Zuurstof

Water, zuurstof en licht zijn de belangrijkste knoppen waar je aan kunt draaien om een aquarium te sturen. Voor wat betreft zuurstof is het zaak om de concentratie te maximaliseren binnen de kaders van je aquascape.

Het element zuurstof

Zuurstof is het kleurloze, geurloze, gasvormige element voorgesteld door het symbool “O”, met een atoomnummer van 8, en vormt ongeveer 21% van het volume van de atmosfeer, en is biologisch belangrijk vanwege zijn rol in verschillende biochemische en fysiologische processen, vooral van aërobe organismen.

Zuurstof is een van de meest voorkomende elementen in levende wezens, samen met koolstof, waterstof en stikstof. Het is ook het derde meest voorkomende element in het universum, naast waterstof en helium.

Water (H₂O) is een van de oxiden van waterstof en het meest voorkomende oxide. De waterstofatomen zijn door covalente bindingen aan zuurstof gebonden. Water is een polair molecuul vanwege de zuurstof die een lichte negatieve lading heeft, terwijl de waterstofatomen een lichte positieve lading hebben. De polariteit van water maakt het een uitstekend oplosmiddel. De enigszins negatieve zuurstof trekt kationen aan, terwijl de enigszins positieve waterstof anionen aantrekt. Water heeft dus het vermogen om moleculen te dissociëren en te ioniseren. Water, CO₂, MgO, Al₂O₃, Na₂O, CaO, BaO en ZnO zijn voorbeelden van oxiden, die ook voorbeelden zijn van anorganische verbindingen die zuurstof bevatten.

Organische verbindingen worden fundamenteel gedefinieerd als die stoffen die koolstofatomen en koolstof-koolstof (C-C) en koolstof-waterstof (C-H) bindingen bevatten. Voorbeelden van gewone organische verbindingen die zuurstof en R (de organische functionele groep) bevatten, zijn alcoholen (R-OH), aldehyden (R-CO-H), amiden R-C(O)-NR2, esters (R-COO-R), ethers (R-O-R) en ketonen (R-CO-R). Andere belangrijke organische verbindingen die zuurstof bevatten, zijn citroenzuur, formaldehyde, glycerol, aceetamide, formaldehyde en glutaaraldehyde.

Zuurstofcyclus

Zuurstof is het derde meest voorkomende element in het universum, na waterstof en helium. Het komt daarom veel voor en wordt op aarde gefietst. Zuurstofcyclus is een van de biogeochemische cycli op aarde, die van de ene vorm in de andere wordt omgezet.

De vier belangrijkste zuurstofreservoirs zijn de atmosfeer, de hydrosfeer, de lithosfeer en de biosfeer.

De lithosfeer is het grootste reservoir, met name in de silicaat- en oxidemineralen in de aardkorst en mantel.

In de atmosfeer komt zuurstof voornamelijk voor als dizuurstof, O₂. Het heeft ook andere zuurstofmoleculen, zoals ozon (O₃), CO₂, H₂O (als waterdamp) en andere oxiden. De hoge concentratie ozon is verantwoordelijk voor de vorming van het UV-schild, de ozonlaag genaamd, in de stratosfeer.

In de hydrosfeer komt zuurstof voor in watermoleculen, in carbonzuren en als vrije zuurstof.

Een belangrijke bron van zuurstof komt uit de biosfeer als bijproduct van het biologische proces, fotosynthese. Fotolyse vormt ook zuurstof. Het breekt water en stikstofoxide af om vrije zuurstof in de atmosfeer af te geven, terwijl waterstof en stikstof in de ruimte terechtkomen.

Zeedieren met schelpen van calciumcarbonaat dienen ook als biologische bron. Wanneer ze sterven, wordt het calciumcarbonaat in hun schaal opgenomen in de kalkstenen afzettingsgesteenten.

Vrije zuurstof uit de atmosfeer wordt gemetaboliseerd door aërobe organisme, waarbij koolstofdioxide CO₂ wordt afgegeven.

