GH與KH對魚的重要性(附帶對水的影響) - 水族

水族玩到比較進階後，
就會開始接觸GH與KH這兩大數值，
尤其是水草缸的玩家對此會特別的敏感。
不過今天我們的討論雖然會講到水中的GH與KH，
但講到這個的原因是為了後續講解方便，
如果對水中GH與KH變化很熟悉的人
可以直接跳到文中分隔線之後，
文中的分隔線之後講的就是今天的主角-淡水魚。
這篇文章主要討論的是水中的GH與KH
對淡水魚的重要性。
至於為什麼不說海水魚，
是因為海水本身就是一個
GH、KH和pH十分穩定的溶液，
只要透過換水或些微的調整
(加小蘇打、加鈣反、放珊瑚骨)，
就能維持一定的穩定度，
因此在海水魚比較少遇到這樣的問題。

在開始之前我們要先來定義一下GH和KH，
確保大家對這兩個數值的認知
和我在文章裡面描述相同。
GH就是水中含有的二價離子濃度，
在淡水中主要是鈣和鎂，並且以鈣為主。
KH就是水中含有的碳酸氫根和碳酸根的量，
不過淡水的pH都在6~7之間，
碳酸根的含量非常少，
所以可以簡化為碳酸氫根的濃度。

雖然說今天的主角是魚，
但我還是先以大家比較熟悉的水中KH與GH開始。
GH與KH雖完全不同的兩個觀念，
但他們之間總是互相牽連。
淡水中的GH和KH大多來自碳酸鈣，
所以淡水中GH和KH的數值通常會有一定的正相關。
不過注意GH和KH的定義就知道
這兩者的變化可以完全分開。

當水中的金屬離子不是來自於碳酸系列的鹽類
而是來自於硝酸、硼酸、矽酸…等，
就只有GH會上升而KH不會上升。
而同理，當水中與碳酸鹽結合的金屬離子
主要是一價離子(例如:鈉離子、鉀離子…)時，
水中的KH就會上升，但是GH卻不會改變。
所以每個人的水族箱中的水KH和GH
會因為水的來源不同、底材選用不同，
以及額外添加藥劑的不同而可能有巨大的差異。

這樣聽起來GH和KH好像沒什麼關係。
但事實上GH和KH的關係不能算小。
GH和KH的起始數值之間確實沒有一定的關係，
但是GH和KH在”封閉系統”中要達成平衡時就會互相影響。
什麼叫封閉系統?
封閉系統就是元素會不斷的在水中以不同的形態循環，
但是不會從系統中被移除，
也不會有新的元素加入系統中。
水族箱的水來到你手中前會流過各種亂七八糟的東西，
所以為開放系統。
但是當水被加入水族箱後，
由於很少人會沒事每天換水，這
樣不只很累而且對水族箱中的生物也不好，
所以可以視為封閉系統。
在這樣的系統中鈣與鎂(GH)常常和碳酸氫根(KH)結合
形成難溶於水的碳酸鈣和碳酸鎂。
因此在兩桶具有同樣KH的淡水中，
GH較高的那桶水，其在達到平衡狀態時KH會比較低，
雖然他們起始的KH都是一樣的。
因為GH而減少的KH就以碳酸鈣或碳酸鎂的固體形式
保存在水族箱中。
這其實是好事。因為KH讓pH穩定，
而GH讓KH的數量可以保持穩定，
所以pH也會比較穩定，聽起來很複雜，
我會以最簡單最不用看化學公式的方式
來解釋這當中到底發生什麼事情。

水中的KH有兩個來源，一個是碳酸鈣溶解，
一個是二氧化碳電解。
碳酸鈣的溶解會伴隨著酸的吸收
(也就是在大理石上滴鹽酸，大理石就會有洞的原因)，
所以會讓水變鹼。而二氧化碳在水中有一部分會變成碳酸，
碳酸顧名思義就是一種酸，所以會讓水變酸。
環境如果越酸，二氧化碳就越難變碳酸，
而碳酸氫根也會想要變回二氧化碳，
但是碳酸鈣可以很好的溶解，
補充因變成CO2而流失的碳酸氫根。
環境如果越鹼，雖然碳酸鈣很難溶解，
而且碳酸氫根會跟鈣結合而下降，
但是二氧化碳就很好變碳酸。
所以當水環境中存在有碳酸鈣與二氧化碳時，
只不論是加入酸或是加入鹼，
在所有反應都達到平衡的時KH和pH的數值
會和初始的平衡數值差不多。
如果要讓pH有所改變
一定要等到碳酸鈣或是二氧化碳其中一方
用完時pH才能變化。
這也是為什麼很多人說
用了KH或pH的調節藥物後
過不久魚缸水又恢復原樣的原因。
那如果GH濃度很低的話會發生什麼事情?
沒有鈣的話碳酸鈣就不會形成，
取而代之的是碳酸根。
雖然碳酸根也可以完成KH的平衡，
但是在換水的過程中碳酸根就會被移除，
而讓系統又要重新進行一次平衡，
所以換水後環境的波動
會變得比是用碳酸鈣補充碳酸根的系統還要大。
此外，如果環境中持續有大量的鹼輸入，
在有鈣的環境中碳酸鈣的沉澱
可以視為是鹼的移除。
但是如果是單純的碳酸根，
則鹼就會持續的累積在環境中，
導致水的pH不斷的飆高。
因此GH的存在可以穩定KH，
而KH可以穩定pH，而使得整體環境趨向穩定。

