수초의 광합성과 아쿠아스케이프에서의 산소 공급

매우 빠르게 성장하는 식물 덩어리가 있는 아쿠아스케이프에서는 드문 경우지만 어두운 밤 동안 산소 부족이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 이것은 아침에 물고기가 헐떡거리거나 수면 가까이에 머물거나 낮지만 꾸준히 감소하는 새우 개체군으로 볼 수 있습니다. 이는 대부분 아침에 발견됩니다. 거의 매일 아침 당신은 죽은 동물 몇 마리를 발견하게 되며, 종종 탈피에 실패한 새우를 발견하게 됩니다.(목 부분의 금이 간 껍질에서 확인됨). 물론 여기에는 여러 가지 이유가 있을 수 있지만 특히 야간 사망의 경우 그 이유는 일반적으로 밤에 사용할 수 있는 산소가 너무 적기 때문입니다. 수생식물은 낮에는 산소를 생산하지만 밤에는 사용합니다. 박테리아, 물고기 및 무척추 동물과 같은 나머지 생물은 연중무휴 산소를 필요로 하므로 밤에 산소를 공급하는 것은 여기에서 확실히 좋은 생각입니다.

 

광합성의 이해

식물이 살아가는 데 필요한 영양분을 얻기 위해서는 이산화탄소와 물, 빛 에너지가 필요합니다. 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로 포도당을 합성하는 과정을 ‘광합성’이라고 하는데, 광합성은 빛에너지를 화학 에너지로 바꾸는 역할을 합니다. 광합성은 잎을 구성하는 세포에 많이 들어 있는 엽록체의 엽록소에서 일어나서 엽록소가 없는 곳에서는 광합성이 일어나지 않습니다. 따라서 잎이 누렇게 되거나 검게 변한 곳에서는 광합성이 일어나지 않습니다.

광합성에 필요한 물질인 이산화탄소는 잎의 뒷면에 있는 기공을 통해 잎으로 들어오고, 물은 뿌리에서 흡수된 후 줄기를 따라 올라오게 됩니다. 이산화탄소와 물을 이용하여 포도당이 합성될 때 그 과정에서 산소와 물이 만들어지게 되는데, 광합성 반응 전에 물의 양은 광합성 후에 만들어지는 물의 양보다 많습니다. 그래서 광합성을 반응식으로 나타낼 때는 반응에 필요한 물질을 적는 쪽에만 물을 쓰기도 합니다.

광합성을 통해 만들어진 포도당은 더 큰 분자인 녹말이나 설탕으로 만들어져서 줄기에 있는 체관을 통해 식물 전체로 이동됩니다. 광합성 결과로 만들어진 산소는 기공을 통해 식물의 몸 밖으로 나가거나 식물 자신이 호흡하는 데 사용됩니다. 물은 다시 광합성에 사용되거나 수증기의 형태로 기공을 통해 식물 몸 밖으로 나갑니다.

광합성 과정의 반응식 - 출처:에듀넷

광합성의 발견

광합성에 대한 최초의 탐구는 1648년 얀 판 헬몬트(Jan Baptista van Helmont, 1579~1644)의 실험이었습니다. 헬몬트는 식물이 자랄 때 식물의 무게와 식물이 자라는 흙의 무게를 측정하는 실험을 하였는데, 식물의 무게 변화가 토양의 무게 변화보다 매우 큰 것을 발견했습니다. 그는 이렇게 식물의 무게가 늘어난 원인이 화분에 부어 준 물 때문이라고 생각했는데, 이러한 헬몬트의 실험은 물이 광합성을 위해 필요한 물질이라는 것을 밝히는 최초의 실험이었습니다.

1772년 영국의 화학자이자 성직자인 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733~1804)의 실험은 헬몬트가 설명하지 못한 기체에 관한 내용을 알려주었습니다. 프리스틀리는 유리로 된 종 안에서 양초를 태우는 실험으로 ‘나쁜 공기’를 발견합니다. 이 공기가 들어 있는 곳에 쥐를 넣었더니 쥐가 질식하였고, 식물을 넣어 주었을 때에는 쥐가 다시 깨어나는 것이 관찰되었습니다. 또한, 유리종 안에 식물만 넣거나 쥐만 넣으면 쥐와 식물이 모두 죽지만 둘을 함께 넣으면 둘 다 죽지 않는 것을 보았습니다.

