Azot w akwarium

 

 

Pomijając bardzo złożone procesy krążenia azotu w przyrodzie proponuję zapoznać się ze zjawiskami obiegu i występowania związków azotu w akwarium.

Problemy z równowagą biologiczną w akwarium wielogatunkowym najczęściej spowodowane są nadmiarem związków azotu, których przyczyny tkwią w przerybieniu zbiornika, nadmiernym karmieniu, zbędnej dekoracji nieproporcjonalną wielkością korzeni (źródło nadmiaru garbników i humusów) i słabej obsadzie roślin.

Źródłem azotu w źle prowadzonych akwariach są odchody ryb, resztki nie zjedzonego pokarmu, gnijące fragmenty roślin, obumarłe glony, pierwotniaki, ślimaki, zanieczyszczone podłoże oraz szybko „zamulające się” nieodpowiednie filtry.

Natomiast w dużych dekoracyjnych akwariach tzw. „holenderskich” obficie obsadzonych roślinami, przy małej obsadzie ryb zazwyczaj należy dostarczać azot w odpowiedniej formie dostępnej dla roślin przy zachowaniu podstawowych parametrów pH, twardości wody, temperatury, oświetlenia, natleniania i dozowania CO_2.

Azot uwalniany z naturalnych źródeł w akwarium o właściwych proporcjach pomiędzy rybami i roślinami ma formę mocznika CO(NH₂)₂, amoniaku NH₃^–, azotynów NO₂^–, azotanów NO₃^– i amonu NH₄⁺. Do azotanów zalicza się anion NO₃^– oraz kation NH₄⁺. Poza mocznikiem, azotanem i amonem, amoniak oraz azotyny są nieprzyswajalne dla roślin i mają działanie toksyczne-dla amoniaku już od 0,2 mg/l, dla azotynów od 10 mg/l. Azotany są praktycznie nieszkodliwe i stanowią dobre źródło pokarmu dla roślin a ich stężenie uzależnione jest od ilości i gatunków uprawianych roślin. Orientacyjne stężenie azotanów całkowicie nieszkodliwe dla ryb mieści się w przedziale 150-300 mg/l.

 

Stężenie różnych form azotu i ich przemiany w środowisku wodnym uzależnione jest od pH, temperatury, twardości-zawartości węglanów i wodorowęglanów, stopnia natlenienia wody, nasycenia CO₂, co z kolei wiąże się z występowaniem określonych gatunków bakterii i ich liczebnością.

Dla informacji – im twardsza woda tym większa liczebność wszystkich gatunków bakterii,

wyższa temperatura = wzrost szybkości reakcji, więcej tlenu = więcej bakterii tlenowych prowadzących do powstawania NO₃^–, mniej tlenu = więcej NH₄⁺ oraz NO₂^–.

W fazie ciemności rośliny nie pobierają azotu, co wiąże się ze zmianami pH w ciągu doby.

Utrzymanie współczynnika pH na właściwym poziomie poniżej wartości „7” jest bardzo ważnym elementem dla zapewnienia równowagi biologicznej w akwarium i zapewnienia prawidłowego obiegu azotu i jego przemian w formy przyswajalne dla roślin.

Alkaliczna woda oraz wysoka temperatura sprzyja gromadzeniu się w wodzie toksycznego amoniaku NH₃^– natomiast w środowisku kwaśnym lub lekko kwaśnym (poniżej 7) amoniak ulega szybkim przemianom na przyswajalny kation amonowy NH₄⁺.

 

Dlaczego w wodzie kwaśnej amoniak nie występuje?

