La chimica dell'acqua (W.Peris)

Alcune nozioni di chimica dell'acqua che possono essere importanti da conoscere, per capire meglio che cosa succede in acquario

Articolo di Walter Peris
sul sito www.walterperis.it (non più online)

In questo articolo Walter Peris ci dà alcune nozioni di chimica dell'acqua che possono essere importanti da conoscere, per capire meglio che cosa succede in acquario.

1. La chimica del fosforo in acqua
2. La chimica dell'azoto in acqua
3. La chimica del ferro in acqua

Relazione ammoniaca/ammonio in funzione del pH

Ecco un'utile tabella che definisce la quantità percentuale di ammoniaca libera in acqua in funzione del pH. Il tutto è reso più semplice da un grafico.

Relazione carbonato/bicarbonato in funzione del pH

Una tabella per correlare la concentrazione di ione bicarbonato/carbonato al pH, e due utili grafici, uno per correlare la concentrazione di bicarbonato al pH e l'altro per lo ione carbonato; questi importanti ioni, responsabili primari del potere tampone in acquario (KH), regolano molti processi fondamentali in vasca. Anche in questo caso, un grafico riassuntivo renderà più immediata la comprensione dei dati.

Tabella concentrazione CO2 in funzione di pH e KH

In questa tabella potete vedere come varia la quantità teorica di CO2 in una soluzione acquosa in funzione del pH e della durezza carbonatica (KH). E' da tenere presente che questa tabella è indicativa e vale per soluzioni tamponate da ioni bicarbonato. Questo significa che in presenza di filtrazione su torba o a valori di KH molto prossimi allo zero, la tabella perde ogni attendibilità.

Come preparare l'acqua per i cambi

In questa pagina vi descriverò brevemente un metodo per preparare l'acqua dei cambi con l'uso di sali di facile reperibilità; in questo modo potrete ottenere i valori di GH e KH che più vi aggradano e che vadano incontro alle esigenze dei vostri pesci e delle vostre piante. Sono anche disponibili due file Excel con i quale calcolare le quantità esatte dei sali da usare.

La chimica di fosforo, azoto e ferro in acqua

Fosforo e azoto, due elementi indispensabili per le piante, hanno un comportamento molto singolare in acqua; questa loro chimica influenza in modo determinante molti processi tra i quali la formazione delle alghe. Anche il ferro ha una sua collocazione ben precisa in acquario; in questa pagina vediamo di chiarire la sua funzione.

Una tabella comparativa tra le varie unità di misura della durezza

La durezza totale dell'acqua viene, in Italia, misurata in gradi tedeschi (d°GH), ma non tutti i paesi usano questa unità. In queste pagine troverete uno strumento per convertire le varie unità di misura.

La chimica del fosforo in acqua

Anche questo elemento, indispensabile alla vita delle piante e dei pesci, viene normalmente messo all'indice e accusato delle più terribili disgrazie che possano capitare in acquario. Come per l'azoto, però, vorrei provare a smitizzare il fosforo e dargli una dimensione più "umana", tranquillizzando, ma non molto, gli acquariofili che lo temono come la peste.

Il fosfato

Il fosfato è lo ione più comune in acquario come derivato del fosforo. Questa specie ha una chimica piuttosto complessa che, ovviamente, non tratteremo in maniera troppo diffusa. Vorrei solo ricordare che, spesso, viene erroneamente indicato come PO4---, dimenticando, o ignorando, che la sua esatta natura dipende dal pH dell'ambiente in cui si trova, né più né meno di quanto accade per il bicarbonato e come è già stato indicato in un'altra parte di questo sito.

Altre forme nascoste del fosforo

Come già accennato in altro luogo, anche il fosforo, come l'azoto, assume in acquario forme quanto mai insolite e subdole. Infatti, non sempre questo elemento è "visibile" ai kit per acquariofilia, per due motivi; innanzitutto, il fosforo, come l'azoto, si trova in molecole organiche molto complesse (proteine, acidi nucleici, enzimi, cofattori e altro) dalle quali le piante non possono ricavarlo (ma le alghe sì, purtroppo; esse sono dotate di un enzima, la fosfatasi, in grado di rompere i legami che bloccano il fosforo e di metabolizzarlo. Questi enzimi vengono prodotti e secreti nelle immediate vicinanze dell'alga che può, così, recuperare il fosforo anche da ambienti in cui esso sia carente). In secondo luogo, il fosforo forma sali generalmente insolubili, sopratutto col ferro, che precipitano nel fondo e mantengono un delicato equilibrio con le specie sciolte in acqua. Ecco perché è molto importante sifonare e tenere sempre ben pulito il fondo di un acquario. Dato che esso è sempre in equilibrio con quello sciolto in acqua, se una pianta assorbe del fosfato dall'acqua, o se noi effettuiamo un cambio d'acqua, quello depositato nel sedimento del fondo si scioglierà per prendere il posto di quello sottratto all'acqua, ripristinandone rapidamente il livello.

