Sable et réduction naturelle des nitrates

Par Sam GAMBLE - Adaptation française par Fabrice POIRAUD-LAMBERT
MARS © Copyright 1997, All Rights Reserved

Ma passion à commencé il y a de nombreuses années lorsque je me suis mis à la plongée sous-marine et que j'ai vu la beauté des fonds au large du sud des Etats-Unis (Floride) et dans les Bahamas. Je vis maintenant en Floride avec les récifs à portée de bateau. Ce sera probablement un challenge éternel pour reproduire avec succès ce qui nous a déjà été présenté par la nature.

Ceci inclut pour nous les récifs coralliens uniques en leur genre. Notre volonté de nous rapprocher de l'environnement naturel transforme la réduction naturelle des nitrates en un champ d'expérimentation contenant des questions très complexes.
Obliger la Nature à divulguer ses secrets n'est pas simple, et nous avons été négligeants en raison de nos succès avec des méthodes artificielles. Grâce à quelques pionniers, de nouveaux travaux ont été réalisés, et une nouvelle tendance apparaît. En comprenant mieux et en étant plus proche de la nature, nous avons bon espoir de maintenir dans le futur des aquariums qui expliqueront la nature à nos enfants.

Si l'on compare par rapport à il y 5 ans, la reproduction d'un récif corallien en aquarium a fait des progrès très nets. Au début, les concepts favorisaient l'assistance technique de moyens comme la filtration externe, l'injection d'ozone, l'injection de CO₂, l'écumage, etc... Après la publication des travaux du Professeur JAUBERT, une nouvelle direction apparue. Le mot 'nouvelle' nécessite quelques explications, car cela repose actuellement beaucoup sur les systèmes naturels ou sur l'écologie. Cependant, beaucoup de détails manquaient.

Au Etats-Unis, l'idée a été testée en premier par Bob Goemans, un auteur bien connu, aquariophile depuis 20 ans. Ses expériences attirèrent mon intérêt et nous commençames à correspondre. Nous décidames de mener nos recherches sur les systèmes à lit de sable plus particulièrement au niveau de l'espace créé sous le sable : le Plenum. Ma première découverte était un paradoxe. Le concept du système est simple, mais entraîne des relations complexes. Plus vous regardez et plus cela devient inextricable et beau. Une partie de cette inextricable et complexe relation peut être comprise grâce à l'article 'Energie Vitale'.

Le concept peut être utilisé sans sortir de Polytechnique pour l'expliquer, si nous admettons et acceptons la réalité des besoins naturels et les caractéristiques des lois physiques et biologiques qui le gouvernent. C'est probablement pourquoi l'expression 'chemin biogéochimique' a été inventé. Il recouvre plusieurs notions d'un coup : bio = biologie, géo = géologie, chimique = chimie. La vie est un équilibre de chaque événement, qu'il soit microscopique ou macroscopique. Nous considérons l'équilibre comme une contribution à notre manière de vivre, et il dépend de tous les événements relatifs aux choses ou au êtres vivants que nous voulons préserver. Si vous essayez de maintenir un aquarium, vous devez considérer la principale culture que vous voulez préserver et comprendre que d'innombrables événements microscopiques doivent avoir lieu pour maintenir les macro-cultures. La meilleure manière de comprendre le système est de comprendre la simple cellule et de quoi elle a besoin pour maintenir son équilibre. Ceci inclut le chemin biogéochimique.

Avec les systèmes qui ont précédé le système à lit de sable, le plus gros problème à résoudre était l'accumulation dangereuse des nitrates. Le besoin de réduire la concentration de nitrates développa une méthode naturelle d'élimination. La réduction naturelle des nitrates était connue pour avoir lieu dans des systèmes naturels tel le sable des environnements marins naturels. La manière dont cela se passe et comment cela pouvait être utilisé dans les aquariums marins avait aussi été compris. Merci au Professeur Jaubert.

Pour aider à la compréhension des points clés de la réduction naturelle des nitrates et le rôle des filtres de sable, nous devons nous intéresser sur les systèmes ouverts dans la nature, pour développer nos applications marines limitées. Le but est d'obtenir un environnement nutritionnel pauvre, comme le sont tous les écosystèmes des récifs coralliens. Dans le cas de notre aquarium récifal, nous commençons par construire un environnement en essayant de répondre au but de l'écosystème. Pour ce faire avec succès, les éléments cruciaux doivent être fournis avec les ratios nécessaires à l'équilibre, à la survie et à la croissance.

Les forces majeures sont l'énergie chimique et radiante (lumière). Ces éléments interagissent de manière complexe, et sont reliés biotiquement et/ou non-biotiquement (par des éléments vivants et/ou non). Avec le sujet de la réduction naturelle de nitrates et de la filtration sur sable, le processus de dénitrification est de la plus grande importance. Les bactéries (microbes) servent de médiateur au processus. La déposition de détritus organiques sur la couche de surface des sédiments marins maintient un métabolisme microbien élevé et limite la pénétration d'oxygène (O₂) dans le substrat. Un environnement idéal pour la réduction microbienne des nitrates est alors créé, où les nitrates sont amplement suffisantes pour se substituer à l'oxygène dans le processus de dégradation organique (Koike & Sorensen, 1988).

