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Answer MNB9


Q 17時~23時まで水草水槽に炭酸ガスを添加しています。その間マイクロ・ナノバブラーのエアレーションを止めたいのですが、ホームページには一定時間給気を止めると再開してもエアーが出なくなると書いてあります。大丈夫でしょうか?

A 電話でのお問い合わせをいただきましてありがとうございました。 十分にご理解いただけたかどうか私自身若干不安がありましたので、詳細な解説を活字にしてブログに残したいと思います。長い文面になってしまいましたが、参考にしていただければ幸いです。

 M様は帰宅後、就寝されるまでのひとときに水草水槽の景観を楽しみたいのですね。その時間帯にのみ炭酸ガスを添加して水草の活性を高めたいとお考えなのですが、マイクロ・ナノバブラーを同時に作動させると、せっかく添加した炭酸ガスがバブラーの気泡によって追い出されてしまうのではないか、炭酸ガスを添加している間はバブラーを止めた方が良いのではないかとお考えなのですね。

 結論から申し上げます。多分、その御心配は要らないと思います。 水中のガス交換の多くは水面で行われており、気泡径の大きな従来のエアレーションの場合は気泡と一緒に底層の飼育水が持ち上げられて、水面付近で波紋を作りガス交換が促されます。この時の飼育水の上昇量は概ね気泡のサイズに比例するようで、バブラーのような微細な気泡には残念ながら大量に飼育水を持ち上げる力がありません。従って水面にできる波紋も微々たるもので、積極的なガス交換を促す効果はあまり期待できません。 一方、バブラーによる気体の溶解効率が高い理由は、超微細な気泡を作り気体と水との接触面積を増やすところにあります。気体を溶かし込ませる効率は高いものの、すでに溶け込んでいる他の気体を攪拌作用によって追い出すような効果はほとんど見込めません。

 ミジンコの培養池ではエアレーションが禁物だということをご存じですか? 溶存酸素を増やそうと中途半端なエアストーンを投入すると、生まれたてのミジンコの小さな幼生が気泡によって水面近くに持ち上げられ、気泡の破裂に伴う衝撃でダメージを受けてしまうのです。バブラーの微細な気泡はミジンコの培養池でも幼生にダメージを与えることがありません。これは他のエアレーションでは到底実現できないバブラーの長所です。 バブラーの作り出す微細な気泡はゆっくりと水面まで上昇します。そのスピードは炭酸ガスのデュフューザーと同じくらいか、Mさんにご購入いただいたSSグレードではデュフューザーより遅いかも知れません。 実はこれ、目に見える気泡の話であって、実際には目に見えないマイクロバブルやナノバブルといった超微細な気泡も大量に発生しています。微細気泡数を測定できる特殊な装置で計測してみると、1ml中に1億個以上の気泡が作られていることが分かります。それらの多くは水面に向かうことなく水中をただよい、やがてより小さな径に縮まり、最後には圧壊という形で気泡そのものがなくなってしまいます。この圧壊に伴う様々な物理的効果が病原菌やウイルスの制御に有効ということで評価をされているのですが、目に見えないものは商品として売りにくいので、水槽内で目に見える気泡のサイズでSグレード、SSグレードの差別をさせていただいています。目に見えない部分の発生量にはさほど大きな差はありません。 従って炭酸ガスを強制添加中であっても、溶解したガスを追い出してしまうマイナスの効果は微々たるものですから、あえてバブラーを停止させる必要はないと考えます。

 

 ついでですから酸素や二酸化炭素が水に溶けたり、水から逃げ出したりするメカニズムについてご説明しましょう。一般論として酸素や二酸化炭素は水面を境に大気中と水中を行き来しています。自然界では水槽内で用いられるエアレーションや意図的に水面を攪拌するような働きかけは行われませんので、水面でのガス交換は極めて重要なメカニズムになっています。

 通常大気中の酸素濃度は概ね20%前後とされています。これを25℃の時の容積から絶対量で表示すると、100gの窒素(N2)ガスが占める容積は87.3Lであることがわかっていますから、