E' un bene non avere fosfati?

Esattamente come per il caso dell'azoto, avere il fosforo a zero in acqua non è certo un bene. Anche se le sue richieste sono decisamente basse, se paragonate a quelle di azoto, è sempre bene avere una piccola concentrazione di fosfato in acqua, eventualmente ripristinandone il valore per aggiunta di fosfato di potassio. Tenere in soluzione una concentrazione di 0.01-0.02 mg/L soddisfa piante e alghe (che non dovrebbero comparire).

La chimica dell'azoto in acqua

L'azoto, in acquario, si trova sotto molte forme, alcune delle quali note mentre altre lo sono meno. Tutti noi, in genere, misuriamo i nitrati e i nitriti, due importanti pezzi del famoso ciclo dell'azoto e, fatto questo, ci riteniamo abbastanza soddisfatti quando ne rileviamo una presenza minima o, addirittura, assente. In realtà, però, le cose non sono né così facili né così belle come potrebbe sembrare a prima vista.

Innanzitutto, vediamo come si può presentare l'azoto in acquario.

Gli ioni più comuni

Gli ioni più noti sotto i quali si presenta questo importante elemento sono essenzialmente tre: l'ammonio, il nitrito e il nitrato. Questi ioni si trovano, nell'ordine in cui sono stati scritti, nel ciclo dell'azoto che si instaura in un acquario. Il primo, in particolare, è strettamente correlato al pH dell'acqua in quanto la sua forma è legata alla presenza o meno di un ambiente acido; sull'equilibrio tra ammonio e ammoniaca potete vedere più su le tabelle. Il secondo è abbastanza conosciuto per la sua estrema tossicità, legata alla capacità di legarsi all'emoglobina, inibendone la capacità di trasportare ossigeno (metemoglobinemia). La concentrazione di entrambi questi ioni deve essere la più bassa possibile o, meglio ancora, non dovrebbero essere neppure rilevabili dai normali kit per acquariofilia. Il terzo e ultimo ione, il nitrato, è la destinazione finale del ciclo ossidante dell'azoto e tende ad accumularsi in vasca; ecco perché è necessario effettuare i cambi d'acqua. Solo cambiando periodicamente l'acqua è possibile mantenere una concentrazione sufficientemente bassa di nitrati in vasca. C'è da tenere presente che, anche se si dice da più parti che i nitrati non sono tossici, la tolleranza verso questi ioni da parte dei pesci varia da specie a specie e valori sopra i 50-100 mg/L diventano tossici per molti pesci. In vasche molto ricche di piante, e con una dotazione di pesci abbastanza limitata, è molto frequente assistere al problema opposto, di ritrovarsi, cioè, con nitrati a zero. Questo punto lo tratterò più avanti.

Altre forme "nascoste" dell'azoto

Questo è, forse, il problema più grosso che attanaglia le nostre vasche. Non è infrequente, infatti, sentir chiedere come mai siano comparse le alghe pur avendo i nitrati a zero, come se essi fossero la sola causa possibile di insorgenza di alghe. Così non è, purtroppo, per alcuni motivi. Innanzitutto, le alghe non compaiono MAI per una sola causa (sopratutto se questa è dovuta a un alto valore di nitrati); inoltre, avere i nitrati a zero non vuol dire per nulla che l'azoto necessario alle alghe non sia comunque presente. Infatti, molto spesso, nelle nostre vasche sono presenti dei derivati organici piuttosto complessi che provengono dalla decomposizione di legni, animali morti, sopratutto invertebrati (chiocciole), foglie e fusti di piante, detriti caduti sul fondo, batteri morti accumulatisi sul fondo del filtro e altro. Questi composti organici contengono, in genere, azoto sotto una forma che nessun kit per acquariofilia sarà mai in grado di misurare. Solo kit professionali per la determinazione dell'azoto totale potranno darci un'idea di quanto azoto "nascosto" possiamo avere in vasca; purtroppo, questo tipo di molecole non può essere sfruttato dalle piante, ma può essere usato dalle alghe, che sono abilissime a romperne i legami e a recuperare l'azoto per il proprio fabbisogno fisiologico. Ecco, quindi, che questo può spiegare le "misteriose" comparse di alghe in vasche apparentemente prive di nitrati.

