Riffaquaristik

Der Stickstoffkreislauf im Aquarium:

In einem Aquarium benötigen alle biologischen Prozesse zur Funktion und zum Wachstum die Anwesenheit des chemischen Elements Stickstoff : N. Es ist ein Hauptbestandteil organischer Materie.
Das Einbringen von Futter in das geschlossene Kreislaufsystem eines Aquariums erhöht die Stickstoffmenge.
Die stickstoffhaltigen, organischen Bestandteile finden sich in Pflanzen ebenso wie in verendeten Tieren oder den
Ausscheidungen der Aquarienbewohner. Organische Verbindungen werden durch Mikroorganismen
abgebaut, wobei die Stickstoffabfälle einen mineralischen Zustand erlangen, der zunächst als Ammoniak (NH3)
/ Ammonium (NH4+) vorliegt. Molekularer Ammoniak ist innerhalb des Stickstoffkreislaufs die giftigste Verbindung. Ionisiertes Ammonium (NH4+) hingegen ist in der Toxizität etwa 100fach reduziert. Der Abbau des Ammoniaks /
Ammoniums erfolgt über das giftige Nitrit (NO2-), hin zu dem verhältnismäßig ungiftigen Nitrat (NO3-).

Der anorganische Stickstoff wird durch Mikroorganismen und Pflanzen (Phytoplankton ebenso wie höhere Pflanzen) assimiliert. Die durch die Pflanzen synthetisierten Proteine treten nachfolgend in den Ernährungskreislauf der Tiere ein. Entweder direkt durch Pflanzenfresser oder indirekt durch Fleichfresser, welche die Pflanzenfresser fressen. Nach der Aufnahme durch die Tiere werden die pflanzlichen Proteine verbraucht und gelangen als Zellproteine oder als Energielieferanten erneut als organische stickstoffhaltige Bestandteile in den tierischen Organismus. Es erfolgt die erneute Freisetzung bei Ausscheidung und Tod. Der Kreislauf schließt sich.

Die anorgansichen Bestandteile im Stickstoffkreislauf wie Ammoniak / Ammonium werden durch Mikroorganismen zu Nitrit und schließlich Nitrat umgebaut. Letztgenannte Verbindung steht den Pflanzen als Nahrung zur Verfügung oder aber es erfolgt eine Anreicherung im Aquarienwasser.

So in etwa läßt sich der Stickstoffkreislauf in einer stark vereinfachten Variante darstellen.

Die Ausführungen dürften verständlich machen, warum die Überwachung der einzelnen Verbindungen, die ja giftig sind, sehr wichtig ist. Es verdeutlicht auch, wie wichtig die Wartung eines Aquariums ist.

Schwellenwerte genannter Verbindungen für die Aquaristik

AmmoniaK	(NH3)	0.1 mg/l	-	0.01 mg/l nicht überschreiten
Ammonium	(NH4+)	wenig giftig	-	-
Nitrit	(NO2-)	0.5 mg/l	-	0.1 mg/l nicht überschreiten
Nitrat	(NO3-)	50 mg/l	Wirbellose	-
Nitrat	(NO3-)	500 mg/l	Fische	-

Ammonifizierung:

Die Ammonifizierung präsentiert die erste Stufe im Abbau organischer Abfälle. Diese Stufe produziert Ammoniakverbindungen (NH3 und NH4+) deren Giftigkeit vom pH-Wert abhängig ist. Je saurer der pH-Wert, desto mehr ungiftiges Ammonium (NH4+) liegt vor. Im Umkehrschluß heißt dies: in alkalischen Gewässern überwiegt das giftige Ammoniak (NH3). Die in der Aquaristik angewandten Teste erlauben eine Messung von NH3 und NH4+. Das Ion NH4+ ist ungiftig. Es wird aber bei steigendem pH-Wert in das sehr giftige Ammoniak umgewandelt. Der umgekehrte Fall ist ebenfalls möglich. Mit sinkendem pH-Wert wandelt sich Ammoniak zu Ammonium um.

Tafel : Ammoniakprozentsatz in Zusammenhang mit dem pH-Wert bei 25 °C

pH	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5
NH3(%)	0,2	0,6	1,7	5,3	15	36	64

Beispiel
Ergebnis des Ammoniumtests: 1,5 mg/l bei pH 7 also NH3 = 1,5 x 0,6% = 0,009 wenig giftig.

Der Unterschied zeigt sich, wenn beispielsweise bei pH-Wert 8 gemessen wird :

Ergebnis des Ammoniumtests: 1,5 mg/l bei pH 8 also NH3 = 1,5 x 5,3 % = 0,08 sehr giftig.

Ein hohes Maß an Achtsamkeit muß dem pH-Wert im Transportbeutel bei Meerwasserimporten entgegen gebracht werden, da hier während des Transports der pH-Wert in den sauren Bereich fällt und Ammonium statt Ammoniak gebildet wird. Steigt der pH-Wert durch die Umgewöhnung an das Wasser der Hälterungsanlage wieder an, wandelt sich das Ammonium (auch im Blut der Fische) zu Ammoniak um.
Einige Gramm Zeolith - Clinoptilolite - während der Umgewöhnung in den Beutel können hier sehr große Dienste leisten.

