Đăc tính hóa học

Đăc tính hóa học

Bảng 3-1 Thành phần các phần tử hòa tan trong nước biển và nước sông trên thế giới

Nước biển Nước sông Phần tử

Nồng độ (mg/L) Xếp hạng Nồng độ (mg/L) Xếp hạng

Yếu tố đa lượng

Chloride (Cl-) 19.340 1 8 5 Sodium (Na+) 10.770 2 6 6 Sulfate (SO42-) 2.712 3 11 4 Magnesium (Mg2+) 1.294 4 4 7 Calcium (Ca2+) 412 5 15 2 Potassium (K+) 399 6 2 8 Bicarbonate (HCO3-) 140 7 58 1 Bromide (Br-) 65 8 - - Strontium (Sr+) 9 9 - -

độ [H+]=10 thì pH = -lg[10] = -1; hay [H+] = 10-16 thì pH = -lg[10-16] = 16

Ion H+ có trong môi trường nước chủ yếu là sản phẩm của quá trình thủy phân các ion

Fe3+ và Al3+ trao đổi trong keo đất, quá trình oxy hóa các hợp chất của sắt và lưu huỳnh (quá trình oxy hóa đất phèn tiềm tàng - FeS2) Quá trình oxy hóa đất phèn tiềm tàng thường làm pH giảm thấp (dưới 4,5)

2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 4H+ + 2SO4

2FeSO4 + 1/2O2 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + H2O

FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O = 15FeSO4 + 18H+ + 8SO4

Fe2(SO4)3 + 6H2O = 2Fe(OH)2 + 6H+ + 3SO42

pH của nước còn bị giảm do quá trình phân hủy hữu cơ, hô hấp của thủy sinh vật, hai quá trình này giải phóng ra nhiều CO2, CO2 phản ứng với nước trạo ra H+ và bicarbonate làm giảm pH của nước Các phương trình phản ứng như sau:

C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O + Q

CO2 + H2O = H2CO3

Ngược lại, quá trình quang hợp của thực vật hấp thu CO2 làm pH tăng dần, khi CO2 tự

do hòa tan trong nước bị hấp thụ hoàn toàn thì pH tăng lên 8,34 Do thực vật quang hợp hấp thụ CO2 nhanh hơn lượng CO2 tạo ra từ quá trình hô hấp của thủy sinh vật nên thực vật phải lấy CO2 từ sự chuyển hóa HCO3- và sinh ra nhiều carbonate làm tăng pH của nước lên trên 8,34

pH

t 6:00 14:00 6:00

Giàu dinh dưỡng Nghèo dinh dưỡng

Hình 3-1 Biến động pH theo ngày đêm

Nước thiên nhiên trong các thủy vực, pH của môi trường được tự điều chỉnh nhờ hệ đệm carbonic-bicarbonate (xem mục 3.1)

2.2 Ý nghĩa sinh thái học của ion H + trong môi trường nước

pH là một trong những nhân tố môi trường có ảnh hưởng rất lớn trực tiếp và gián tiếp đối với đời sống thủy sinh vật như: sinh trưởng, tỉ lệ sống, sinh sản và dinh dưỡng pH thích hợp cho thủy sinh vật là 6,5-9 Khi pH môi trường quá cao hay quá thấp đều không thuận lợi cho quá trình phát triển của thủy sinh vật Tác động chủ yếu của pH khi quá cao hay quá thấp là làm thay đổi độ thẩm thấu của màng tế bào dẫn đến làm rối loạn quá trình trao đổi muối-nước giữa cơ thể và môi trường ngoài Do đó, pH là nhân tố quyết định giới hạn phân bố của các loài thủy sinh vật

pH có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của phôi, quá trình dinh dưỡng, sinh trưởng

và sinh sản của cá Cá sống trong môi trường có pH thấp sẽ chậm phát dục, nếu pH quá thấp sẽ không đẻ hay đẻ rất ít

Al2(SO4)3.1 H2O → 6H+ = 6CaCO3

x=0,99 mg/L Như vậy, dùng khoảng 1 mg phèn có thể loại bỏ 1 mg độ kiềm carbonate Ngoài phèn nhôm, thạch cao (CaSO4.2H2O) cũng được dùng để điều hòa pH vì Ca kết tủa carbonate