Rozpatrując wodę o odczynie kwaśnym jako roztwór jonów hydroniowych H₃O⁺ (ładunek elektro dodatni- dodatkowy proton wodoru H⁺) i rozpuszczony w niej amoniak NH₃^– (ładunek elektro ujemny), który ma charakter alkaliczny i zawsze dąży do przyjęcia protonu H⁺, w środowisku wodnym zachodzi reakcja NH₃^– + H₃O⁺ « NH₄⁺ + H₂O , natomiast w środowisku alkalicznym przy braku H⁺ a więc NH₃^– + OH^– reakcja przemiany w kation amonowy NH₄⁺  nie zachodzi. (W azotanach stopień utleniania azotu jest stały i wynosi +5.)

Dlatego, że rośliny przyswajają wszystkie makro i mikro elementy w formie jonowej musi istnieć określona równowaga pomiędzy ilością kationów oraz anionów w przeciwnym wypadku doprowadziłoby to do bardzo niekorzystnych zmian w równowadze biologicznej oraz zakwaszenia lub alkalizacji wewnątrz komórek roślin.

Dla informacji przykładowe i uproszczone równania:

 

 

Wynika z tego, że jeśli roślina w pierwszym przypadku potrzebuje większych ilości wapnia i magnezu to zmuszona jest pobrać azot w formie anionu, natomiast w drugim przypadku, jeżeli potrzebuje więcej molibdenu i fosforu to musi pobrać azot w formie kationu. Przedstawiony powyższy schemat równowagi jonowej jest bardzo uproszczony i ma jedynie ułatwić zrozumienie zjawisk opisanych dalej.

Ze względu na to, że środowisko kwaśne sprzyja pobieraniu anionów a alkaliczne kationów obecność w wodzie azotu w formie łatwo przyswajalnych jonów zarówno NH₄⁺(kation) jak i NO₃^–(anion) ma istotny wpływ na stabilizację odczynu wody oraz na pełne wykorzystanie wszystkich soli mineralnych.

Rośliny pobierając kation NH₄⁺ redukują go do NH₃ lub N-NH₂ i oddają do środowiska tlen oraz jony H⁺ zakwaszając wodę, natomiast przy pobieraniu anionu NO₃^– oddawana do środowiska cząsteczka HCO  lub  OH^– alkalizuje wodę.

 

Skąd te dodatkowe atomy tlenu i wodoru ?

Jak już wspomniałem w fazie ciemnej rośliny nie pobierają azotu natomiast w świetle oprócz procesów biochemicznych wewnątrz komórek roślin związanych z przemianami azotu podczas fotosyntezy woda zostaje rozczepiana na tlen i wodór (O₂^– i H⁺) a te z kolei uczestniczą w procesach oddychania i są wbudowywane w inne związki oraz częściowo wydalane przez rośliny.

W ten sposób podczas pobierania przez rośliny azotu (oczywiście w znacznym uproszczeniu) powstaje swoisty mechanizm samoregulacji odczynu pH wody, który jednocześnie sprzyja rozwojowi bakterii nitryfikacyjnych zamykając proces obiegu azotu w akwarium w „koło”.

Środowisko lekko kwaśne do wartości pH  poniżej „7” sprzyja rozwojowi bakterii nitryfikacyjnych, zapobiega powstawaniu amoniaku NH₃ oraz zmniejsza pobieranie amonu NH₄⁺ jest więc najodpowiedniejszym dla prawidłowego rozwoju roślin i utrzymania w dobrej kondycji ryb w akwarium. W praktyce jon NO jest pobierany w większych ilościach, ponieważ inne sole np. Fe, Mg, K pobierane są w formie jonów o ładunku dodatnim.

 

Podstawowe procesy przemian i obiegu azotu w akwarium.

Mocznik jest pobierany przy pomocy enzymu  eureazy produkowanego przez rośliny w/g reakcji CO(NH₂)₂ +® 2NH₃ + CO₂  –cząsteczki amoniaku po dalszych przemianach w komórkach roślin wbudowywane są w łańcuchy białek w formie N- NH₂ oraz „mostków” NH-NH.

