Caractéristiques générales des deux étapes de la dépollution azotée : La nitrification et la dénitricication.

Article de la société PRODIBIO

LE PRINCIPE DE BASE DE l'EPURATION BIOLOGIQUE :

La possibilité de maintenir un aquarium en bonne santé est fonction de l'efficacité de l’épuration des eaux polluées de l'aquarium. Ceci est rendu possible par le travail biologique accompli par des équipes de bactéries bénéfiques qui travaillent en synergie dans un environnement qui leur convient.
L'épuration biologique tend à éliminer les polluants de l'aquarium. Elle les transforme et les métabolise en matière vivante: Biomasse bactérienne, micro-plancton, invertébrés, plantes, augmentation du poids des poissons.

Ces polluants sont le résultat :

1. - des sous-produits des déjections des organismes vivants : urine, excréments...
2. - des restes de nourriture.
3. - de la décomposition de cadavres et de plantes ...

LE CYCLE DE L'AZOTE EN AQUARIUM

Dans un aquarium, l'ensemble des réactions biologiques de croissance et de maintenance requiert
la présence de l'élément azote : N. C'est un élément fondamental de la matière vivante.
L'introduction de nourriture augmente la quantité totale d'azote dans ce milieu fermé qu'est l'aquarium.

Les composés organiques azotés que l’on trouve dans les urines, les excréments, les cadavres d'animaux ou de végétaux vont être transformés par des bactéries en déchets azotés à l'état minéral sous forme ammoniacale : ammoniac moléculaire (NH3) le plus toxique pour les êtres vivants, ou ionisé (ammonium NH4+) environ 100 fois moins toxique, de nitrite (NO2-), toxiques et de nitrates (NO3-) relativement inoffensifs. Les composés ammoniacaux (NH3) et (NH4+) sont dégradés par des bactéries Nitrosomonas europea et transformés en Nitrites (NO2-) qui, à leur tour seront transformés par les bactéries Nitrobacter winogradsky en nitrates (NO3-). Ces transformations nécessitent la présence d’oxygène en grande quantité.

L'azote minéral est assimilé par les bactéries et par les végétaux, (phytoplancton et plantes supérieures) pour la fabrication des matières végétales. Ces protéines végétales entrent ensuite directement (herbivores) ou indirectement (carnivores) dans l'alimentation des animaux.
Les composés azotés organiques vont donc se retrouver dans les urines, les excréments et les cadavres. Ils seront à leur tour dégradés par ces bactéries bien définies, en composés ammoniacaux, nitrites et enfin en nitrates . Ainsi se trouve résumé, très schématiquement, LE CYCLE DE L'AZOTE qui se renouvelle indéfiniment.

Décomposition des nitrates
Certaines souches bactériennes vont être capable de puiser l'oxygène nécessaire à leur multiplication dans l'oxygène dissout dans l'eau. D’autres sous certaines conditions de stress ou d'anoxie sont à même de puiser cet oxygène dans les nitrates, pour les transformer en azote gaz qui est sans danger en aquarium et s'évacue dans l'atmosphère.
Il est par conséquent facile de comprendre que le contrôle de ces produits, dont certains sont extrêmement toxiques, soit très important dans la conduite d'un aquarium.

SEUILS DE MORTALITE EN AQUARIOPHILIE

L'AMMONISATION

La première étape de la dégradation des déchets azotés organiques est l'ammonisation grâce à des micro-organismes des genres Bacillus, Azotobacter, Micrococcus... Elle va produire des composés ammoniacaux NH₃ et NH₄⁺ dont la toxicité est variable selon le pH. En aquariophilie les tests utilisés permettent
une mesure de la toalité (NH₃ + NH₄⁺) L'ion NH₄⁺ n'est pas toxique. Malheureusement, il a tendance à se transformer, en même temps que le pH s'élève, en ammoniac très toxique. Un abaissement du pH provoque
la réaction inverse, et ceci peut se répéter indéfiniment.

Tableau donnant le pourcentage d'ammoniac en fonction du pH à 25°

Exemple
Résultat du test ammonium: 1,5mg/l pH 7 donc NH₃ = 1,5 x 0,6% = 0,009 peu toxique.
Il n'en est pas de même si le pH remonte à 8 par exemple Pour pH 8 NH₃ = 1,5 x 5,3 % = 0,08 Très toxique
Faire très attention aux remontées de pH dans les sacs d'eau de mer après un long séjour lors d'importations.
Quelques grammes de zéolites - Clinoptilolite - dans les sacs peuvent rendre de très grands services.

LA NITRIFICATION

La nitrification est la transformation des composés azotés en élements dont l'azote est dans l'état le plus oxydé :
LES NITRATES. Elle est assurée par des bactéries autotrophes (capables de se développer à partir des seuls
éléments minéraux), et des bactéries nitrifiantes hétérotrophes (capables de se développer à partir de substances issues de tissus vivants). La part la plus importante de la nitrification dans un écosystème est généralement attribué aux microorganismes autotrophes aérobies stricts appartenant à la famille des Nitrobacteriaceae: Nitrosomonas (ammonium - nitrites) et Nitrobacter (nitrites - nitrates).
Les bactéries nitrifiantes utilisent l'azote ammoniacal ou les nitrites comme source d'azote et comme source d'énergie (donneurs d'électrons). Les source de carbone sont le gaz carbonique et les carbonates.
Les organismes nitrifiants hétérotrophes utilisent une source de carbone organique comme source d'énergie
et oxydent des composés azotés organiques ou inorganiques.

