水槽のエアレーションは「過剰」という状態があるのか

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今回は水槽のエアレーションをしすぎる（過剰）という状態があるのかという内容に関する解説です。

エアレーションをしすぎるとよくないと言われる事例
まとめ【普通のエアレーションなら過剰になることはない】

エアレーションをしすぎるとよくないと言われる事例

エアレーションのマイナス面から以下の4点についてエアレーションはしすぎると良くないと言われることがあります。

酸素が溶け込みすぎる
泡が細かすぎるとよくない
CO2が逃げる（CO2濃度の低下とpHの上昇）
強すぎ厳禁

酸素が溶け込みすぎる【実際は適当な濃度で止まるので増えすぎということはない】

まず当然ながらエアレーションする目的の大半は水中に酸素を溶け込ませるというものです。

エアレーションするときの水中への酸素の溶け込みを表す理論式は以下となります。詳細は以下の記事もご覧ください。

\(\frac{dC_L}{dt}=K_{L}a(C_{s}-C_{L})\)

ここで各種記号の意味は以下となります。単位の表現は意味が変わらない範囲で多少変えています。

C_L：水中の溶存酸素濃度[mg／L]

t：時間[s]

K_La：総括物質移動容量係数[1/s]

C_s：水中の飽和溶存酸素濃度[mg／L]、つまり水中に溶け込む酸素の限界量

この式から水中の酸素濃度がC_sより小さい、つまり限界溶出量以下なら水中へ酸素の供給が行われます。

しかしながらそれによって水中の酸素濃度は上昇するのでC_s-C_Lはどんどん小さくなっていき、水中の酸素濃度がそれ以上溶けない限界量C_sに到達するとそれ以上酸素は溶けなくなります。

つまりエアレーションしすぎて酸素が増えすぎるということはなく、C_sに到達すれば酸素は溶けなくなり、C_sの酸素濃度では魚は十分生活可能です。

泡が細かすぎるとよくない【賛否両論ある】

泡が細かすぎるとよくないという話も聞きます。ディフューザーで細かい泡をシュワシュワ水中に送るとかえって生体の元気がなくなるというものです。

例えば以下の記事ではイソギンチャクに良くないという話がされています。

サンゴやイソギンチャク達は　、　細かな泡が　体に着くのを　極度に嫌がる。　泡が　サンゴやイソギンチャクの粘液を　はぎ取ってしまうのだ。
くまぱぱのブログ, 細かな泡をジェットのように吹き出すと・・・・・

確かに細かい泡はイソギンチャクの表面の微細な表面に入り込み、そこを集中的に泡で削るので、粘膜を高圧ジェットで洗浄除去するような形になり良くない、というのはあり得そうです。

ただし高圧ジェットのような使い方をしなければ魚を洗浄するような形になることもなく、泡が細かいほど酸素もよく溶けるというプラスの面もあります。

またプレコなどは水流とたくさんの溶存酸素を必要とするので、水流と細かい泡の組み合わせが絶対悪というわけでもないのです。

実際プレコなどは渓流のシュワシュワした流れを好むと言われており、細かい泡をジェットでシュワシュワするというのが悪くない場面もあります。

ディフューザーや細かい泡の出る目の細かいエアーストーンを使った程度の細かさなら特に影響がないことも多いでしょう。酸素もよく溶けて良い影響がある場合も多いです。

ただ上のイソギンチャクの例と多少かぶりますが、ものすごく細かい「ファインバブル」と呼ばれる泡になると話は変わってくるようです。

水質改善の策としてマイクロメートルサイズの泡を水中に溶存させることで、溶存酸素量を増やしただけでなく、牡蠣の生育促進につながった。
江藤, 学; 吉岡(小林), 徹, 「科学」不足によるイノベーション阻害 : ファインバブルの事例

ファインバブル技術には、生物活性効果、洗浄効果、殺菌効果などがあり、それらは立証されている。
新井喜博, 加速するファインバブル技術の産業化, 旭リサーチセンター, 2016年

泡がとにかく細かいので酸素は大量に効率的に水中に溶け込むのは間違いありません。

しかしながら洗浄効果や殺菌効果があるので、魚のエラなどに対する影響がはっきりしません。酸素を供給するのだからいいだろうと単純に考えるわけにはいかず、牡蠣ではうまくいったようですが、魚なら何でもファインバブルで健康になるのか、と言われるとファインバブルの濃度などにも影響されそうで、とにかくファインバブルを入れればいいのかと言われると微妙です。魚の養殖では成功している文献がありますが、水槽の熱帯魚という閉鎖空間で様々な熱帯魚にファインバブルを使ってみたという実験はないのです。

