Compuestos nitrogenados amonio-nitritos-nitratos : depuración biológica : Manual experto de acuariofilia y acuariología
Compuestos nitrogenados y ciclo del nitrógeno amonio-nitrito-nitrato : depuración biológica
Para el acuarista aficionado, el nitrógeno (N) es un elemento fundamental de la materia viva ya que caracteriza a las proteínas, constituyentes químicos llamados cuaternarios [Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (0) y Nitrógeno (N)] de capital importancia para los organismos vivos.
Con algunas excepciones (especies descubiertas sólo en los últimos 25 años), estos 4 elementos son esenciales para la vida, tanto terrestre como acuática.
El nitrógeno pasa por diferentes fases sucesivas para la purificación del agua :
El ciclo del nitrógeno integra todas las formas de nitrógeno mineral : amonio, amoniaco, nitritos y nitratos.
Nitrógeno en el agua
En el agua, y por tanto en el acuario, el nitrógeno está presente en estado disuelto (pero su papel es insignificante en esta forma), en estado orgánico (proteínas, ácidos nucleicos, urea) y en estado mineral, en forma amoniacal : amoniaco molecular (NH3), el más tóxico para los seres vivos, o ionizado (amonio NH4), unas 100 veces menos tóxico, nitritos (NO2), tóxicos para los peces, y nitratos (NO3) relativamente inofensivos.
El nitrógeno mineral es asimilado por las bacterias y por las plantas (fitoplancton y plantas superiores). Las proteínas vegetales sintetizadas entran luego directamente (herbívoros) o indirectamente (carnívoros) en la dieta de los animales, que las utilizarán después de la transformación, ya sea para renovar sus proteínas celulares o para la producción de energía utilizable por las células.
Por lo tanto, los compuestos orgánicos de nitrógeno se encontrarán en la orina, los excrementos y los cadáveres después de la muerte del animal (o planta). Serán degradados por bacterias bien definidas en compuestos amoniacales (NH4), nitrilos (NO2) y sobre todo nitratos (NO3) que aportarán a las plantas nuevos materiales nitrogenados asimilables (fertilizantes), favoreciendo su desarrollo.
Primer paso : amonización
La primera etapa, muy compleja, de la degradación de los productos nitrogenados orgánicos (amoniaco eliminado por las branquias de los peces, excrementos, plantas, cadáveres, exceso de comida) la realizan un gran número de microorganismos : bacterias de los géneros Bacillus, Bacterious, Micrococcus, pero también Pseudomonaceae, Vibrionaceae, por ejemplo. En particular, conduce a la formación de aminoácidos por amonificación, de compuestos amoniacales por desaminación y de dióxido de carbono.
Segundo paso : nitrificación
Los compuestos de amoniaco son tratados por un nuevo conjunto de microorganismos llamados microorganismos nitrificantes. Un primer grupo de bacterias asegura la transformación de los compuestos amoniacales en ácidos nitrosos (HNO2) que reaccionan inmediatamente con las bases que encuentran (sodio, potasio, calcio) para dar sales : nitritos (NO2), sodio, potasio, calcio... Las bacterias desnitrificantes del género Nitrosomas por ejemplo (redondeadas y móviles con la ayuda de un cilio) pertenecen a este grupo. Este primer paso de la oxidación bioquímica del amoníaco en ácido nitroso constituye la nitrosación.
Al mismo tiempo, otras bacterias, como Nitrobacter (con forma de bastón y no móvil), absorben el ácido nitroso y los nitritos para oxidarlos a ácido nítrico que forma nitratos (NO3), sodio, potasio y calcio, con las bases que encuentran. Este segundo paso de la oxidación bioquímica del ácido nitroso a ácido nítrico constituye la nitración. La amonización y la nitrificación dan como resultado la reducción del nitrógeno orgánico a una forma mineral que puede ser asimilada por las plantas acuáticas en el acuario.
Todas estas degradaciones se llevan a cabo gracias a fermentos secretados por estos microorganismos especializados, que extraen de estas reacciones toda la energía que necesitan para construir su propia sustancia a partir de elementos minerales, los organismos autótrofos. Esta quimiosíntesis libera a estos organismos del suministro de luz, tan necesario para aquellos que utilizan la fotosíntesis para lograr el mismo resultado. Indiferentes a la luz, tienen hambre de oxígeno y son sensibles, como cualquier organismo vivo, a la calidad de su entorno. En particular, son muy sensibles a cualquier contaminación química, a los antibióticos, a ciertos medicamentos y sufren la competencia con otras bacterias u organismos cuando las condiciones se vuelven desfavorables (falta de oxígeno, exceso de ciertas sustancias, falta de ciertos oligoelementos, bajada anormal del pH, etc.).