20% ⇒ 20g/100g ⇒ 20g/87.3L ⇒ 229mg/L

となります。

水に溶け込む酸素の量には上限があり、水温によって異なります。その量は表の通り最大濃度の水温0℃の時でも14.16mg/Lを最多として水温上昇につれて減って行きます。25℃では8.11mg/Lで、何と空気中の1/27しかないのです。水生生物はこのわずかな酸素を必死に取り込んでいるのです。魚を移送する時にポリ袋に水と魚を入れて最後に酸素を注入してから輪ゴムで閉じます。気体の部分にはかなり高濃度の酸素が充填されますので、それが水に溶け込むには数日掛かることになります。金魚や観賞魚がポリ袋に詰められて輸送されても数日の間死なずに済むのは水の中に溶け込む酸素の量が微々たるものだからです。エビ類を輸送する時には水の量を極力減らし、濡れた水草などと一緒に酸素詰めした方が歩留まりが良いことが知られています。クルマエビなどは湿らしたおがくずをまぶしただけで輸送できます。コイは濡らした新聞紙にくるんでおけば数時間死ぬことはありません。濡れた状態で大気に触れさせておけば体表からかなりの酸素供給がなされるということです。

 大気中の酸素量は常に水中の酸素量を遙かに上回っていますので、水面を境に水に溶け込もう溶け込もうとスタンバイをしているのですが、そのチャンスは平滑な水面よりも波立った水面の方が多いということはご想像いただけると思います。釣りをされる方はしばしば経験されることですが、べた凪よりも若干波があった方が魚は良く釣れます。無風状態で食い渋っていた状況から風が吹き始めると「釣れ出すぞ」と期待が高まるものです。これは水面の波立ちに依って大気中の酸素が水に溶け込み、溶存酸素が微妙に増加し、それが魚の活性や食欲と密接な関係を持っているからです。水生生物の多くはわずかしかない水中の酸素を必死の思いで取り込んでいるのだということを知っておいて下さい。

 濾過槽もエアレーションもない水槽でも、そこそこの数であれば魚を飼うことはできます。水面からの酸素の溶け込み量が魚の消費量を上回れば魚が酸素不足に陥ることはないからです。閉ざされた水域空間での水生生物飼育の原点はここから始まります。魚の数が増えて溶存酸素不足になれば、まずエアレーションをします。金魚すくいの水盤のようなものです。これは気泡そのものから酸素を溶かせ込もうというのではなく、気泡が水面を動かし、水面からの溶込みを促すための手段です。一時的な飼育であればこれで事足りますが、さらに長期間の飼育を目指すのであれば、飼育生物への給餌を行い排泄物の処理が必要となりますので、その機能を持った濾過装置を組み込みます。 この辺が水槽管理のいろはとなります。

上面フィルター

上面フィルター

オーバーフロー式フィルター

 水槽の水質管理に濾過装置は必須のものですが、その種類によって水面への飼育水の当たり方(波の起こり方・ガス交換の効率)は大きく異なります。 

上面フィルターの多くは濾材エリアを通過した飼育水が水槽の上方から水面へと落とされます。海水魚飼育ではもっぱらオーバーフロー方式が用いられていますが、こちらはサンプと呼ばれる水槽下方の濾過エリアに水槽水面の高さから飼育水が落とされます。上面フィルターよりもさらに落差がありますので、まさに水面に水をたたきつけるような状況となり、その騒音に対処する方策までもが求められます。いずれも飼育水は水面で強く攪拌されることになりますのでこれらの濾過方式ではガス交換は水面で行われ、その効率はかなり高いものとなります。そこでは大気中の酸素が水流と共に水中に溶け込み、逆にすでに溶け込んでいる炭酸ガスや他の気体は水中から追い出される事となり、溶存酸素については有意に上昇させることができます。現在に至るまでのかなり長い間これらの濾過方式が支持をされているのは溶存酸素に対するユーザーの強い欲求を満たしてくれるメカニズムに依るものでしょう。