La réaction se décompose en deux étapes :

• la nitritation ou nitrosation (oxydation de l'azote ammoniacal en nitrites).
• la nitratation (oxydation des nitrites en nitrates).

Plusieurs facteurs principaux affectent le processus de nitrification : La physico-chimie de l'eau, la concentration en oxygène, les oligo-éléments et la communauté biologique.

Physico-chimie de l'eau :

En présence de composés ammoniacaux, les bactéries de la chaîne de nitrification vont se multiplier. Cependant cette multiplication dépend souvent des conditions du milieu.
En effet la croissance des Nitrobacter est inhibée lorsque le taux d'ammoniac est trop élevé (supérieur à 0,1mg/l de NH₃). Faute d'une quantité suffisante de Nitrobacter un taux élevé de nitrites sera mesuré alors que le taux d'ammonium ne permet pas aux Nitrobacter de croître, rallongeant ainsi la durée de maturation du filtre biologique. Il ne faut pas oublier que les bactéries se livrent à une terrible compétition, d'autant plus nuisible à l'établissement du filtre biologique que les conditions sont mauvaises : manque d'oxygène, de certains oligo-éléments, abaissement anormal du pH, excès de pollution, etc.…

Ceci se traduit dans l'aquarium par des eaux troubles, résultats des luttes bactériennes, avec proliférations anarchiques de bactéries de pleine eau.

Le pH ;

Equations de principe :

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+

Rendement de la nitrification en fonction du pH :

La nitrification libère des ions H+ et abaisse donc le pH qui doit être suivi surtout au démarrage des aquariums. La présence de carbonates procure un effet tampon contre les variation de pH. Le pH optimal pour la nitrification se situe autours de 8,0. Les valeurs hors du champ 6,8 -8,6 peuvent affecter l'efficacité de la nitrification. On voit bien que la nitrification : 1. - Consomme de l'oxygène 2. - acidifie le milieu en libérant des ions H+

La température

La température a un effet important sur les vitesses de croissance.
Entre 23° et 30° le taux de croissance maximal est multiplié par 4 pour Nitrosomonas. La température optimale se situe entre 30° et 36° (Knowles et al., 1965). Ce taux augmente d'environ 6% par degré centigrade pour Nitrobacter. La température optimale étant de 28°. Le taux de dégradation des matières peut diminuer de moitié pour une diminution de 10°

La concentration en oxygène

L'oxygène est un facteur de la réaction d'oxydation. En cas de mauvaise oxygénation, il peut donc apparaître comme un facteur limitant.
Or les constantes de demi-saturation par rapport à l'oxygène dissout vont pour Nitrosomonas, de 0,25 à1,3mg/l, et de 0,5 à1mg/l pour Nitrobacter selon la température (Capdeville, 1991 ).
Ceci indiquerait qu'il n'est pas nécessaire de maintenir des concentrations élevées en oxygène dissout dans les systèmes nitrifiants : 4mg/l seraient suffisant.
Cependant, comme c'est le cas en aquarium, la concentration en oxygène devient primordiale lorsqu'il y a compétition entre une flore hétérotrophe, et une flore autotrophe surtout en présence de carbone. En effet les bactéries hétérotrophes inhibent les micro-organismes nitrifiants avec lesquelles elles sont en compétition pour l'oxygène et l'azote ammoniacal car elles possèdent un taux de croissance maximal cinq fois supérieur
à celui des autotrophes. Ceci explique la nécessité d'une bonne oxygénation et d'une communauté
de souches bactériennes soigneusement déterminée.

LA PRESENCE D'ELEMENTS DE TRACE

En aquarium l'ammoniac et les nitrites ne sont pour les bactéries, qu’une source d'azote. D'autres éléments nutritifs, comme les éléments de trace, sont nécessaires pour la multiplication des bactéries épuratoires et pour éliminer ammoniac, nitrites, nitrates et phosphates. La capacité d'accomplir la dénitrification complète est subordonnée à la présence d'éléments de trace essentiels. BLASZCZYK (1993) a montré que l'addition d'éléments de trace essentiels multipliait la dénitrification par 10.
Les éléments de trace sont nécessaires à la vie de tous les organismes. Ceci s'étend du Souffre pour les protéines, au Fer pour les plantes et le sang des poissons, du Cobalt pour les vitamines B au Bore pour les nombreux produits du métabolisme - anabolisme et catabolisme - au cours des phénomènes d'édification des tissus et de dégradations organiques.
Ils sont également nécessaires pour le travail des bactéries.

