En premier lieu, l'analyse élémentaire de la matière sèche des êtres vivants montre que les éléments chimiques les plus abondants sont le carbone, l'hydrogène, l'oxygène et l'azote (environ 90 % de la masse). Le carbone constitue le squelette des corps organiques, et la présence d'azote permet de différencier les protides des glucides et lipides.

Pour leur alimentation, les animaux ont besoin presque exclusivement de composés azotés organiques que les enzymes de la digestion décomposent, par étapes, en éléments assimilables (acides aminés). En revanche, les végétaux absorbent l'azote principalement sous forme minérale (nitrique et ammoniacale) et accessoirement sous forme organique (acides aminés, vitamines). L'étude et la maîtrise du cycle de l'azote restent donc très importantes pour l'aquariophile.

Le cycle de l'azote se décompose en plusieurs phases distinctes même si elles ne sont pas séparables. Rappelons également en préambule que l'azote peut (co)exister sous plusieurs formes : gazeux, organique ou minéral.

Commençons d'abord par le processus de minéralisation de l'azote organique :

Les protides sont constitués des acides organiques aminés d'une part, et des composés formés par ces acides aminés (peptides, polypeptides, protéides) d'autre part.

La première étape de la dégradation biochimique des protéides est, comme pour les autres composés organiques, une hydrolyse enzymatique qui conduit à des aminoacides. La diversité de ces composés, et la complexité de l'ensemble des réactions de dégradation ne permettent pas d'en donner un schéma général, d'autant plus que les voies suivies par la biodégradation sont souvent différentes selon qu'il s'agit de micro-organismes, de plantes ou d'animaux. On se bornera à envisager le sort de l'azote dans les amino-acides. Leur biodégradation comprend deux étapes, l'ammonisation et la nitrification.

ammonification (ou ammonisation) :

La dégradation des acides aminés commence par la désamination (perte de la fonction amine), pour laquelle de nombreuses espèces de micro-organismes jouent un rôle important. C'est un phénomène banal qui peut s'effectuer selon plusieurs modes (lyase catalysant la rupture de la molécule, hydratation, réduction) qui conduisent tous à la formation d'ammoniac (NH₃), quelle que soit son origine (excès de nourriture, excréments, débris végétaux, cadavres d'animaux).

Nitrification :

Ensuite intervient un autre grand phénomène naturel de chimie microbienne qui, en deux stades successifs, produit de l'acide nitrique à partir de l'ammoniac

1) nitrosation : l'ammoniac est oxydé en acide nitreux HNO₂ par des organismes, non plus banals comme le sont les bactéries ammonisantes, mais spécifiques : les Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira, qui vivent dans les sols et se cultivent dans les lits bactériens des stations d'épuration. L'acide nitreux donne en solution des nitrites (NO₂-), très toxiques.

2) nitratation : d'autres bactéries, les Nitrobacter, oxydent ensuite l'acide nitreux et les nitrites en acide nitrique (HNO₃), qui donne en solution les nitrates (NO₃-).

Ainsi s'achève la biodégradation de l'azote organique qui retourne au monde minéral sous forme de nitrates.

Biogenèse de l'azote organique à partir de l'azote minéral :

Les végétaux utilisent directement l'azote minéral pour la biogenèse des aminoacides. Cette synthèse naturelle implique des réactions de condensation de l'ammoniac avec des acides organiques produits par le métabolisme des glucides (photosynthèse), et apparaît globalement comme l'inverse de la désamination par oxydation selon la réaction:

R - CO - COOH + NH₃ -----> R - CHNH₂ - COOH + 1/2 O₂

Le cycle de l'azote dans l'aquarium à proprement parlé :

Dans l'aquarium, le cycle de l'azote tel qu'il vient d'être décrit peut se dérouler, permettant aux plantes de disposer de l'ammoniac qui leur est nécessaire.

Lors de la mise en service d'un aquarium neuf, les processus bactériologiques bien connus se produisent, quelle que soit la solution adoptée pour l'ensemencement bactérien initial.

Lorsque les différentes colonies bactériennes se sont développées successivement, l'ammonification et la nitrification se déroulent simultanément; les produits toxiques n'apparaissent plus. Par contre, les nitrates continuent de s'accumuler de façon inexorable.

La toxicité, initialement très faible, des nitrates n'apparaît que pour des teneurs de l'ordre de 3 à 4 000 mg/l (3 à 4 g/l !!!), mais il faut absolument éviter leur accumulation en aquarium et il est admis que le seuil maximum admissible en aquarium est de 80 à 100 mg/l car :

- des taux trop élevés entravent la croissance de nombreuses espèces végétales (certaines sont perturbés au-delà de 5 mg/l !),

- ils constituent un grave danger potentiel en cas de mise en place d'un milieu réducteur dans l'aquarium (au niveau du sol principalement) ; en effet, une prolifération brutale de bactéries dénitrifiantes est alors possible et aurait pour conséquence l'intoxication immédiate de tous les poissons par les nitrites et l'ammoniac formés.

On peut renouveler partiellement l'eau, mais pour faire baisser de 100 à 75 mg/l la teneur en nitrates de l'eau d'un aquarium contenant 200 litres, il faut éliminer 5 g de nitrates et pour cela remplacer 50 litres d'eau par de l'eau neuve soit une manipulation de 100 litres en tout !

Une autre solution consiste à utiliser un épurateur biologique calqué sur les processus naturels. C'est à partir de là que diverses méthodes voient le jour. Ce sera l'objet d'autres articles...