Como recordatorio, la supervivencia de los organismos heterótrofos depende estrechamente de los organismos autótrofos. Además, los compuestos de amoniaco provocan la hinchazón de las branquias, cuyas finas láminas se pegan entre sí, lo que reduce considerablemente la superficie para los intercambios respiratorios y provoca asfixia. Los nitritos actúan sobre la hemoglobina, un componente de la sangre que fija el oxígeno y ya no puede desempeñar su función.
Visualización de las principales fases del ciclo del nitrógeno :
La colonización bacteriana se produce con el tiempo con el establecimiento del ciclo del nitrógeno, se producirá un aumento con cada introducción de un contaminante como un pez y un excedente de alimento para degradar.
Tan pronto como se introducen los primeros peces, los compuestos de amoniaco aparecen y alcanzan un máximo alrededor del séptimo día en el acuario. Estos compuestos amoniacales permiten el desarrollo de colonias bacterianas de nitrosación. A partir del séptimo día, hay suficientes para oxidarlos completamente y luego aparecen. Además su tasa disminuye gradualmente, mientras que la de nitritos aumenta. Para el día 17, las bacterias de nitración son lo suficientemente abundantes como para oxidar los nitritos a nitratos. Además, la tasa de nitrito disminuye gradualmente mientras que la de nitratos aumenta. A partir del día 24, las diferentes colonias bacterianas están en su sitio y las etapas de nitrificación tienen lugar simultáneamente. Ya no aparecen productos tóxicos intermedios. Por otro lado, los nitratos continúan acumulándose. Aunque no son muy tóxicos, su presencia debe limitarse mediante cambios de agua frecuentes y regulares.
Por ejemplo, la abundancia de nitratos y la falta de oxígeno pueden provocar la proliferación repentina e incontrolable de bacterias desnitrificantes, esencialmente anaeróbicas, que reducen los nitratos a nitritos, luego a compuestos amoniacales, liberando incluso gas nitrógeno. Este retorno justo a las fuentes no tendría consecuencias muy graves para la naturaleza (ya que otras bacterias, del género Azotobacter por ejemplo, se encargan de recuperarla fijando directamente el nitrógeno atmosférico) si los productos intermedios, y en particular los nitritos y el amoniaco, no fueran extremadamente tóxicos para la fauna (e incluso la flora) que vive en el acuario o en el estanque. Mientras que en la naturaleza los nitritos y nitratos se encuentran en agua dulce o salada con mayor frecuencia solo en cantidades traza (los nitratos a veces alcanzan 1 mg/l en ciertas bahías aisladas), este no es el caso en los acuarios; Estos tienen un volumen necesariamente limitado, suelen funcionar en circuito cerrado y con demasiada frecuencia están sobrecargados de peces y pobres en plantas. Se alcanzan niveles de 1.000 mg/l de nitratos en un año en depósitos cuyo agua no se renueva periódicamente y utilizando, en particular, el principio de filtración biológica o con agua del grifo no adaptada (esto sucede cada vez más debido a los métodos de cloración o cloraminación).
Por lo tanto, los controles y las dosificaciones son útiles, especialmente durante la puesta en servicio de tanques nuevos. La población y el exceso de alimentos provocarán la aparición de los primeros residuos orgánicos nitrogenados y el desarrollo en el suelo lavado y bacteriológicamente pobre de las primeras colonias bacterianas de amonificación con una oleada de productos tóxicos, luego de nitrosación, con una nueva oleada tóxica, y finalmente de nitración.
A veces será necesario esperar varias semanas antes de que se establezca el equilibrio y de que las diferentes fases de esta biodegradación tengan lugar simultáneamente. Sin embargo, pueden producirse excesos temporales de amonio y nitritos en caso de sobrecarga alimentaria o destrucción parcial del lecho bacteriano (sifonamiento intensivo, tratamiento farmacológico). Un exceso permanente de amonio y nitritos es incompatible con el buen funcionamiento de un acuario y da lugar a un desequilibrio, cuya causa a menudo hay que buscarla en la superpoblación del tanque (tener en cuenta el número, el tamaño, la actividad de los ejemplares y el exceso de alimento distribuido). Aparecen cantidades importantes de amonio y nitritos si la vegetación y especialmente las bacterias son insuficientes para absorber el exceso de producción.
La toxicidad de los compuestos amoniacales también es función de la presencia de sustancias coloidales y en particular de albúmina y de dificultades adicionales inherentes al funcionamiento de un acuario : pH elevado y abundante materia orgánica.
