezt betartjuk, az egyébként veszélyes vegyszer ártalmatlan lesz a halakra, növényekre, és egyéb élőlényeinkre, és csak a pozitív hatásait fogjuk érzékelni.

Célkitűzés

A kutatásommal a célom az volt elsősorban, hogy meghatározzam: valóban van-e pozitív hatása az akváriumra, vagy egyszerűen a placebo-elv miatt adagoljuk? Másodsorban pedig irodalmi adatok alapján azt szerettem volna kideríteni, hogy ha van hatása, az milyen úton következik be, tehát az algákra való negatív-, és a növényekre való pozitív hatása mivel magyarázható?

Módszerek

A kísérleteket két nagy módszertan szerint végeztem: In situ és in vitro. A in situ, a valósághű kísérleteket jelenti, míg az in vitro labori körülményeket takar.

In vitro

A laborkísérletnek csupán egy célja volt: kideríteni, hogy nyers formában a glutáraldehidet képesek-e a növények felvenni, mint szénforrás.

A tesztekhez standard steril, laboros növénykutató módszereket és modellnövényt használtam. A növény az Arabidopsis thaliana volt, a mai növénybiológiai kutatások egyik modellnövénye. Nem vízinövény, de a szénfelvétel a növényeknél univerzális, így az itt kapott eredményeket rá lehet vetíteni az akváriumi növényekre is, a szén felvétele szempontjából.

A növény vad típusának("wild type") előzőleg sterilizált( etanollal és nátrium-hipoklorittal a protokoll szerint) magjait steril táptalajra helyeztem.

A táptalaj összetétele: MQ víz, zselésítő anyag( 6g/l agar), cukor, komplex tápanyag-, és vitaminkeverék ( Murashige-Skoog tápanyag-, és vitaminpor), egy MES nevű pufferoldat. A táptalajt 5,80-ra pH-ztam be kálium-hidroxid segítségével. Az 1/2 GM típusú keveréket használtam, 0-, illetve 1 t%os cukortartalommal(10g/l), különböző Carbo koncentrációkat kevertem bele a táptalajba, a megfelelő mennyiségeket automata pipettával mértem ki, steril pipetta heggyel, a kikevert táptalajt steril műanyag petri-csészébe öntöttem.

10 vonalat határoztam meg, különböző összetételű steril táptalajokkal:

Táptalaj mennyisége: 8 ml ( ezt is pontosan, pipettával mértem ki)
  1. 0% cukor, Carbo nincs
  2. 1% cukor, Carbo nincs
  3. 1% cukor, 1ml/70 (0,11 mikroliter)
  4. 1% cukor, 1/30 (0,26 mikroliter)
  5. 1% cukor, 1/10 (0,78 mikroliter)
  6. 0% cukor, 1/30 (0,26 mikroliter)
  7. 0% cukor, 1/1 (7,8 mikroliter)
  8. 1% cukor, 1/1 (7,8 mikroliter)
  9. 0% cukor, 1/10 (0,78 mikroliter)
  10. 0% cukor, 20 mikroliter carbo (jócskán túladagolt)



  1. 0% cukor, Carbo nincs
    ( kontroll)
2. 1% cukor, Carbo nincs
(kontroll)

3. 1% cukor, 1ml/70

4. 1% cukor, 1/30

5. 1% cukor, 1/10

6. 0% cukor, 1/30

7. 0% cukor, 1/1

8. 1% cukor, 1/1

9. 0% cukor, 1/10

10. 0% cukor, 20 mikroliter carbo














































Az eredmény kiértékelése egyértelmű. Azt tekintve, hogy a glutáraldehid a táptalajban "konzerválódott", mivel steril médiáról van szó, nem tudott bakteriálisan lebomlani, a "nyers" Carbo hatását látjuk a csökött növényeken.

