Misurare la CO2 in acquario, quando e come.

In un acquario ben piantumato, occorre spesso aiutare la crescita delle piante con l’ausilio dell’anidride carbonica, molecola essenziale per la fotosintesi clorofilliana: processo chimico-biologico che permette alle cellule vegetali di produrre l’energia necessaria alla propria sopravvivenza metabolizzando la CO2.
L’anidride carbonica è l’elemento di scarto della respirazione cellulare di animali e piante (perché anche le piante respirano, di notte!) ma è anche fonte di energia per le piante che, grazie all’energia luminosa, rompono questa molecola in vari processi chimico-biologici fissando il carbonio (utile elemento strutturale delle piante) e liberando l’ossigeno come prodotto di scarto.
Immagine esemplificativa della fotosintesi clorofilliana (fonte web) 
La CO2 presente nei nostri acquari non è sufficiente ad alimentare tutta la massa vegetale come in natura; per ottenere una buona “alimentazione” occorre fornirla attraverso fonti esterne che oggigiorno sono quelle derivanti da erogatori di gas (bombole), quelle da processi elettrolitici, quei processi cioè che attraverso l’applicazione di energia elettrica a basso voltaggio su un elettrodo di carbonio, sintetizzando la CO2 attraverso processi chimici (sistemi a bicarbonato) oppure attraverso l’apporto di carbonio sotto forma organica attraverso cioè l’erogazione del gas prodotto da attività biologiche di fermentazione quali il conosciutissimo sistema a lievito.
Erogare la CO2 in acquario non è un’operazione semplice perché pericolosa non solo per la vita dei pesci ma anche per l’equilibrio che si instaura nel sistema acquario.
Ma cosa succede quando eroghiamo l’anidride carbonica in acquario?
La CO2 si solubilizza in acqua  secondo la seguente reazione chimica:
CO2 + 2H2O <—> HCO3- + 2H3O+
In realtà questa reazione è molto esemplificativa poiché il debole legame con l’acqua forma vari complessi chimici in equilibrio tra loro. Spiegare gli equilibri chimici che si formano quando la CO2 gassosa si lega con l’acqua sarebbe a dir poco di scarsa comprensione in questo blog; ciò che importa veramente è che la formazione del debole legame chimico con l’acqua incide molto sulla solubilità di questo gas. Nulla di complicato (più o meno!) se non per il fatto che questo ione solubile porta alla formazione di Acido carbonico e Bicarbonati in equilibrio tra loro insieme alla CO2 cioè l’anidride carbonica si combina all’acqua formando acido carbonico prima e successivamente bicarbonati (quelli che misuriamo con il test della durezza temporanea dKH) queste tre specie chimiche (Anidride carbonica, acido carbonico e bicarbonato) sono in equilibrio tra loro e a seconda del pH le quantità variano tra loro. L’acido carbonico ha reazione acida, il bicarbonato ha reazione basica, in base alla CO2 erogata e a seconda di quanti bicarbonati sono già presenti in acqua si avranno equilibri diversi. Tale equilibrio durante l’erogazione della CO2 porta a 2 situazioni di equilibrio differenti:
1. Aumentando l’erogazione della CO2 il pH diminuisce per la maggiore presenza di acido carbonico (HCO2-) ciò comporta la diminuzione del pH e la trasformazione dei bicarbonati nella sua forma acida aumentano ulteriormente la CO2 disponibile in acquario.
2. L’erogazione di CO2  non diminuisce il pH poiché l’acido carbonico non resta in equilibrio con la CO2 e si  combina come bicarbonato a reazione di pH basica.
Questi equilibri sono ovviamente costanti quanto più l’erogazione di CO2 è costante.
La tabella di equilibrio, che noi tutti conosciamo, non é altro che il calcolo stechiometrico delle concentrazioni molari delle forme chimiche presenti in acqua, indica in pratica la concentrazione di CO2 ad un determinato valore di pH.

Come utilizzare queste tabelle? Beh! A questo punto é chiaro che col semplice test del pH si può capire come ottimizzare l’erogazione della CO2 affinché le condizioni chimiche in acquario siano mantenute in equilibrio.
Poiché, abbiamo visto che é questo il parametro che ci permette di capire quali forme chimiche sono presenti possiamo dedurre che: se il pH é troppo basso significa che il gas é in eccesso e che, oltre ad essere pericoloso per la vita dei pesci, si disperde senza essere assorbito dalle piante, se il pH é troppo alto vuol dire che:
1. la CO2 erogata è insufficiente a formare l’acido carbonico.
2. La CO2 e la successiva formazione dell’acido non riesce a neutralizzare la reazione basica dei bicarbonati o nei casi estremi vi é presenza di carbonati o meglio di rocce calcaree.
Nel primo e nel secondo caso basta solo aumentare l’erogazione della CO2 dopo aver verificato il pH dell’acqua e la durezza carbonatica (dKH) nel caso in cui il pH risulti essere maggiore di 8 siamo nella situazione di presenza di arredi calcarei che spostano l’equilibrio verso la formazione di carbonati senza rendere disponibile la CO2 in acquario.

