3-caratteristiche acqua

15/02/2008
Scuola di specializzazione in:
Allevamento, igiene, patologia delle specie
acquatiche e controllo dei prodotti derivati
TECNOLOGIE PER
L’ACQUACOLTURA
PROF. MASSIMO LAZZARI
Anno accademico 2007-2008
Caratteristiche fisico-chimiche
-
-
H
-
-
O
H2O = O2- + 2H+
I due atomi di idrogeno sono collegati
asimmetricamente all’ossigeno,
determinando una molecola polare.
H
104,5°
+
+
+
+
+
+
+
+
Questa molecola semplice però esiste
solo nella fase di vapore.
L’esistenza, nell’acqua liquida e nel ghiaccio, di molecole
associate permette di spiegare alcune caratteristiche peculiari
dell’acqua che, invece, si accordano male alla struttura
semplice e per questo sono state definite come caratteristiche
“anomale”:
- la temperatura di solidificazione è 0°C,
- la densità massima è raggiunta alla temperatura di circa 4°C,
- la temperatura di ebollizione è 100°C.
Densità
Densità
L’acqua pura raggiunge il massimo di
densità a 4 °C (1kg/dm3).
Acqua salmastra raggiunge il suo valore
massimo ad una salinità di 24,7 g/l (24,7
ppm) e ad una temperatura di –1,4 °C
(temperatura di solidificazione
dell’acqua marina).
Ghiaccio che va a fondo ? No perché
avviene una separazione di sali dall’H2O
in ogni caso il ghiaccio galleggerebbe per
la polarità delle molecole di H2O
Salinità
Il livello di salinità ha importanza per i processi osmoregolatori dei pesci. In
funzione della quantità di elementi disciolti
(principalmente
Cl,
Na,
Mg,
le acque possono essere distinte in:
dolci,
salmastre,
salate.
Ca,
K,
S come SO4),
Salinità
• influenza la regolazione osmotica.
• Le specie dette euraline sono in grado di sopportare larghe variazioni
di salinità.
• Le specie stenoaline possono vivere solo in condizioni di salinità
costanti.
• Non esiste una chiare delimitazione tra i due gruppi.
• Ogni specie presenta un limite inferiore e superiore ottimali e critici
• Per gli animali di acqua dolce
• pressione osmotica del sangue = 7 g/l di una soluzione salina di NaCl
• Molti di questi pesci possono sopravvivere anche in acque con salinità
superiore.
• Tuttavia il valore consigliato per una crescita ottimale è pari a 2 g/l.
• Specie euraline di acqua dolce, come la trota, possono crescere in un
vasto range di condizioni di salinità. Tuttavia la stessa trota sopra i 20
g/l può presentare problemi di crescita.
1
15/02/2008
Durezza
La durezza esprime la quantità di sali di calcio e i magnesio disciolti
nell’acqua. Può essere espressa in
mg/l di CaCO3 (carbonato di calcio)
gradi francesi (F) = equivalenti di CaCo3 espressi in g/100 litri
ppt (parti per mille) che corrisponde a g/l (0,1 ppt corrisponde, per
esempio, a 0,1 g/l e quindi a 100 mg/l)
A seconda del valore di durezza le acque vengono classificate, dal punto di vista
dell’uso alimentare, in dolci, dure, molto dure, ecc.
Le acque dure, oltre ad essere poco adatte all’alimentazione umana
diminuiscono la capacità dei saponi di fare schiuma e quindi di detergere; sono
inoltre poco adatte agli usi industriali e domestici perchè provocano il depositarsi
di sali di calcio e di magnesio, ad esempio nelle caldaie e nelle tubazioni, o per la
formazione di composti insolubili con le sostanze saponose.
Durezza
Alcalinità
quantità titolabile in mg/l dei composti basici
principalmente carbonato CO3- e bicarbonato HCO3misurata in termini di equivalenti di CaCO3
Come regola le acque più produttive dovrebbero
avere un tenore di alcalinità e di durezza dello
stesso ordine di grandezza.
MISURA LA CAPACITÀ TAMPONE
CIOÈ LA CAPACITÀ DI NEUTRALIZZARE GLI ACIDI
INTRODOTTI NELL’ACQUA.
