L'épuration biologique ou cycle de l'azote

CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DEUX ÉTAPES DE LA DEPOLLUTION AZOTÉE :

LA NITRIFICATION ET LA DENITRIFICATION

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.
L'azote minéral est assimilé par les bactéries et par les végétaux, (phytoplancton et plantes supérieures).
Les protéines végétales synthétisées entrent ensuite directement (herbivores) ou indirectement (carnivores) dans l'alimentation des animaux, qui les utiliseront après transformations, soit pour renouveler leurs protéines cellulaires, soit pour la production d'énergie utilisable par les cellules.
Ces composés azotés organiques vont donc se retrouver dans les urines, les excréments et les cadavres.
Ils seront dégradés par des bactéries bien définies, en composés ammoniacaux NH₄⁺, nitrites NO₂^- et enfin nitrates NO₃^- qui fourniront aux plantes de nouvelles matières azotées assimilables, favorisant leur développement ou s'accumuleront dans l'aquarium.
Ainsi se trouve résumé, très schématiquement, LE CYCLE DE L'AZOTE.
Il est par conséquent facile de comprendre que le contrôle de ces produits, dont certains sont extrêmement toxique, soit très important dans la conduite d'un aquarium.

SEUILS DE LÉTALITÉ EN AQUARIOPHILIE

Ammoniac	(NH₃)	0.1 mg/l		ne pas dépasser 0.01 mg/l
Ammonium	(NH₄⁺)	peu toxique, sa toxicité dépend du pH
Nitrites	(NO₂^-)	0.5 mg/l		ne pas dépasser 0.1 mg/l
Nitrates	(NO₃^-)	50 mg/l	Invertébrés marins
		500 mg/l	Poissons

L'AMMONISATION

La première étape de la dégradation des déchets azotés organiques est l'ammonisation.
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 totalité NH₃ + NH₄⁺.
L'ion NH₄⁺ n'est pas toxique.
Il a tendance malheureusement à se transformer en ammoniac très toxique.
Cette transformation est favorisée par un pH élevé.
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°

pH	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5
NH₃(%)	0,2	0,6	1,7	5,3	15	36	64

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 éléments 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 sources 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), et la nitratation (oxydation des nitrites en nitrates).
Deux facteurs principaux affectent le processus de nitrification :
La physico-chimie de l'eau et la communauté biologique.

Physico-chimie de l'eau :

Les bactéries nitrifiantes sont très sensibles aux conditions du milieu en particulier les Nitrobacter.
En effet la croissance des Nitrobacter est inhibée lorsque le taux d'ammoniac est trop élevé (supérieur à 0,1mg/l de N-NH₃).
Faute d'une quantité suffisante de Nitrobacter un taux élevé de nitrites sera mesuré avant même que l'ammonium baisse à un niveau permettant 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 prolifération anarchique de bactéries de pleine eau.
Pour raccourcir cette durée nous devons ensemencer notre filtre avec des ampoules de bactérie, les nitrites baisseront plus rapidement du fait de la présence massive de Nitrobacter.

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 :

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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 7,0 -8,6 peuvent affecter l'efficacité de la nitrification.

La température

La température optimale pour Nitrosomonas se situe entre 30° et 36°.
Pour Nitrobacter elle est de 28°.
La température a un effet important sur les vitesses de croissance. (Knowles et al. 1965) :
- entre 23° et 30° le taux de croissance maximal est multiplié par 4 pour Nitrosomonas.
- il augmente d'environ 6% par degré centigrade pour Nitrobacter.
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 : il peut donc apparaître comme un facteur limitant.
Or les constantes de demi-saturation par rapport à l'oxygène dissout vont de 0,25 à1, 3mg/l pour Nitrosomonas, 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 importante 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 microorganismes
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.

COMMUNAUTE BIOLOGIQUE :

LA NITRIFICATION HETEROTROPHE

L'activité
nitrifiante des bactéries hétérotrophes est effective mais à une
vitesse beaucoup plus faible que celle observée pour des autotrophes.
Ils sont appelés les Nitrifiants pauvres.
Ils
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 de N-oxydes s'accumulent.
Il a été
démontré que tous les nitrifiants hétérotrophes sont des dénitrifiant
aérobies, ce qui expliquerait la non-accumulation des nitrites et des
nitrates (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 microorganisme.

LA DENITRIFICATION, L'EPURATION BIOLOGIQUE

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

	NAR		NIR		NOR		N₂OR
NO₃^-	------	NO₂^-	------	NO	------	N₂O	------	N₂

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.
La dénitrification est une alternative à la respiration classique de l'oxygène dans les zones peu oxygénées de l'aquarium.
La
source d'oxygène est constituée par les nitrates ou l'un des
intermédiaires utilisés comme accepteurs finals d'électrons transférés
le long de la chaine respiratoire.
La réduction des nitrates est couplée à l'oxydation
- soit de composés minéraux
- soit de composés carbonés organiques.
On
cherchera à privilégier la respiration anaérobie hétérotrophe qui exige
une source organique de carbone combustible qui peut être tout
simplement les déchets organiques du milieu : cadavres, excès de
nourriture etc....
Par ailleurs ces êtres vivants nécessitent également entre autres choses une source de phosphore.
Il
sera possible d'en rajouter sous la forme de dihydrogénophosphate de
sodium ou de potassium (Lavigne 1993) mais la plupart du temps la
présence de phosphates dans l'aquarium est suffisante pour faciliter
cette dénitrification hétérotrophe.

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