Dans les sédiments (couche supérieure du substrat benthique), ceci n'impliquerait qu'une très fine couche qui ferait office d'interface pour l'ensemble de l'eau de l'aquarium. Dans les systèmes utilisant des roches poreuses comme la méthode berlinoise, ceci inclurait l'interface créée par la surface de la roche. Dans les sédiments marins naturels, l'interface oxique/anoxique (très oxygénée/peu oxygénée) varie de quelques millimètres à plusieurs centimètres. Alors, quel est l'effet d'un lit de sable de 5 cm, isolé du fond par un espace libre (Plenum), par rapport au principe de la réduction des nitrates (dénitrification) : Enorme !

La présence de l'interface de surface, la zone à la surface du sable où les conditions oxiques sont changées organiquement en conditions anoxiques par le métabolisme microbien, ne change pas dans le filtre de sable vivant. En fait, elle semble étendue ou améliorée. Ce qui se passe en dessous est ce qui rend la différence apparente lorsque l'on mesure des variables telles que les nitrates, l'oxygène, le pH, le SH2 et l'alcalinité.

Normalement, dans les sédiments marins, la zone située sous la microzone oxique/anoxique est essentiellement anaérobie. la diffusion d'éléments depuis ou vers la zone anaérobie est plus lente et d'une capacité réduite comparé à ce qui se passe au niveau des microzones. Une activité accrue est le plus souvent le résultat de la présence de plantes et d'animaux, qui accroissent les surfaces.

Dans le système à lit de sable, les éléments traversent horizontalement et verticalement le substrat de sédiment et le plenum. L'oxygène peut être mesuré à des niveaux anoxiques (faibles) à différents moments partout dans le lit de sable et le plenum. L'oxygène peut être présent même si la couche de sable au dessus est temporairement anaérobie.

Les nitrates sont attirés vers le plenum et s'accumulent souvent ici en concentrations plus élevées que dans l'eau de l'aquarium. La production de nitrates issue de la charge organique se fait séquentiellement à travers les couches de sable et le plenum. Une réduction graduelle des nitrates, du niveau d'oxygène et du pH est associée avec cette transition. Il est intéressant de constater que l'alcalinité totale est partiellement associée à ce phénomène et on peut observer un accroissement léger en proportion avec la décroissance du pH.

A la vue de ces observations, il devrait être possible de conclure que l'une des plus grosses contributions de ce système à lit de sable est d'opposer les microbes facultatifs aux microbes obligatoires. Les microbes anaérobes obligatoires sont trouvés principalement dans les sédiments marins naturels, en dessous la microzone anoxique. Ils ne métabolisent et croissent que dans des conditions anaérobies. Cependant, les populations microbiennes facultatives peuvent à la fois métaboliser et croître en environnements oxygènés ou peu oxygènés. Cette capacité améliore nettement la capacité de traitement des nitrates. L'implémentation de ces possibilités facultatives en utilisant un lit de sable d'au moins 7,5 cm de haut sur la surface de l'aquarium, fournit un potentiel de filtration énorme.

L'identification qualitative et quantitative directe des populations microbiennes nécessite un équipement spécialisé. Indirectement, les techniques chimiques de mesure de la qualité des paramètres de l'eau aident à illustrer ces propos. L'échantillonnage d'eau dans l'aquarium, au milieu de la couche supérieur de sable, au milieu de la couche de sable du fond, et au milieu du plenum, aide à fournir des informations qui nous permettent de tirer des conclusions qui contredisent celles fournies par de récentes recherches faites avec des sédiments en environnement marin. Un bon exemple est la présence de bactéries réductrices de souffre.
Les sulfures produits par les bactéries réductrices de sulfates sont oxydés par différents micro-organismes. Dans des conditions anoxiques, les bactéries phototrophes anoxygèniques utilisent les sulfures en tant que donneurs d'électrons, tandis que les bactéries incolores du soufre oxydent les sulfates dans des conditions oxyques. Les différents groupes de micro-organismes montrent de fortes interrelations (van Gemerden, 1994).
Les bactéries réductrices de sulfates (SRB), produisent des sulfures en utilisant les excrétions, anticorps, et matières en décomposition. Les sulfures peuvent redevenir des sulfates (oxydation) sous l'action des bactéries du soufre incolores (CRB) et des bactéries du soufre pourpres (PSB). Les organismes hétérotrophes aérobies sont fonctionnellement importants, leur activité entraînant une consommation d'oxygène, et les organismes qui créent la fermentation fournissant des substances de croissance pour les SRB (van den Ende F.P., van Gemerden H. 1994).