Se l’alcalinità è elevata e la durezza bassa, il
sistema può arrivare a pH molto elevati quando si
verificano intensi processi fotosintetici.
La durezza non è un problema in acque saline.
Nei bacini chiusi è determinata:
dalla qualità della sorgente d’acqua
dalla natura del terreno
Per incrementarla si usano composti del calcio.
Raramente un problema nelle acque con alto contenuto di salinità.
Alcalinità
Non ha un diretto effetto sui pesci,
ma un tenore inferiore a 30 mg/l
è segno di un mezzo di coltura poco tamponato
con alcalinità inferiori ai 40 mg/l, il processo di nitrificazione
non procede correttamente indipendentemente dal pH
(problema nei filtri)
Stagni con alcalinità inferiore a 15-20 mg/l sono carenti in
CO2 e, quindi, sono scarsamente. Acque contenenti da 20 ai
150 mg/l di alcalinità consentono il verificarsi del fenomeno
fotosintetico, ma il consumo di CO2 porta ad un repentino
abbassamento del pH.
pH
• Molto spesso il pH delle acque interne naturali ricade
all’interno dell'intervallo 6,5 – 9, ma vi sono molte
eccezioni negli ultimi anni a causa delle piogge acide.
• Negli stagni innalzamento durante il giorno e una caduta
durante la notte.
• Se le acque sono poco tamponate si può passare da minimi
inferiori a 5-6 durante il mattino a massimi di 9 durante la
notte.
• Anche per il pH abbiamo le classiche soglie (inferiore e
superiore) ottimali (per la crescita) e critiche (per il
decesso).
• In generali sono scarsamente tolleranti al di fuori
dell’intervallo 5 – 9.
• Anche in questo caso si verifica il fenomeno
dell’acclimatamento
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Turbidità
• misura della penetrazione della luce nell’acqua.
• prodotta dalla presenza nell’acqua di :
• solidi sospesi o disciolti quali:
• particelle inerti, sostanze umiche, sabbie, plankton,
composti colorati,
• eccessiva turbidità può essere un problema in bacini chiusi
o canalette,
• ma lo è sicuramente nei sistemi a ricircolo.
•
• La turbidità da fitoplancton nei bacini chiusi innalza la
produzione
• e limita la crescita delle macro-alghe
Turbidità
• La turbidità causata da argille e altri materiali colloidali è
invece indesiderabile. L
• visibilità sotto i 30 cm può inibire la crescita corretta della
biomassa planktonica.
• materiali colloidali fino a valori superiori a 20.000 mg/l.
(occlusione branchie, ricoprimento delle uova, intasamenti
• solidi sospesi ancor più nociva per i pesci.
• Valori di 5.000-10.000 mg/l di solidi sospesi possono
anche essere letali.
• Valori di 25-80 mg/l sono raccomandati come massimi.
• Non tutti i pesci sono però così sensibili.
• Pesci gatto e carpe possono sopportare anche valori
superiori.
Colore
• Risultato dell’interazione tra la luce incidente
• e le impurità presenti nell’acqua.
• i colori blu dello spettro viaggiano più distanti nel mezzo
acqua
• e si distribuiscono maggiormente.
• Altri colori dipendono da fitoplancton e sostanze disciolte .
• Le acqua improduttive sono molto trasparenti e presentano
in genere un colore blu cupo.
Temperatura
- influenza i processi fisiologici
- influenza la densità dell’acqua
- determina stratificazione termica
Effetti della temperatura dell’acqua su vitalità
e accresimento dei pesci
Livelli termici ottimali per diverse
specie di pesci allevate
Proprietà termiche
Pressione totale dei gas
Temperatura
*
“
°
Calore
l'atmosfera è composta da:
• 20,946% di ossigeno;
• 78,084% di azoto;
• 0,934% di argon;
• 0,032% di anidride carbonica;
• tracce di altri gas.
