Als we naar het schema hieronder kijken. Dan begint de stikstofkringloop door voedsel in onze aquaria te gooien en houdt het op als alles naar nitraat (NO3–) is omgezet. Is Nitraat dan het eindstation in de stikstofkringloop?. En is er in een aquarium dan wel sprake van een kringloop? Op deze pagina duiken we eens dieper in deze vragen.
In een aquarium hangt het er maar van af of nitraat het einde is van de stikstofkringloop. Het ene aquarium is tenslotte de andere niet. Neem nu een plantenbak……
Planten nemen nitraat op en halen zo stikstof uit de bak. Door planten terug te snoeien haal je zo dus eigenlijk het met het voedsel toegevoerde stikstof weer uit de bak. Dan kun je dus eigenlijk zeggen:
- Precies genoeg planten en je nitraat gehalte blijft stabiel.
- Te weinig planten en het nitraatgehalte stijgt.
- Teveel planten en je nitraat gehalte daalt.
Het onderstaande figuur maakt het wat duidelijker hoop ik.
De rode lijn geeft een bak weer met weinig planten en er wordt veel gevoerd. We zien het nitraatgehalte over een aantal dagen langzaam stijgen naar een evenwichtswaarde van zo’n 13 mg/ltr. Als het water wordt ververst zien we het nitraatgehalte dalen om dan weer langzaam op te lopen.
De blauwe lijn geeft een bak weer met veel planten en er wordt relatief weinig gevoerd. Het nitraat gehalte daalt omdat de planten meer opnemen dan er wordt toegevoerd. Langzaam daalt het gehalte tot een evenwichtswaarde van ca. 8 mg/ltr. Als er dan kaliumnitraat wordt gedoseerd schiet het nitraatgehalte omhoog om dan weer langzaam naar de evenwichtswaarde te dalen.
De zwarte lijn geeft een aquarium weer waarbij het nitraatgehalte bijna continue blijft zo rond de 8-10 mg/ltr. Hierbij is een evenwicht bereikt tussen nitraatproduktie en nitraatafname.
Behalve door opname van nitraat door planten zijn er nog meer processen waarbij nitraat weer terug in de stikstofkringloop komt. Nitraat hoeft dus, ook als het niet door planten wordt opgenomen, geen eindstation te zijn. Nitraat kan ook omgezet worden in andere stoffen zoals stikstof (N2), nitriet, ammoniak en nog wat andere stoffen. Dan is er dus ook sprake van een gesloten stikstofkringloop.
Het proces waarbij nitraat wordt omgezet naar stikstof en andere stoffen wordt ook wel denitrificatie genoemd. Zo kan door denitrificatie ook in een aquarium zonder planten een stabiel nitraatgehalte ontstaan. Zie ook het onderstaande figuur.
De grafiek hierboven laat zien dat we de stijgende nitraattrend in een aquarium kunnen verlagen, of zelfs dalend maken, door er voor te zorgen dat er denitrificatie optreedt. Het zal ook duidelijk zijn dat in een plantenbak met een lage cq dalende nitraatwaarde denitrificatie juist ongewenst is.
Denitrificatie is, ik schreef het al eerder, het omzetten van nitraat naar stikstof, nitriet, ammoniak. Het denitrificatieproces ziet er dan, chemisch geschreven, uit als:
5 CH2O + 4 NO3– + 4 H+ >> 2 N2 (g) + 5 CO2 (g) + 7 H2O
Uit die vergelijking kunnen we zien dat die denitrificerende bacterien organische koolstof (CH2O) nodig hebben, nitraat (NO3–) als vervanger voor de zuurstof en nog wat H+.
Nitraat als vervanger voor zuurstof?, Eeeuh…. ja, die bakkies houden niet van veel zuurstof in het water. Het benodigde zuurstof halen ze uit dat nitraatmolecuul daar zit immers een zuurstofatoom in. Maar de omstandigheden moeten ook niet helemaal zuurstofloos wezen. De optimale waarde voor het denitrifikatie proces is zo rond de 0,5 mg/ltr zuurstof. Deze zuurstofarme omstandigheden worden ook wel, met een mooi woord, anoxisch genoemd. Hierbij is dus nog iets zuurstof aanwezig. Anaeroob zijn omstandigheden waarbij helemaal geen zuurstof aanwezig is. Dat willen we ook weer niet bij denitrificatie.