Una cuarta solución, que consiste en introducir bacterias liofilizadas, ha dado resultados positivos en agua dulce y salada, pero el protocolo debe aplicarse de forma estricta. Además, estas cepas bacterianas son, en la mayoría de los casos, específicas de la etapa nitrito-nitrato. Suponiendo que estén activos, el problema de los compuestos amoniacales persiste.
Tomar agua de un tanque ya en uso no es una solución muy efectiva ya que sólo una parte muy pequeña (alrededor del 1 %) de las bacterias nitrificadoras están presentes en el agua, estando el resto adheridas a los sustratos.
Un método sencillo y de uso común es trasladar bloques filtrantes sin lavar durante una semana, elementos decorativos y un poco de arena de acuario saludable ya en uso a un acuario nuevo.
Consecuencias de la depuración biológica del agua
La aplicación de estos procesos de depuración bacteriológica siendo obligatoria para el buen funcionamiento de un acuario y como productos intermedios, compuestos amoniacales y nitritos —que son toxinas violentas al bloquear los mecanismos de fijación del oxígeno apareciendo necesariamente uno tras otro en un acuario nuevo y bacteriológicamente virgen, es imprescindible tomar ciertas precauciones sencillas.
En el momento de la puesta en servicio se pueden proponer 3 soluciones :
- "Rellenar" el acuario con tierra (capa superficial) o con un filtro sin lavar de un acuario ya en servicio pero perfectamente sano.
- Cocer un mejillón y picarlo finamente antes de verterlo, con su jugo, en el acuario. Espere unos veinte días antes de comenzar a poblar.
- Aliméntelos con muy poca cantidad (2 o 3 peces con reputación de ser notablemente robustos) y con moderación durante unos veinte días antes de continuar con la repoblación.
La toxicidad de los compuestos amoniacales varía según la especie pero también, y sobre todo, según la temperatura y el pH. En los acuarios, los peces de agua salada están, en general, más expuestos que los peces de aguas continentales. Por lo tanto, es aconsejable elegir, cuando sea posible, especies menos sensibles como primeros anfitriones del acuario. En el agua de mar, los invertebrados (en particular los grandes crustáceos) son grandes productores y relativamente insensibles a estas toxinas.
Nota : Los métodos de dosificación comúnmente utilizados permiten una medición cualitativa y cuantitativa del amonio (NH4). Ahora bien, existe una relación muy estrecha entre la forma disociada NH4+, que no es muy tóxica, y la forma gaseosa disuelta, no disociada, NH3 (amoníaco), que es 100 veces más tóxica. El porcentaje no disociado (NH3, muy tóxico) es función de la temperatura y el pH. Puede considerarse insignificante por debajo de pH 7, alarmante a partir de pH 7,5 y particularmente peligroso por encima de pH 8,5.
En piscicultura continental, los umbrales recomendados, en cuanto al reciclaje del agua, son los siguientes :
- NH3 (Amoniaco) : 0,005 mg/l (Alevines); 0,075 mg/l (peces jóvenes sólidos).
- NH4 (Amonio) : 0,5 mg/l (Fry); 0,75 mg/l (peces jóvenes sólidos).
- NO2 (Nitrilos) : 0,1 mg/l (umbral legal para agua dulce en Francia).
- NO3 (Nitratos) : no tóxico.
En un acuario marino, teniendo en cuenta la temperatura media de los acuarios de agua de mar (25 °C), el pH medio de estos mismos tanques (> 8), el porcentaje medio de disociación NH3 ↔ NH4 en estas condiciones, los requerimientos medios de las algas verdes respecto a la carga total de nitrógeno y
Según la experiencia, se mantienen los siguientes umbrales para los acuarios marinos :
En las condiciones medias así definidas, el umbral del amoniaco (0,01 mg/l) parece ser diez veces más sensible que el de los nitritos (0,1 mg/l), lo que lleva a admitir una toxicidad media de los compuestos de amoniaco diez veces superior a la de los nitritos.
¡Durante toda la duración del ciclo del nitrógeno, el pH debe mantenerse estable !
Cuando aparecen cantidades importantes de nitrilos, surgen riesgos evidentes de intoxicación en cuanto el nivel de nitrito supera los 3 mg/l.
La toxicidad de los compuestos amoniacales, a pH elevado, es espectacular : si es posible, empezaremos un acuario con agua ácida a neutra, pero no básica.
En el agua del mar, al ser el pH por definición elevado, el riesgo de ver aparecer amoniaco molecular (NH3), extremadamente tóxico, es permanente.
En aguas continentales, el pH tiene una tendencia natural a aumentar cuando se pone en servicio un tanque nuevo, el riesgo de ver aparecer amoníaco molecular también es muy alto. Por otra parte, en un ambiente cuyo pH está estabilizado o mantenido artificialmente alrededor de la neutralidad (6,5 a 7,3), el aumento de amoníaco es relativamente inofensivo.
