La filtration biologique pour l'aquarium

Par Dr. J. Bloch - Pays Bas

Pour mieux comprendre les techniques actuelles de maintenance de la faune et de la flore marine, il est utile de connaître l'évolution de certains systèmes qui les ont précédées. Elles restent d'ailleurs parfaitement valables et sont toujours utilisées pour certains types d'aquariums à condition de savoir dès le départ quel type d'aquariophilie on désire pratiquer :
- bacs à poissons mixtes (poissons et végétaux)
- bacs d'invertébrés avec végétaux
- bacs récifaux réservés aux madrépores.

Cet article s'adresse particulièrement à ceux à qui la «folie récifale» ou «récifalite aigüe» fait peur à cause des investissements financiers qu'elle génère.

Arrière plan écologique

Introduction :
La maintenance d'un récif corallien miniature dans un salon n'est pas seulement un passe-temps fascinant mais aussi un challenge d'une certaine ampleur. Il serait trompeur de vouloir prétendre qu'il n'existe pas un certain nombre de problèmes compliqués. Aujourd'hui, pourtant, quelques-uns uns de ces problèmes sont facilement résolus de telle sorte qu'un aquarium mini-récif ne soit plus inaccessible. Le facteur le plus important est la maintenance à long terme d'une eau de bonne qualité. Étant donné qu'il y a plusieurs types de filtration disponibles, l' amateur passionné peut se heurter à des difficultés considérables pour effectuer son propre choix. Il est dans l' intention de cet article de fournir aux aquariophiles marins un arrière-plan écologique et une vision du fonctionnement naturel d'un récif corallien pour apporter ensuite les derniers perfectionnements des pionniers danois en matière de filtration d'aquariums mini-récifs.

Le récif corallien en tant qu'écosystème :
Avant qu'il ne soit possible de discuter le système relatif à un aquarium mini-récif, il convient de regarder la nature et d'observer les caractéristiques typiques d'un récif corallien en tant qu'écosystème. Le caractère extrêmement oligotrophique de l'eau est le premier caractère qui frappe dans un récif corallien. Littéralement, oligotrophe signifie : « faible concentration en nourriture ».
Toutefois, le terme « nourriture » dans notre acceptation, n'est pas vraiment le terme adéquat pour décrire la situation. En fait, il se rapporte à la faiblesse en éléments nutritifs d'origine organique, tels les nitrates, l'ammoniaque et les phosphates. Beaucoup d'autres minéraux tels le potassium, le calcium, le magnésium, le silicium, les sulfates, le fer et nombreux élément de trace, sont normalement présents, voire abondants dans l'eau de mer. En dépit de sa nature oligotrophique, le récif corallien est doté d'une multitude d'animaux de variété très diverse. La productivité d'un récif corallien est également très élevée. Par exemple, 50 000 kg de matière vivante en tant que substance sèche sont produits par hectare et par an. Cela représente environ dix fois plus qu'un champ de riz très productif ou qu'un champ de maïs très fortement amendé en fertilisants. Cependant ces animaux coralliens sont principalement constitués d'eau, ils ont seulement besoin d'azote et de phosphate comme tout autre créature vivante.

Cela soulève le problème suivant : D'où tirent t'ils leurs éléments nutritifs ?

La réponse à cette question est très simple : du miraculeux plancton.

