Van Ammoniak naar Nitriet = Nitrificatie

Het in onze bakken door vissen en ander dierlijk leven gevormde ammoniak en ammonium is geen biologisch eindstation. Gelukkig niet!. Er zijn talloze bacteriën aanwezig die het schadelijke ammonium/ammoniak omzetten naar minder giftige stoffen zoals nitraat. Deze omzetting van ammoniak en ammonium naar nitraat wordt ook wel nitrificatie genoemd. Het proces verloopt in twee stappen.

• 1e stap omzetten ammonium in nitriet
• 2e stap omzetten nitriet in nitraat

Schematisch ziet dit proces er als volgt uit:

Volgens het schema zouden de Nitrosomonas en Nitrosococcus bacteriën er voor moeten zorgen dat het ammonium naar nitriet wordt omgezet. Maar da’s niet altijd zo, ze zijn niet de enigen. Er zijn vele andere bacteriën die dit proces ook voor elkaar krijgen. Welke dat allemaal precies zijn, nou daar zijn de geleerden het zelf nog niet helemaal met elkaar over eens maar voorlopig houden we het erop dat het vooral bacteriën als Nitrosomonas marina zijn. (en ja, die komen ondanks hun naam ook in zoetwater voor).

Vroeger werd altijd aangegeven dat het in onze filters zou gaan om Nitrosomonas europea en Nitrosococcus mobilis. Maar deze bacteriën komen vooral voor bij hoge tot zeer hoge ammoniak concentraties (zoals bij rioolzuiveringsinstallaties). Zulke hoge ammoniak concentraties hebben wij gelukkig niet in ons aquarium!

De omzetting van Ammoniak/ammonium naar Nitriet

In de eerste reactie vergelijking op het schema zien we dat er voor het omzetten van ammonium naar nitriet zuurstof (O2) nodig is. Er wordt dan nitriet gevormd samen met H+ en water (H2O).

Voor deze 1e stap van de nitrificatie is dus zuurstof nodig en door de productie van H+ zal de pH zal dalen.

Misschien vraagt je je dan af. Waarom doen die bacteriën dat nou eigenlijk allemaal?

Nou eigenlijk verschillen bacteriën niet zoveel van planten. Onze planten zetten licht en CO2 om in glucose wat ze weer voor de energievoorziening en opbouw gebruiken. Onze bakkies willen hetzelfde.

Ook die bacteriën willen CO2 binden. Maar die gebruiken niet zoals planten het licht om waterstof te splitsen voor de elektronen. Nee die gebruiken ammonium ionen voor de elektronen en de energie die daarbij vrijkomt gebruiken ze om CO2 naar glucose te reduceren. (Dat proces noemen we de Calvin-cyclus). De bacteriën nemen dus ook CO2 op.

Voor het voortplanten (deling) van onze bacteriën is ammonium alleen dus niet voldoende. Er is bijvoorbeeld ook koolstof, stikstof en fosfor nodig. Dat proces vind je in de reactie vergelijkingen van het schema van hierboven niet weer. Een globaal verhaal hierover in het onderstaande kader.

[blockquote class=”style2″]

Over bacterien en hun gemiddelde samenstelling

Zoals al gezegd. Onze nitrificerende bacterien leven niet alleen van ammonium. Voor reparatie , voortplanting, groei, etc. zijn ook andere elementen nodig. De belangrijkste hierbij zijn dan Koolstof (C), Stikstof (N), fosfor (P) en zwavel (S).

In de loop der jaren zijn hier vele, vele onderzoeken naar gedaan. In het algemeen kun je zeggen dat een bacterie is samengesteld uit verschillende elementen. En die elementen komen in een bepaalde verhouding voor.

Uit onderzoek is gebleken dat je de chemische samenstelling van een bacterie grofweg kunt schrijven als:

C₁₇₄H₂₄₄O₇₀N₃₅P₃S

Da’s nog aardig ingewikkeld dus. Laten we het wat vereenvoudigen door het Zwavel (S) eens buiten beschouwing te laten. We kunnen dan alle waarden delen door drie en krijgen dan:

C₆₀H₈₄O₂₄N₁₂P

Ah! nu zie we dat de N:P ratio bij een bacterie rond de 12:1 ligt. Ook een interessant weetje. Maar de formule is nog steeds niet simpel te noemen. Nou dan laten we het Fosfor ook maar even weg, en delen alles dan door twaalf.

C₅H₇O2N

Hiermee kunnen we wel een versimpelde reaktievergelijking maken en die ziet er als volgt uit:

55NH₄⁺ + 5CO₂ + 76O₂ >>> C₅H₇O₂N + 54NO₂^– + 52H₂O + H⁺

En zo zien we dat onze nitriet makende bacteriën voor hun groei naast ammonium en zuurstof ook CO2 nodig hebben. Ze hebben natuurlijk ook sporenelementen nodig maar die hebben we voor het gemak maar even weggelaten.