En dehors de leur effort collectif pour éliminer les sulfate, CSB et PSB ont peu de caractéristiques en commun et sont en compétition pour ce composé issu de la réduction du soufre. L'importance de l'oxydation du SH2 (Sulfure d'hydrogène) par chaque groupe dépendra beaucoup de la disponibilité de l'oxygène. Sans oxygène disponible, les sulfures seront exclusivement oxydés par les PSB, les bactéries pouvant néanmoins être en contact avec la lumière (NdT : selon Sam, les bactéries étant juste en dessous les bactéries hétérotrophes qui sont à l'interface sable/eau, et étant légèrement mobiles, elles peuvent monter vers la lumière et être exposées sans pour autant être dans un milieu oxygéné, leur consommation étant supérieure à la production d'oxygène de leur environnement). Avec beaucoup d'oxygène, virtuellement tous les sulfures seront oxydés par les CSB, en dépit du fait que les PSB sont capables de croissances Chimiotrophes. Ceci s'explique par le fait que les CSB ont de plus grandes affinités pour les sulfures que les PSB. Dans la couche microbienne, la plupart des sulfures au niveau de l'interface oxygène/sulfures sous de basses concentrations en oxygène (van den Ende F.P., van Gemerden H. 1994).
Les micro-organismes des couches supérieures des sédiments influencent à la fois le cycle de l'azote par des taux élevés d'incorporation et de minéralisation de composés azotés, et aussi en changeant le micro-environnement chimique. L'activité photosynthétiques totale et la pénétration de l'oxygène augmente à la fois lorsque l'intensité lumineuse est accrue. La consommation d'oxygène est très élevée à la limite basse de la zone oxique, où sont réalisées d'intenses oxydations biologiques de composés de soufre réduits et probablement aussi d'ammonium (Niels Peter Revsbech, Janne Nielson & Pia Kupka Hansen 1988).
Nous savons que l'oxydation de sulfures dans les sédiments où les sulfures se répandent jusqu'à la zone oxique, peut être limitée à une couche de 50 à 100 micromètres d'épaisseur, dans laquelle une population dense de bactéries oxydatrices de sulfures interviennent dans le process (Jogensen & Revsbech, 983; Revsbech at Al., 1983). L'interface oxique - anoxique bouge de haut en bas durant les cycles diurnes des sédiments photosynthétiquement actifs. C'est donc avantageux pour les micro-organismes utilisant diverses produits chimiques trouvés à proximité de l'interface, d'être mobiles, car ils peuvent ainsi suivre l'interface dans ses déplacements. Beaucoup de micro-organismes oxydateurs de sulfures sont aussi mobiles (Niels Peter Revsbech, Janne Nielson & Pia Kupka Hansen 1988).

Les facteurs contrôlant l'abondance des bactéries dans les sédiments marins sont complexes. Il est couramment répandu que l'abondance des bactéries est le résultat de processus dépendants de la densité, qui sont en retour régulés par la surface des particules de sédiments. Les relations suggèrent que le nombre de bactéries est affecté par la densité de la colonie et la quantité de surface disponible pour qu'elles puissent s'y attacher.
Souvent pourtant, la surface des particules peut ne pas être le facteur premier déterminant le nombre de bactéries, et il apparaît que les trous et les failles servent aussi de facteurs de contrôle. D'autres paramètres sédimentologiques, comme l'arrangement des particules en trois dimensions, la topographie de chaque grain, et la distance entre chaque particule, forment un groupe de seconde importance.
Les échantillons de protéines enrichies ont nettement plus de bactéries que ceux non traités. Les protéines absorbées pourraient être importantes pour la croissance des bactéries, en tant que nutriments et sources d'énergie. Les protéines, en tant que source d'azote renouvelable se dégradent lors des recyclages, étant non renouvelables en tant que source d'énergie (Yomomato N. & Lopez G., 1985).

Cet article fournit beaucoup d'informations, dont une à propos de l'énergie. Les concepts et définitions lourdes sont maintenant introduits et prêts pour d'autres exposés. Maintenant, il nous faut regarder ce que cela signifie pour nos aquariums. Le type de sable pour créer le lit de sable est peut-être un point important à voir. Le problème est plus complexe qu'il n'y paraît.

Références citées :

* van den Ende F.P. & van Germerden H. (1994) Relationships between functional groups of organisms in microbial mats, In Stal L.J. & Caumette P. (eds) Microbial Mats: Structure, Development, and Environmental Significance, NATO ASI Series G, Ecological Sciences, Vol. 35

* Gamble S. (1993), Hurricane Andrew and the John Pennekamp Coral Reef State Park, FAMA, November.

* Koike, I. & Sorensen J. (1988), Nitrate Reduction and Denitrification in Marine Sediments, In, Blackburn T. H., Sorensen J. (eds) Nitrogen Cycling In Coastal Marine Environments, SCOPE 33, John Wiley & Sons.

* Revsbech N.P., Nielson J. & Hansen P. K. (1988), Bentic Primary Production and Oxygen Profiles, In, Blackburn T. H., Sorensen J. (eds) Nitrogen Cycling In Coastal Marine Environments, SCOPE 33, John Wiley & Sons.

* Spotte S. (1992) Captive Seawater Fishes, Science and Technology. John Wiley and Sons, New York

* Yomomato N. & Lopez G. (1985), Bacterial Abundance In Relation To Surface Area and Organic Content of Marine Sediments, L. Exp. Mar. Ecol., Vol. 90, pp.209-220.

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