Plancton est le nom pour l'entière collection des vies dans la mer, qui nagent ou qui flottent. Il contient des algues (phytoplancton), tout comme des protozoaires, toutes sortes de larves et de petits crustacés. (Zooplancton. Cette réponse ne nous dit pas comment le plancton récolte son propre azote et ses propres phosphates. Pour le zooplancton, il est clair qu'il mange du phytoplancton mais le phytoplancton lui, doit tirer ses éléments nutritifs de l'eau.
Dans cet ordre d'idées, il y a deux principes de base à réaliser. D'abord, les espèces du plancton oligotrophique sont très spécialisées dans l'accumulation de ces minéraux à partir des concentrations très faibles présentes dans l'eau. La concentration de phosphates et de matériaux azotés à l'intérieur de leurs cellules est 1 000 000 de fois plus élevée que dans l'eau qui les entoure. Le second principe est en rapport avec les énormes quantités d'eau dans les océans. (environ 5 x 10 puissance 15 mètre cubes). L'eau des océans est faiblement productrice de biomasse comparée à celle des récifs coralliens. Seule la couche superficielle est productive et, grâce aux courants marins, l'eau ne crée pas plus de 20 grammes environ de biomasse par mètre cube et par an. Afin d'égaler la haute productivité des récifs coralliens, un hectare de récif corallien nécessite le contenu planctonique d'environ 2 x 1 000 000 de mètre cube d'eau de mer. Les courants marins apportent le plancton en un flux constant le long des récifs où il est concentré par les animaux filtreurs existant sur le récif. Une partie du plancton tombe vers le bas où il est collecté par le face rocheuse du récif. Dans le récif, un nombre extraordinaire de spécialistes différents est à la chasse de différentes proies. De petits animaux sont mangés par des prédateurs plus grands...
Mais de petits animaux vivent aussi en parasites, en symbiose ou en commensalité avec de plus grands. Presque chaque espèce contrôle la croissance ou en est dépendante, d'une ou de plusieurs autres espèces. Le résultat est un équilibre parfait entre toutes ces espèces au sein d'un écosystème parfaitement réglé qui met en évidence toutes sortes de tissus alimentaires inter parentés.
Les poissons constituent le dernier maillon de la chaîne alimentaire et les plus grands prédateurs en font la vraie fin. Comme chaque espèce dans une chaîne alimentaire utilise une part de l'énergie, la somme des substances vivantes (biomasse) à l'origine de chaque chaîne alimentaire est plus importante que la biomasse totale à la fin d'une chaîne alimentaire. Il est important de réaliser que pour produire un gramme de chair de poisson, environ 100 grammes de phytoplancton de base et environ 10 grammes de zooplancton doivent également être produits. De nombreux aquariophiles passionnés ont une idée fausse de la quantité de poisons peuplant un récif corallien. Cela est dû à la manière dont ils observent le récif...
C'est à dire par l'intermédiaire des photographies dans les livres et les magazines de vulgarisation. Il faut savoir que le photographe ne sélectionne que les moments où les poissons passent ou se regroupent devant l'oeil de sa caméra. Eventuellement, il fait des gros plans en s'approchant au plus prés des animaux qu'il veut photographier. Le vide de la mer derrière lui, dans les profondeurs, ne sera pas photographier puisqu'il ne montrerait rien. Il en est, bien sûr, plus ou moins de même en ce qui concerne la densité de coraux vivants et autres invertébrés. Pour comprendre notre aquarium, nous devons réaliser que la densité de population dans un récif naturel, ne dépasse jamais la disponibilité en nourriture fournie par la chaîne alimentaire.

L'aquarium en tant qu'image vivante:
Il est parfaitement normal que l'émotion humaine aime le surprenant, les couleurs vives. Un arrière plan de squelettes coralliens blanchis avec une collection de poissons qui nagent autour pourra constituer une image charmante mais n'aura que peu de similitudes avec le vrai récif corallien.
En premier lieu, la concentration animale rapportée au volume d'eau sera, au mieux, un million de fois plus élevée que celle normalement trouvée dans la nature.
Deuxièmement, les poissons ont généralement été choisis par l'aquariophile en fonction de leurs coloris chatoyants et non de leur comportement naturel au sein de relations mutuelles avec d'autres organismes. Un couple de poissons- clowns avec leur anémone sera la possible exception. Néanmoins, l'extraordinaire foison de zooplancton nécessaire pour nourrir une telle collection de poissons est absente. En bref, cette méthode de tentative de maintien d'organismes marins a peu de ressemblance avec le système écologique trouvé au sein d'un récif corallien.