프리스틀리는 이 실험을 통하여 녹색 식물이 초의 연소나 동물의 호흡으로 만들어지는 나쁜 공기를 신선한 공기로 바꾸는 능력을 가지고 있다고 설명하였습니다. 프리스틀리의 실험은 광합성 과정에서 이산화탄소가 이용되고 산소가 방출된다는 사실을 처음으로 밝힌 실험입니다. 그러나 프리스틀리는 이러한 결과가 반드시 빛이 비치는 곳에 있는 녹색 식물에서만 나타난다는 사실을 설명하지 않았기 때문에, 이후에 그의 실험을 반복하던 많은 과학자들은 실험에 실패했습니다.

불쌍한 쥐 - 출처:에듀넷

네덜란드의 왕실 의사였던 얀 잉겐호우스(Jan Ingenhousz, 1730~1799)는 1779년에 식물의 녹색 부분에 빛을 쪼여 주면 기체가 발생하고, 빛을 쪼여 주지 않으면 기체가 발생하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 식물의 작용에 빛이 중요한 역할을 한다는 것을 알게 된 것입니다. 잉겐호우스는 또한 식물이 어둠 속에서는 산소를 이용하고 이산화탄소를 내어놓는다는 것을, 빛이 없을 때 식물이 사용하는 산소 질량보다 빛이 있을 때 식물에서 만들어 내는 산소의 질량이 더 많다는 것도 알아냈습니다.

그 후에 1782년 프랑스의 목사인 장 세네비어는 녹색 식물에 빛을 쪼여 줄 때만 이산화탄소를 흡수한다는 사실을 알아냈습니다. 또 1804년 소쉬르는 광합성 과정에서 영양분이 만들어지려면 이산화탄소뿐만 아니라 물이 필요하다는 사실을 밝혀냈습니다. 소쉬르는 식물의 무게가 증가하는 것이 공기 중으로부터 흡수한 이산화탄소와 물 때문인 것을 밝혔습니다.

1845년에는 광합성 과정 중에 빛에너지가 화학 에너지로 바뀐다는 것이 밝혀졌습니다. 1937년과 1939년에 로버트 힐은 광합성 후에 나오는 산소가 식물이 흡수한 물에서 얻어지는 것이라고 주장했는데, 1941년 루벤과 카멘은 힐의 주장을 방사성 동위 원소를 이용한 실험을 통해 증명했습니다. 1945년 캘빈(Melvin Calvin, 1911~1997)과 벤슨(Benson)은 엽록체 내에서 포도당이 합성되는 과정인 캘빈 회로를 밝혀 1961년도에 노벨상을 수상했습니다.

 

광합성 정보 출처 : 교육부 네이버 블로그

 

밤에 수조의 산소가 부족한 이유

수족관에서의 수초들은 조명의 빛이 있을때 광합성을 하여 산소를 발생시킵니다. 그러나 조명이 꺼지고 빛이 없을 때는 산소를 흡수하여 호흡을 하기 시작합니다. 수조의 산소가 부족해지는 이유입니다.

 

릴리 파이프 들기

사진 출처: ADA

여과기(외부)의 출수 방향의 파이프를 물 표면으로 끌어 올립니다. 물이 튀며 물의 표면이 요동치는 모습(폭기)이 눈에 보입니다. 더 강한 물 표면의 움직임은 더 높은 산소의 투입량을 보장합니다. 빛이 없는 어두운 단계에 폭기를 하며 빛이 발생하면 원래 위치로 되돌립니다. 매우 간단하다는 장점이 있으나 물이 튀고 소음이 발생하는 단점이 있습니다.

 

추가 환기

자금에 여유가 있다면 수족관 내부에 에어 스톤을 설치하여 펌프로 직접 유입시키는 방법이 있습니다. 타이머가 있는 펌프는 시간을 입력하여 밤에만 작동하게 할 수 있습니다. 전체 프로세스가 자동화가 됩니다. 추가 지출 부담의 단점이 있습니다.

유리 제품이 부담스러울 경우 스테인레스 제품이나 아크릴 제품을 이용합니다.

 

환기 및 CO 2

증가된 산소 공급이 수족관 의 CO 2 함량에 직접적인 영향을 미치지는 않지만 수면의 더 강한 움직임(예: 융기된 릴리 파이프로 인한 폭기)은 그럼에도 불구하고 수족관에서 더 많은 CO 2를 몰아낼 수 있습니다. 이 경우 야간 손실을 보상하여 낮 동안의 물속 이산화탄소를 조정해야 합니다. (식물이 광합성을 하려면 이산화탄소 필요)