E' un bene non avere nitrati?

La risposta a questa domanda è sicuramente negativa, anche se qualcuno si può scandalizzare. Ma vediamo di spiegare il punto di vista di un appassionato coltivatore di piante.

Per poter svolgere al meglio i propri processi vitali, le piante richiedono grosse quantità di azoto, un elemento fondamentale per la crescita vegetativa e la sintesi di amminoacidi, proteine, acidi nucleici, clorofilla e altro. Questo elemento, forse non tutto lo sanno, viene usato dalle piante sotto forma di ione ammonio; per cui, se le piante recuperano del nitrato dall'acqua, dovranno necessariamente ridurselo ad ammonio con un notevole consumo di energia (è stato provato che somministrando ammonio invece che nitrato si ottiene una produzione di ossigeno da fotosintesi del 30% superiore). Quindi, è indispensabile che le piante acquatiche, sopratutto se abbondantemente illuminate, trovino questo elemento in acqua. Una carenza d'azoto è molto pericolosa perché manda le piante in una situazione di stallo dalla quale si riprenderanno solo a fatica.

Una concentrazione utile di nitrato in acqua dovrebbe aggirarsi tra le 2 e le 5 ppm; in questo modo avremo la sicurezza che alle piante non manchi nutrimento e che le alghe non possano svilupparsi (fino a quando le piante saranno in salute e lavoreranno a pieno ritmo, ostacoleranno la formazione delle alghe). Se la vasca è ricca di piante e povera di pesci, è molto facile che si finisca per avere una carenza di azoto; in questo caso sarà necessario somministralo in maniera controllata, ad esempio usando prodotti industriali opportuni o aggiungendo del nitrato di potassio (un comune sale usato per la conservazione dei cibi, sopratutto insaccati).

Ad esempio, sciogliendo 25 grammi di nitrato di potassio in mezzo litro di acqua si può ottenere una soluzione adatta allo scopo; un millilitro di questa soluzione ogni 20 litri di acqua dell'acquario produrrà 1.6 mg/L di nitrato, un valore più che buono per tutte le piante.

Dove troviamo l'azoto?

Al contrario di quanto avviene normalmente per il fosforo, l'azoto, come nitrato, nitrito o ammonio, forma sali solubili che si sciolgo molto bene in acqua; per questo motivo è difficile rilevare azoto nei sedimenti del fondo del nostro acquario.

Inoltre, la sua forma chimica è molto legata al potenziale redox dell'acqua; in presenza di acque ben ossigenate, la sua forma prevalente sarà quella di ione nitrato, mentre in acque povere di ossigeno, prevarrà lo ione ammonio e sarà solo il metabolismo del nostro filtro, o l'abbondanza di piante, a metterci al riparo da grossi problemi.

E' giusto misurare solo nitrati e nitriti?

Come detto più sopra, in genere in acquario si misurano solo questi due tipi di ioni, tra i composti azotati. Purtroppo, spesso ci si dimentica del terzo incomodo, l'ammonio, molto più pericoloso e subdolo di questi due. Infatti, la tossicità dello ione ammonio, come detto, dipende dal pH; questo significa che se il nostro filtro non è abbastanza efficiente, o ci muore un pesce di cui non ci accorgiamo, è possibile che si abbia in vasca un accumulo di ammonio che, in presenza di sbalzi di pH verso valori alcalini, può causare una strage tra i pesci presenti senza nessuna apparente spiegazione. Quindi, per essere tranquilli, teniamo sempre a portata di mano i kit che ci permettano di tenere sotto controllo questi tre valori, molto legati alla vita dei nostri pesci.

In conclusione, sottolineo che avere i nitrati a zero non è mai una buona cosa per due motivi; innanzitutto, un basso valore di nitrati ostacola la crescita delle piante e in secondo luogo non è detto che la sua concentrazione sia sempre effettivamente nulla.

Come nota finale, e ciliegina sulla torta, ricordo che alcuni tipi di alghe (nella fattispecie i cianobatteri) possono recuperare l'azoto che serve loro usando l'azoto atmosferico.