3.1

Hàm lượng CO2 hòa tan trong nước thiên nhiên ở các thủy vực thường gia tăng vào

ban đêm và giảm thấp vào ban ngày, nghĩa là nó niến thiên hoàn toàn ngược lại với

oxy hòa tan

Khi hòa tan trong nước, một phần nhỏ CO2 sẽ liên kết với nước hình thành H2CO3,

phần lớn bị phân ly thành ion HCO3- và CO32- hình thành một hệ thống cân bằng

động: CO2 trong không khí, CO2 trong nước, H2CO3, Ca(HCO3)2, CaCO3 hòa tan

trong nước và CaCO3 kết tủa Tỷ lệ của các thành phần trên trong muối phụ thuộc vào

nhiệt độ và pH của nước Sự phân ly của H2CO3 và hằng số cân bằng (K1) được trình

bày như sau:

CO2 + H2O ⇔ H2CO3

H2CO3 ⇔ H+ + HCO3- K1 = 10-6,35

H2CO3 là một chất phân ly mạnh nên chúng luôn tồn tại trong nước với tỉ lệ dưới 1%,

đo đó hàm lượng của H2CO3 và CO2 được gộp chung gọi là tổng CO2 (Total CO2):

CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3- (3.1)

Như vậy, có thể trình bày phương trình cân bằng động của phản ứng (3.1) như sau:

35 , 6 1 2

][

]][

[ + − −

=

= K

CO Tông

HCO H

Nước sạch bão hòa CO2 ở 25oC và áp suất khí quyển (760 mm Hg) có hàm lượng tổng

CO2 là 0,46 mg/L (Bảng 3-3) và theo lý thuyết nếu tính toán dựa trên phương trình

cân bằng (3.2) thì độ pH của nước là 5,68 Ở hàm lượng tổng CO2 cao hơn thì pH sẽ

thấp hơn Thí dụ, hàm lượng tổng CO2 là 30 mg/L thì độ pH khoảng 4,8 CO2 hòa tan

trong nước không thể làm giảm pH xuống dưới 4,5

Độ hòa tan của CO2 trình bày ở Bảng 3-3 chỉ áp dụng cho điều kiện nước sạch Trong

nước có chứa hàm lượng bicarbonate (HCO3-) cao hơn thì hàm lượng CO2 ở trạng thái

cân bằng sẽ cao hơn nhiều Thí dụ, ở pH bằng 7 và hàm lượng bicarbonate là 61 mg/L

thì hàm lượng tổng CO2 ở trạng thái cân bằng được tính như sau:

35 , 6 2

3 7 2

)(

)10)(

10(][

]][

[ + − − − −

=

=

CO Tông CO

Tông

HCO H

L mg

)10(

)10( 3 , 65 35

, 6

Bicarbonate được hình thành từ sự phân ly của acid carbonic có thể tiếp tục bị phân ly

33 , 10 2

3

2

][

]][

−

− +

=

= K

HCO

CO H

Bởi vì K2 rất nhỏ nên hàm lượng CO32- không đáng kể ngay cả trong nước sạch với hàm lượng CO2 cao Tuy nhiên, nếu pH tăng thì hàm lượng CO32- và tổng CO2 giảm

để duy trì hằng số cân bằng K1 và K2

Hàm lượng của tổng CO2 và CO32- rất thấp khi [CO32-] = [Tổng CO2] (xem hình 3-3) Giá trị pH lúc đó bằng 8,34 và được tính như sau:

33 , 10 35 , 6 2 1 3

2 3 2

][

])][

[][

]][

−

− +

− +

=

=K x K HCO

CO H x CO Tông

HCO H

68 , 16 2

2 3

2

10][

][]

[ + − −

=

CO Tông

CO H

[CO32-] = [Tổng CO2] ⇒ [H+]2 = 10-10,68 ⇒ [H+] = 10-8,34 ⇒ pH = 8,34

Hình 3-3 Ảnh hưởng của pH lên tỉ lệ của các dạng Tổng CO 2 , HCO 3 - , CO 3 2-

Khi pH cao hơn 8,34 thì trong nước không tồn tại CO2 tự do và khi pH thấp hơn 8,34 thì không tồn tại CO32- trong nước

Như vậy, sự tồn tại của các dạng CO2, HCO3-, CO32- có liên quan đến độ kiềm và pH của nước Trong nước các ion HCO3-, CO32-, NH4+, OH-, PO43-, SIO32- đều có tính bazơ gây nên độ kiềm của nước Tuy nhiên, nước dùng trong nuôi trồng thủy sản thì HCO3-, CO32- tạo nên độ kiềm của nước là chính Có thể phân biệt làm 2 loại độ kiềm:

- Độ kiềm tổng cộng: tổng hàm lượng bazơ chuẩn độ trong nước thể hiện bằng đơn vị mg CaCO3/L pH>4,5

- Độ kiềm phenoltalein hay độ kiềm carbonate, pH>8,34

Nước thiên nhiên thường có độ kiềm biến động trong khoảng 5-500 mg/L Theo Boyd

& Walley (1975) (trích dẫn bởi Boyd, 1990), ao có độ kiềm thấp thường ở vùng đất cát, trong khi ao có độ kiềm cao thường ở vùng đất thịt và sét, nơi có chứa nhiều CaCO3 Hàm lượng kiềm lớn hơn 20 mg CaCO3/L là thích hợp cho ao nuôi giúp ổn định pH và tăng lượng khoáng

CO2 và HCO3- tồn tại trong nước sẽ giúp ổn định pH, CO2-HCO3- được gọi là hệ đệm của nước Khả năng đệm của nước dùng để chỉ khả năng chống lại sự thay đổi pH khi môi trường tăng tính acid hay bazơ nhờ khả năng trung hòa acid của HCO3- và khả năng trung hòa bazơ của CO2

3.2 Ý nghĩa sinh thái học của CO 2 trong môi trường nước

CO2 đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống của vùng nước, CO2 là một bộ phận cơ bản tham gia vào việc tạo thành chất hữu cơ trong quá trình quang hợp CO2 gắn liền với vòng tuần hoàn của các chất trong thủy vực, trong đó có việc tạo thành và phân hủy các hợp chất hữu cơ trao đổi Ca, Mg và các muối bicacbonate, cacbonate trong nước Vì vậy, nếu hàm lượng CO2 hòa tan trong nước thấp sẽ hạn chế năng suất sinh học sơ cấp

Tuy nhiên, CO2 tồn tại dưới dạng tự do ở nồng độ cao cũng không có lợi cho đời sống của thủy sinh vật Nếu áp suất của CO2 trong nước lớn hơn áp suất của CO2 trong máu

cá sẽ làm cản trở quá trình bài tiết CO2 từ máu cá ra môi trường ngoài, đưa đến sự tích

tụ CO2 trong máu cá dẫn đến những sự thay đổi mạnh mẽ các phản ứng sinh lý của cơ thể cá (Hình 3-4)

- Làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu

- Làm tăng ngưỡng oxy của cá

- Làm tăng độ acid của máu (pH giảm sẽ ảnh hưởng đến các trạng thái tồn tại của protid trong máu )

Hình 3-4 Ảnh hưởng của hàm lượng CO 2 lên độ bão hòa oxy của hemoglobin

Theo Hart (1944), Haskel & Davies (1958) thì hầu hết loài cá có thể tồn tại trong nước có hàm lượng CO2 tự do khoảng 60 mg/L Theo Ellis (1937) thì quần thể cá phát triển tốt khi môi trường nước chứa đựng hàm lượng CO2 tự do nhỏ hơn hoặc bằng 5ppm Trong ao nuôi thủy sản hàm lượng CO2 biến động từ 0 (giữa trưa) đến 5 hay 10 mg/L (ban đêm) là không ành hưởng xấu đến sức khỏe của cá (trích dẫn bởi Boyd, 1990)

3.3 Biện pháp tránh tích lũy CO 2 gây độc hại trong cá ao nuôi cá

Hàm lượng khí CO2 vượt quá mức (>10 mg/L) và hàm lượng oxy hòa tan thấp trong nước có thể gây hại cho cá do CO2 làm cản trở sự hấp thụ O2 của cá Nguyên nhân dẫn đến CO2 cao là do hoạt động dị dưỡng lớn hơn hoạt động tự dưỡng, nước ao tích lũy nhiều vật chất hữu cơ hay tảo tàn Để tránh hiện tượng tích lũy CO2 gây độc cho

cá, khi nuôi cá cần chú ý những điểm sau đây:

- Sau mỗi chu kỳ cần vét đáy ao, để lại lớp bùn đáy không quá 20 cm và phơi đáy ao từ 2-3 ngày để các hợp chất hữu cơ trong đáy ao bị phân hủy hoàn toàn

- Trong quá trình nuôi, không được cho nhiều cỏ rác, mùn bã hữu cơ vào ao, nhất là bón phân hữu cơ cần chú ý liều lượng thích hợp

- Khi nuôi cá với mật độ cao cần phải sục khí để làm tăng sự khuếch tán của

CO2 ra không khí và tăng hàm lượng oxy hòa tan

Khi CO2 trong nước quá cao có thể áp dụng các biện pháp làm giảm CO2 như sau:

- Dùng Ca(OH)2

2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2

Để làm giảm 88 mg CO2 cần gùng 74,08 mg Ca(OH)2

Vậy muốn làm giảm 1 mg CO2 cần dùng 0,84 mg Ca(OH)2

Chú ý: dùng Ca(OH)2 quá nhiều (thừa) có thể làm tăng pH nhanh chóng đến mức nguy hiểm, hàm lượng NH3 cũng sẽ tăng khi pH tăng

- Dùng Na2CO3

2CO2 + Na2CO3 + H2O → NaHCO3

Để làm giảm 44 mg CO2 cần gùng 105,98 mg Na2CO3

Vậy muốn làm giảm 1 mg CO2 cần dùng 2,4 mg Na2CO3

Dùng Na2CO3 thì an toàn hơn Ca(OH)2, nhưng tốn kém hơn

4.1 Động thái của oxy hòa tan trong môi trường nước

Oxy hòa tan trong nước chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào, đặc biệt là các thủy vực nước chảy Sự hòa tan của oxy cũng tuân theo quy luật Henry và có thể được tính theo công thức sau đây:

Cs = Ks x P Trong đó: Cs = sự hoà tan của khí,

Ks = hiệu suất hoà tan

P = áp suất riêng phần của khí Thí dụ, ở 30oC và 1 atm (760 mm Hg) hàm lượng oxy hòa tan = 26,1 mL/L x 0,209 = 5,5 mL/L hoặc = 5,5 mL/L x 1,4 = 7,7 mg/L (32.000mg/22.400 mL = 1,4) Phần trăm bão hòa của oxy trong nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và nồng độ muối nhất định (Bảng 3-4) Nước hòa tan nhiều hơn hay ít hơn nồng độ bão hòa được gọi là quá bão hòa hay dưới bão hòa Hiện tượng oxy hòa tan quá bão hòa thường xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất

Oxy hòa tan trong nước còn do sự quang hợp của thực vật trong nước, quá trình này thường diễn ra mạnh trong các thủy vực nước tĩnh

Trong nước hàm lượng oxy hòa tan có thể mất đi do quá trình hô hấp của thủy sinh vật hay quá trình oxy hóa vật chất hữu cơ trong nước và trong nền đáy ao Nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy trong thủy vực được trình bày ở Hình 3-5

Trong thủy vực nước chảy hàm lượng oxy hòa tan thường ít khi vượt quá bão hòa Trong khi đó, ở các thủy vực nước tĩnh thực vật quang hợp tạo ra oxy lớn hơn gấp nhiều lần so với quá trình hô hấp của thủy sinh vật, do đó hàm lượng oxy hòa tan có thể vượt quá mức bão hòa trên 200% (Hình 3-6)

Bảng 3-4 Độ hòa tan của oxy (mg/L) dưới tác dụng của nhiệt độ, độ mặn 0-40‰

(không khí ẩm, khí áp = 760 mm Hg) Theo Colt (1984) Trích dẫn bởi

Boyd (1990)

Độ mặn, phần ngàn (ppt) Nhiệt độ

Hình 3-5 Nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy trong thủy vực

Trong các ao nuôi thủy sản hàm lượng oxy có sự biến động lớn theo ngày đêm, mức

độ biến động phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng và sự phát triển của thực vật Trong

ao nuôi nghèo dinh dưỡng, thực vật kém phát triển nên biên độ dao động của oxy nhỏ Trong ao giàu dinh dưỡng thực vật phát triển mạnh, vào ban ngày chúng quang hợp làm hàm lượng oxy hòa tan tăng cao vượt quá mức bão hòa và đạt mức cao nhất vào khoảng 14:00-16:00 giờ Ngược lại, ban đêm quá trình hô hấp của thủy sinh vật tiêu thụ nhiều oxy làm hàm lượng oxy hòa tan giảm dần và đạt mức thấp nhất vào sáng sớm Những ao quá giàu dinh dưỡng, hàm lượng oxy hòa tan vào sáng sớm có thể giảm đếm mức 0 mg/L và đạt đến mức quá bão hòa 200% vào giữa trưa (Hình 3-7)

Hình 3-7 Những thay đổi ngày đêm về hàm lượng oxy hoà tan (mg/L) trong ao nghèo

dinh dưỡng (đường chấm), ao giàu dinh dưỡng (đường gạch) và quá giàu dinh dưỡng (đường liền)