Le développement de systèmes plus sophistiqués:
En Europe, ce type d'aquarium stérile et contraire à la nature, a presque disparu. Le passe-temps s'est développé en direction de ce qu'il ait convenu d'appeler les «mini-récifs». Construire un mini-récif demande un temps conséquent. Au départ, le mini-récif est composé avec des «coraux vivants», à la place des squelettes ornementaux de coraux morts blanchis. Ces coraux, au début, sont recouverts par toutes sortes d'algues et de bactéries gluantes. L'eau est soigneusement filtrée et les algues indésirables régulièrement éloignées. Ensuite, après une paire de mois, les algues vertes commencent à dominer le mini-récif. D'abord, les algues filamenteuses recouvrent le décor en couches épaisses, ce qui donne au récif un aspect peu attractif. Après quelques mois, les algues filamenteuses disparaissent, tandis que d'autres espèces prennent le dessus.
Normalement, environ vingt espèces différentes de Caulerpes sont régulièrement vues dans les bacs les plus sophistiqués, environ trente espèces d'algues rouges et brunes peuvent être rencontrées. A l'intérieur de ce magnifique jardin sous-marin, des milliers de petits invertébrés peuvent se développer. Les pierres peuvent être recouvertes d'algues calcaires et, à l'intérieur des rochers, de petits vers à poils durs s'installent.
A ce stade, tout pousse spontanément sur les rochers et c'est pour cette raison qu'on les nomme «pierres vivantes». A ce moment, on peut aussi introduire les invertébrés dans l'aquarium. Les anémones, coraux mous, coraux durs et les espèces d'actinodiscus, sont mélangés avec des vers spirographes, des moules géantes et autres animaux filtreurs. Très souvent, quelques crevettes sont associées avec quelques poissons. Les gens qui préfèrent les invertébrés doivent être très sélectifs dans le choix de leurs espèces de poissons.
Bien que ce type de mini-récif soit presque naturel, et même si les invertébrés et les plantes croissent et se multiplient, ce n'est pas encore un écosystème.
Là, à nouveau, l'insuffisance des quantités de zooplancton est frappante. Deux raisons à cela:

- D'abord, la reproduction de phytoplancton n'est pas suffisante, et, évidemment, il n'y a pas de courant marin apportant du plancton frais.
- Ensuite, la densité de poissons même avec quelques poissons et crevettes seulement, est si élevée comparée à celle du récif corallien, que les petits crustacés et vers originaux, sont presque entièrement détruits par l'action prédatrice des poissons et crevettes.

En conséquence, il faut nourrir les animaux. Pour les crevettes et pour la plupart des espèces de poissons, cela peut être effectué d'une manière relativement simple en donnant différents types de planctons surgelés. Pour les poissons à régime alimentaire spécialisé ainsi que les animaux filtreurs, c'est possible mais pas facile.
L'absence de grand océan doté d'un courant a une autre conséquence : Les déchets produits ne sont pas enlevés et cela crée un problème important que nous devons résoudre. L'aquarium bénéficie d'une adjonction régulière de nourriture mais l'élimination naturelle n'existe pas. Pour résoudre ce problème, l'assistance de système de filtration s'avère nécessaire. Dans une prochaine partie de cet article, nous allons discuter ces systèmes de filtration et voir s'ils procurent une réelle solution au problème.

Méthodes de filtration

Les conséquences de l'accumulation de déchets
Les déchets dans l'aquarium sont présents sous deux formes différentes : dissous dans l'eau ou liés en particules.
Normalement, les particules peuvent être retirées par simple filtration mécanique. Quant aux matières dissoutes, elles sont concernées par la filtration biologique. Elles sont très facilement attaquées par nombres de micro-organismes. Cela a déjà commencé dans l'aquarium proprement dit et s'est accéléré dans le filtre biologique.
Les processus principaux qui s'opèrent dans un filtre biologique sont l'oxydation et la minéralisation. Quand suffisamment de bactéries ont été accumulées, l'ammoniaque est complètement oxydée en nitrates et les sucres presque complètement en gaz carbonique et en eau. Les protéines sont minéralisées en ammoniaque, tandis que d'autres déchets sont minéralisés en phosphates et en autres minéraux présents dans la biomasse vivante et dans la nourriture.
Tous ces processus utilisent l'oxygène dissous. Les minéraux sont volontiers solubles dans l'eau et ne sont plus métabolisés davantage par les bactéries dans le filtre. Ainsi, ils vont s'accumuler dans le système.
Comme conséquence, le système devient sur-fertilisé (eutrophication). Le résultat suivant se manifeste sur les algues à croissance lente appartenant au système oligotrophique qui disparaissent, laissant le champ libre aux espèces à croissance rapide et peu attractives qui vont commencer à dominer. Comme il était signalé durant la maturation du mini-récif, nous voyons maintenant apparaître les tristement célèbres algues et bactéries filamenteuses. Les invertébrés et les animaux filtreurs sont gênés, voire même intoxiqués par ces algues et le mini-récif va perdre ses caractéristiques attractives.
Il est très important d'être conscient que ce résultat n'est pas dû à une quelconque filtration inadéquate. Le type de filtration biologique que nous possédons n'a aucune importance; soit un filtre sous sable, soit un filtre externe utilisant du perlon, du corail ou du sable. A la base, ces systèmes fonctionnent tous de la même manière. S'ils sont conçus convenablement, ils favorisent la minéralisation des déchets. Les différences entre les systèmes peuvent provenir de la disponibilité en oxygène dissous, du danger potentiel d'encrassement, de la capacité de retenue des particules et des bactéries et du délai s'écoulant entre deux nettoyages. Bien qu'un filtre biologique soit nécessaire pour retirer les produits toxiques dus aux déchets, et qu'une capacité élevée soit nécessaire, cela ne contribue pas à la suppression des éléments minéraux.