Er zijn ook bacteriën die kunnen denitrificeren zonder organische koolstof (gebruiken CO2) en die daarbij helemaal geen zuurstof kunnen gebruiken. Deze bacteriën zijn dus echt anaeroob. Bijvoorbeeld Thiobacillus denitrificans. Deze bacterie zet zwavel om naar sulfaat en gebruikt daarbij nitraat als vervanger voor de zuurstof.
Denitrificatie in het aquarium
Komt denitrificatie in het aquarium voor? en als het voorkomt willen we dat denitrificatie proces dan wel in onze bak?
Nou, mischien verbaast het je maar denitrificatie komt in vrijwel elk aquarium voor. Is het niet in de bodem dan is het wel in het filter. Ook in een zuurstofrijke omgeving is er altijd wel sprake van wat denitrificatie.
Bijvoorbeeld in het filter is er sprake van een biofilm (een soort dekentje van bacteriën) over het filtersubstraat. de nitrificerende bakkies in de zuurstofrijke bovenste lagen zullen natuurlijk het eerste het organische materiaal te pakken krijgen dat het filter binnenkomt. Maar een biofilm is een wereld op zich. Organisch materiaal circuleert binnen die film. Duizenden bakkies sterven per seconde en komen er weer bij. zo wordt in alle lagen organisch materiaal vrijgemaakt en wordt het weer gebonden. Zo komt geleidelijk de bovenin opgevangen koolstof ook via “geboorte en dood” in de andere bio-lagen. Hetzelfde proces vindt zo min of meer ook in de bodem plaats. Zo is dus ook in zuurstofrijke omgeving sprake van denitrifikatie
De vraag of we denitrifikatie willen is wat moeilijker te beantwoorden en ligt net aan de situatie waarin het aquarium verkeerd.
Zoals we al zagen verminderd denitrifikatie dus het aanwezige nitraat en zet dit om naar N2. Dan kunnen we dus de volgende conclusie trekken:
- Als in een aquarium een tekort aan nitraat heerst (Plantenbak of bijvoorbeeld te lage N:P ratio) dan willen we geen denitrificatie.
- Omdat denitrificatie toch in elk aquarium optreedt willen we dan ook denitrificatie zoveel mogelijk beperken.
Als er in een aquarium teveel nitraat aanwezig is dan kan het bevorderen (binnen grenzen!) van de denitrificatie meehelpen om het nitraatoverschot te verlagen.
Dus kort gezegd:
Teveel nitraat >> Denitrificeren.
Te weinig nitraat >> NIET denitrificeren
Hoe kunnen we nu het denitrificeren bevorderen of juist tegenwerken?
Bevorderen denitrificatie door
- Bevorderen denitrificatie in de bodem
- Toepassen dikke bodem
- Bodem met een wat grovere structuur (grind) zodat bodemvuil goed kan indringen.
- De bodem moet ook niet te grof zijn omdat dan de bodem te lang aeroob blijft.
- Toepassen Jaubert plenum
- Torenslakjes gebruiken om organisch materiaal de bodem in te werken of zelf de bodem met een breinaald af en toe doorwoelen
- Bodemvuil laten liggen
- Voorkomen dat planten met hun wortels teveel zuurstof de bodem inbrengen. (lukt dus bijna niet bij plantenbak)
- Bevorderen denitrificatie in het filter
- Toepassen separaat denitrificatie filter
- Filter niet of zelden reinigen zodat er een goede dikke biofilm kan ontstaan
- Toepassen filtermateriaal met een poreuze structuur met diepere kanalen
- (bv. Siporax is ideaal en hiervoor ook bedoeld!!)
- Gebruik van dikke lagen filtermateriaal (kans op denitrificatie in een bioloog is dan ook groter dan in een motorfilter)
- Beperken doorstroomsnelheid door filter (nou niet bepaald aan te raden)
Voorkomen is beter dan genezen!
Ik schrijf dan wel zo mooi dat een teveel aan nitraat is te verminderen door denitrificatie maar het is natuurlijk altijd beter zo’n probleem bij de wortel aan te pakken. Dus voorkomen dat nitraat ontstaat!!
Een eerste aanzet is dan al om te voeren met voer dat minder stikstof bevat. Zie ook N:P voedsel. Of minder voeren. Maar als vissen een bepaalde hoeveelheid en een bepaald voedsel nodig hebben dan wordt het al moeilijker om het probleem bij de bron aan te pakken. Er is echter toch nog een mogelijkheid de nitraatproduktie te verminderen.