Die Nitrifikation:

Die Nitrifikation ist die Umwandlung stickstoffhaltiger Verbindungen in Stoffe deren Stickstoffatom im oxidierten
Zustand vorliegt : NITRAT.

Die Nitrifikation wird von autotrophen Bakterien (Fähigkeit sich ausschließlich von mineralischen Stoffe zu ernähren) und von heterotrophen Bakterien (Fähigkeit sich von organischen Stoffen zu ernähren) durchgeführt. Der wichtigste Teil der Nitrifikation in einem Ökosystem fällt im allgemeinen den autotrophen Mikroorganismenaus der Familie Nitrobacteriaceae : Nitrosomonas (zuständig für die Umwandlung von Ammonium / Ammoniak zu Nitrit)
und Nitrobacter (zuständig für die Umwandlung von Nitrit zu Nitrat) zu.

Die nitrifizierenden Bakterien nutzen den Stickstoff des Ammonikas / Ammoniums oder des Nitrits als Energiequelle (Ionengeber).
Die Kohlenstoffquelle präsentiert das Kohlendioxid und die Karbonate.

Die heterotroph nitrifizierenden Mikroorganismen benutzen als Energiequelle den organisch gebundenen Kohlenstoff und oxidieren die organischen und anorganischen Stickstoffverbindungen.

Die Reaktion läßt sich in zwei Stufen aufteilen :

1. Stufe: Die Nitritation oder Nitrosation (Oxidation des Stickstoffs im Ammoniak /Ammonium zu Nitrit)
und die
2. Stufe: Nitratation (Oxidation des Nitrit in Nitrat)

Zwei Hauptfaktoren bestimmen den Nitrifikationsvorgang :

1. Die Physico-Chemie des Wassers
2. die biologische Gemeinschaft

Physico-Chemie des Wassers :

Die nitrifizierenden Bakterien sind gegenüber den Milieubedingungen sehr empfindlich. Dies trifft insbesondere auf Nitrobacter zu. Das Wachstum von Nitrobacter wird durch einen zu hohen Ammoniakgehalt gehemmt (> 0,1mg/l NH3). Mangels ausreichender Mengen an Nitrobacter wird ein hoher Nitritgehalt gemessen, noch bevor das Ammoniak in einen Konzentrationsbereich fällt, der es den Nitrobacter erlaubt sich zu vermehren. Folglich verlängert sich die Dauer der Reifung des biologischen Filters.
Man darf nicht vergessen, dass die nitrifizierenden Bakterien einem starken Konkurrenzkampf mit anderen
Mikroorganismenstämmen unterworfen sind. Sauerstoffmangel, Mangel an bestimmten Spurenelementen, abnormale Senkung des pH-Wertes, extreme Wasserverschmutzung, usw. führen dazu, dass sich bestimmte Bakterienstämme gegen die nitrifizierenden Bakterien behaupten können. Dies äußert sich im Aquarium beispielsweise durch trübes Wasser. Resultat eines Konkurrenzkampfes, aus dem die Entwicklung eines Bakterienstammes hervorgeht, der sich im Aquarienwasser explosionsartig vermehrt.

Nitrit wird durch die starke Vermehrung von Nitrobacter schneller gesenkt.

Der pH -Wert :

Grundgleichung :

2NH4+ + 3 O2	>>	2NO2- + 4H+ + 2H2O
2NO2- + O2	>>	2NO3-

soit

2NH4+ + 3 O2 + 2NO2- + O2	>>	2NO2- + 2NO3- + 4H+ + 2H2O
2NH4+ + 3 O2 + O2	>>	2NO3- + 2H2O + 4H+

Die Nitrifikation isoliert H+-Ionen und senkt den pH-Wert, welcher vor allem in den ersten Wochen nach in Betriebnahme des Aquariums überwacht werden muß. Die Anwesenheit von Karbonaten erzeugt eine Pufferwirkung, die Schwankungen des pH-Wertes minimiert. Der optimale pH-Wert der Nitrifikation liegt bei 8,0.
pH-Werte ausserhalb des Bereichs 7,0 und 8,6 können die Effektivität der Nitrifikation beeinträchtigen.

Die Temperatur

Die optimale Temperatur für Nitrosomonas liegt zwischen 30 °C und 36 °C. Für Nitrobacter bei
28 C.
Die Temperatur beeinflußt die Vermehrungsrate (Knowles und al., 1965) :

- zwischen 23 °C und 30 °C wird die maximale Wachstumsrate für Nitrosomonas durch 4 dividiert.
- Die Vermehrungsrate verändert sich je Grad Celsius Zunahme durchschnittlich um 6% bei Nitrobacter.

Die Abbaurate der Substanzen kann sich bei einer Verringerung der Temperatur um 10 °C auf die Hälfte reduzieren.