水中的KH、GH或pH都達成穩定，
這聽起來超級美好，
但為什麼還是會有很多人說自己缸中的GH、KH或pH
會不斷的飄動或持續的飆高與下降呢?
因為前面所說的美好世界只發生在系統”穩定”的時候。
而事實上在有很多生產者(包括:水草、藻類與細菌)的缸中，
系統是不可能維持穩定數值的。
因為生產者在生產碳水化合物時，
就是以CO2作為原料，
所以當生產者進行生產時，
水中的二氧化碳會不斷的被消耗，
為了補充被消耗的二氧化碳，
碳酸氫根就會變成二氧化碳，
而碳酸根為了補充消耗的碳酸氫根就會變成碳酸氫根。
還記得碳酸鈣要變成碳酸氫根就要吸收酸嗎?
所以這一切都會讓水變得越來越鹼。
而到了生產者不生產東西，而是開始消耗能量時，
他們就會開始釋放出大量的CO2，
大量的CO2排入，使得水中的碳酸增加，
然後碳酸氫根就會增加，最後碳酸根就會增加，
因此環境會越來越酸。
所以在生產者多的缸中白天缸中pH會上升，
而晚上pH值會下降。
而且碳源(也就是KH)越多的缸，因為植物生長得越好，
這個波動會越嚴重。
這聽起來不是跟剛剛說的不一樣嗎?
剛剛說KH可以穩定pH，
但為什麼這邊說起來就算缸中有KH，pH還是亂亂飄?
這是因為這是兩個完全不同的狀況，
KH可以中和因為單純氫離子或氫氧根離子
輸入與移除造成的pH波動。
但是如果這個變動是發生在形成KH本身的元素，
也就是二氧化碳、碳酸氫根與碳酸根上，
KH不僅不能穩定pH，反而會讓pH的數值隨著KH飄動。
所以事實上pH無法影響KH但是KH卻能影響pH。
所以會有人說水草缸需要酸性水所以KH不能太高，
因為KH只要變高pH就會變高。
而海水缸也只要檢測KH也能知道pH是否在8以上。
而這也闡明了，
如果想要調整水缸內的pH一定要先搞定KH。

相較於KH的波動，GH或KH的持續飆升或下降更好解釋，
如果水族箱中有物質會持續的釋放或是吸收GH與KH，
就會讓GH或KH持續的變化，
因為這些物質和水的交換還沒有達到"平衡"。
例如含有碳酸鈣的造景石，
你可以把他想成有一大塊的碳酸鈣沉澱在水中，
雖然碳酸鈣難溶於水，但是他還是會溶。
而這麼大一塊的石頭就會慢慢的釋放出碳酸氫根還有鈣，
所以會讓GH、KH還有pH都慢慢的上升。
黑土則會透過吸收GH放出氫離子來使GH下降，
而因為放出氫離子，也會慢慢的消耗KH，
使得水中的KH與pH都緩慢下降，
只是下降的速度沒有GH明顯。
不過也因為黑土的這個特性，
讓黑土成為了另一種有別於KH的pH平衡系統。
黑土會依照環境的狀態選擇是
放氫離子或是吸收氫離子，
所以他也能夠維持水中pH的穩定。
因此會有在黑土缸中KH比較不重要的說法。
順帶一提，
事實上在自然環境中也有類似黑土一般的物質，
他的名字叫做腐植質。
在水草旺盛的天然水域中，
由於腐植質大量生成，
使得水域變酸，而且會讓GH與KH都大量下降。
因此幾乎所有的水草都喜歡軟水偏酸而且低KH的環境。
這也是為什麼黑土適合拿來養草的原因。