魚介類のエラにマイクロバブルが吸着すると、キャップ効果が働き、溶存酸素を吸引できなくなり、魚介類の活性力が極端に低下し、死んでしまう場合もある。
マグロ、カンパチ、ブリ、ハマチ、鯛、鮃などの養殖ではこの現象が顕著に現れ、鰓毛の隙間が100nmといわれる大量の海水を吸引する牡蠣などにもこの現象が認められている。
トスレック株式会社ファインバブル事業部, 当社ファインバブル発生技術のご紹介

つまり突き詰めると無限に泡を細かくすれば魚に良い働きをするというわけでもなさそうだということです。どこかにこれ以上細かいとダメみたいな気泡径が魚ごとにありそうです。

上のキャップ効果を解説したサイトでは泡の径を均一にすることでこの効果を避けているようですが、他社のすべてのファインバブル製造装置で均一径というのは保証されていないので、キャップ効果が現れる場合もあると思われます。

また生体の種類（イソギンチャクなのか、プレコなのか等）にもよりますし、泡の当て方（イソギンチャクに直接ジェットを当てるなど）にもよるでしょう。

CO2が逃げる

これもよく言われることですが、エアレーションするとCO2が逃げます。

任意のガス種に対する単一気泡の水中への溶出に関する理論式として以下の式があります。（文献(1)：堀陽平, 電解質及び界面活性剤水溶液中二酸化炭素気泡の物質移動に関する研究, 神戸大学大学院工学研究科, 博士論文, 2020年, 式の内容を変形して記載）

\(\frac{dm}{dt}=k_{L}A_{B}(C_{L}-C_{S})\)

ここで文字の意味は以下となります。

k_L[m/s]：物質移動係数

A_B [m²]：気泡界面積（πd²）

A_B = πd²

d[m]：気泡の球体積等価直径

C_S [mol/m³]：気泡界面におけるガス濃度

C_L [mol/m³]：液相中のガス濃度

m [mol]：気泡内ガスの物質量

t [s]：時間

普通水中に二酸化炭素が多く溶け込んでいる場合、そこに低二酸化炭素濃度の大気を送るとC_L>C_Sなのでmは増大します。

つまり気泡のガス濃度が増える、つまり水中の二酸化炭素が気泡に移る、すなわち水中の二酸化炭素濃度が下がると言えます。

C_Sはエアレーションで大気から取得されるので、二酸化炭素濃度は一定です。

つまりC_Lはどんどん小さくなっていき、C_L-C_Sはゼロに近づきます。

これを大気平衡と言ったりします。（正確には海洋で大気と海水のCO2の移動量が平衡状態になったとき、つまり見かけ上移動が止まっているように見えるときを大気平衡と言いますが、今回はエアレーションによりCO2の移動量がなくなった時を大気平衡としています）

採水時のpHが7.77であり，エアレーション開始後，徐々に上昇し，2時間後pHは7.98とほぼ一定となった． pHが一定の値を示した時点を大気平衡とした．
文献(2)：藤井智康, 藤原建紀, 大阪湾奥部における二酸化炭素の長期連続観測, 土木学会論文集B2(海岸工学)/68 巻 (2012) 2 号

つまり上の文献(2)でやっていることは、CO2がエアレーションされることで水中からなくなっていくと、酸性物質であるCO2が減るのでpHが上がりますが、それは上の大気平衡の状態になることでCO2の減少がなくなるため、pHの上昇もなくなるという状態を作っているということになります。

この話を裏付けるように二酸化炭素が含まれていない蒸留水をエアレーションするとpHは二酸化炭素の溶け込みで下がります。

pHは給気量の増加に伴い，蒸留水を除く3種類は増加，蒸留水は低下した．これは，蒸留水の場合，水面から溶け込むCO₂の影響でpHが低下し，他の三種類の水では試験開始時に溶存したCO₂が酸素の増加により大気中に排出されpHが増加したと考える．
木俣陽一, 京藤敏達, 歌川紀之, エアレーションによるDO増加過程に気泡径および水質が及ぼす影響の研究, 水工学論文集/51 巻 (2007)

このように二酸化炭素が多く含まれた水槽中でエアレーションすると二酸化炭素が減少します。すると以下の二点でデメリットがあります。