Een goed begrip van de stikstofcyclus is NIET VEREIST om een goed aquarium te hebben. Dit idee dat elke hobbyist de stikstofcyclus moet begrijpen, is een mythe die wordt verkondigd door goedbedoelende maar slecht geïnformeerde individuen op sociale media. Maar als je geïnteresseerd bent in de stikstofcyclus, kun je verder lezen. Dit is alleen voor de echte nerds, zoals de auteur.
In dit artikel wordt de stikstofcyclus in vier lagen uitgelegd. De eerste paar alinea’s vormen de eerste laag en de eenvoudigste uitleg. Vervolgens wordt de uitleg drie keer herhaald, en wordt het steeds complexer.
Niveau 1; Stikstofcyclus vereenvoudigd
Aquariumhobbyisten praten over de “stikstofcyclus” en hoe iedereen de “stikstofcyclus” moet begrijpen. Dit is problematisch omdat veel mensen geen opleiding in de scheikunde hebben en de ‘stikstofcyclus’ een chemisch proces is dat een rudimentaire kennis van de scheikunde vereist.
De eenvoudigste verklaring is dat visplas giftig is voor de vissen. In een aquariumfilter wordt de vissenplas omgezet in een niet-giftige stof door kolonies nuttige bacteriën, die de vissenplas ‘opeten’. Deze nuttige bacteriën groeien alleen op oppervlakken met een behoorlijke waterstroom en groeien heel langzaam. Er moet dus veel water door een filtermedium stromen met een groot oppervlak en er zijn meerdere weken nodig om de stikstofcyclus op gang te krijgen, een proces dat in een aquarium ‘indraaien’ wordt genoemd. Dit is in een eenvoudige uitleg van de ‘stikstofcyclus’. Eenvoudig!
Als je een aquarium niet laat indraaien voordat je er vissen aan toevoegt, is het mogelijk de vissen te beschadigen of zelfs te doden (hoewel dit veel minder gebeurt dan velen ons willen doen geloven).
Niveau 2; De stikstofcyclus verder uitgediept
Een completere maar nauwkeurigere uitleg van de stikstofcyclus en het hele idee van het indraaien van een aquarium is verrassend moeilijk te vinden als je er simpelweg op Googlet. Google het eens en je zult een aantal sites tegenkomen die slechte informatie geven en waarin woorden in het blauw staan met onderstrepingen.
Deze blauw onderstreepte woorden zijn links naar producten die te duur en volledig ineffectief zijn, zoals ‘snelstart’, ‘bacteriën in flessen’ en chemicaliën. Als u op deze links klikt en deze producten koopt, ontvangen zowel de website als Google een commissie. Is het winstmotief niet geweldig? Deze sites zijn eenvoudigweg geen betrouwbare sites om ENIGE informatie te krijgen over ALLES wat met aquaria te maken heeft.
Zelfs de Wikipedia-site is volkomen onnauwkeurig. Vergeet niet dat de makers van producten zoals bacteriën in flessen naar Wikipedia kunnen gaan en het verhaal in hun voordeel kunnen veranderen. En dat is precies wat ze doen.
Een meer volledige uitleg van de stikstofcyclus, die niet gekoppeld is aan enkele ineffectieve aquariumproducten en redelijk accuraat is, is van “The Spruce”:
“Stadia van de stikstofcyclus
Er zijn drie fasen in de stikstofcyclus, die elk verschillende uitdagingen met zich meebrengen.
Beginfase: De cyclus begint wanneer vissen in het aquarium worden geïntroduceerd. Hun uitwerpselen, urine en eventueel niet opgegeten voedsel worden snel afgebroken tot ammoniak (NH3). Ammoniak is giftig voor vissen bij niveaus boven 2 ppm. Ammoniak begint gewoonlijk te stijgen op de derde dag na het introduceren van vis.
Tweede fase: Tijdens deze fase oxideren Nitrosomonas-bacteriën de ammoniak, waardoor deze wordt geëlimineerd. Het bijproduct van ammoniakoxidatie is echter nitriet, dat ook zeer giftig is voor vissen. Nitrietniveaus zo laag als 1 ppm kunnen voor sommige vissen dodelijk zijn. Nitriet begint gewoonlijk te stijgen aan het einde van de eerste week na het introduceren van vis.
Derde fase: In de laatste fase van de cyclus zetten Nitrobacter-bacteriën de nitrieten om in nitraten.
Nitraten zijn bij lage tot matige niveaus niet erg giftig voor vissen. Routinematige gedeeltelijke waterverversingen houden de nitraatniveaus binnen het veilige bereik. Gevestigde aquariums moeten elke paar maanden worden getest op nitraten om ervoor te zorgen dat de niveaus niet extreem hoog worden.”
