Les bactéries nitrifiantes
Les bactéries nitrifiantes sont, par opposition aux bactéries dénitrifiantes, des nitrobactéries Nitrobacter, Nitrospira et Nitrosococcus, ou Nitrosomonas et Nitrococcus. Une bactérie nitrifiante a un rôle majeur dans la qualité de l'eau pour transformer les sous-produits de l'azote comme l'ammoniac et les nitrites en nitrates dans le cycle de l'azote.
Les deux principales bactéries nitrifiantes (Nitrosomonas et Nitrobacter) :
Les deux genres principaux de bactéries nitrifiantes sont Nitrosomonas sp. (à gauche) et Nitrobacter sp. (à droite).
Généralités
La nitrification est l'oxydation biologique d'ammoniac ou d'ammonium en nitrite suivie de l'oxydation du nitrite en nitrate. La transformation de l'ammoniac en nitrite est généralement l'étape limitante de la nitrification. La nitrification est une étape importante du cycle de l'azote dans le sol et dans les substrats fixes en milieu aquatique. La nitrification est un processus aérobie réalisé par de petits groupes de bactéries autotrophes et d'archées.
Nous décrivons surtout le cas des bactéries Nitrobacter sp. et Nitrosomonas sp., les plus courantes et connues en aquariophilie ou aquaponie par exemple.
Microbiologie et écologie
L'oxydation de l'ammoniac en nitrite est effectuée par trois groupes d'organismes, les bactéries oxydant l'ammoniac (BOA), les bactéries oxydant les nitrites (BON) et les archées oxydant l'ammoniac (AOA). BON et AOA sont proches. Les BOA peuvent être trouvés parmi les bêta-protéobactéries et les gamma-protéobactéries.
Actuellement, deux AOA, Nitrosopumilus maritimus et Nitrososphaera viennensis, ont été isolées et décrites. Dans les sols, les BOA les plus étudiés appartiennent aux genres Nitrosomonas et Nitrosococcus. Bien que dans les sols l'oxydation d'ammoniac intervienne à la fois par la BOA et l'AOA, l'AOA prédomine dans les sols et les environnements marins, ce qui suggère que les archées Thaumarchaeota pourraient contribuer davantage à l'oxydation de l'ammoniac dans ces environnements.
La deuxième étape (oxydation du nitrite en nitrate) est effectuée (principalement) par des bactéries du genre Nitrobacter et Nitrospira. Les deux étapes produisent de l'énergie devant être couplée à la synthèse de l'ATP. Les organismes nitrifiants sont des chimioautotrophes et utilisent le dioxyde de carbone comme source de carbone pour leur croissance. Certaines BOA possèdent l'enzyme, l'uréase, qui catalyse la conversion de la molécule d'urée en deux molécules d'ammoniac et une molécule de dioxyde de carbone.
Il a été démontré que Nitrosomonas europaea, ainsi que des populations de BOA vivant dans le sol, assimilait le dioxyde de carbone libéré par la réaction pour produire de la biomasse via le cycle de Calvin et capturer de l'énergie en oxydant l'ammoniac (l'autre produit de l'uréase) en nitrite. Cette caractéristique peut expliquer l'augmentation de la croissance de la BOA en présence d'urée dans des environnements acides.
Dans la plupart des environnements, les organismes présents complètent les deux étapes du processus, donnant le nitrate comme produit final. Cependant, il est possible de concevoir des systèmes dans lesquels du nitrite est formé (processus de Sharon).
En écologie, les bactéries nitrifiantes constituent un groupe taxonomique étroit dans l'environnement. On en trouve en plus grand nombre, où des quantités considérables d'ammoniac sont présentes (zones où la décomposition protéique est importante et les stations d'épuration). Les bactéries nitrifiantes se développent dans les cours d'eau des lacs et des rivières avec des entrées et des sorties importantes d'eaux usées et d'eaux usées et d'eau douce en raison de leur forte teneur en ammoniac.
Indispensables en aquarium
La filtration biologique et sa fonction dans le cycle de l'azote sont l'un des aspects les plus importants et les moins bien compris du maintien de l'aquarium. Après avoir créé un nouvel aquarium, les aquariophiles débutants sont désillusionnés par les taux de mortalité élevés souvent rencontrés par leurs animaux aquatiques.