Alcune tipologie di misuratori permanenti di CO2
Il sistema più economico per conoscere quanta anidride carbonica é sciolta in acqua é misurare il pH attraverso le tabelle di comparazione succitate, ma dovete sapere che, questo parametro così misurato nell’acqua, non è del tutto veritiero poiché non sempre ci fornisce la reale concentrazione di CO2 utile alle piante.
Per capire bene questo concetto dobbiamo definire l’anidride carbonica che occorre alle piante “CO2 libera” cioè quella parte di anidride carbonica in equilibrio tra la forma gassosa a quella acida (acido carbonico) e quella non disponibile alle piante quella cioè che è presente sotto forma di bicarbonati “CO2 combinata”. Solo poche specie vegetali riescono a ricavare il carbonio dai bicarbonati e spesso anche in condizioni di assenza di CO2 libera, l’apporto di carbonio da questa forma combinata è da considerarsi in acquario minima o nulla.
Dunque, se misuriamo il pH dell’acqua avremo la misura di un parametro che coinvolge tutte le forme di CO2 da quella combinata a quella libera ma la misura non terrà certamente conto della presenza di acidi organici e dei processi biologici che producono naturalmente sostanze acide, basiche e perché no, neutre. Anche queste sostanze permettono alla CO2 di trovarsi nella forma combinata o nella forma libera. Come facciamo a capire se le piante respirano?
Esiste un semplice sistema per misurare la CO2 libera in acquario ed è comunemente chiamato “misuratore permanente di CO2”. Consiste in un tubo di vetro ritorto (ma ce ne sono anche di altre forme) contenente alcuni ml di acqua e alcune gocce di indicatore di pH. Il liquido così ottenuto è immerso in acquario, separato da una bolla d’aria. La CO2 libera presente in acquario per mezzo di alcune leggi fisiche tenderà a portare sempre all’equilibrio anche la soluzione contenuta nel misuratore. Dopo alcuni minuti di immersione si avrà l’equilibrio dei gas disciolto in entrambe le soluzioni. La misura del pH confrontato dalle apposite cartelle di comparazione darà l’esatta misura della CO2 disponibile in acquario.
Per utilizzare al meglio questo utile accessorio bisogna però usare alcuni accorgimenti. L’acqua utilizzata nel misuratore dovrà essere distillata o esente di sali (specie da carbonati e bicarbonati) che possono influire sulla solubilità della CO2; se si inserisce l’acqua dell’acquario nel misuratore otterremo la semplice misura del pH in acquario, con acqua distillata avremo la misura la CO2 libera presente perché l’acqua di osmosi non essendoci sali é  sensibile solo alle variazioni di pH dovute ai gas che ridisciogliendosi reagiscono con le molecole dell’indicatore ottenendo così sensibili variazioni giornaliere dovute alla respirazione cellulare difatti con questo sistema si otterrà in modo più accurato la misura della CO2, alle prime ore di luce che dovrà risultare comunque non in eccesso per non compromettere la vita dei pesci, durante la notte o allo spegnere delle luci, CO2 in difetto, per azione di assorbimento da parte delle piante.
Buone variazioni del pH, all’accensione e allo spegnimento delle luci, sono una evidente prova che le piante prosperano bene senza carenze di luci e nutrienti che significa che la respirazione delle piante é eccellente.
Provando ad inserire due misuratori in acquario uno contenente l’acqua di osmosi e l’altro con l’acqua della vasca, non appena entrambi avranno raggiunto l’equilibrio, si potranno notare notevoli differenze di pH. Ovviamente in un acquario con molte piante (nutrienti e luce) la differenza sarà ben visibile rispetto ad un normale acquario dove la differenza sarà marginale.
In presenza di muschi la misurazione con acqua esente da sali sarà certamente più utile da verificare poiché i muschi tendono ad adsorbire la CO2 libera e non quella combinata quella cioè che è presente in equilibrio tra la forma gassosa e legata come acido carbonico a differenza di molte comuni piante d’acquario, adattatesi a vivere sia in forma emersa che sommersa, che tenderanno ad adsorbire la CO2 dal complesso acido carbonico-bicarbonato. Ciò vuol dire che per verificare che le piante “respirano” negli acquari ben piantumati è utile misurare entrambi i parametri scegliendo misuratori simili tra loro, per evitare le possibili interferenze ottiche e scegliendo soluzioni indicatrici sensibili alle piccole variazioni di pH.