Dit is een redelijk nauwkeurige verklaring van de stikstofcyclus. Er waren verschillende Google-pagina’s voor nodig om het tussen alle nep-marketinghypes te vinden. Het overdrijft de toxiciteit van ammoniak, maar dat is een kleine fout.
Mythe: Er is een vierde ‘denitrificerende’ stap in de stikstofcyclus
Een grote mythe over de stikstofcyclus, verkondigd door de fabrikanten van sommige ‘denitrificerende media’ zoals BioHome en SeaChem De*Nitrate, is dat er een vierde stap is in de stikstofcyclus in het aquarium, namelijk de reductie van nitraten tot stikstofgas. Gebeurt niet en kan simpelweg onmogelijk in welk aquarium dan ook gebeuren. We ontkrachten die mythe in de onderstaande link:
7.5. Denitrificerende media
Niveau 3; De stikstofcyclus in diagrammen en grafieken
Er zijn verschillende algemene soorten bacteriën en archaea die betrokken zijn bij het oxideren van enigszins giftige ammoniak (NH3) tot relatief veilig nitraat (NO3) in het zoetwateraquarium. Dit worden ‘nitrificerende’ bacteriën en archaea genoemd. We zullen de term “nuttige bacteriën” gebruiken voor zowel de bacterie als de archaea.
Deze “nuttige bacteriën” zijn verantwoordelijk voor wat bekend staat als de “stikstofcyclus” in een aquarium. Deze cyclus kan grafisch worden weergegeven als:
Een andere zeer goede grafische weergave van de “stikstofcyclus” is de volgende:
“Nitrosomonas” en “Nitrospira” zijn bacteriën. In de hobby worden deze bacteriën “nuttige bacteriën” genoemd. Deze “nuttige bacteriën” doen deze oxidatie van ammoniak in twee stappen. De eerste stap is het oxideren van ammoniak (NH4) tot nitriet (NO2). Nitriet (NO2) wordt vervolgens geoxideerd tot nitraat (NO3), dat veel minder giftig is dan ammoniak of nitriet. Het indraaiproces voor een typisch aquarium kan als volgt grafisch worden geïllustreerd:
Ten eerste stijgt de ammoniak. Meestal, maar niet altijd, stijgt en daalt het nitriet. Na ongeveer vier tot acht weken worden de niveaus van nitriet en ammoniak minder dan 0,25 of nul; nitraat stijgt doorgaans, maar niet altijd, tot boven de 10 ppm en de cyclus is voltooid. Merk op dat de API-ammoniaktest 0,25 ammoniak kan opleveren met ultrapuur gedestilleerd water, dus 0,25 of minder is het doel voor ammoniak.
Deze grafiek is geïdealiseerd. Soms gebeurt dat niet tijdens het indraaien. De niveaus van ammoniak en nitriet kunnen tijdens het indraaien vrij willekeurig op en neer gaan en een grafiek opleveren met veel meer “ruis”. Soms komt nitriet nooit naar voren. En soms komt nitraat nooit naar voren. De stikstofcyclus is een natuurlijk proces. En Moeder Natuur is gewoon niet erg voorspelbaar.
Alle “nuttige bacteriën” die betrokken zijn bij deze ammoniakoxidatie hebben hoeveelheden zuurstof (meer dan 80% waterverzadiging), kooldioxide en ammoniak nodig om te kunnen gedijen. Ze hebben ook allemaal een oppervlak nodig om zich aan vast te houden; geen enkele kan zich voortplanten in een vrijzwemmende modus. Ze vermenigvuldigen zich allemaal erg langzaam, zonder uitzonderingen.
Niveau 4; De exacte wetenschap in grote complexe termen
De exacte wetenschap van nitrificerende bacteriën is niet essentieel voor het begrijpen van biofiltratie. De wetenschap is ook erg verwarrend, met veel grote woorden waar zelfs de experts tegenstrijdige definities aan geven. Maar sommigen willen er graag een zeer diepgaande analyse van krijgen.
Elke discussie over nitrificatie moet gebruik maken van een universitair onderzoek dat in een gerenommeerd tijdschrift is gepubliceerd. Er zijn een groot aantal ‘fake science’-artikelen geschreven door de leveranciers van aquariumproducten. De meest diepgaande en nauwkeurige beoordeling die we konden vinden, stond in het uitstekende wetenschappelijke artikel van Anne Bernhard (Departement Biologie, Connecticut College), “The Nitrogen Cycle: Processes, Players, and Human Impact”, Nature Education Knowledge 3(10) :25, 2010:
“Nitrificatie is het proces waarbij ammoniak wordt omgezet in nitriet en vervolgens in nitraat en is een andere belangrijke stap in de mondiale stikstofcyclus. De meeste nitrificatie vindt aëroob plaats en wordt uitsluitend door prokaryoten uitgevoerd. Er zijn twee verschillende stappen van nitrificatie die worden uitgevoerd door verschillende soorten micro-organismen.