Statistiquement, pas moins de 60 % des poissons vendus dans un nouvel aquarium mourront dans les 30 premiers jours. Deux nouveaux aquariophiles sur trois abandonnent ce loisir au cours de la première année.
Connu sous le nom de "syndrome de l'aquarium neuf", ces poissons sont empoisonnés par les fortes concentrations d'ammoniac (NH3) produites par la minéralisation bactérienne des déchets de poisson, l'excès de nourriture et la décomposition des tissus animaux et végétaux.
Cela est vrai tant pour le poisson rouge que le poisson combattant mais encore plus sensible en aquarium poisson rouge ! De l'ammoniac supplémentaire est directement excrété dans l'eau par les poissons eux-mêmes.
Les effets d'une intoxication à l'ammoniac chez les poissons sont bien documentés. Ces effets incluent : des dommages importants aux tissus, en particulier aux branchies et aux reins; déséquilibres physiologiques; croissance altérée; diminution de la résistance aux maladies et; mort.
L'intoxication aux nitrites inhibe l'absorption d'oxygène par les globules rouges. Connu sous le nom de maladie du sang brun, ou méthémoglobinémie, l'hémoglobine dans les globules rouges est convertie en méthémoglobine. Ce problème est beaucoup plus grave chez les poissons d'eau douce que chez les organismes marins. La présence d'ions chlorure (Cl-) semble inhiber l'accumulation de nitrite dans le sang.
Le succès de l'aquariophile comprend l'importance d'établir le cycle de l'azote rapidement et avec un minimum de stress pour les habitants de l'aquarium. La filtration en aquarium est passée des anciens filtres à boîte remplis de charbon de bois et de laine de verre aux filtres à gravier, aux filtres à ruissellement, et plus récemment aux filtres à lit fluidisé. Chaque progrès a été d'améliorer l'efficacité de la filtration biologique, ce qui augmente l'efficacité du cycle de l'azote.
La disponibilité de systèmes de filtration de pointe de haute technologie a conféré une importance accrue à la compréhension de la chimie aquatique de base.
Les bactéries nitrifiantes sont classées comme chimiolithotrophes obligatoires. Cela signifie simplement qu'ils doivent utiliser des sels inorganiques comme source d'énergie et qu'ils ne peuvent généralement pas utiliser de matières organiques. Ils doivent oxyder l'ammoniac et les nitrites pour satisfaire leurs besoins en énergie et fixer le dioxyde de carbone (CO2) inorganique pour répondre à leurs besoins en carbone.
Ils sont en grande partie non mobiles et doivent coloniser une surface (gravier, sable, biomedia synthétique, etc.) pour une croissance optimale. Ils sécrètent une matrice visqueuse collante qu'ils utilisent pour se fixer.
Les espèces de Nitrosomonas et de Nitrobacter sont des microbes Gram négatif, principalement en forme de bâtonnets, dont la longueur varie de 0,6 à 4,0 microns. Ils sont des aérobies obligatoires et ne peuvent ni multiplier ni convertir l'ammoniac ou les nitrites en l'absence d'oxygène.
Les bactéries nitrifiantes ont des générations longues en raison du faible rendement énergétique de leurs réactions d'oxydation. Comme ces réactions produisent peu d'énergie, elles ont évolué pour devenir extrêmement efficaces pour convertir l'ammoniac et le nitrite. Des études scientifiques ont montré que la bactérie Nitrosomonas était si efficace qu'une cellule unique pouvait convertir l'ammoniac à un taux qui nécessiterait jusqu'à un million d'hétérotrophes.
La majeure partie de leur production d'énergie (80 %) est consacrée à la fixation du CO2 via le cycle de Calvin et il reste peu d'énergie pour la croissance et la reproduction. En conséquence, leur taux de reproduction est très lent.
Les bactéries nitrifiantes se reproduisent par division binaire. Dans des conditions optimales, Nitrosomonas peut doubler toutes les 7 heures et Nitrobacter toutes les 13 heures. De manière plus réaliste, ils doubleront toutes les 15 à 20 heures. C'est extrêmement long compte tenu du fait que les bactéries hétérotrophes peuvent doubler en aussi peu que 20 minutes.