LA PRESSIONE ATMOSFERICA È LA SOMMA DELLE PRESSIONI PARZIALI:
BP = P(O2) + P(N2) + P(Ar) + P(CO2)
dove a esempio
P(O2) = χ(O2 fra) * BP = 0,20946 * 760= 159,2 mm Hg
•
(χ) è la frazione molare del gas stesso
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15/02/2008
Pressione totale dei gas
Pressione totale dei gas
La solubilità in acqua dei gas dipende da:
1. caratteristiche di solubilità proprie dei singoli gas
2. dalla loro pressione parziale.
per acque non saline a T = 15 °C, sono indicati i valori di solubilità
dei principali gas atmosferici in funzione della loro pressione e della
composizione del gas sovrastante l'acqua.
Pressione Composizione
gas
[atm]
N2
O2
Ar
N2
[mg/l]
[mg/l]
[mg/l]
[mg/l]
1
Aria
16,36
10,08
0,62
0,69
1
Puro
20,95
48,14
65,94
1992,53
2
aria
33,00
20,32
1,24
1,38
2
puro
42,26
97,02
133,01
3979,36
Pressione totale dei gas
al disotto della superficie dell'acqua si misurerà
TP = BP + HP
[mm Hg];
Dove:
• TP è la pressione totale a una data profondità [mm Hg];
• BP è la pressione barometrica [mm Hg];
• HP è la pressione idrostatica [mm Hg].
QUINIDI SI HA POSSIBILITA' DI
SOVASSATURAZIONE
Riportando l’acqua ad una pressione uguale a quella
atmosferica, i gas in eccesso tenderanno a liberarsi
nell’aria.
Pressione totale dei gas
LA PRESSIONE TOTALE DEI GAS (TGP) RAPPRESENTA LA SOMMA
DELLA PRESSIONE PARZIALE DI TUTTI I GAS DISCIOLTI
NELL’ACQUA.
in termini percentuali:
La differenza tra la pressione totale (TGP) e quella barometrica (BP) è
denominata ∆P:
∆P = TGP - BP
Si hanno tre condizioni:
• ∆P = 0, condizione di equilibrio con BP = TGP e quindi equilibrio di scambio
di gas tra acqua e aria (somma di entrate ed uscite = 0);
• ∆P > 0, condizione di sovrassaturazione, lo scambio di gas avviene con
passaggio preminente dall’acqua all’aria;
• ∆P < 0, condizione di sottosaturazione, i gas passano prevalentemente dall’aria
all’acqua.
(BP + ∆P)
%TGP = ---------------- * 100
BP
Esempio
Supponiamo che la pressione atmosferica sia pari a 760 mm di Hg e
che ∆P = 36 mm Hg. Calcolare la pressione assoluta dei gas in
termini percentuali.
%TGP =
(760 + 36)
---------------- * 100 = 105 %
760
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Pressione totale dei gas
Ossigeno
La sovrassaturazione può essere causata da:
1. riscaldamento
dell'acqua;la
solubilità
dei
gas
diminuisce e se non si permette ai gas di liberarsi si
accumulano
2. formazione del ghiaccio; quando l'acqua si raffredda
assorbe gas che vengono espulsi poi quando ghiaccia.
3. miscelazione di acque a differenti temperature; la
solubilità dei gas al variare di T non è lineare. Miscelando
acque a differente temperatura si può verificare che le
condizioni risultanti non siano all'equilibrio;
esempio, all'uscita
4. inglobamento di aria;
cascata e di un tubo che sfociano in un bacino
5. fotosintesi
è importate
organismi vegetali.
dove
alta
è
la
di
O2 - gas
atmosfera
(21% O2)
Temperatura
O2
Pressione
O2
Altitudine
O2
Salinità
O2
una
presenza
di
O2 - gas
6. cambi di pressione atmosferica; il passaggio di un
temporale può provocare un ∆P in un intervallo che va da
+5 a -17 mm di Hg. Da 0 a 1000 mslm si passa da 760 a
674 mm Hg Nelle cabine la pressurizzazione è di circa
500 mm Hg (all'esterno a 10000 m si hanno 199 mm Hg);
7. cambiamenti
fisiologici;
bolle
di
gas
si
formano
occasionalmente a livello delle pinne e degli occhi
8. attività
batterica;
i
batteri
possono
grandemente
cambiare i livelli di gas nell'acqua che passa attraverso il
suolo o i sedimenti
Pericolo gas bubble trauma
acqua
(5 - 15 mg/l
DO)
D - O2
Evitate sovrassaturazione superiori al 105 %.