エーハイム 2213

 ところが近年水草をメインとした水槽景観がもてはやされるようになると、水草の光合成を促すための条件が濾過装置にも求められるようになりました。そこに登場したのが、エーハイムやフルーバルと言ったドイツ生まれの外部式濾過装置でした。飼育水が濾材を通過する際に大気との接触がないため、いわゆる曝気効果を意図的に排除できるものです。それはすでに飼育水に溶け込んでいる炭酸ガスを大気中に放散することなく水槽に戻すことを可能としました。従来の濾過システムに馴染んだ溶存酸素至上主義を支持するユーザーにとってはまさに青天の霹靂で、こんなもので硝化菌への酸素供給が十分に行われるのか、硝化能力が不足するのではないかといった懸念が当然のように持たれました。

 実際にこれらのシステムが普及するに伴い、従来の濾過槽のように積極的に溶存酸素濃度を高める工夫をしなくとも硝化細菌への酸素供給は足りていることが理解され始めたのですが、溶存酸素にこだわりを持つ古くからの海水魚愛好家からはいまだに不安が拭いきれない実情があるようです。

 外部式フィルターの導入は飼育水に溶け込んだ炭酸ガスを追い出すことがありませんので、水草の飼育水としてはかなり有利な生育条件をもたらすこととなりました。その結果、炭酸ガス不足により栽培が難しいとされていた様々な水草が、素人にもそこそこのコンディションで維持できるようになり、それ以降水草には上面フィルターより外部フィルターをという暗黙のセオリーが浸透して行きました。それまで難しいとされていた水草の栽培が容易になったことから、いわゆる水草ブームと呼ばれるような過渡期もあり、国内のメーカーも外部式フィルターの開発に尽力し、現在は国産も外国産もほとんど遜色のないレベルで競い合う状況になっています。さらには炭酸ガスの強制添加という強力なアシストも市民権を得ることとなりましたので、こと水草栽培においては濾過システムの選択肢は外部式一辺倒となった感があります。

 外部式濾過槽のメリットは飼育水中の二酸化炭素を水系から追い出すことなく、濾過細菌もそこそこ働かせることができる、その一点に尽きます。水質浄化に寄与する硝化菌をはじめとしたバクテリア群の多くは「好気性」です。つまり彼等の働きを高めるためには溶存酸素が多い方が良いということになります。逆に溶存酸素の供給量というパラメーターだけで濾過能力を比較すれば、高価な外部式よりも安物の上部フィルターの方が優れていることもあるわけです。古くから海水魚を飼っているベテラン諸氏の多くは決して外部フィルターを使おうとはしません。あんなものでは溶存酸素量にシビアな海水魚は飼えない。という判断をされているようです。もちろん絶対に飼えないというわけではなく、より大型の機種を用いて戻り水の水面への当て方に配慮すれば何とかなるのですが、その場合でもコストパフォーマンスの部分で現状では採用例は少ないようです。

 一方、近年海水の無脊椎動物にチャレンジされる方が増えていますが、ソフトコーラルやクラゲの仲間などの体内には「褐虫藻」と呼ばれる藻類が同居していて、彼等の行う光合成が宿主の活性に重要な役割を果たしていることから、褐虫藻のための炭酸ガスの添加が求められる時が来るかも知れません。そう考えると海水分野においても、まだまだ外部式の濾過装置には可能性が残されているのではないかと考えています。

 さて、息抜きに少し違った角度から水中に溶けている酸素と二酸化炭素の関係について述べてみます。  私は若い頃プロのダイバーとして糊口を凌いでいた時期があります。大学の潜水部でスキューバダイビングの基本を身につけたのですが、まず最初に覚えさせられたのが、素潜りつまりスキンダイビングでした。今はフリーダイビングと呼ぶのだそうですが、エアーボンベなしでいかに長く潜っていられるか、まずそこからスタートします。 余談になりますが、スキューバダイビングで背負っているボンベの中身は酸素ではありません。ただの圧縮空気です。昔は150kg/㎡の圧力までしか詰められませんでしたが、今は250kg/㎡までOKのようです。つまりボンベの容積の250倍の空気が詰まっているのです。250分の1に圧縮された空気には当然重さがあり、満タンのボンベは空のボンベよりも数キロも重くなります。