Die Sauerstoffkonzentration

Der Sauerstoff ist ein Faktor der Oxidationsreaktion: er kann folglich als limitierenden Faktor in Erscheinung treten.
Die Konstanten der Halbsättigung im Vergleich zum gelösten Sauerstoff im Wasser liegen im Temperaturoptimum
des Bakterienwachstums zwischen 0,25 und 1,3 mg/l für Nitrosomonas und zwischen 0,5 und 1 mg/l für Nitrobacter (Capdeville, 1991).
Dies bedeutet, dass es nicht nötig wäre, die Menge des gelösten Sauerstoffs im nitrifizierenden System,
zu hoch anzusetzen. Schätzungsweise sollten 4 mg/l gelösten Sauerstoffs ausreichen.

Doch im Aquarium herrschen andere Gesetzmäßigkeiten.

Die Sauerstoffkonzentration nimmt Einfluß auf den Konkurrenzkampf zwischen der heterotrophen und der autotrophen Fauna, besonders in Gegenwart von Kohlenstoff. Grund hierfür ist, dass die heterotrophen Bakterien die nitrifizierenden Mikroorganismen in der Vermehrung hemmen, in dem sie mit diesen in Wettbewerb um Sauerstoff und Ammoniak / Ammonium treten. Heterotrophe Organismen sind unter optimalen Bedingungen in ihrer Vermehrungsrate fünf Mal höher als autordrophe. Dies erklärt die Notwendigkeit der ausreichenden Sauerstoffzufuhr und eines sorgfältig ausgewählten Bakterienstammes.

Biologische Gemeinschaft

Nitrosomonas europea verstoffwechseln Ammoniak / Ammonium zu Nitrit.
Nitrobacter winogradskyi oxidiert Nitrit zu Nitrat.

Die heterotrophe Denitrifikation:

Die nitrifizierende Aktivität der heterotrophen Bakterien ist effektv, aber mit einer viel langsameren Geschwindigkeit
als dies bei autotrophen Mikroorgansimen zu beobachten ist. Sie werden schwach nitrifizierende Mikroorganismen genannt.

Sie sind trozdem von Bedeutung, weil sie die stickstoffhaltigen Verbindungen abbauen: von Ammoniak / Ammonium
zu den Verbindungen der aliphatischen Ketten (Fette) oder aromatischen Ketten, sowie den Nebenprodukten
der Nitrifikation : Hydroxylamin, Oxyamine, Hydroxaminsäure, usw.
Die Beobachtung, dass sich während der Produktion von Nitrit und Nitrat durch die Mikroorganismen sehr wenig Stickoxide ansammeln, sei ebenfalls erwähnt.
Es wurde auch gezeigt, dass alle heterotrophen Nitrifizierer aerobe Denifitrizierer sind, was die fehlende Anreicherung von Nitrit und Nitrat erklären würde (Papen et al. 1989; Van Niel et al. 1992a). Es dürfte somit möglich sein, eine Ammoniak / Ammonium Verunreinigung mit den gleichen Mikroorganismen in molekularen Stickstoff zu ermöglichen.

Die Denitrifikation:

Die Denitrifikation ist durch die Umwandlung von Nitrat in gasförmigen Stickstoff gekennzeichnet. Dabei wird Nitrat über Nitrit in Stickoxide und Salpeteroxide reduziert. Jeder Schritt wird durch ein Reduktaseenzym unterstützt.

	NAR		NIR		NOR		N2 OR
NO3-	------	NO2-	------	NO	------	N2O	------	N2

STUFEN DER DENITRIFIKATION :

Substanz und Enzyme :

NAR = Nitratreduktase; NIR = Nitritreduktase; NOR = Stickoxid-Reduktase;
N2 OR = Salpeteroxid-Reduktase

Jede Reaktion wird von einem durch die betroffenen Bakterien ausgeschiedenem Enzym ermöglicht.

Die Denitrifikation ist eine Alternative zur klassischen Sauerstoffatmung, die in den Bereichen eines Aquariums mit wenig Sauerstoff vollzogen wird. Die Sauerstoffquelle liefert das Nitrat oder eines der Zwischenglieder im Elektronenfluß längs der Atmungskette.

Die Spaltung des Nitrat ist mit der Oxidation gekoppelt :

- entweder aus den mineralischen Verbindungen
oder
- aus den organischen Kohlenstoffverbindungen

Man wird jedoch stets versuchen, die heterotrophe, anaerobe Atmung zu favorisieren, welche eine Kohlenstoffquelle benötigt.
Die Kohlenstoffquelle kann aus organischem Abfall bestehen, der im Milieu durch Futterreste oder Aas vorhanden ist.

Dies ist die Grundlage für den Vorgang der biologischen Reinigung.

Weiterhin benötigen heterotrophe Anaerobier eine Phosphorquelle.
Die Phosphorquelle kann in Form von Natrium- oder Kaliumdihydrogenphosphat (Lavigne 1993) dem Aquarienwasser zugeführt werden. Meist aber genügen jene Phosphate die im Aquarienwasser vorhanden sind, um die heterotrophe Denitrifikation zu verbessern.