Au moment où il faut une seule cellule de Nitrosomonas pour doubler sa population, une seule bactérie E. coli aurait produit une population de plus de 35 trillions de cellules.
Aucune des Nitrobacteraceae ne peut former de spores. Elles ont une cytomembrane complexe (paroi cellulaire) qui est entourée d'une matrice visqueuse. Toutes les espèces ont des plages de tolérance limitées et sont individuellement sensibles au pH, aux niveaux d'oxygène dissous, au sel, à la température et aux produits chimiques inhibiteurs. Contrairement aux espèces de bactéries hétérotrophes, elles ne peuvent survivre à aucun processus de séchage sans tuer l'organisme.
Dans l'eau, ils peuvent survivre pendant de courtes périodes dans des conditions défavorables en utilisant des matériaux stockés dans la cellule. Lorsque ces matières sont épuisées, les bactéries meurent.
Données biologiques
Il existe plusieurs espèces de bactéries Nitrosomonas et Nitrobacter et de nombreuses souches parmi ces espèces. La plupart de ces informations peuvent être appliquées aux espèces de Nitrosomonas sp. et de Nitrobacter sp. en général. Toutefois, chaque souche peut avoir des tolérances spécifiques aux facteurs environnementaux et aux préférences nutritionnelles non partagées par d'autres souches très étroitement apparentées.
Les informations présentées ici s'appliquent spécifiquement aux souches Nitrosomonas et Nitrobacter.
Température
La température nécessaire à la croissance optimale des bactéries nitrifiantes est comprise entre 25 et 30 °C.
Le taux de croissance est diminué de 50 % à 18 °C (d'où la difficulté de filtration biologique en aquarium d'eau froide). Il est diminué de 75 % à une température de 5 °C. Aucune activité n'existera à 4 °C !
Les bactéries nitrifiantes meurent à 0 °C pour les températures basses et à partir de 49 °C pour les températures hautes.
De plus, Nitrobacter tolère moins les basses températures que Nitrosomonas. Dans les systèmes à eau froide, il convient de surveiller l'accumulation de nitrites (taux de nitrites à vérifier avec un test nitrites).
Potentiel hydrogène pH
La plage de pH optimale pour les bactéries nitrifiantes Nitrosomonas est comprise entre 7,8 et 8,0; celle pour Nitrobacter est comprise entre 7,3 et 7,5.
Les nitrobactéries se développeront plus lentement aux niveaux de pH élevés typiques des aquariums marins et préférés par les Cichlidés du lac Rift africain. Des concentrations initiales élevées en nitrites peuvent exister. À des pH inférieurs à 7,0, les nitrosomonas augmenteront plus lentement et une augmentation de l'ammoniac peut devenir évidente. La croissance des nitrosomonas est inhibée à un pH de 6,5.
Toute nitrification est inhibée si le pH chute à 6,0 ou moins. Il faut veiller à surveiller l'ammoniac si le pH commence à chuter aux alentours de 6,5. À ce pH, la quasi-totalité de l'ammoniac présent dans l'eau sera à l'état légèrement toxique et ionisé NH3+.
Oxygène dissous
Les taux de nitrification maximaux existeront si les niveaux de dioxygène dissous dépassent 80 % de saturation. La nitrification n'interviendra pas si les concentrations de dioxygène tombent à 2,0 mg/l (ppm) ou moins. Les nitrobacters est plus fortement affecté par une faible teneur en oxygène que les nitrosomonas.
Salinité
Les bactéries nitrifiantes en eau douce se développeront dans des salinités comprises entre 0 et 6 ppm (poids spécifique entre 1,0 000 et 1,0038). Les bactéries nitrifiantes d'eau salée se développeront dans des salinités allant de 6 à 44 ppm. (densité entre 1,0038–1,0329).
L'adaptation à différentes salinités peut impliquer un délai de 1 à 3 jours avant le début de la croissance exponentielle.