補上化學反應式-簡單易懂非正式版

https://imgur.com/C6nSMKw.jpg


以上為水中的GH與KH
~~~~~~~~~我是分隔線~~~~~~~~~
以下為GH和KH對魚的重要性



而前面講了這麼多，終於要進入了今天的主軸，
KH與GH對淡水魚來說算什麼?
在天然水草域裡，一定有存在這些區域的魚種，
這些魚種就是適合在水草缸中生存的魚類。
他們能夠忍受日夜的pH波動，也能忍受較高的環境CO2。
不過這種特性只代表他們具有這樣的潛力。
不代表所有的個體都能直接丟到草缸裡飼養。
長期生活在中性水質裡的紅蓮燈
如果直接丟到打CO2而也且pH只有6的水草缸中，
他一定直接崩潰。
因此緩慢的改變魚生存的環境很重要。
這也是對水的重要性之所在。有一個好消息是，
在台灣這樣的溫度中，
大部分的魚可以在一天內甚至數個小時內就完成適應。

魚到底是怎麼去適應水草缸這樣低pH、高CO2的環境呢?
不論是魚還是人
都是用和水同樣的KH系統來維持血液的酸鹼平衡。
但由於生物體本身就會產生大量的二氧化碳。
如上面所說
大量的CO2最後會導致KH系統的偏移使得pH下降，
所以如何排除CO2成為了生物生存的重要課題。
陸生動物透過呼吸排除CO2，
而魚在這方面表現得不只很好而且還太過頭了。
原因是二氧化碳在生物體內主要以碳酸氫根的形式存在，
而碳酸氫根易溶於水，
所以當碳酸氫根流經鰓的時候，
只要鰓外的碳酸氫根濃度低於血液中的碳酸氫根濃度，
碳酸氫根就會被排除。
而由於水中溶氧和空氣比起來低了很多，
魚一定要透過持續且有效率的呼吸來獲得氧氣。
這也代表當魚獲得氧氣的同時，
碳酸氫根也會大量的流失。
所以魚血中的KH比陸生動物的KH低上不少。
也因此魚的血液pH波動會比人類的pH波動還要嚴重。
所以當魚的血液pH下降時
(例如: 環境pH太低、水中CO2濃度太高
或是水溫上升導致魚的代謝速度變快時)，
魚必須要啟動鰓上的碳酸氫根吸收機制，
從水中大量的吸收碳酸氫根，
才能快速提升自身血液的KH，
並且透過腎臟與鰓排除過多的氫離子，
只有在這兩件事情啟動後魚的血液pH才能回到正常值。
不過啟動這個機制需要鰓與腎的細胞進行一系列的動作，
其中包含了蛋白質的生成，
所以會需要數個小時來完成。
因此某些於魚雖然有適應酸性環境、高CO2與高溫的潛力，
但是如果不讓他有時間完成適應，
魚還是會因為血液KH劇烈變化而死。

為什麼魚KH劇烈變化會導致魚隻死亡呢?
除了KH決定了血液pH，
而身體內的酵素必須要在固定的pH才能運作外，
魚的KH也參與了離子的吸收。
所以當魚體內的KH太少時，
鈉離子與鉀離子的吸收就會大幅下降，
使得魚隻因為滲透壓失衡而陷入昏迷，
所以在溫度劇烈變化、
或是加入太多黑土的時候魚就會躺平，
那是因為魚已經趨近昏迷，
而我們所看到了鰓蓋還會動以及魚鰭還在擺動，
有很大一部份都是反射動作而已。
所以對魚來說水中存在少量的KH
除了讓環境的pH不要有太大的變化外，
水中的KH還能幫助魚在低pH與高CO2的水中生活，
所以黑土缸的低KH環境對新進魚來說十分不友善，
如果要將新魚放入這樣的環境中，建議還是要慢慢的對水，
花個幾天的時間讓魚慢慢的適應低pH與高CO2後，
再將魚隻放入主缸中。

GH除了文章前面所說的可以穩定水中KH
並且防止水的pH無限上升外，
GH還有一些必須要特別強調的特性。
魚的鈣離子主要是從水中吸收，而非食物中獲得。
而鈣參與的骨骼和魚鱗的形成，
也參與了很多體內酵素的作用。
此外由於鰓上的有些離子通道是所有二價離子共用，
所以水中的鈣離子越多，銅離子和鉛離子的毒性就會越低，
因為鈣離子會和銅離子與鉛離子競爭進入鰓內的通到，
換句話說GH具有防止魚重金屬中毒的能力。
此外也有研究發現GH的存在
能夠增加魚隻對酸性環境的耐受性，
不過機制不是很清楚。
但不論如何維持水中的GH對魚的健康很重要。
因此我並不推薦使用RO逆滲透水
或是陽離子交換樹脂處理的軟水養魚，
最好用的水還是曝氣的自來水，
如果嫌自來水的硬度太高，
可以用軟水稀釋，
但千萬不可使用純的軟水養魚。


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