Les possibilités de neutralisation des éléments minéraux
Très simplement, chaque créature vivante contient une certaine quantité d'azote et de phosphate protéiniques. Rapportées à la masse sèche de la biomasse, les quantités sont à peu près égales pour une plante, une moule, un amas de bactéries ou un poisson. Aussitôt que la biomasse n'est plus vivante, la désagrégation va commencer et le processus de minéralisation va amener les minéraux en solution. Une part des déchets est constituée de cellulose, chitine ou lignine. Ces éléments sont oxydés très lentement et restent dans le système pour une période prolongée comme matière contenant moins de substances phosphoreuses et azotées que la matière vivante.
Bien que l'enlèvement d'éléments minéraux, quand ces particules soient rassemblées dans le fond, dans le perlon ou le sable des filtres mécaniques, la minéralisation va continuer et les effets sur l'enlèvement d'éléments minéraux sont plus qu'amoindris. A cet effet, le meilleur filtre est le filtre mécanique extérieur qui est régulièrement nettoyé. Du fait de l'étendue de la minéralisation d'environ 20% par jour, seule une fréquence de 2 nettoyages par jour éviterait aux éléments minéraux de se dissoudre. Ainsi, la première action pour augmenter l'enlèvement des éléments minéraux est l'utilisation d'un système extérieur de filtration, sans minéralisation biologique. Une seconde action est constituée par l'écumeur. Bien que des particules d'une certaine grandeur ne soient pas enlevées, il est très efficace dans l'élimination de très petites particules et, même, de protéines dissoutes. Comme l'écume collectée par l'écumeur est totalement séparée, il s'agit d'un excellent appareil pour retirer les éléments minéraux. Toutefois, nous devons être conscients que par les branchies, les poissons dégagent de l'urée et de l'ammoniaque. Ces déchets ne sont pas retirés par un écumeur ; il en est de même pour les nitrates.
La troisième voie pour retirer des minéraux est de cultiver des plantes. Des caulerpes, à croissance rapide, accumulent des quantités non négligeables d'azote et de phosphate. On peut faire croître en dehors de l'aquarium, dans un bac à algues spécialement conçu en y faisant circuler l'eau de l'aquarium. Souvent, le mini-récif lui-même nous permet de récolter une quantité suffisante de caulerpes chaque semaine.
La quatrième possibilité est le changement d'eau ; c'est ce que l'on pourrait qualifier de «solution classique». Les plus grands aquariums de zoos situés au bord de la mer utilisent cette technique pour maintenir une eau de bonne qualité. L'amateur devra, quant à lui, utiliser du sel synthétique et, à cause de son coût, il restreindra ses changements à environ 20 % par mois. L'effet de cette mesure est souvent surestimé. Faisons un simple calcul pour démontrer cela : Nourrissons journellement avec deux grammes de zooplancton surgelé un aquarium de 500 litres. Le déchet azoté sous forme protéinique et la production d'urée et d'ammoniaque par les poissons seront nitrifiés par l'action des bactéries dans le filtre biologique et de cette masse de deux grammes environ, il résultera une production de 0,1 gramme de nitrates. Pour les retirer par un changement d'eau nous devons, cela sur une base journalière, enlever 100 litres avec 1 mg de nitrates par litre (ou 10 litres avec 10 mg par litre ou 1 litre avec 100 mg). Ainsi, la pratique courante consistant à changer 20 % de l'eau de l'aquarium mensuellement, ne maintiendra jamais la concentration de nitrates à un niveau inférieur à 0,1 mg par litre, typique des systèmes oligotrophiques.
Nous arrivons maintenant à la cinquième méthode de retrait des éléments minéraux : La filtration anaérobie. Le mot «anaérobie» signifie : sans oxygène. La plupart des aquariophiles sont quelque peu déconcertés par ce sujet et chaque livre ou article parlant d'aquariums marins insiste sur la nécessité de concentration élevée en oxygène grâce à une aération conséquente. Nous n'allons pas contester cette règle mais laissez-nous, une fois de plus, revenir à la nature et voyons ce qui s'y passe réellement.
Bien que le récif corallien semble baigné et aéré par une eau richement oxygénée, il y a toujours de petites crevasses ou autres endroits abrités où quelques sédiments peuvent se déposer. Outre ces endroits, les profondeurs de la mer forment un silencieux cimetière de plancton et autres déchets. Le sédiment se stabilise et continue à être altéré par les bactéries aérobies. Durant ce temps, de nouveaux sédiments sont déposés à sa surface et la couche sédimentaire peut varier entre un et dix millimètres mais ne constitue jamais qu'une fine couverture sur le fond anaérobie. Dans cette couche anaérobie, toute la biochimie est inversée. D'abord les nitrates sont réduits en azote, ensuite quand ce processus est terminé, les oxydes de fer et de manganèse sont réduits en soufre et en sulfures. Dans les couches les plus profondes, le méthane est produit en association avec un peu d'hydrogène. Cette phase du processus peut-être suivie très facilement en mesurant le potentiel redox qui, très évidemment, diminue de +300 à +500mV vers –300 à -500mV.
Ces réactions ont lieu sur le fond de toutes les mers et de tous les océans de part le monde et contribuent, d'une manière significative, à la suppression des déchets.
A ce stade, nous devons en conclure que le processus anaérobie est très courant et très abondant dans la nature. Bien sûr, aucun corail ne croît dans ces endroits mais l'eau de mer y perd ses produits non utilisés et le sédiment anaérobie forme un dépôt très significatif pour les éléments minéraux.
Pour pouvoir rapporter ces processus aux situations que l'on peut rencontrer dans l'aquarium, nous devons nous rendre compte d'un certain nombre de différences importantes. Tout d'abord, dans le processus décrit plus haut, c'est le sédiment qui devient anaérobie et non l'eau qui se trouve par-dessus. Ensuite, la couche anaérobie n'est jamais mélangée à l'eau ; elle est couverte par la fine, mais importante, pellicule de sédiment aérobie. Dans l'aquarium, les particules sont le plus souvent minéralisées par les bactéries aérobies du filtre et les éléments minéraux sont ensuite relâchés dans l'eau. Il faut alors retirer ces éléments de l'eau ce qui n'est pas du tout pareil qu'un retrait du sédiment. Néanmoins, les processus anaérobies peuvent toujours être utilisés pour retirer les nitrates et lier quelques autres éléments. Les évolutions en provenance de Hollande ont fait apparaître un système spécial de filtration fonctionnant en anaérobie. Ce système ne vient pas remplacer une filtration biologique aérobie mais, tout au contraire, s'y ajouter pour éliminer les nitrates.