De eerste stap is de oxidatie van ammoniak tot nitriet, die wordt uitgevoerd door microben die bekend staan als ammoniakoxidatoren. Aërobe ammoniakoxidatoren zetten ammoniak om in nitriet via het tussenproduct hydroxylamine, een proces waarvoor twee verschillende enzymen nodig zijn, ammoniamono-oxygenase en hydroxylamine-oxidoreductase. Het proces genereert een zeer kleine hoeveelheid energie in vergelijking met veel andere soorten metabolisme; Als gevolg hiervan zijn nitrosofiers notoir zeer langzame groeiers. Bovendien zijn aerobe ammoniakoxidatoren ook autotrofen, die kooldioxide fixeren om organische koolstof te produceren, net als fotosynthetische organismen, maar waarbij ammoniak als energiebron wordt gebruikt in plaats van licht.
In tegenstelling tot stikstoffixatie, die door veel verschillende soorten microben wordt uitgevoerd, is ammoniakoxidatie minder breed verspreid onder prokaryoten. Tot voor kort werd gedacht dat alle ammoniakoxidatie werd uitgevoerd door slechts een paar soorten bacteriën in de geslachten Nitrosomonas, Nitrosospira en Nitrosococcus. In 2005 werd echter een archaeon ontdekt die ook ammoniak kon oxideren (Koenneke et al. 2005).
Sinds hun ontdekking blijkt dat ammoniak-oxiderende Archaea in veel habitats vaak talrijker zijn dan de ammoniak-oxiderende bacteriën. In de afgelopen jaren is gebleken dat ammoniak-oxiderende Archaea overvloedig aanwezig is in oceanen, bodems en kwelders, wat erop wijst dat deze nieuw ontdekte organismen een belangrijke rol spelen in de stikstofcyclus. Momenteel is er slechts één ammoniak-oxiderende archaeon in pure cultuur gekweekt, Nitrosopumilus maritimus, dus ons begrip van hun fysiologische diversiteit is beperkt.
De tweede stap bij nitrificatie is de oxidatie van nitriet (NO2-) naar nitraat (NO3-). Deze stap wordt uitgevoerd door een volledig afzonderlijke groep prokaryoten, bekend als nitrietoxiderende bacteriën. Enkele van de geslachten die betrokken zijn bij nitrietoxidatie zijn onder meer Nitrospira, Nitrobacter, Nitrococcus en Nitrospina. Net als bij ammoniakoxidatoren is de energie die wordt gegenereerd door de oxidatie van nitriet tot nitraat erg klein, en dus zijn de groeiopbrengsten erg laag. In feite moeten ammoniak- en nitrietoxidatoren vele moleculen ammoniak of nitriet oxideren om één enkel molecuul CO2 te fixeren. Voor volledige nitrificatie moeten zowel ammoniakoxidatie als nitrietoxidatie plaatsvinden.
Ammoniakoxidatoren en nitrietoxidatoren zijn alomtegenwoordig in aërobe omgevingen. Ze zijn uitgebreid bestudeerd in natuurlijke omgevingen zoals bodems, estuaria, meren en open oceaanomgevingen. Ammoniak- en nitrietoxidatoren spelen echter ook een zeer belangrijke rol in afvalwaterzuiveringsinstallaties door potentieel schadelijke niveaus van ammonium te verwijderen die tot vervuiling van het ontvangende water zouden kunnen leiden. Veel onderzoek heeft zich gericht op het in stand houden van stabiele populaties van deze belangrijke microben in afvalwaterzuiveringsinstallaties. Bovendien helpen ammoniak- en nitrietoxidatoren om gezonde aquaria te behouden door de verwijdering te vergemakkelijken van potentieel giftig ammonium dat wordt uitgescheiden in de urine van vissen.”
Hoe is dat ingewikkeld?
Verzuring
Veel hobbyisten merken tijdens het indraaien een aanzienlijke daling van de pH op, bijvoorbeeld van 7,4 naar 6,0. Het eindproduct van het cyclusproces is “nitraat” NO3, volgens conventionele wijsheid. En, wederom volgens conventionele wijsheid, “nitraat is zuur”. Technisch gezien is dat onjuist. Nitraat is niet het eindproduct van de stikstofcyclus en nitraat is niet zuur. Salpeterzuur en waterstofionen zijn het eindproduct van de stikstofcyclus en beide zijn zuur.