Maggiori problemi per i sistemi a canaletta e a ricircolo
dove (ristretti i tempi per la degasazione) dove è
consigliabile inserire dei salti idraulici
Tab. 4.2 - Solubilita' dell'ossigeno contenuto nell'aria in acqua con salinita'
variabile da 0 a 40 g/kg
Temp
[°C]
DO (mg/l)
Variazioni della concentrazione di ossigeno
alla saturazione (espressi in mg/l) in funzione
della temperatura, della salinità e
dell’altitudine (1 feet = 0,3048 m)
6,0
livello minimo per le
specie di acque fredde
5,0
livello minimo per le
specie di acque calde
4,0
i pesci sopravvivono
3,0
la crescita è rallentata
per esposizioni di
lungo periodo
2,0
letale per esposizioni
di lungo periodo
1,0
sopravvivono pochi
pesci di piccola taglia
per brevi periodi di
esposizione
0,3
0,0
Concentrazioni di ossigeno
minime
Livelli di attività del pesce e di consumo
dell’ossigeno in funzione della
concentrazione di ossigeno nell’acqua
SALINITA' [g/kg]
10
15
20
25
1
14,216
13,733
13,266
12,815
12,378
11,956
11,548
11,154
10,773
3
13,460
0
13,011
5
12,577
12,156
11,750
11,356
10,976
30
10,608
35
10,252
40
5
12,770
12,352
11,947
11,554
11,175
10,807
10,451
10,107
9,774
6
12,447
12,043
11,652
11,272
10,905
10,550
10,206
9,872
9,550
7
12,139
11,748
11,369
11,002
10,647
10,303
9,970
9,647
9,335
8
11,843
11,465
11,098
10,743
10,399
10,066
9,744
9,431
9,128
9
11,559
11,194
10,839
10,495
10,162
9,839
9,526
9,223
8,930
10
11,288
10,933
10,590
10,257
9,934
9,621
9,318
9,024
8,739
11
11,027
10,684
10,351
10,028
9,751
9,412
9,117
8,832
12
10,777
10,444
10,121
9,808
9,505
9,210
8,925
8,648
8,379
13
10,537
10,214
9,901
9,597
9,302
9,017
8,739
8,470
8,210
14
10,306
9,993
9,689
9,394
9,108
8,830
8,561
8,300
8,046
15
10,084
9,780
9,485
9,198
8,921
8,651
8,389
8,135
7,888
16
9,870
9,575
9,289
9,010
8,740
8,478
8,223
7,976
7,737
17
9,665
9,378
9.099
8,829
8,566
8,311
8,064
7,823
7,590
18
9,467
9,188
8,917
8,654
8,399
8,151
7,910
7,676
7,449
19
9,276
9,005
8,742
8,486
8,237
7,995
7,761
7,533
7,312
20
9,092
8,828
8,572
8,323
8,081
7,846
7,617
7,395
7,180
21
8,914
8,658
8,408
8,166
7,930
7,701
7,479
7,262
7,052
22
8,743
8,493
8,250
8,014
7,785
7,561
7,344
7,134
6,929
23
8,578
8,334
8,098
7,867
7,644
7,426
7,214
7,009
6,809
24
8,418
8,181
7,950
7,725
7,507
7,295
7,089
6,888
6,693
26
8,113
7,888
7,668
7,455
7,247
7,045
6,849
6,658
6,472
28
7,827
7,613
7,404
7,201
7,003
6,810
6,623
6,441
6,263
30
7,558
7,354
7,155
6,961
6,772
6,589
6,410
6,236
6,066
32
7,305
7,110
6,920
6,735
6,555
6,379
6,208
6,042
5,880
34
7,065
6,879
6,697
6,520
6,348
6,180
6,017
5,857
5,702
36
6,837
6,659
6,485
6,316
6,151
5,991
5,834
5,681
5,533
38
6,619
6,449
6,283
6,121
5,963
5,810
5,660
5,513
5,371
40
6,412
6,249
6,090
5,935
5,783
5,636
5,492
5,352
5,215
8,556
Ossigeno
I pesci spendono molta energia per la respirazione e
piccoli cambiamenti del metabolismo di una comunità
piscicola possono provocare repentini cambiamenti della
quantità di ossigeno disciolto.
effetti amplificati in acque ad alta temperatura.