En aquarium, les oligo-éléments essentiels, indispensables à toute activité biologique, sont consommés par la dégradation des déchets, les algues, les plantes, les invertébrés... et neutralisés ou éliminés par l'écumeur, le charbon actif.
L'eau osmosée utilisée de plus en plus souvent à cause des nitrates n'en contient pas du tout. On observe alors des carences d'éléments de trace qui peuvent stopper toutes les fonctions bactériennes. Cela provoque un ralentissement général de l'épuration : Eau terne, prolifération d'algues, poissons amorphes, plantes chétives.. L’ajout d’une solution contenant les éléments de trace essentiels, agit comme un catalyseur biologique, favorise la multiplication des bactéries épuratoires et la production d'enzymes pour digérer les déchets de l'aquarium.

LA COMMUNAUTE BIOLOGIQUE

Lors de l'installation d'un aquarium on peut considérer que le milieu nouvellement crée est vierge de bactéries. Ces bactéries qui sont présentes partout vont coloniser ce milieu en fonction des apports dans l'aquarium : Substrat, plantes, nourriture, peuplement... et au hasard de la concurrence alimentaire pour les différentes souches. C'est le hasard seul qui va organiser cette multiplication bactérienne dans l’aquarium. Toutes les bactéries vont vouloir s'y développer et ce ne sera pas toujours les bactéries bénéfiques qui vont se développer le plus rapidement. Cela risque de provoquer la lutte de souches bactériennes de pleine eau, ce qui provoque une eau poussiéreuse, et un retard dans l'équilibre biologique de l'épuration.

LA NITRIFICATION HETEROTROPHE

L'activité nitrifiante des bactéries hétérotrophes - qui utilisent comme principale nourriture du carbone organique, issu de matières vivantes - est effective mais à une vitesse beaucoup plus faible que celle observée pour des autotrophes. Ils sont appelés les Nitrifiants pauvres. ls sont néanmoins nécessaire car ils dégradent des composés azotés allant de l'azote ammoniacal aux composés de la chaîne aliphatique (graisses) ou aromatique ainsi que des sous-produits de la nitrification : hydroxylamine, oxyme, acide hydroxamique... L'observation de la production des nitrites et des nitrates lors du travail de ces bactéries montre que très peu d'oxydes d'azote s'accumulent. Il a été démontré que tous les nitrifiants hétérotrophes, et parmi ceux-ci Paracoccus denitrificans, Pseudomonas stuzerii..., sont des dénitrifiants aérobies, ce qui expliquerait la non-accumulation des nitrites et des nitrates lorsque la communauté bactérienne est bien définie et qu'elle travaille efficacement (Papen et al., 1989, Van Niel et al., 1992a). Il est ainsi possible de transformer la pollution azotée ammoniacale en azote moléculaire au sein d'un même micro-organisme.

LA DENITRIFICATION, L'EPURATION BIOLOGIQUE

La dénitrification est définie comme étant étant la transformation des nitrates en azote gazeux avec pour intermédiaire le nitrite, l'oxyde nitrique, l'oxyde nitreux, chacun étant réduit par une enzyme réductase sécrétée par les bactéries concernées.

Etapes de la dénitrification :

Intermédiaires et enzymes.
NAR = nitrate réductase NIR = nitrite réductase NOR = oxyde nitrique réductase
N₂ OR = oxyde nitreux réductase

Chaque intermédiaire est réduit par une enzyme secrétée par les bactéries concernées.
L’équation montre que la dénitrification génère des ions hydroxydes bénéfiques en eau de mer.
13 N0₃^- + 6(C₂H₅OH) A 6,5 N₂+15H₂O+12CO₂+6(OH)

La dénitrification est une alternative à la respiration classique de l'oxygène dans les zones peu oxygénées
de l'aquarium. L'oxygène peut être aussi - moins facilement - puisé dans les nitrates ou l'un des intermédiaires. Dans des conditions de stress anaérobie - ce qui est la cas dans la mise en ampoules sous azote - on provoque, chez certaines bactéries aérobies/anaérobies facultatives, la production pendant un certain temps des enzymes réductases de la dénitrification. La réduction des nitrates est couplée à l'oxydation :

- soit de composés minéraux comme le soufre, avec Thiobacillus denitrificans
- soit de composés carbonés organiques, Bacillus azotoformans, Bacillus aminovorans...

En aquarium, en eau douce comme en eau de mer, on cherchera à privilegier la respiration anaérobie hétérotrophe qui exige une source organique de carbone combustible qui peut être du Méthanol, du Glucose ou tout simplement les déchets organiques du milieu : cadavres, excès de nourriture etc... pour éviter les complications liées à l’existence de fermentations dans les zones anaérobies avec productions possibles de Méthane, d’Hydrogène sulfuré.

Par ailleurs ces êtres vivants nécessitent également entre autres choses une source de phosphore.
Il sera possibled'en rajouter sous la forme d’hydrogénophosphate de sodium ou de potassium (Lavigne 1993)
mais la plupart du temps la présence de phosphates dans l'aquarium est suffisante pour faciliter cette denitrification
hétérotrophe.

Ceci explique la diminution des phosphates lors de l'utilisation de concentrés bactériens bien élaborés..

Voilà le principe d'action de l'épuration biologique.

Pour en savoir plus : www.prodibio.fr

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