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Ciclo dell'azoto e filtro biologico in acquario

Azoto: Formula chimica: N2. Gas poco reattivo, principale costituente dell'aria in cui è presente  in quantità pari al 78%. Rappresenta il prodotto finale del ciclo dell'azoto, ottenuto attraverso denitrificazione batterica. Non è tossico per gli organismi mantenuti in acquario.

In natura i prodotti di rifiuto dei nostri pesci o altre sostanze inquinanti vengono rapidamente diluiti grazie alla presenza di enormi quantità d'acqua. In acquario invece il rapporto tra massa d'acqua e carico organico e estremamente basso. Tutti gli animali acquatici (non pensiamo soltanto ai pesci) producono però ogni giorno una quantità notevole di sostanze di rifiuto (urina, escrementi solidi) che obbligatoriamente finiscono nell'acqua. Senza certi batteri che rendono innocue queste sostanze, il nostro acquario non potrebbe funzionare, cioè non esisterebbe l'acquariofilia!
Si deve distinguere tra batteri aerobi (che per vivere necessitano di ossigeno nell'acqua) e anaerobi (che vivono soltanto in ambienti privi o poveri di ossigeno).

Per prima cosa le sostanze solide vengono sottoposte ad una decomposizione delle proteine (la cosiddetta "decomposizione delle albumine"), per poi essere trasformate in amminoacidi e successivamente in ammonio (o ammoniaca). La maggior parte dell'urina viene invece trasformata direttamente in ammonio (o ammoniaca). In definitiva in questa prima fase con l'aiuto di vari microrganismi tutte le sostanze vengono trasformate in ammonio e/o ammoniaca. La presenza d'ammoniaca, molto tossica al contrario dell'ammonio, dipende dal valore di pH: più il pH e superiore a 7, più ammoniaca viene prodotta al posto dell'ammonio.
I batteri del genere Nitrosomonas con l'aiuto di ossigeno trasformano ammonio/ammoniaca in nitriti. I batteri del genere Nitrobacter con l'aiuto di ossigeno trasformano i nitriti in nitrati. La quantità di ossigeno "consumata" dai batteri durante il loro lavoro e notevolissima!
In acquari di nuova installazione quasi sempre e presente una quantità sufficiente di ossigeno, ma i batteri utili (Nitrosomonas e Nitrobacter) scarseggiano. Se in questa prima fase si introducono dei pesci, allora i loro rifiuti non possono essere trasformati in nitrati. La trasformazione delle sostanze organiche si ferma alla prima fase (produzione di ammonio) o alla seconda, cioè alla formazione di nitriti. Ben presto questi sali minerali si accumulano nell'acqua: entrambi diventano un veleno mortale per i pesci.
In acquario non è possibile chiudere completamente il ciclo ed è necessario rimuovere i composti che si accumulano con dei cambi parziali di acqua.

I nitrati, come anche l'ammonio, entro certi limiti non costituiscono alcun pericolo per i nostri pesci, ma il loro accumulo deve essere evitato mediante il cambio parziale dell'acqua o attraverso speciali filtri (per esempio il Sera Bio-Denitrator)
In natura la nitrificazione avviene nei terreni non troppo compatti, dove l'acqua di percolazione o imbibizione penetra in profondità trasportando ossigeno alle colonie batteriche.
I batteri del genere Nitrosomonas e Nitrobacter potranno così ossidare i composti azotati da cui traggono energia per i loro processi metabolici. Esistono molte altre specie di batteri ossidanti che usano come substrato alimentare composti diversi da quelli azotati, come ad esempio i solfo-batteri.
I nitrati rappresentano l'ultimo grado di ossidazione dell'azoto: oltre questo prodotto il filtro biologico, popolato da flora batterica aerobica, non può andare...
I nitrati non sono particolarmente tossici, ma rappresentano uno dei principali composti minerali azotati alla base del metabolismo vegetale.

Le piante superiori che ospitiamo in acquario ne consumano una piccola parte; un eccesso di nitrati porta all'eutrofizzazione, cioè a un eccesso di nutrienti: il risultato è lo sviluppo di alghe inferiori che hanno un ritmo di accrescimento maggiore delle piante superiori.
I nitrati se entrano nel sangue possono essere ridotti a nitriti, se trasportati in un ambiente anaerobio (come il SERA Biodenitratore) essere ridotti ad azoto gassoso N2, completamente volatile.

Ogni popolazione (batterica, vegetale o animale) cresce in proporzione alle risorse trofiche (disponibilità di cibo). Così
come non ci possono essere più predatori di quanto una popolazione di prede ne possa sfamare senza estinguersi, così non ci possono essere più batteri di quanti composti organici ne possa mantenere. In altre parole è inutile avere un filtro enorme rispetto all'acquario poiché i batteri aerobi non avrebbero abbastanza cibo per moltiplicarsi e colonizzarlo. Quindi nel nostro acquario avremo un equilibrio dinamico tra batteri e cataboliti (rifiuti organici) prodotti dai pesci. A complicare però le cose è la cinetica delle reazioni ossidative avviate dai due principali ceppi batterici presenti nel filtro: il Nitrosomonas si moltiplica con una velocità superiore a quella del Nitrobacter e quindi in fase di maturazione del
filtro (ma anche dopo l'uso di un medicinale, una pulizia radicale del materiale filtrante, un generoso cambio d'acqua a valori non controllati) il primo ceppo produrrà più nitriti di quanti il secondo ne possa trasformare in nitrati. L'accumulo di nitriti provoca un avvelenamento ematico: il gruppo NO2 e terribilmente simile (dal punto di vista elettrochimico)
all'ossigeno O2 legandosi all'emoglobina del sangue al suo posto; il risultato è la morte da soffocamento.

Se spegniamo il filtro per alcune ore, i batteri non hanno più il flusso di acqua che porta loro ossigeno e cataboliti da ossidare: sono esseri viventi molto semplici, estremamente specializzati e molto evoluti (i batteri in genere sono stati tra i primi a colonizzare il nostro pianeta) e quindi corrono ai ripari producendo polimeri organici, scarsamente solubili in acqua, che tendono ad accumularsi in prossimità della parete cellulare.
Questa struttura a strati gelatinosi prende il nome di capsula ponendoli in uno stato di attesa che permette loro di sopravvivere anche per lunghissimi periodi in uno stato di quiescenza, purché non vengano attaccati da altri microrganismi (batteriofagi, funghi, protozoi, ecc.) per cibarsene.
Quando riavviamo la pompa, l'acqua riprende a circolare, i batteri si riattivano, ma in quelle ore di inattività i cataboliti prodotti dai pesci e non trasformati dai batteri si sono accumulati e quindi la popolazione non è più dimensionata al nuovo carico organico. I Nitrosomonas trasformano velocemente ammoniaca/sali d'ammonio in nitriti, ma non altrettanto riescono a fare i Nitrobacter se non incrementati numericamente con il Nitrivec. I nitriti si accumulano e... la frittata è fatta!
Il Nitrivec è una coltura purificata (per evitarne la distruzione da parte degli agenti prima menzionati) di batteri in cui lo stato di quiescenza è indotto in laboratorio con tecniche di avanguardia che ne permettono una attività al risveglio superiore al 95%.

Qui di seguito alcune combinazioni possibili tra i valori di ammonio/ammoniaca, nitriti e nitrati e come interpretare tali risultati.

fonte
pianeta blu esperto risponde