 Teljesen mindegy a koncentráció, a cukortartalom, a glutáraldehid még a legkisebb mértékű adagolás esetén is gátolta az Arabidopsis fejlődését. Ennek oka, hogy a növény a gyökerével próbálta elkerülni a táptalajt, nem tudott(akart) belenőni, annak mérgező hatása miatt, ezért tápanyagot sem tudott felvenni, így fejlődése minden vonalon elmaradt a két kontrollhoz képest. A képeken a növények 1 hetesek, egy későbbi időpontban még látványosabb lett volna a különbség, mivel a kontrollnövények zavartalanul tudtak fejlődni, míg a carboval kezelt táptalajon a növények fejlődése gátolt volt.

In situ

Az in situ, tehát a valósághű kísérletem célja annak meghatározása, van-e pozitív hatása a glutáraldehid adagolásának, de itt már a glutáraldehid le tudott bomlani, mivel jelen lehetett a megfelelő baktériumflóra. Ezt két nagymértékben egyforma akváriumban valósítottam meg:
  • Egyforma vízmennyiség, (kb. 8 liter)
  • közös fényforrás,  (11 wattos 865-ös kompakt fénycső)
  • egyforma vízértékek,  (keménység)
  • azonos szűrésforma, (egyszerű levegővel hajtott szivacsszűrő)
  • talaj, (fehér kvarchomok)
  • egyforma tápanyag-mennyiség. (azonos mennyiségű mikró és makróelemek)


    Az egyetlen különbség az volt, hogy az egyikbe adtam naponta meghatározott mennyiségű Carbo terméket, míg a másikba nem. 2-4 hétig figyeltem meg a változásokat, majd újratelepítettem az akváriumokat, és kicsit más körülmények között megismételtem. 
Eredmények

A teszteket elvégeztem ugyanolyan fény mellett kemény (20-20 KH GH), és lágyabb vízben is(8-10 KH GH). Az eredmény közel hasonló lett, így összegezve vázolom az eredményeket:

Az első kísérlet talaj és szűrés nélkül zajlott,(csak légbefúvás volt) és a kísérlet a tüskéshínárral azzal végződött, hogy a Carbo nagymértékben gátolta a tüskéshínár fejlődését.

 Következve ebből, azt a téves feltételezést vonhatnánk le, hogy a glutáraldehid káros a tüskéshínárra, de nem ez a helyzet.

 A talaj, és szűrés hiánya miatt a glutáraldehid valószínűleg nem tudott lebomlani bakteriálisan, ezért valószínűleg felgyülemlett, és ez okozhatta a toxikus hatásokat.


Carbo nélkül
Carboval


Ami szembetűnő volt ugyanilyen körülmények közötti kísérlet alatt, hogy a "Carbo" adagolt akvárium egyértelműen kevesebb algát tartalmazott. 



Carbo nélküli
Carbo adagolt

Megismételve a kísérletet, szivacsszűrővel, és kvarchomok talajjal, már teljesen más eredményt kaptam. A Carbo adagolt akvárium szinte az összes növényfajnál jobb növekedést produkált, még a tüskéshínárnál is. Ahol nem láttam jobb növekedést, ott hasonló volt a növekedés üteme, és a kondíció. 

Ennek az lehet az oka, hogy a különböző növényfajok különböző módon képesek az "elemekkel" és egymással megküzdeni az erőforrásokért, így a fajok közötti kompetíció egyes növényfajok felé billenti a mérleg nyelvét, mások alulmaradnak. Tehát kicsit leegyszerűsítve, azoknak a fajoknak, amiknek az általam biztosított körülmények a megfelelőbbek voltak, jobban voltak képesek fejlődni.

A békalencse jóval nagyobb mértékben volt képes szaporodni a Carbo nélküli akváriumban. Ezt én annak tudom be, hogy a Carbo adagolt akváriumba adott extra szén miatt a felszíni növények - mivel ők a levegő CO2-jét használják - kevésbé voltak előnyben víz alatt élő társaikkal szemben. 

Tehát Carbo adagolásakor a vízben is volt annyi szén, hogy a víz alatti növények olyan mértékű növekedést tudjanak produkálni, hogy a 12 tápelemért történő versengésben ne maradjanak alul a sokkal előnyösebb helyzetben lévő, lebegő életmódot folytató békalencsével szemben. 