La chimica del ferro in acqua

Il ferro è tra gli elementi più importanti per le piante in acquario. La sua disponibilità, a causa della sua chimica sfavorevole, è sempre piuttosto scarsa e deve essere rifornito frequentemente. Al contempo, però, è un nutriente chiave anche per le alghe e la sua presenza deve essere sempre strettamente controllata; un eccesso di ferro, spesso, è una causa importante di esplosione algale.

La chimica del ferro in acqua

Il ferro è un elemento che, al contrario di quanto si pensi, non è molto stabile in soluzione acquosa. Questo non significa, però, che scompaia in tempi rapidissimi dall'acqua come, spesso, si sente dire.

Come molti sapranno, il ferro si presenta, nei suoi composti, con due stati di ossidazione principali, quello ossidato [Fe3+, o Fe(III), o ferrico] e quello ridotto [Fe2+, o Fe(II) o ferroso]. La presenza di uno o dell'altro di questi stati è legata, in primo luogo, al potenziale redox dell'acqua; in acqua fortemente ossigenata (situazione ossidante) il ferro tende a ossidarsi a Fe(III), mentre in acqua a basso tasso di ossigeno (ambiente riducente) la sua forma principale sarà quella ridotta. In genere, i sali di queste due forme hanno diverse solubilità in acqua; questo significa che i sali ferrosi sono, in genere, più solubili dei sali ferrici, che tenderanno, perciò, a precipitare nel fondo. Questo fenomeno ha delle conseguenze importanti per il nostro sistema acquario; per tenere il ferro in soluzione (e renderlo, quindi, più facilmente disponibile per le piante) è necessario o mantenerlo nella sua forma ridotta o rendere la sua forma ossidata più solubile.

Come tenere il ferro nello stato più ridotto, lo abbiamo visto (ambiente riducente ottenuto con un lento movimento dell'acqua, fondo poco pulito che agevoli i fenomeni di denitrificazione, nessuna fornitura supplementare di aria), ma non è mai ben chiaro come tenere in soluzione il ferro ossidato che, tra le altre cose, è la forma più diffusa tra i fertilizzanti per acquario in quanto è la più stabile. Questo, in genere, lo si ottiene bloccando lo ione ferro con particolari molecole organiche dette chelanti; il più famoso chelante è l'acido etilendiamminotetraacetico, o EDTA, che blocca tutti gli ioni bi e trivalenti (usato, quindi, per chelare anche magnesio e calcio, ad esempio). In questo modo il ferro viene sottratto all'attacco dell'acqua che ne produrrebbe l'idrossido, forma altamente insolubile ai normali pH dei nostri acquari. Parlo di pH perché la solubilità del ferro, ovviamente, è legata al pH della soluzione in cui si viene a trovare: pH acidi favoriscono la sua solubilizzazione che viene, invece, contrastata dai pH alcalini. Tornando ai nostri chelanti, ne sono noti anche altri che presentano una maggior stabilità in ambiente debolmente acido, come il DTPA (acido dietilentriamminopentacetico), l'EDDHA (acido etilendiammino o-idrossifenilacetico) o l'HEDTA (acido N-idrossietil etilendiamminotriacetico), senza contare prodotti più sofisticati che usano, come chelanti, amminoacidi o carboidrati.

Un altro sale insolubile è quello che lega il ferro ai fosfati; ricordo che questo tipo di legame è alla base della tecnica Dupla che utilizza un cavetto sotto sabbia di potenza adeguata per permettere all'acqua della vasca di attraversare il fondo, composto in gran parte da laterite, un minerale ricco di ferro, facendo sì che i fosfati presenti in acqua si possano legare al ferro della laterite, sottraendoli alla disponibilità delle alghe.

L'assorbimento delle piante

Questo punto è molto importante in quanto, fino ad oggi, si è fatta molta disinformazione da parte di chi aveva tutto il vantaggio di spingere un certo modo di condurre l'acquario e che poi è stato ripreso e sostenuto da personaggi del tutto all'oscuro dei più elementari processi chimici e biologici che regolano i meccanismi di assorbimento dei vegetali.

Fatta questa premessa, chiariamo subito che il ferro può essere assorbito dalle piante sotto QUALSIASI forma esso si presenti, sia ossidata che ridotta, chelata o, addirittura, anche se presente come ossido nel terreno.

Quindi, per chiarire il punto, NON E' VERO che le piante possono assorbire SOLO il ferro ridotto. E' una falsità clamorosa. Anzi, vi sono alcune piante che hanno meccanismi di assorbimento che richiedono espressamente il ferro ossidato che viene ridotto una volta entrato nella cellula.