En ambos casos, sin embargo, el aumento de nitritos constituye un segundo y formidable peligro independiente del pH.
Siempre que se registra un aumento de nitrito, significa que los organismos vivos han estado expuestos a toxinas a las que han sobrevivido, ya que el ion amonio tiene su propia toxicidad que varía según la especie.
Sin embargo, a un pH alto, la mayoría de los organismos vivos no sobreviven a los compuestos de amoníaco y desaparecen mucho antes de que aparezcan los nitritos.
Nota : Al instalar un nuevo acuario (o estanque de jardín), es mejor evitar exponer los animales a estos peligros.
Después de unos veinte días a 25 °C (en agua fría, a 10 °C se necesitan de 6 a 8 semanas, a veces más ! Cuidado con los peces de colores) la degradación de la materia orgánica se produce simultáneamente, las diferentes colonias bacterianas están en su lugar y los compuestos intermedios tóxicos solo aparecen en cantidades traza (menos de 0,1 mg/l de media).
Por otra parte, por supuesto, los nitratos continúan acumulándose inexorablemente en ausencia de renovación del agua. Como ya hemos señalado, en sí mismos no son peligrosos. ¡Su propia toxicidad sólo aparece alrededor de 3–400 mg/l ! Sin embargo, debe evitarse su acumulación, a ser posible por encima de 100 mg/l, porque juegan, sobre todo en un acuario mal mantenido, el papel de "bomba de relojería" debido al riesgo de desencadenar un proceso de reducción de los nitratos en nitritos y amoniaco, como hemos indicado anteriormente. El crecimiento de muchas plantas también se ve obstaculizado, o incluso inhibido, por niveles excesivamente altos de nitrato (> 25 mg/l).
En un acuario que ha estado en servicio durante más de un mes, los riesgos de intoxicación por compuestos amoniacales y nitritos son prácticamente nulos, sobre todo porque los peces toleran con bastante facilidad un aumento temporal de estas toxinas durante una alimentación torpe y excesiva o cuando se añaden nuevos peces al estanque. Es importante tener en cuenta que constantemente se establece una relación dinámica y fluctuante entre la producción de residuos orgánicos y el tamaño de las colonias bacterianas. En caso de sobreproducción, las colonias ya presentes se multiplican rápidamente y todo vuelve a la normalidad al cabo de unas horas, sin que las toxinas hayan tenido tiempo de actuar.
Si, por el contrario, el acuarista comete el error de limpiar sus filtros al mismo tiempo que su decoración y al mismo tiempo lava las capas superficiales de su arena, puede esperar un desastre unos días más tarde, ya que acaba de destruir las colonias bacterianas de su acuario.
En caso necesario, la decoración y el suelo deberían limpiarse, por ejemplo, por etapas, de una semana a la siguiente.
Otra lección que se puede aprender de estos procesos es que cuando los peces son transportados a largas distancias, por supuesto continúan vivos (al menos eso esperamos) y, por lo tanto, producen desechos. Además, el nivel de compuestos de amoniaco aumenta muy rápidamente. Si al llegar se trasladan a acuarios bien equipados y equilibrados, todo volverá a la normalidad y puede que los peces simplemente estén un poco debilitados.
Desgraciadamente, este no siempre es el caso de los importadores o revendedores mal equipados, que no toman suficientes precauciones o cometen el error de lavar cuidadosamente sus tanques de recepción, en los que no ponen arena ni decoración, ya sea por razones de "higiene", de menores necesidades de mantenimiento o para poder pescar más rápido y más fácilmente.
Existen entonces dos soluciones :
- Estar presente en el momento de la llegada y adquirir las especies deseadas asegurándose usted mismo de su aclimatación.
- ¡Vuelva aproximadamente dos semanas después para recuperar las especies que son particularmente resistentes al amoníaco ! En estas condiciones, lo más probable es que una "prueba de nitrito" resulte negativa. Los nitritos sólo aparecen diez o doce días después, y significativamente después de unos quince días (todavía a 25 °C). Por otra parte, una "prueba de amoniaco" sería muy informativa.
Una simple mirada al agua lechosa y a la abundante espuma en la superficie, incluso adherida a las paredes, y una pequeña "nariz" encima del tanque (olor a amoniaco) proporcionan información inmediata cuando el caso es desesperado.
La mejor solución para limitar los riesgos es elegir un proveedor serio y bien equipado, que ofrezca en sus estanterías pescado sano en agua clara y sin olor. Esta elección será la mejor garantía para el comprador... pero también para el pez.