In het schema van de stikstofkringloop was al te zien dat vissen rechtstreeks ammoniak produceren. Maar ook dat ze detritus produceren. Dit detritus wordt via mineralisatie ook omgezet in nitraat. Als we dus het mineralisatieproces voorkomen of verminderen dan wordt er ook minder nitraat gevormd.
Het mooiste is dan als we detritus direkt uit de kringloop kunnen nemen. Bijvoorbeeld door het water naar het filter toe laag boven de bodem aan te zuigen. Het aangezogen water dan mechanisch voorfilteren over bijvoorbeeld filterwatten. Door deze dagelijks te spoelen nemen we de detritus direct uit de kringloop en kan daaruit geen nitraat gevormd worden. Het is dan ook niet de bedoeling de filterwatten dagen lang te laten zitten want dan treedt demineralisatie alsnog in die watten op. Die bakkies verdubbelen zich namelijk minstens elke 20 minuten!!
Een andere mogelijkheid is om die organische stoffen uit de kringloop te nemen met een zoetwater eiwitafschuimer.
Voor plantenbakken zijn die maatregelen dan weer wat minder omdat er met minder mineralisatie ook minder sporenelementen in de bak worden gebracht. Gelukkig is er in een goede plantenbak meestal geen sprake van een te hoog nitraatniveau. Daar wil men soms zelfs wel een hoger nitraat niveau en wil men de denitrificatie zoveel mogelijk beperken!.
Beperken denitrificatie door
- Beperken denitrificatie in de bodem
- Toepassen dunne bodem of bodem aeroob houden door bodemverwarming (verwarming heeft ook z’n nadelen!!)
- Bodem met een fijne structuur (zand) zodat bodemvuil slecht kan indringen.
- Geen torenslakjes e.d. gebruiken om organisch materiaal de bodem in te werken of zelf de bodem met een breinaald af en toe doorwoelen
Het grote nadeel is dan weer dat de planten zo ook minder voedingstoffen krijgen.!! - Bodemvuil direct weghalen
- Bevorderen dat planten met hun wortels zuurstof de bodem inbrengen.
- Beperken denitrificatie in het filter
- Zorgen voor filtersubstraat met grote open porien die niet snel dichtslibben (bijv. Hamburger matten)
- Filter af en toe reinigen zodat er geen dikke biofilm kan ontstaan
- Hoge doorstroomsnelheid door filter
Wat dat betreft is een wervelbed het ultieme filter om denitrificatie te voorkomen. Bijna overal aerobe omstandigheden en een dunne biofilm doordat zanddeeltjes door wrijving de biofilm dun houden. - Beperken filterinhoud (motorfilter)
Al met al blijkt denitrificatie in een aquarium dus toch nog een ingewikkelde zaak te zijn.
Veel mensen schrikken als ze horen dat ze zuurstofarme omstandigheden moeten creëren of dat ze die eigenlijk toch al die tijd al hebben gehad!
Of Denitrificatie wel of niet gewenst is hangt af van het nitraatgehalte dat we in onze bak hebben of wensen. En zo zien we dat eigenlijk het soort aquarium (plantenbak/vissenbak) voor een groot deel al bepaald hoe bijvoorbeeld bodem en filter het beste opgebouwd kunnen worden. Daarover is nog een pagina in de steigers.
En soms zien we ook verrassende tegenstrijdige ontwikkelingen. Zo zou een wervelbed met z’n zeer geringe denitrificatie goed van pas komen in een plantenbak. Maar we komen het wervelbed juist steeds meer tegen in zwaar bezette vissenbakken waar de grote nitrificerende capaciteit natuurlijk ook mooi is meegenomen maar waar dat evenzogoed door een goede bioloog kan worden uitgevoerd, die dan ook nog es door bv toepassen van siporax substraat kan helpen het hoge nitraatgehalte weg te werken.
Al met al is denitrificatie in samenhang met de RR en nitraatproblematiek een ietwat vergeten terrein in onze hobby. Het roept zelfs vaak negatieve associaties op (zuurstofloos?, aargh!!). Maar het onderwerp denitrificatie da’s altijd leuk voor experimenten.
Denitrificatie in een filter…wel of niet?
Nou een beetje een vreemd hoofdstuk, we hebben inmiddels al wel laten zien dat denitrificatie in elk filter voorkomt. Toch zijn er nog fora te vinden waar dit ontkent wordt, dit ondanks dat er in zo’n discussie naar deze site verwezen wordt. Dan ben ik dus toch nog niet duidelijk genoeg geweest nietwaar?