 スキン(フリー)ダイビング経験者の皆さんなら誰でもご存じの初歩的なテクニックがあります。『ハイパーベンチレーション』と呼ばれるもので、水中に潜る前に水面で何度も強い深呼吸を行う行為です。皆さんも水に潜る直前には深呼吸をして息を整えると思いますが、それの強化版とでも思って下さい。これを行うと、水中での滞在時間を長くすることができます。素潜り漁をされている本職の海女(海士)さん達も同じ事をされています。この時発生する呼吸音を磯笛などと呼ぶことがあります。 『ハイパーベンチレーション』は人間の血液に溶け込んでいる酸素の濃度を高めると同時に二酸化炭素の濃度を下げます。水面でのガス交換と同じです。そしてここに大きな落とし穴が発生するのです。「苦しい、息をしなくちゃ」という感覚をつかさどっているのは血液中の酸素の濃度ではないのです。実は二酸化炭素がその鍵を握っているのです。ですからあらかじめ血液中の二酸化炭素の濃度を下げておけば、「苦しい」という感覚に達するまでの時間を先延ばしすることができるのです。結果として長く潜っていられることになるのですが、肝心の酸素濃度はすでに危険レベルに達していても苦しさを感じることがないという極めて危機的な矛盾を招くことにもなりますので、過度の『ハイパーベンチレーション』を行うと、苦しさを感じる前に酸欠で意識を失うなどという大事故を起こす可能性が高まるのです。実際は潜水深度による水圧の違いなども加味して考えなければなりませんが、話が複雑になりますからその部分はパスします。

 人間をはじめとして空気呼吸をしている生物群の呼吸中枢をコントロールしているのが二酸化炭素の濃度(分圧)であることは共通しています。 問題は水の中に棲む生物の場合はどうなのかと言うことです。一般的に魚類の呼吸はエラと皮膚の二つの器官(ドジョウの場合は腸)が受け持っており、その活用比率は魚種や生息環境によって大きく異なるようです。わずかな溶存酸素をエラから吸収するよりも、体表を濡らしてさえおけば水の中よりもはるかに高濃度な酸素が含まれている大気中から酸素を取り込める皮膚呼吸の方が効率が良いのではないかと考えられます。ウナギなどはシャワー程度の水を掛けておけば長期間生かしておけます。ウナギの問屋さんは池でウナギをストックすることはありません。積み重ねた篭の中に入れて上からわずかな水を掛けているだけです。進化の過程で水生の生物が水から陸上に進出できた理由の一つは皮膚呼吸の効率の良さに依るものではなかったかと想像しています。

さて、水の中の炭酸ガスの濃度(分圧)が高まれば、当然の帰結としてそれを取り込んだ生体の血中内濃度も高まり、結果として血液のpHも微妙に低下します。どうもこの辺が呼吸中枢へのシグナルとなり、我々同様に息苦しさのようなものが予兆として認識されているようです。魚の収容数が増えたり、水温が上がったりすると魚のえら呼吸が速くなることは皆さんもしばしば観察されていると思います。それが何によって引き起こされるのか、酸素が薄くなったからか、炭酸ガスが増えたからか、どちらだと思いますか?。 収容魚数に見合った十分な溶存酸素を供給できる状況下で、炭酸ガスを添加してゆくと、魚の呼吸は徐々に速くなります。つまり魚も炭酸ガスの分圧で呼吸の衝動がコントロールされているように見受けられます。私たち人間と同じ感覚でこの事象を見れば、炭酸ガスの濃度(分圧)というものを魚はストレスとして感じているはずです。最新の養殖設備では飼育水の循環浄化過程おいて、炭酸ガスを追い出す装置が組み込まれるようになりました。養殖魚のストレスとなるものは極力これを排除して魚病の発生を防ぎ成長を促すという発想のようで、コスト的にもさほど大きな負担とはならないことから近年は導入が進んでいます。 この辺の発想を私たちの水槽管理に当てはめてみると、上部フィルターやオーバーフローシステムにも侮りがたい優れた効能が秘められていることに気づかれると思います。