Quindi, primo punto: il ferro è assorbito in qualunque forma si trovi, basta che sia in soluzione.

Secondo punto: il ferro può essere assorbito, da quelle piante che abbiano un apparato radicale molto sviluppato, anche se celato nel fondo in forma insolubile; meccanismi complessi di acidificazione locale producono riduzioni e solubilizzazioni nello stretto spazio che circonda le radici, favorendo l'assorbimento del ferro attraverso questo apparato.

Terzo punto: il ferro in acqua, come chelato, viene assorbito con difficoltà dipendente strettamente dalla stabilità fisico-chimica del complesso chelato. Quindi, un complesso stabile tiene in soluzione il ferro per un tempo maggiore, ma richiede più energia da parte delle piante per utilizzarlo.

Il ferro nel fondo

Come detto, molto del ferro presente in acqua si deposita, dopo un certo periodo, nel fondo. Questo fenomeno è dovuto alla scarsa stabilità, come si è detto, del ferro in acqua. Il ferro, col passare del tempo, si ossida e forma degli idrossidi, o dei fosfati, che precipitano nel fondo. Qui, sia per azione della flora batterica presente che per il complesso equilibrio che porta ad averne, comunque, una minima parte sempre presente in acqua, ritorna nell'acqua per ristabilire la quantità dettata dalle leggi della chimica che lo regolano. Perciò, in presenza di forti quantità di ferro nel fondo (materiali di fondo non adatti, eccessive fertilizzazioni, decomposizione di vegetali o animali ecc.), anche abbondanti cambi d'acqua potrebbero, apparentemente, non procurare alcun beneficio per una sua diminuzione in acqua.

La somministrazione del ferro

Questo punto è molto importante in quanto ancora non è ben chiaro a molta gente, anche "esperti" del settore, come agisca il ferro in acquario. Come detto, la sua presenza stimola molto rapidamente la crescita delle alghe e, forse, è ancora più responsabile della loro comparsa di quanto non siano nitrati e fosfati. Quindi, è di fondamentale importanza non eccedere nella sua somministrazione (ricordo che il ferro ha anche una discreta tossicità nei confronti dei pesci). Come regola generale posso dire che il ferro non dovrebbe mai oltrepassare la soglia dei 0.1-0.2 mg/L di ferro totale seppur per un breve periodo.

Infatti, se somministriamo ferro e, a distanza di alcuni giorni, lo ritroviamo presente nell'acqua significa che la quantità che abbiamo aggiunto è troppa anche per le piante che non lo possono assorbire. A che scopo, quindi, metterne tanto?

Come regolare la somministrazione del ferro

L'esatta quantità da fornire dipende rigorosamente dal tipo di attività metabolica delle nostre piante; un metodo empirico per stabilire quanto fertilizzante a base di ferro possiamo dare è di recuperarne uno in commercio, di provata qualità (evitiamo, per questa operazione, di usare prodotti di scarsa qualità o di dubbia provenienza; i guai che ci potrebbero causare li pagheremmo molto più cari di qualsiasi confezione di ferro presente sul mercato...) e iniziare a somministrare una dose pari a circa la metà di quanto dichiarato nelle istruzioni. Poi, come seconda cosa, si deve acquistare un kit che ci permetta di dosarlo; su questo argomento vi rimando al paragrafo successivo. Fatto questo, somministriamo il fertilizzante e monitoriamo la quantità di ferro che abbiamo aggiunto a distanza di 5-6 ore. Continuiamo così fino a quando non lo vedremo sparire del tutto dall'acqua. A quel punto avremo una chiara idea di quale sia il fabbisogno di ferro per le nostre piante. Se una concentrazione di ferro pari a 0.1 mg/L scompare in circa 24 ore, allora poteremo fare delle aggiunte settimanali pari al doppio della quantità che ci ha consentito di ottenere questo risultato. In questo modo saremo sicuri di fertilizzare in maniera corretta e senza pericolosi eccessi il nostro acquario.

La misura del ferro in acquario

Non tutti i kit per acquariofilia sono in grado di misurare TUTTO il ferro presente in acqua. I più comuni misurano solo il ferro ridotto e non chelato. Quindi, il mio consiglio è di recuperare un kit, come il Tetra o il Dupla, al momento gli unici che siano in grado di darci una lettura del ferro TOTALE e usare quelli per determinare quanto ferro abbiamo realmente in acqua.