Biochemie en zuurstof

In de biologie speelt zuurstof een cruciale rol in verschillende biochemische en fysiologische processen. Het is het meest voorkomende element (65% in massa) in het menselijk lichaam, gevolgd door: koolstof (18,5%), waterstof (9,5%), stikstof (3,2%), calcium (1,5%) en fosfor (1%) .

Respiratie

Bij dieren komt dizuurstof (O₂) het lichaam binnen via de longen en bindt zich vervolgens aan de hemoglobine van de rode bloedcellen om aan verschillende delen van het lichaam te worden afgegeven. De dizuurstof maakt zich los van het hemoglobine en komt door diffusie de weefsels binnen. Op zijn beurt wordt koolstofdioxide opgepikt om naar de longen te worden gebracht om naar buiten te worden vrijgegeven.

Zuurstof komt de cel binnen om door mitochondriën te worden gebruikt om ATP te genereren door middel van cellulaire ademhaling. Het fungeert als de laatste elektronenacceptor in de elektronentransportketen tijdens oxidatieve fosforylering.

De algemene reactie van cellulaire ademhaling is: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 2880 kJ/mol.

Omdat het zuurstof gebruikt, wordt het proces beschreven als aëroob. De aanwezigheid van zuurstof maakt cellulaire ademhaling ongeveer tien keer efficiënter in het opleveren van ATP.

Fotosynthese

Fotoautotrofen, zoals cyanobacteriën, groene algen en planten, produceren zuurstof door middel van fotosynthese. De algemene formule van het proces is:

6 CO₂ + 6 H₂O + fotonen → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Kooldioxide, water en fotonen zijn nodig om glucose en O₂ te produceren. De zuurstof komt uiteindelijk vrij in de atmosfeer.

Lees meer over fotosynthese.

Nitrificatie

Nitrificatie is het proces waarbij ammoniak (NH3) of ammonium (NH4+) wordt omgezet in nitraat (NO3−). Nitrificatie is het netto resultaat van twee verschillende processen: oxidatie van ammonium tot nitriet (NO2-) door nitrosificerende of ammoniak-oxiderende bacteriën en oxidatie van nitriet (NO2-) tot nitraat (NO3-) door de nitriet-oxiderende bacteriën. Nitrificatie is een belangrijke stap in de stikstofcyclus in de bodem. Nitrificatie is een aëroob proces dat wordt uitgevoerd door kleine groepen autotrofe bacteriën en archaea.

Nitrificatie is een proces van oxidatie van stikstofverbindingen (effectief verlies van elektronen van het stikstofatoom naar de zuurstofatomen):

2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2– + 2 H2O + 4 H+ (Nitrosomonas)
2 NO2– + O2 → 2 NO3– (Nitrobacter, Nitrospina)
NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e−
NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e−

Beide processen zijn extreem energetisch arm, wat leidt tot zeer lage groeisnelheden voor beide soorten organismen.

Lees het artikel over ammoniak.

Opgeloste zuurstof

De hoeveelheid vrije zuurstof opgelost in water, uitgedrukt in mg/l, delen per miljoen (ppm), of in percentage van verzadiging, d.w.z. waar verzadiging betrekking heeft op de maximale hoeveelheid zuurstof die theoretisch kan worden opgelost in water op een bepaalde hoogte en temperatuur.

De hoeveelheid vrije zuurstof die in water wordt opgelost, wordt gemeten, aangezien het kan worden gebruikt als een indicatie van het vermogen van een bepaalde waterhabitat om levende organismen die erin leven te ondersteunen. Het vertelt de hoeveelheid vrije zuurstof die beschikbaar is voor organismen om te gebruiken. Een hoge of een lage concentratie vrije zuurstof in een aquatische habitat beïnvloedt zowel de waterkwaliteit als de organismen daarin.

Deze parameter wordt dus vaak gemeten om de kwaliteit van water te bepalen en het vermogen om het leven te ondersteunen te beoordelen.

Watertemperatuur, -druk en biologische activiteit kunnen het niveau van vrije zuurstof opgelost in water beïnvloeden.