A békalencse mennyisége sokkal
több a Carbo nélküli akváriumban

A békalencsét folyamatosan ritkítottam, hogy a fény egyenlően jusson mindkét akváriumba, de az eredmény mindig ugyanaz lett: a carbo nélküli akváriumban elborította a vízfelszínt, ezzel párhuzamosan a víz alatti növények kevésbé fejlődtek. (még akkor is, amikor éppen leszedtem majdnem teljesen a békalencsét)








Carbo nélkül
Carboval











Carboval
Carbo nélkül













Mint már említettem az in situ kísérletek egyetlen célja az volt, hogy választ adhassak arra a hipotézisre, hogy a Carbo segíti-e a submers növények fejlődését. Ez a hipotézis igaznak bizonyult, de a módszereket még bőven lehet finomítani, és többféle körülmény között vizsgálni a hatást(fény-, keménység-, tápanyagok mennyiségének változtatása, stb), ez a téma nyitva áll a kísérletező kedvű akvaristák előtt, akár az én munkámra támaszkodva.

Amire még kíváncsi lennék:
  • Az este, vagy a reggel adagolt Carbo hatása között látható-e különbség?

  • Különböző fényerők esetén a növények fejlődési sebessége milyen mértékben változik meg?

  • Nagynyomású palackból történő CO2-beoldás esetén is látható-e ilyen változás?
Az elmélet

A Carbo hatóanyaga, mint már említettem a glutáraldehid nevű, 5 szénatomos szerves vegyület. Az in vitro kísérletek során bizonyítást nyert, hogy a növény eredeti formájában nem képes azt felvenni, és szénforrásként hasznosítani. A források alapján viszont tudjuk, hogy a baktériumok képesek a lebontására.

Kétféle környezetben vizsgálták a glutáraldehid bomlását, aerob(oxigén jelenlétében), és anaerob(oxigén nélkül) körülmények között. 

A felezési idő(ami alatt az anyag fele lebomlott) aerob körülmények között, 9,45 ppm-es kiindulási glutáraldehid koncentráció mellett 10,6 óra alatt zajlott le.

Megállapították, hogy aerob körülmények között először glutársavra bomlik, majd ezt követően egyszerű szén-dioxidra. Anaerob körülmények között( amiből akváriumban kevesebb van) pedig a felezési idő 7,7 óra volt, és egy aldehidre(5-hidroxipentanal), majd ezután egy diolra(1,5-pentándiol) bomlik.

Akváriumi körülmények között valószínűleg az aerob lebomlási útvonal a jellemzőbb, tehát a két lehetséges jelölt a glutársav és a szén-dioxid.

Felmerülhet a kérdés, a növények e kettő metabolit közül melyiket fogják hasznosítani? Erre válasz korántsem olyan egyszerű, annak ellenére, hogy tudjuk, a szén-dioxid a vízinövények alapvető szénforrása.

A glutársav nagyon hasonlít egy, a növényi anyagcserében résztvevő anyaghoz, az alfa ketoglutársavhoz. Az utóbb említett anyag a glutársav ketonszármazéka, így elképzelhető, hogy a citromsav-ciklusban tudja hasznosítani enzimatikus átalakításokkal a növény a glutársavat is, akárcsak ketonszármazékát. Teljes nevén a Szent-Györgyi–Krebs(citromsav)-ciklus a sejtek légzése során egy alapvető anyagcsere- folyamatnak tekinthető, és értelemszerűen a növényekben is lejátszódik.

Ahhoz, hogy megértsük, ez az elméleti fejtegetés hogyan kapcsolja össze a glutársavat a fokozottabb növényi növekedéssel, érdemes tudnunk, hogy ha a növény, "készen" megkap egy fontos intermediert(köztes anyagot), az annak létrehozásával járó energiát(ATP) megspórolhatja magának, és más, fontos dolgokra fordíthatja, pl hatékonyabb tápanyagfelvétel, jobb fény hasznosítás, vagy könnyebb bikarbonát-felvétel, stb.

Kimutatták például, hogy a növényi légzés összefügg a tápanyagfelvétellel, oda-vissza. Tehát, ha segítjük a növény légzését, több tápanyag felvételére lesz képes, és fordítva, ha több a rendelkezésre álló tápanyag, a növény légzése felerősödik.