Kation amonowy NH₄⁺ oraz anion azotanowy NO₃^– wewnątrz komórek roślin również redukowane są najpierw do amoniaku za pomocą enzymów oksydoreduktaz produkowanych przy udziale mikroelementów: Mo, Cu, Mn, Fe. Elementem redukującym w tych reakcjach jest elektron pochodzący z wodoru uwalniany w procesie fotosyntezy.

Amoniak rozpuszczony w wodzie przy udziale bakterii nitrosospira zostaje utleniany do azotynu NO₂^–.

Amon przy udziale tlenowych bakterii nitryfikacyjnych nitrosomanas również zostaje utleniony do azotynu w/g reakcji NH₄⁺ + 1O₂  ® NO₂^– + 2H⁺ + H₂O

Azotyn otrzymany w powyższych przypadkach oraz pochodzący z innych źródeł przy udziale bakterii nitrobacter zostaje utleniony w/g reakcji  NO₂^– +O₂ ®  NO₃^–

Azot cząsteczkowy w formie N₂  występujący w minimalnych ilościach przy udziale bakterii

tlenowych azotobacter oraz beztlenowych clostridium zostaje redukowany do kationu NH₄⁺ .

 

Procesem odwrotnym do nitryfikacji, który zachodzi przy braku tlenu jest denitryfikacja przeprowadzana przez bakterie micrococcus denitrificans prowadząca do przemian azotanu NO₃^– w/g reakcji  5H₂ + 2NO₃^– ® N₂ ^– + 4H₂O + 2OH^–

Denitryfikację przeprowadzają również heterotrofy – bakterie pseudomonas denitrifikans

rozkładając węglowodany w/g reakcji:

4C₆H₁₂O₆ + 24NO₃^– ® 12N₂^– + 24HCO₃^– + 6CO₂ + 18H₂O .

 

Mineralizacja – polega na rozkładzie organicznych form azotu takich jak szczątki organizmów, białka, aminokwasy przy udziale bakterii. Mineralizacja to również amonifikacja, czyli biologiczny rozpad szczątków zwierzęcych i roślinnych przeprowadzana przez bakterie, grzyby, promieniowce i śluzowce, której produktem jest kation amonowy NH₄⁺.

 

Huminifikacja– polega na przekształcaniu trudno rozkładających się substancji pochodzenia organicznego np. celuloza, lignina na związki humusowe (inaczej koloidalne) ciemno zabarwione składające się głównie z węgla, wodoru, tlenu i azotu. Humusy są związkami o charakterze kwasów a zawarty w nich azot jest niedostępny dla roślin. Humusy ulegają stopniowej i powolnej mineralizacji.

 

Oprócz opisanych powyżej przemian i reakcji w procesie obiegu azotu uczestniczy jeszcze wiele innych gatunków bakterii, pierwotniaków, wiciowców, grzybów i glonów, lecz temat ten jest bardzo rozległy i złożony a dla zrozumienia tego rozdziału przedstawione informacje powinny zaspokoić „spragnionych wiedzy”.

 

W praktyce w dobrze pielęgnowanych akwariach z właściwą obsadą ryb i roślin zjawisko nagromadzania się w nadmiernych ilościach związków azotu nie występuje. Przykładem mogą być moje własne obserwacje przeprowadzone na zbiorniku o pojemności 400 litrów   wyposażonym w system filtru dennego.

Akwarium zostało napełnione wodą, w której zawartość azotynów nie przekraczała 0,1 mg/l (norma wodociągowa do 0,1mg/l ) oraz azotanów poniżej 10 mg/l (norma wodociągowa do 10 mg/l). Przez okres jednego roku woda nie była odświeżana a jedynie uzupełniane ubytki na skutek parowania. W tym czasie rośliny były dokarmiane CO₂ oraz wieloskładnikowymi nawozami zawierającymi N, P, K. Przeprowadzone pomiary po upływie roku wykazały zawartość azotynów 0,2 mg/l oraz azotanów 93 mg/l czyli znacznie poniżej poziomu szkodliwego dla ryb i roślin.