Opgeloste zuurstof (DO) verwijst naar het niveau van vrije, niet-samengestelde zuurstof (O2) opgelost in water of andere vloeistoffen. De gebonden zuurstof in water (H2O) zit in een verbinding en telt niet mee voor het gehalte aan opgeloste zuurstof. DO is een belangrijke parameter bij het beoordelen van de waterkwaliteit vanwege de invloed ervan op de organismen die in een waterlichaam leven. Zuurstof komt in het water terecht door diffusie uit de omringende lucht, door beluchting of als afvalproduct van fotosynthese. DO is essentieel voor het overleven van organismen in een stroom. De aanwezigheid van zuurstof is een positief teken en de afwezigheid van zuurstof is een teken van ernstige vervuiling. Wateren met constant hoge opgeloste zuurstof worden beschouwd als stabiele aquatische systemen die in staat zijn om veel verschillende soorten waterleven te ondersteunen.

Opgeloste zuurstof is zuurstof (O₂) opgelost in water, en in de natuur wordt het opgelost in water in verhouding tot de partiële druk van O₂ in de atmosfeer. Opgeloste zuurstofniveaus worden uitgedrukt als de hoeveelheid opgeloste O₂ per volume-eenheid water (mg/L). Het is bekend dat het verzadigingsniveau van O₂ opgelost in zuiver water bij 25ºC en 1 atm (1013 hPa) 8,11 mg/L is.

De hoeveelheid opgeloste zuurstof in snel bewegend water is hoger dan in stilstaand water. Door de overtollige organische stof in meren en rivieren kunnen ze eutroof worden. Wanneer opgeloste zuurstof in het oppervlaktewater aanwezig is, gedijt alle soorten waterleven.

Omdat zuurstof een niet-polair molecuul is, heeft het een lage oplosbaarheid in water. De hoeveelheid opgeloste lucht in water is doorgaans minder dan 1%, maar kan oplopen tot 30%.

Biochemisch zuurstofverbruik

De meeste natuurlijke wateren, maar ook aquascapes, bevatten kleine hoeveelheden organische verbindingen. Aquatische micro-organismen zijn geëvolueerd om sommige van deze verbindingen als voedsel te gebruiken. Micro-organismen die in zuurstofrijk water leven, gebruiken opgeloste zuurstof om de organische verbindingen oxidatief af te breken.

Populaties van deze micro-organismen hebben de neiging toe te nemen in verhouding tot de hoeveelheid beschikbaar voedsel. Dit microbiële metabolisme creëert een zuurstofbehoefte die evenredig is met de hoeveelheid organische verbindingen die bruikbaar zijn als voedsel. Onder bepaalde omstandigheden kan het microbiële metabolisme sneller opgeloste zuurstof verbruiken dan zuurstof uit de lucht kan oplossen in het water of de autotrofe gemeenschap (algen, cyanobacteriën en macrofyten) kan produceren. Vissen en waterinsecten kunnen doodgaan wanneer zuurstof wordt verbruikt door microbieel metabolisme.

In water met een hoge organische vervuiling is er sprake van een hoog biochemisch zuurstofverbruik. Biochemisch zuurstofverbruik (BZV) geeft het niveau van vervuiling aan als de hoeveelheid zuurstof die voor aerobe micro-organismen nodig is om organische verontreinigende stoffen in water af te breken.

De meeste ongerepte rivieren hebben een BZV van minder dan 1 ppm. Matig vervuilde rivieren kunnen een BZV tussen de 2 en 8 ppm. Rivieren kunnen als ernstig vervuild worden beschouwd wanneer de BZV-waarden hoger zijn dan 8 ppm. Gemeentelijk afvalwater dat efficiënt wordt behandeld, zou een waarde hebben van ongeveer 20 ppm of minder. Onbehandeld rioolwater varieert, maar ligt gemiddeld rond de 600 ppm in Europa.

Het verhogen van opgeloste zuurstof

De opgeloste zuurstof kun je op een aantal manier verhogen in een aquascape:

• Een lagere temperatuur
• Planten
• Een lage bak (groot wateroppervlakte ten opzichte van watervolume)
• Schoon wateroppervlakte

Blijf scapen.

Ruud