Tehát, ezt tekintve, ha ez az elméleti fejtegetés fedi a valóságot, elképzelhető, hogy akár erős fénynél, mesterséges CO2-adagolásnál is láthatunk pozitív hatást a Carbo adagolásakor.

A fenti okfejtés természetesen mindössze elméleti síkon mozog, nincs mögötte kísérleti alátámasztás.
Annyit tudunk, hogy hat. A pontos hatásmechanizmust egyelőre még rejtély fedi, de az szinte biztos, hogy a két említett bomlástermék közül(glutársav vagy szén-dioxid) az egyik hasznosítható a növények által.

Az akvaristák sajnos nem mindig számolnak be látható növekedés-gyorsulásról. Egy általam végzett közvélemény kutatás során a szavazók több, mint a fele azt nyilatkozta, hogy a Carbo nem segítette a növények növekedését.

Ennek a a Liebig-féle minimumtörvény az egyik lehetséges oka. Ennek értelmében, hiába áll rendelkezésre egy adott erőforrás, ha egy másikban a növény hiányt szenved, ilyen esetben nem képes gyorsabb növekedésre, mindaddig, amíg az adott szűk keresztmetszetet ki nem iktatjuk.

Példaként említve, ha a növény nem tud a környezetéből vasat felvenni, a növekedése akkor is stagnálni fog, ha a szén, tegyük fel korlátlan mennyiségben van jelen. Egy ház felépítésével tudnám még jobban leírni ezt a jelenséget. Hiába van korlátlan mennyiségű téglánk, ha éppen a falat összetartó malter hiányzik, a ház építése nem tud addig folytatódni, amíg a "malter hiánytünet" meg nem oldódik. A carbó, mint szén a tégla, a malter pedig a vas.

Felmerülhet még a kérdés, hogy ez sterilizálásra használt vegyszert hogyan képesek a baktériumok lebontani, és energiát nyerni belőle. A kérdés kulcsa a koncentrációban rejlik: a kisebb koncentrációban jelen lévő anyag már kezelhető a lebontók számára, míg nagy koncentrációban előbb pusztulnak el, mint át tudnák alakítani. Ugyanilyen elven működik az ammónia is. Nagy koncentrációban ugyanúgy megöli a baktériumokat, hiszen az ammónia sejtméreg, míg kicsi mennyiség esetén a nitrifikáció kiindulási vegyülete.

A másik fontos hatása ezeknek a termékek az algák gátlásában nyilvánul meg. Erről is találtam adatokat:

Az akut(hirtelen történő, nagyobb mértékű exponálódás[az anyagnak való kitettség]) toxicitást vizsgálva az a koncentráció, aminél még nem volt káros hatás,
  • Algáknál 2,5-0,029 mg/l

  • Daphnia magna 9-24 mg/l 
A krónikus ( hosszantartó) hatások vizsgálatánál megállapították, hogy,
  • algák esetén 0,31 mg/l tartós szintnél még nem jelentkeztek káros hatások

  • Daphnia esetén pedig ez az érték 4,25 mg/l-nél lett meghatározva
Ennél magasabb koncentrációk esetén már mutattak ki káros hatásokat. Akvarisztikai szempontból nekünk az algákra való hatásuk a fontosabb. Sajnos az említett tanulmány a növényekre nem tért ki, és nem is találtam egyéb forrást a kapcsolatukról a főbb tudományos portálokon(NCBI, ScienceDirect).

 Úgy tűnik a glutáraldehid hatása a növényekre tudományos berkekben még nem merült fel, a Carbo termékeket gyártó cégek pedig nem teszik közzé az eredményeiket, valószínűleg üzleti indokból.

Fontos információ, hogy egy akvarista társunk megmérte(és a rendelkezésemre bocsátotta) néhány termék napi adagjánál keletkező glutáraldehid koncentrációt egy erre szolgáló teszt segítségével. 