Wat mensen niet begrijpen is dat ‘waterstofnitraat’ of ‘salpeterzuur’ ontstaat in zuiver gedestilleerd water als eindproduct in de stikstofcyclus. Met andere woorden: “nitraat”, NO3, is eigenlijk “salpeterzuur” HNO3 in zuiver gedestilleerd water.
Laten we eens kijken naar de ontledingsproducten van een typisch eenvoudig aminozuur; Tyrosine C9H11NO3. Wanneer een vis de tyrosine in een eiwit in zijn voedsel eet, gebruiken ze zuurstof om het af te breken.
C9H11NO3 => 9CO2 + 5H2O + NH3 .
De CO2 verdampt en laat water en ammoniak achter. De ammoniak komt vrij in het aquariumwater waar bacteriën zuurstof gebruiken om de ammoniak te oxideren tot salpeterzuur (HNO3) en waterstofionen:
2NH3 + 3O2 => 6H+ + 2NO3– => 4H+ + 2HNO3
De 4 waterstofionen en het salpeterzuur zijn zuur en verzuren het water als er geen carbonaatbuffer is om ze te absorberen.
In water met een KH-waarde zie je mogelijk een pH-daling van bijvoorbeeld 7,4 naar 6,0 pH. Bij een pH van 6,0 stoppen de bacteriën met het verwerken van de ammoniak en vindt er geen verdere verzuring plaats. Maar merk op dat het verschil tussen 7,4 en 6,0 een ZEER kleine hoeveelheid waterstofnitraat (salpeterzuur) is. En je moet een lage pH-waarde en een lage KH-water hebben om de daling te zien.
Ik heb “hard” bronwater met veel calciumcarbonaat erin (dat wil zeggen een hoge GH en KH) en een pH van 8,2. Ik zie geen daling ten opzichte van 8,2 bij ‘normaal’ indraaien, omdat ik nitraat aanmaak en geen salpeterzuur. De waterstofionen en het salpeterzuur van de cycli in mijn met calciumcarbonaat gevulde bronwater met hoge KH maken de koolstofdioxide vrij uit het calciumcarbonaat en vormen calciumnitraat in plaats van salpeterzuur. De pH wordt gebufferd door de KH en daalt niet.
2HNO3 + CaCO3 => Ca(NO3)2 + H2CO3 => Ca(NO3)2 + H2O + CO2
Maar toen ik enkele van mijn lange experimenten deed (bijvoorbeeld op diepe zandbedden), daalde mijn pH HEEL VEEL. Ik had al het calciumcarbonaat uitgeput en waterstofionen en salpeterzuur gevormd.
Een klein semantisch probleem
In de hobby benadrukt iedereen hoe belangrijk het is om een aquarium “in te draaien” (in het engels “to cycle”) en te filteren. Dit gebruik van de term ‘cyclus’ is technisch gezien een verkeerde benaming, een onjuist gebruik van het woord. De term ‘cyclus’ wordt in de biologie gedefinieerd als:
“een terugkerende reeks gebeurtenissen of metabolische processen tijdens de levensduur van een plant of dier.”
Omdat je een aquarium maar één keer “indraait”, is het gebruik van het woord cyclus onjuist. Maar dit is een klein probleem. Het is gebruikelijk binnen de hobby om de term ‘cyclus’ te gebruiken in de betekenis van:
“het tot stand brengen van een stabiele stikstofcyclus in een aquarium en filter”
Omdat de stikstofcyclus feitelijk een zich herhalende cyclus is, wordt de betekenis van het woord niet al te veel uitgerekt.
Verdere gegevens
De feitelijke wetenschap van nuttige bacteriën en biofiltratie is zeer complex en er kunnen hele boeken over geschreven worden. Verdere analyse vind je onder de volgende links:
Dan is er de wetenschap achter indraaien voor degenen die nieuwsgierig zijn. Deze wetenschap wordt beoordeeld in de volgende links:
2.11. Inoculeren voor indraaien
2.12. Nuttige Bacteriën
2.14. “Volwassen” aquarium
Het onderwerp filtratie en indraaien zijn nauw verwant. Dus als je geïnteresseerd bent om diep in de wetenschap en de berekeningen achter alle aspecten van filtratie te duiken, is het volgende relevant:
6.2. Biofiltratie
6.2.1. Detritus uitgelegd
6.2.2. Bruine Smurrie
6.2.3. Troebel water
Startpagina Aquariumscience
Bron: Aquariumscience.org – David Bogert