Trong một ao nuôi thủy sản hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du có khuynh hướng tăng dần vào cuối vụ nuôi, do đó sự biến động hàm lượng oxy hòa tan theo ngày đêm cũng tăng dần Đầu vụ nuôi, hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du thấp nên hàm lượng oxy hòa tan thường thấp hơn mức bão hòa và ít biến động Càng về cuối vụ nuôi, thực vật phù du phát triển làm hàm lượng oxy hòa tan biến động mạnh, khi thực vật phù du phát triển quá mức thì hàm lượng oxy hòa tan lúc thấp nhất (sáng sớm) sẽ thấp hơn nhu cầu của cá, cần phải có biện pháp khắc phục (Hình 3-8)

Hình 3-8 Mối quan hệ giữa sự phát triển của thực vật nổi và hàm lượng oxy hoà tan

trong chu kỳ nuôi thịt tôm càng xanh (Theo C.W Lin & Yang Yi, 2001)

4.2 Ý nghĩa sinh thái học của oxy hòa tan trong môi trường nước

Oxy là chất khí quan trọng nhất trong số các chất khí hòa tan trong môi trường nước

Nó rất cần đối với đời sống sinh vật đặc biệt đối với thủy sinh vật, vì hệ số khuếch tán của oxy trong nước nhỏ hơn rất nhiều so với trong không khí Theo Krogh (1919) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì hệ số khuếch tán của oxy trong không khí là 11 còn trong nước chỉ là 34.10-6 Do đó, dễ đưa đến hiện tượng thiếu oxy cục bộ trong thủy vực Hơn nữa, trong thủy quyển oxy hòa tan chỉ chiếm 3,4% thể tích, còn trong khí quyển nó chiếm tới 20,98% thể tích

Theo Swingle (1969) thì nồng độ oxy hòa tan trong nước lý tưởng cho tôm, cá là trên

5 ppm Tuy nhiên, nếu hàm lượng oxy hòa tan vượt quá mức độ bão hòa cá sẽ bị bệnh bọt khí trong máu, làm tắt nghẽn các mạch máu dẫn đến não và tim đưa đến sự xuất huyết ở các vây, hậu môn

4.3 Biện pháp tránh và khắc phục hiện tượng thiếu oxy trong các ao nuôi cá

Để tránh và khắc phục hiện tượng thiếu oxy trong các ao nuôi cá, khi nuôi ta cần chú

ý các điểm sau:

- Ao nuôi cần thoáng khí, nếu cần thả lục bình, rau muống hay bèo để làm nơi trú ẩn cho cá khi nhiệt độ nước quá cao thì nên gom chúng lại ở một góc ao và không được thả quá 1/3 diện tích mặt ao

- Không cho ăn thức ăn quá dư thừa hoặc bón phân quá liều lượng, vì như vậy sẽ

dễ dàng đưa đến hiện tượng thực vật phù du nở hoa làm nồng độ oxy hòa tan giảm thấp vào ban đêm (có khi hết hẳn), có thể cả trong ban ngày khi thực vật phù du chết đi quá trình phân hủy của chúng tiêu hao nhiều oxy của môi trường

và phóng thích nhiều CO2, tích lũy nhiều NH3, H2S không có lợi cho đời sống thủy sinh vật trong ao

- Thay nước với nguồn nước có chất lượng tốt

- Khi thấy có hiện tượng xấu như cá nổi đầu hàng loạt và hoạt động yếu (không phản ứng với tiếng động) thì phải tiến hành sục khí hay cấp nước mới

- Sử dụng chất oxy hóa như KMnO4 (2-6 mg/L), nhưng hiệu quả không cao bởi

vì phải dùng 6,58 mg/L để tạo ra 1 mg O2/L Hàm lượng KMnO4 quá mức sẽ gây độc cho cá

4KMnO4 + 2H2O → 4KOH + 4 MnO2 + 3O2

KMnO4 có tác dụng oxy hóa làm giảm các chất độc như H2S, Fe2+, thuốc trừ sâu, kim loại nặng

5.1 Động thái của khí H 2 S trong môi trường nước

Khí H2S tích tụ dưới nền đáy các thủy vực chủ yếu là do quá trình (i) phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh hay (ii) quá trình phản sulfate hóa với sự tham gia của các vi khuẩn yếm khí Trường hợp thứ nhất thường hay gặp ở hầu hết các thủy vực, trường hợp thứ hai thường gặp ở thủy vực nước lợ, mặn như biển và đại dương,