Ik heb even wat opmerkingen uit zo’n forum opgevist, en voorzien van commentaar en antwoorden. Wellicht wordt e.e.a. duidelijker.
| Opmerking | Antwoord |
| Denitrificatie begint wanneer het zuurstof-gehalte in het water lager is dan 0,5 mg/l. Daarom kan ik ook met 100% zekerheid stellen dat in een goed doorstroomde bioloog géén denitrificatie zal plaatsvinden, omdat men nooit een zulk laag zuurstof-gehalte zal/kan bereiken. | Nou met 100% zekerheid kun je dat zeker niet stellen. Immers ook in een zeer goed doorstroomde zuurstofrijke bioloog zijn biofilms. En in die bio-films zijn de watersnelheden wat dieper in de film zeer laag. Zo laag dat voedingsstoffen niet door de waterstroming maar door diffusie bij de bacteriën komen. Nu is diffusie een zeer traag proces en in een biofilm kunnen ook bij een zuurstofrijke hoofdstroom, anoxische omstandigheden ontstaan die voor denitrificatie zorgen. Op de pagina over de biofilm is dat proces duidelijk omschreven, compleet met stromingsprofielen nitraatwaarden, zuurstofwaarden, enz. |
| het vreemde van deze grafiek is dat de blauwe lijn weer oploopt na een waterverversing . want als die baccies de waarde constant kunnen houden bij 10 dan kunnen ze dat ook met 4 , ze krijgen immers minder te vreten . |
Op zich zou je inderdaad een vlak lopende lijn verwachten na een verversing. Maar toch is dat niet zo. Ik zei in de vorige vraag al, de drijvende kracht achter het voedseltransport is diffusie. En de snelheid waarmee dit voedseltransport plaats vindt is afhankelijk van concentratieverschillen.
Hoe groter het concentratieverschil, des te groter de diffusiesnelheid en dus des te groter het voedseltransport. Bij 100 mg/ltr nitraat in het water en 2 mg/ltr in de biofilm is de diffusie veel beter dan bij 5 mg/ltr in het water en dezelfde 2 mg/ltr in de biofilm. Na een waterverversing is het nitraatgehalte lager, en door het lagere voedseltransport is er ook sprake van wat minder denitrificatie. Dat verklaard dus waarom de lijn niet vlak loopt.Maar dat is nog niet het enigste vreemde in deze grafiek. Kijk maar eens naar de rode lijn. Wat veroorzaakt de stabilisering van het nitraatgehalte in het aquarium met het “filter zonder denitrificatie” Deze zou gewoon moeten blijven oplopen. Het grafiekje geeft het nitraatverloop weer in een bak zonder planten. En dan zou je inderdaad verwachten dat het nitraatgehalte in een rechte lijn door zou lopen als je een filter zonder denitrificatie zou hebben.
Maar gelukkig, biologische processen vinden niet alleen in het filter plaats, maar ook in de bak zelf. Ook in ons aquarium zelf zijn biofilms aanwezig waarin denitrificatie plaats vind. En zo zal bij elk aquarium de lijn niet recht omhoog lopen, maar op den duur afbuigen. Wanneer dit afbuigen gebeurd is afhankelijk van de belasting van de bak. We zien dat het afbuigen hier gebeurd naar een stabiele nitraatwaarde van iets meer dan 12 mg/ltr. Een lage waarde, een teken van lage belasting, of…. behoorlijk wat denitrificatie in de bak zelf.Een grote organische belasting leidt tot meer heterotrofe bakkies en zo indirect tot meer denitrificatie.
Gebeurt dit ook in een bioloog?
Ja dat zou dus misschien kunnen, namelijk in de eerste kamer waar we de filterwatten/schuim zetten om het water voor te filteren. Maar deze filterwatten/schuim doen we toch elke week spoelen/zuiveren, dus veel kans voor de denitrificerende bacteriën is daar ook niet. En dus zeker niet daar waar de nitrificerende bacteriën hun werk doen. Namelijk de andere kamers van de bioloog.
Nou helaas, het is niet mogelijk denitrificatie in de kamers te voorkomen door met filterwatten voor te filteren. Zelfs niet als je elke kamer separaat zou voorfilteren en elke week de watten zou vervangen.
De filterwatten houden wel het vuil uit de kamers en voorkomen zo dikke versmeerde biofilms. En zo wordt inderdaad denitrificatie in de kamers wat beperkt. Helemaal voorkomen kun je het echter zeker niet!