 さて翻って我等が水草水槽にはどのような実態があるのでしょうか。 水草水槽に炭酸ガスを添加することは水草愛好家の間ではもはや常識的なものとなっています。炭酸ガスを添加しなくても何ら問題なく繁茂する水草もあれば、添加無しでは正常な生長を見込めない「繊細な」種類もありますので、他人がうまく育てられない難物にチャレンジすることが水草マニアの醍醐味となっている場合もあるようです。そうなると水槽の主人公はもはや水草であって、魚類は引き立て役とならざるを得ません。当然ながら炭酸ガスの添加量にも濃い薄いがあってしかるべきで、その結果として同居している魚介類にも相応なストレスを強いることにも想像を働かせるべきだと思います。

 炭酸ガスは水に溶けやすく、水から逃げ出しやすいという正反対の二つの顔を持っています。水草水槽用としては上部フィルターがタブー視され、外部式のフィルターが用いられているのは炭酸ガスの水面からの散逸を防ぐためであることはすでに述べました。また上部フィルターから外部式に換えただけで、水草の表情ががらっと変わったなどと言うことも良く聞く話です。これらは飼育水に解けている炭酸ガスを水面から逃がさない工夫をするだけで、植物が求める最小限の炭酸ガスの供給が可能になるということです。  一方、強制添加などしなくても、水槽内でも炭酸ガスは常に発生しています。その出所は魚類の呼吸や、微生物の有機物分解に伴うものなどの他、水草自身も夜間には暗反応として通常の酸素呼吸を行っており、その結果植物からも炭酸ガスが放出されるのです。つまり照明が点灯していない夜間の水槽では、炭酸ガスが様々な動植物から供給され続け、点灯される日中にはその二酸化炭素が光合成によって消費されるという顕著な日変化(にちへんか)が起きているのです。飼育水のpHは二酸化炭素の溶解量によって大きく変化し、夜間は低く、日中は高くなるパターンとなります。植物プランクトンの多い池水などの場合、夜間はpH6で日中はpH8などと酸性とアルカリ性を行き来するパターンもあるほどです。水質のパラメーターとしてpHを測られている方は測定時間を決めておかないと、何を測っているか分からなくなる可能性がありますのでご注意下さい。

 タイマーにより照明が消えて炭酸ガスの電磁弁が閉じた直後から魚類の受けるストレスは高まって行きます。照明が消えたからといって水中に溶け込んでいた炭酸ガスが瞬時にゼロになるわけではありません。しばらくは高い濃度が継続されることになります。また炭酸ガスを消費するメカニズム(つまり光合成)は消灯と同時に停止し、全てが炭酸ガスを放出する側になってしまいます。そのような状況の中で唯一炭酸ガスを減らす働きをするのは水面でのガス交換のみです。ところが、外部フィルターを用いている水槽では意図的にそのメカニズムを抑制しているわけですから、炭酸ガスの溶解量(分圧)がなかなか下がらないどころか徐々に増えてゆくという極めて微妙な事態が起こり得るのです。毎晩消灯直後からは、かなりのストレスを飼育生物に与えているかもしれないことを想像しなければなりません。そのことが飼育生物の健康をむしばんでいる可能性も否定出来ないのです。

 マイクロ・ナノバブラーは炭酸ガスの水面での散逸を促すことなく、常に溶存酸素を増やす側として機能します。水草水槽に収容されている動植物にとって心強い味方になるのでないかなどと思う今日この頃です。