En résumé :
Dans la nature, le récif corallien est extrêmement pauvre en éléments comme ammoniaque, nitrates et phosphates. Les énormes masses d'eau produisent le plancton qui accumule ces éléments et ce plancton arrivent aux récifs coralliens où il est extrait de l'eau par les animaux filtreurs et utilisé par la chaîne alimentaire complexe de l'écosystème. Les matériaux non utilisés sont lavés du récif vers l'océan et tombent sur le fond des mers. La haute densité d'animaux dans l'aquarium n'est pas basée sur la chaîne alimentaire et des relations mutuelles équilibrées sont presque totalement inexistantes. En conséquence, les animaux doivent être nourris au moyen d'apports extérieurs de nourriture. Les produits non utilisés doivent être retirés par la filtration mécanique et les éléments en dissolution doivent être métabolisés par la filtration biologique aérobie.

Toutefois, ces processus rendent des produits non utilisés relativement inoffensifs, les éléments minéraux se dissolvent de nouveau et s'accumulent dans le système. Tôt ou tard, la particularité oligotrophique se perd et des explosions alguaires peu attractives se produisent. Pour éliminer les éléments minéraux, cinq possibilités existent :

Aucune de ces possibilités ne permet une élimination complète des éléments minéraux mais une combinaison optimale peut être conçue pour rendre son caractère oligotrophique à l'eau.

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