Consumi di ossigeno variano in funzione di:
• temperatura dell'acqua,
• concentrazione di ossigeno disciolto presente,
• dimensioni del pesce,
• livello di attività,
• tempo trascorso dal momento dell'alimentazione,
Livelli di consumo dell’ossigeno (mg
O2/lb pesce.ora) in funzione della
taglia (pesce gatto)
• altri fattori.
5
15/02/2008
Ossigeno
Azoto
1. con O2 ottimale, ogni maggior richiesta è superata
incrementando:
• il ritmo respiratorio (apertura e chiusura delle branchie);
secondo fattore che diventa limitante a causa di fenomeni di
accumulo, è in genere un composto derivato dell'azoto.
• ogni singolo ingurgito d'acqua.
il 90%di azoto deriva dagli alimenti somministrati ai pesci
2. tra soglia ottimale e soglia critica inferiori i pesci
diventano meno attivi per conservare energia e il restante
ossigeno metabolico. E' pratica scorretta somministrare
pasti al disotto dei 3-4 mg/.
ed è prodotto dai pesci attraverso il loro normale processo
metabolico.
altre fonte è la degradazione della sostanza organica
La chimica dell'azoto è molto complessa a causa del fatto che lo
stesso può presentarsi in differenti forme
3. Alla soglia critica inferiore i pesci si portano in superficie
ma già si è instaurato il meccanismo fisiologico che prevede
che parte della loro domanda metabolica sia supportata da
fenomeni glicolitici o da cicli anaerobici (acidificazione
sangue, diminuzione della capacità di trasporto di ossigeno
da parte dell'emoglobina.
Azoto
Azoto
Notazione
N2
Org-N
NH3
NH4+
TAN
Forma
Azoto
gassoso
Azoto
organico
Ammoniaca
non
ionizzata
Ammoniaca
ionizzata
(ione
ammonio)
Ammoniaca
totale
NO2-
Ione Nitrito
NO3-
Ione Nitrato
L’AzotoAmmoniacale e i
Nitriti sono altamente tossici
per i pesci
Commenti
Gas inerte; in equilibrio con quello presente
nell'atmosfera
Decade per formare ammoniaca
Per i Nitrati c’è maggiore
tolleranza
Altamente tossica per gli animali acquatici.
Prevale sulla forma ionizzata ad alti pH
Non tossica per gli animali acquatici
eccetto che non quando presente in
concentrazioni molto elevate. Prevale sulla
forma non ionizzata a bassi pH
Somma dei termini NH3 + NH4+; è quella
tipicamente misurata come ammoniaca nei
test di laboratorio; viene convertita a nitrati
dai batteri nitrificanti
Altamente tossico per gli animali, stadio
intermedio nel processo di nitrificazione
dell'ammoniaca, viene convertito in nitrato
Non tossico eccetto che a concentrazioni
molto elevate; prontamente utilizzato dai
vegetali acquatici.
Livelli consigliati di:
% NH3 ind. su NH3 TOT
NH3/NH3+ NH4+
→ Nitriti
> 0,1 mg/l
***
50
pH
> 1 mg/l
> 0,02 mg/l
Livelli consigliati di Ammoniaca non ionizzata < 0,02 mg/l
NH4+ ↔ NH3 + H+
La forma Ammoniaca
non ionizzata o
indissociata
rappresenta la forma
tossica
→ Ammoniaca totale
→ Ammoniaca indissociata
Supponendo di avere
azoto ammoniacale
totale = 1 mg/l, allora
t= 0
t = 10
t = 20
t = 30
40
% NH3/Ammoniaca
totale deve essere < 2%
30
(con pH > 8,5 c'è sempre
pericolo)
20
(con t > 12°C c’è
pericolo a partire da pH
> 7,5)
10
***
0
Ta
NH3/NH3+ NH4+
6
7
8
pH
9
Se azoto ammoniacale
totale = 2 mg/l
% NH3/Ammoniaca
totale deve essere < 1%
6
15/02/2008
PROBLEMA
gestione del ciclo dell'N2 per
eliminare l'ammoniaca
Se non è assimilata direttamente da vegetali acquatici,
essa viene ossidata in due fasi:
• la prima, a carico di batteri del tipo Nitrosomonas:
2NH3 + 3O2 = 2NO2- + 2H+ + 2H2O
•
la seconda, a carico di batteri Nitrobacter:
In termini generali possiamo considerare
validi i valori suggeriti da Huguenin et Al.