Lumière
Les bactéries nitrifiantes sont photosensibles, en particulier à la lumière bleue et ultraviolette. Après avoir colonisé une surface, cette lumière ne pose aucun problème. Au cours des 3 ou 4 premiers jours, de nombreuses cellules peuvent être suspendues dans la colonne d'eau. Les ampoules spécialisées dans les aquariums récifaux qui émettent des rayons UV ou proches des rayons ultraviolets doivent rester éteintes pendant cette période. L'éclairage d'aquarium régulier n'a pas d'effet négatif appréciable.
Micronutriments et énergie
Toutes les espèces de bactéries nitrifiantes nécessitent un certain nombre de micronutriments. Le plus important parmi ceux-ci est le besoin de phosphore pour la production d'ATP (triphosphate d'adénosine). La conversion de l'ATP fournit de l'énergie aux fonctions cellulaires. Le phosphore est normalement disponible pour les cellules sous forme de phosphates PO4. Nitrobacter, en particulier, est incapable d'oxyder le nitrite en nitrate en l'absence de phosphates.
Une quantité suffisante de phosphates est normalement présente dans l'eau de boisson courante (eau du robinet). Pendant certaines périodes de l'année, la quantité de phosphates peut être très faible. Un phénomène appelé "blocage de phosphate" peut survenir. Si tous les paramètres décrits ci-dessus se situent dans les plages optimales pour les bactéries et que les niveaux de nitrites continuent à augmenter sans produire de nitrates, un blocage de phosphate peut exister.
Ces dernières années, avec l'avènement des mélanges de sels de mer synthétiques sans phosphates, ce problème est devenu répandu parmi les aquariophiles marins lors de la création d'un nouvel aquarium récifal.
Heureusement, il est facile de remédier au bloc de phosphate. Une source de phosphate doit être ajoutée à l'aquarium. L'acide phosphorique est recommandé comme étant le plus simple à utiliser et à administrer, mais on peut substituer soit le phosphate monosodique, soit le phosphate disodique. Si vous utilisez un mélange à 31 % d'acide phosphorique, appliquez une seule application de 1 goutte par 15 litres d'eau pour activer le Nitrobacter. Cette petite dose d'acide phosphorique n'affectera pas le pH ni l'alcalinité des aquariums marins.
Les niveaux minimaux d'autres micronutriments essentiels ne posent souvent pas de problème, car ils sont disponibles dans nos réserves d'eau potable. La popularité croissante des filtres à eau de haute technologie pour la désionisation, la distillation et l'osmose inverse (hyper-filtration) produit une eau débarrassée de ces nutriments.
Bien que ces filtres soient généralement excellents pour la production d'eau de haute pureté, cette eau sera également un inhibiteur des bactéries nitrifiantes. L'aquariophile sérieux doit reconstituer les sels de base nécessaires à la survie des habitants de l'aquarium. Cependant, ces sels manquent généralement de ces micronutriments essentiels.
Toutes les espèces de nitrosomonas utilisent l'ammoniac NH3 comme source d'énergie lors de la conversion en nitrite NO2. L'ammoniac est d'abord converti (hydrolysé) en un composé amine NH2, puis oxydé en nitrite. Ce procédé de conversion permet à Nitrosomonas d'utiliser quelques composés d'amines simples, tels que ceux formés par la conversion de l'ammoniac par des agents chimiques éliminant l'ammoniac.
Nitrosomonas est capable d'utiliser l'urée comme source d'énergie.
Toutes les espèces de Nitrobacter utilisent les nitrites comme source d'énergie pour les oxyder en nitrates NO3.
Couleur et odeur
Les cellules des bactéries nitrifiantes sont opaques à brunâtres. Ce que vous voyez sont en réalité des amas de bactéries collées ensemble par leur propre matrice de boue.
La plupart des solutions de bactéries nitrifiantes ont une odeur "terreuse".
Attention : les solutions contenant des liquides marron foncé ou noirs et/ou les produits sentant le soufre ou les oeufs pourris peuvent contenir des bactéries gâtées ou même contaminées. Si vous pensez que le produit est gâté ou contaminé, ne pas appliquer sur un écosystème aquatique fermé (écosystème fermé).
Chlore et chloramines
Avant d'ajouter des bactéries ou des poissons à un aquarium ou à un système, tout le chlore doit être complètement neutralisé. Le chlore ou les chloramines résiduels tuent toutes les bactéries et les poissons nitrifiants.