[/blockquote]

Juiste omstandigheden groei bacteriën

Dan moeten we er verder dus nog voor zorgen dat deze bacteriën de juiste omstandigheden krijgen om ze goed te laten groeien. Deze omstandigheden zijn o.a. :

• Een goed substraat
  De bacteriën leven in een substraat samen met vele andere bacteriën. Ze zweven normaal gesproken dus niet vrij in het water rond. We moeten ze dus een goed substraat geven waar ze in de biofilm kolonies kunnen vormen. Hiervoor zijn dus Siporax pijpjes, bioballen, filterschuim e.d. goed geschikt voor.

• 

  Zuurstof
  Zoals je al in de reaktievergelijkingen ziet hebben nitirificerende bacteriën zuurstof nodig. Het hoeft niet extreem veel te zijn zoals wel eens wordt gedacht. Pas vanaf waarden van 2 mg/ltr O2 en lager zullen de bacteriën hun stofwisseling terugschroeven wegens zuurstofgebrek. Dus in een normale bak en een goed filter met goede doorstroming en dat geen al te lange verblijftijd van het water kent zal er voldoende zuurstof beschikbaar zijn.

• Donker filter.
  Nitrificerende bacteriën houden niet van licht. Schijnt er toch licht op een filter dan zal het verlichte deel geen nitrificerende werking vertonen. (bijvoorbeeld bij een mattenfilter in de bak zelf).
• De juiste temperatuur
  In de hieronder getoonde grafiek is te zien dat de nitrificerende bacteriën zich het beste voelen bij temperaturen tussen de 20-40 ‘C. In een tropisch of subtropisch aquarium zitten we dus mooi in het optimale gebied.
• De juiste pH
  Ook de pH is van invloed op de bacteriën. Bij een pH tussen de 7,7 en 9,2 voelen de bacteriën die het ammoniak naar nitriet omzetten zich optimaal. De Malawi en Tanganyika bakken zitten dus goed wat dat betreft.Maar dat wil niet zeggen dat een zachtwaterbak met een pH van 6,5 dan in de problemen zou komen. In de onderstaande grafiek zien we dat de bacteriën dan nog maar 25% van hun max. omzettings capaciteit benutten. Bij een zachtwaterbak duurt het dus langer voor het nitrificeren op peil is gekomen (opstarten duurt langer) en er zijn grotere bacteriekolonies nodig om hetzelfde werk te verrichten.

Bij een pH van onder de 5,5 zien we dat de nitrificerende bacteriën er het bijltje bij neergooien en de nitrificatie naar 0% loopt. Betekent dit dan dat er dan geen ammoniak of ammonium meer wordt afgebroken? Nee, gelukkig niet. Anders zouden al die zachtwaterrivieren in het Amazone gebied ook zeer veel ammoniak e.d. moeten hebben, en dat is niet zo.
Het blijkt dat bij lagere pH’s andere bacteriën en schimmels de rol overnemen en zo wordt toch het ammoniak en ammonium weggewerkt. Maar dat gebeurd dan minder efficient en snel dan dat onze nitrificerende bakkies dat kunnen.

• Constante condities
  Uit onderzoeken is gebleken dat bij grotere schommelingen in temperatuur en pH de bacteriën hun stofwisseling tijdelijk plat gooien. In die tijd vindt er dus minder of geen nitrificatie plaats en kan ammoniak zich ophopen. Daarom is het van belang temperatuur en pH redelijk constant te houden. Temperatuur en pH hoeven ook weer niet superprecies op één waarde vastgehouden te worden. Zo erg is het ook weer niet. Nitrificatie wordt vertraagt bij temperatuurschommelingen groter dan 5 ‘C en pH schommelingen van 0,3-0,5. Vooral bij pH stijgingen zoals die optreden bij biogene ontkalking is het dus oppassen geblazen.
• De juiste C:N ratio.
  De juiste C:N ratio voor nitrificerende bacteriën????
  Jazeker! en deze is voor hen niet onbelangrijk ook!Het blijkt namelijk dat als er veel koolstof aanwezig is (hoge ratio) de snelgroeiende heterotrofe bacteriën alle aanwezige ammonium (NH4+ voor de neus van de nitrificerende bacteriën wegkapen! Bij een hoge C:N ratio komt zo de nitrificatie tot stilstand en nemen de heterotrofe bacteriën het proces over. Meer hierover later in een artikel over biofilms. Maar wat alvast gezegd kan worden is dat nitrificatie door de C:N ratio ook samenhangt met wat je voert! Wij aquarianen merken er weinig van dat heterotrofe bacteriën de nitrificatie soms overnemen. Immers alle ammonium en nitriet wordt netjes weggewerkt. Maar het nadeel is wel dat ze niet zo snel op wisselende belastingen kunnen inspelen als de nitrificerende bacteriën. Dat maakt dat bij lage pH’s of extreem hoge organische belastingen er een grotere kans is op ammoniak en nitrietpieken. Zulke aquaria zijn dan wat gevoeliger.