(1989) che consiglia valori di NH3-N:
• per la ricerca, < 1[µg/l];
• per la produzione, < 10 [µg/l];
• per stoccaggio, adottando diete molto stette,
< 40 [µg/l].
2NO2-+ O2 = 2NO3-
Con O2 non limitante, la prima è la fase limitante
i nitriti sono raramente un problema
Tab. 3.7 - Effetti di diverse concentrazioni di ammoniaca totale [TAN] sul
benessere del pesce
CONCENTRAZIONE
[mg/l]
0,15
SPECIE
EFFETTO
in acqua dolce - stimolo
della crescita
in acqua salata - stimolo
della crescita
riduzione crescita
riduzione crescita
riduzione crescita
crescita e salute non
ottimali
riduzione crescita
valore massimo di
soglia- nessun effetto
nessun effetto dopo 120
giorni
effetto lineare di
riduzione di crescita
mortalita' dopo 35
giorni
valore massimo di
soglia, nessun effetto
decremento della
crescita dopo 4
settimane
LC50 dopo 24 h
livello in condizioni
colturali normali
0,30
Ophiocephalus
tshawytscha
O. tshawytscha
~ 0,044
~ 0,011
~ 0,14
> 0,01
A. japonicus
Plecoglossus altivelis
I. punctatus
Salmonidi
0,01-0,06
0,066
I. punctatus
Solea solea
< 0,07
Salmo gairdneri
0,05-1,0
I. punctatus
0,11
C. carpio
0,11
Scophthalamus
0,12-0,13
I. punctatus
0,15
~ 0,20
Salmo salar smolts
Clarias batrachus
Tab. 3.8 - Effetti di diverse concentrazioni dei nitriti sul benessere del
pesce
CONCENTRAZIONE
[mg/l]
0,012
0,015-0,060
SPECIE
EFFETTO
Salmonidi
S. gairdneri
0,15
S. gairdneri
0,19-0,39
0,55
S. gairdneri
S. gairdneri
1,8
Macrobrachium
rosenbergii
O. tschawytscha
Penaeus indicus
stess
livello minimo per
metaemoglobinaemia
metaemoglobinaemia,
48 h
LC50 dopo 96 h
metaemoglobinaemia,
24 h
riduzione crescita larve
2,4
6,4
7,55 - 24,8
15,4
29,8
Ictalurus punctatus
Macrobrachium
rosenbergii
O. kisutch
mortalita' dopo 7 giorni
riduzione di crescita
dopo 3 settimane
LC50 dopo 96 h
LC50 dopo 3-4 settimane
nessuna mortalita' dopo
48 h, alti livelli di Cl-
Elementi tossici: metalli pesanti
Tab. 3.9 - Effetti di diverse concentrazioni dei nitrati sul benessere del pesce
CONCENTRAZIONE
[mg/l]
SPECIE
EFFETTO
90
I. punctatus
crescita normale
275
S. gairdneri
nessun effetto avverso
> 400
I. punctatus
tollerato
> 400
S. gairdneri
tollerato
> 800
S. gairdneri
crescita fermata
1.300
S. gairdneri
livello letale
Tab. 3.10 - Valori soglia per i metalli pesanti
1.400
I. punctatus
livello letale
2.400
C. carpio
crescita con successo
4.400
O. tshawytscha
LC50 dopo 96 h in acqua salata
5.800
O. tshawytscha
LC50 dopo 96 h in acqua dolce
Metallo
LC50 a 96 h
[µ
µg/l]
Valori soglia consigliati
per allevamento
[µ
µg/l]
Cadmio
80-420
10
Cromo
2000-20000
100
Rame
Piombo
Mercurio
Zinco
300-1000
25
1000-40000
100
10-40
0,1
1000-10000
100
7
15/02/2008
Elementi tossici: pesticidi
Criteri generali di qualità dell’acqua per l’acquacoltura
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