La plupart des villes américaines traitent maintenant leur eau de boisson avec des chloramines. Les chloramines sont plus stables que le chlore. Il est conseillé de tester le chlore avec un kit de test peu coûteux. Si vous n'êtes pas sûr que votre eau ait été traitée à la chloramine, testez l'ammoniac après avoir neutralisé le chlore. Vous pouvez également appeler votre installation de traitement d'eau locale.
Le type de chloramines formé dépend du pH. La majeure partie existe sous forme de monochloramine NH2Cl ou de dichloramine NHCl2. Ils sont fabriqués en ajoutant de l'ammoniac à de l'eau chlorée. Les produits chimiques réduisant le chlore, tels que le thiosulfate de sodium Na2S2O2, rompent la liaison chlore : ammoniac.
Le chlore Cl est réduit en ion chlorure Cl- inoffensif. Étant donné que la dichloramine a deux molécules de chlore, une double dose d'un dissolvant de chlore, tel que le thiosulfate de sodium, est recommandée.
Chaque molécule de chloramine réduite produira une molécule d'ammoniac. Si la concentration de chloramine est de 2 ppm, votre aquarium ou votre système démarrera avec 2 ppm d'ammoniac. Le dissolvant de chlore réduira jusqu'à 2 ppm de chlore aux doses recommandées. Pendant les mois les plus chauds, les niveaux de chlore peuvent dépasser 2 ppm. Une double dose serait nécessaire pour éliminer efficacement le chlore en excès.
Ajout de bactéries nitrifiantes en aquarium
Une fois que tout le chlore a été neutralisé en toute sécurité, des bactéries nitrifiantes doivent être ajoutées pour débarrasser l'aquarium (aquaterrarium, paludarium, système aquaponique, bassin de jardin, tout écosystème aquatique fermé) de l'ammoniac. En fonction du pH de l'aquarium, il est conseillé de prendre 3 à 4 jours avant d'ajouter votre poisson afin de minimiser le stress.
Si l'alimentation en eau ne contient pas de chloramines et qu'il n'y a pas d'ammoniac, des bactéries nitrifiantes doivent être ajoutées en même temps que les poissons.
Les espèces de bactéries Nitrosomonas et Nitrobacter appartiennent à la famille Nitrobacteriaceae (les véritables nitrifiants). Cinq genres sont généralement acceptés comme oxydants de l'ammoniac et quatre genres comme oxydants des nitrites. Parmi ceux-ci, les nitrosomonas (oxydants d'ammoniac) et les nitrobacters (oxydes de nitrites) sont les plus importants.
Les espèces marines sont différentes de celles qui préfèrent l'eau douce et pourtant, elles sont très étroitement liées. Chaque espèce a une portée optimale limitée pour la survie. Elles constituent le groupe le plus efficace et le plus important de bactéries nitrifiantes et sont omniprésentes (dans le monde entier) dans leur distribution.
Il faut faire attention aux entreprises qui fournissent de "véritables" souches de bactéries nitrifiantes. Souvent, les "bactéries" présentes sur le marché ne sont pas de véritables bactéries nitrifiantes autotrophes, mais bien des bactéries consommant des boues hétérotrophes (organiques).
Les bactéries hétérotrophes ne sont pas des bactéries nitrifiantes et l'utilisation de bactéries hétérotrophes n'apportera que peu ou pas d'avantage à la mise en place d'un filtre biologique à haute teneur en ammoniac et en nitrite "cyclé" (cyclage aquarium).
En rapport avec "bactérie nitrifiante"
Les bactéries dénitrifiantes, après la phase de nitrification, permettent la dénitrification d'un milieu, c'est-à-dire enlever l'azote présent sous forme...
Le cycle de l'azote est une succession de processus naturels qui transforment l'azote N en substances organiques : ammoniac, ammoniaque, nitrite et nitrate...
Un nitrate (NO3-) est un composé polyatomique constituant l'ultime étape de la dégradation des substances azotées par des bactéries qui décomposent la matière...
L'ion nitrite est NO2-. C'est un anion angulaire avec une configuration électronique et un arrangement angulaire similaire à celui de l'ozone.