Három terméket vizsgált, amik a magyar piacon jelen vannak, és a legtöbbször ezeket használjuk. Ebből kettő 2-3 ppm(mg/l) kezdeti koncentrációt mutatott, a három közül az egyik termék mutatott átlagon felüli (5,5 ppm) értéket, és a bomlása során így tovább jelen volt a vízben.

A fenti akut toxicitási adatokat szemügyre véve a három termékből kettő az algák számára toxikus szint határán mozog, az egyik pedig túl is lépi azt. 

A krónikus kitettség esetén a toxikus koncentrációt(0,31 mg/l felett) mindegyik termék eléri, így ha a forrásokra támaszkodunk, elméletben a naponta adagolt carbó által fenntartott glutáraldehid koncentráció az algákat mérgezni fogja hosszú távon.

Kiszámoltam, hogy a Carbo elméletben a napi szénigény mekkora részét lehet képes kiszolgálni.

Tapasztalatból tudjuk, hogy "low-tech" (mesterséges CO2 mentes) akváriumban mondjuk a növényi tápsókkal bevitt napi 1 ppm nitrát emelés már elég "erős"-nek számít. Mondhatni, ezzel már bármekkora növényzet tud fejlődni. A nitrogén % értéke a nitrátban 23%, tehát 1 ppm emelés 0,23 ppm nitrogén emelést jelent naponta. A nitrát a legnagyobb mértékben igényelt  makroelem. Nézzük a szenet.



A szén a nitrogén kb. 10x-ese a növényi szárazanyagban. Tehát egy kerekítés által kapott eredmény alapján, ha a felvétel mértéke is hasonló hatásfokú, low-tech akváriumban a növényzet napi 2-3 ppm "nyers szén" emeléssel elvan, ami a szén(12 g/mol), és a szén-dioxid(44 g/mol) moláris tömegeit nézve 8,28 ppm CO2(2,3 ppm C esetén, 3,6-os szorzás) szén-dioxid emelést igényel a növényzet naponta.

A Carbo által biztosított szenet is számoljuk át. Ehhez tudnunk kell a szén és a glutáraldehid moláris tömegeit. A szén 12 g/mol moláris tömegű, míg a glutáraldehid 100,11 g/mol. Mivel a glutáraldehidben 5 szénatom van(C5H8O2), a tömege 60%-át alkotja szén.

A Carbo termékek glutáraldehid koncentrációi nem publikus értékek, de tudjuk, hogy kb. 1-4% között változnak a különböző termékek értékei. Számoljunk mondjuk 2%-al. 2 tömeg% 20g/l glutáraldehid koncentrációt jelent, ami egyenértékű 20mg/ml koncentrációval. Ha 1 ml carboval számolunk 20 literenként, akkor 20 literben 20 mg glutáraldehidünk lesz. Ezt ppm(mg/l)-be átszámolva 1 ppm érték jön ki. Ennek széntartalma 60 %, tehát 0,6 ppm C-t emeltünk. Ezt az értéket ha "felszorozzuk szén-dioxiddá", 2,16 ppm CO2 jön ki.

8,28 / 2,16 = 3,83

Tehát az elméleti számolás azt mutatta meg, hogy nagyjából a napi szénigény negyedét tudja biztosítani a Carbo az elképzelt akváriumunkban. Tekintve, hogy a szén az egyik legnagyobb mértékben igényelt makroelem az akváriumban, minden kis "morzsa" hasznosulni fog, így a Carbo által beadott szén is minden bizonnyal jótékony hatással bír.

Összefoglalás

A naponta adagolandó "carbó" termékek hatóanyag minden bizonnyal a glutáraldehid nevű, szerves szénvegyület. Az iparban sterilizálószer, de megfelelő mennyiségben adagolva nem okoz károkat az akvárium élővilágában(kivéve az algákat). Az in vitro kísérletek rámutattak, hogy a glutáraldehid eredeti formájában csak mérgező, de nem képes a növény felvenni, viszont a valósághű(in situ) kísérletek által bebizonyosodott, hogy megfelelő átalakulás, lebomlás után a glutáraldehid képes a növények fejlődését támogatni, és a gyártók által előírt adagolást betartva valószínűleg az algák növekedését is gátolja.

Post Top Ad