Immers in het water zit nog genoeg aan organische koolwaterstoffen (DOC’s) die ook in de kamers terecht komen. Organisch voedsel dat in de biofilms in de watten en in het aquarium zelf wordt gevormd.
In de biofilm in de filterkamers is dan ook nog steeds voldoende organisch voedsel voorhanden om de denitrificerende bacteriën te laten groeien. Verder is het zo dat als je de watten een week laat zitten er al ruimschoots allerlei afbraakprocessen aan de gang zijn die het vuil in de watten afbreken en zo de kamers inspoelen. Immers aerobe heterotrofe bacteriën verdubbelen elke 20 minuten en zijn dus binnen no-time op peil om het verzamelde organische afval af te breken.
Het enige waardoor je denitrificatie in de kamers zou kunnen voorkomen is door ook deze kamers regelmatig schoon te maken. Bijvoorbeeld 1x per maand. Immers het duurt een geruime tijd voor de langzaam groeiende denitrificerende bacteriën weer op peil zijn. De filterkamers jaar in, jaar uit laten zitten is niet zo’n goed idee als je denitrificatie wilt voorkomen.Kun je mij dan uitleggen waarom ik, ondanks mijn bioloog, ook veel water moet verversen om het nitraat-gehalte laag te houden Ja, door je watten voor elk compartiment regelmatig te verversen beperk je de hoeveelheid organisch vuil die kan worden afgebroken. Er zal dan wel wat denitrificatie in de filterkamers optreden, maar dat zal beperkt wezen.
Door de filterwatten weg te laten krijg je meer organisch afval in je filterkamers, meer voedingstoffen voor de heterotrofe bacterien, dikkere biofilms en dus meer denitrificatie.
Denitrificatie bij lage Nitraatwaarden
Dat denitrificatie verhaal is allemaal wel heel mooi. Maar kan denitrificatie er ook voor zorgen dat je nitraatgehalte naar nul of bijna nul gaat?
Nou da’s lastig te beantwoorden. We kijken even naar zuurstof.
Veel zuurstof en aerobe bacteriën (bacteriën die zuurstof nodig hebben om te leven) doen het goed.
Als er geen zuurstof is, dan zijn er ook geen aerobe bacteriën.
Zo is het ook bij nitraat en denitrificatie. Heb je een hoog nitraatgehalte dan is er voor de denitrificerende bacteriën genoeg te vinden, ze gebruiken het nitraat net als aerobe bacteriën zuurstof gebruiken.
Is er geen, of zeer weinig nitraat dan zal denitrificatie ook veel minder plaatsvinden.
Met denitrificatie is het dus lastig om een al laag nitraatgehalte nog verder omlaag of naar nul te brengen. Echter in elke biofilm wordt altijd wel wat nitraat geproduceerd, en zo blijf je altijd wel wat denitrificatie houden ook al is het maar heel weinig.
Wil je veel denitrificatie die het nitraatgehalte in de bak drastisch verlaagt, dan ontkom je bijna niet aan een echt anaeroob filter waarbij zuurstofarme omstandigheden worden gecreëerd. De denitrificerende bacteriën worden daarbij ook nog eens van extra organisch voedsel voorzien. Een aantal fabrikanten zijn hierop ingesprongen door speciaal filtermateriaal, incl. voeding hiervoor op de markt te brengen. bv. Dennerle Deniballs. Zo’n echt anaeroob denitrificerend filter is echter niet zomaaar geinstalleerd. Te zuurstofarm en het produceert Zwavelsulfide, te zuurstofrijk en het denitrificeerd niet. De flow door zo’n filter moet dan ook precies goed zijn. Vaak wordt dan een Redox meter aangesloten waarbij de Redox een mate is voor de zuurstofloosheid van het systeem. Te lage redox en er moet wat meer water door het anaerobe filter.
Echt een beginnersfilter is zo’n anaeroob filter dus niet. En het is dan ook sowieso aan te bevelen de uitgang van zo’n filter weer terug te voeren naar de ingang van een aeroob, zuurstofrijk, filter. Bij onvolledige denitrificatie kan nl. ook nitriet ontstaan en dat kan dan in een aeroob filter weer omgezet worden naar het minder schadelijke nitraat.
Gerelateerde artikelen: Stikstof in het aquarium – Mineralisatie – Nitriet – Nitraat – N:P ratio voedseldieren – Opstarten
