Les composés azotés ammonium-nitrites-nitrates : l'épuration biologique : Manuel aquariophilie expert et aquariologie

Les composés azotés et le cycle de l'azote ammonium-nitrites-nitrates : l'épuration biologique

Pour l'aquariophile expert amateur d'aquariologie, l'azote (N) est un élément fondamental de la matière vivante puisqu'il caractérise les protéines, constituants chimiques dits quaternaires [Carbone (C), Hydrogène (H), Oxygène (0) et Azote (N)] d'une importance capitale pour les organismes vivants.

À quelques exceptions près (des espèces découvertes dans les 25 dernières années seulement), ces 4 éléments sont indispensables à la vie, terrestre et aquatique.

L'azote passe par différentes phases successives pour l'épuration de l'eau :

Le cycle de l'azote intègre toutes les formes de l'azote minéral : ammnonium, ammoniaque, nitrites et nitrates.

L'azote dans l'eau

Dans l'eau, et par conséquent dans l'aquarium, l'azote est présent à l'état dissous (mais son rôle est négligeable sous cette forme), à l'état organique (protéines, acides nucléiques, urée) et à l'état minéral, sous forme ammoniacale : l'ammoniac moléculaire (NH₃), le plus toxique pour les êtres vivants, ou ionisé (ammonium NH₄), environ 100 fois moins toxique, de nitrites (NO₂), toxiques pour les poissons, et de nitrates (NO₃) relativement inoffensifs.

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.

Les composés azotés organiques vont, par conséquent, se retrouver dans les urines, les excréments et les cadavres après la mort de l'animal (ou du végétal). Ils seront dégradés par des bactéries, bien définies, en composés ammoniacaux (NH₄), nitriles (NO₂) et surtout nitrates (NO₃) qui fourniront aux plantes de nouvelles matières azotées (engrais) assimilables, favorisant leur développement.

1^ère étape : l'ammonisation

La première étape très complexe de la dégradation des produits azotés organiques (ammoniaque éliminé par les branchies des poissons, excréments, végétaux, cadavres, excès de nourriture) est effectuée par un grand nombre de micro-organismes : bactéries des genres Bacillus, Bacterium, Micrococcus, mais aussi des Pseudomonacées, Vibrionacées par exemple. Elle conduit en particulier à la formation d'acides aminés par ammonification, de composés ammoniacaux par désamination, et de gaz carbonique.

2^ème étape : la nitrification

Les composés ammoniacaux sont pris en charge par un nouvel ensemble de micro-organismes dits nitrifiants. Un premier groupe de bactéries assure la transformation des composés ammoniacaux en acides nitreux (HNO₂) qui réagit immédiatement avec les bases qu'il rencontre (sodium, potassium, calcium) pour donner des sels : les nitrites (NO₂), de sodium, de potassium, de calcium... Les bactéries dénitrifiantes du genre Nitrosomas par exemple (arrondies et mobiles à l'aide d'un cil) appartiennent à ce groupe. Cette première étape d'oxydation biochimique de l'ammoniaque en acide nitreux constitue la nitrosation.

Simultanément d'autres bactéries, du genre Nitrobacter par exemple (en forme de bâtonnets et non mobiles) reprennent l'acide nitreux et les nitrites pour les oxyder en acide nitrique qui forme avec les bases qu'il rencontre des nitrates (NO₃), de sodium, de potassium, de calcium. Cette seconde étape d'oxydation biochimique de l'acide nitreux en acide nitrique constitue la nitratation. Ammonisation et nitrification ont pour résultat de ramener l'azote organique à une forme minérale assimilable par les plantes aquatiques dans l'aquarium.

Toutes ces dégradations sont effectuées grâce à des ferments secrétés par ces micro-organismes spécialisés, qui tirent de ces réactions toute l'énergie qui leur est nécessaire pour construire leur propre substance à partir d'éléments minéraux, des organismes autotrophes. Cette chimiosynthèse dispense ces organismes de l'apport de lumière, si nécessaire à ceux qui utilisent la photosynthèse pour aboutir au même résultat. Indifférents à l'éclairement, ils sont par contre avides d'oxygène et sensibles comme tout organisme vivant à la qualité de leur environnement. Ils sont en particulier, très sensibles à toute pollution chimique, aux antibiotiques, à certains médicaments et souffrent de la compétition avec d'autres bactéries ou organismes quand les conditions deviennent défavorables (manque d'oxygène, excès de certaines substances, manque de certains oligo-éléments, abaissement anormal du pH...).

Pour rappel, la survie des organismes hétérotrophes est étroitement dépendante des organismes autotrophes. De plus, les composés ammoniacaux provoquent un gonflement des branchies dont les fines lamelles se collent entre elles, ce qui diminue considérablement la surface des échanges respiratoires et entraîne l'asphyxie. Les nitrites agissent sur l'hémoglobine, composant du sang qui fixe l'oxygène et qui n'est plus capable de jouer son rôle.

Visualisation des principales phase du cycle de l'azote :

La colonisation bactérienne se met en place dans le temps avec l'établissement du cycle de l'azote, un sursaut aura lieu à chaque introduction d'un polluant tel qu'un poisson et un surplus de nourriture à dégrader.

Dès l'introduction des premiers poissons, les composés ammoniacaux apparaissent pour atteindre un maximum vers le 7^ème jour dans un aquarium. Ces composés ammoniacaux permettent le développement des colonies bactériennes de la nitrosation. À partir du 7^ème jour, elles sont suffisamment nombreuses pour les oxyder totalement, puis au fur et à mesure de leur apparition. Aussi leur taux diminue progressivement, alors que celui des nitrites monte. Vers le 17^ème jour, les bactéries de la nitratation sont suffisamment abondantes pour oxyder les nitrites en nitrates. Aussi le taux des nitrites diminue progressivement alors que celui des nitrates augmente. À partir du 24^ème jour, les différentes colonies bactériennes sont en place et les étapes de la nitrification se déroulent simultanément. Les produits toxiques intermédiaires n'apparaissent plus. En revanche, les nitrates continuent à s'accumuler. Peu toxiques, il convient cependant de limiter leur présence par de fréquents et réguliers renouvellements d'eau.

Ainsi par exemple, des nitrates en abondance et un manque d'oxygène peuvent entraîner la prolifération brutale et incontrôlable de bactéries dénitrifiantes, essentiellement anaérobies, qui réduisent les nitrates en nitrites, puis en composés ammoniacaux, libérant même de l'azote gazeux. Ce juste retour aux sources n'aurait pas de conséquences bien graves pour la nature (puisque d'autres bactéries, du genre Azotobacter par exemple, se chargent de la récupérer en fixant directement l'azote atmosphérique !) si les produits intermédiaires et en particulier nitrites et ammoniac n'étaient doués d'une toxicité extrême à l'égard de la faune (et même de la flore) vivant dans l'aquarium ou le bassin. Si dans la nature, nitrites et nitrates ne se rencontrent le plus souvent dans les eaux douces ou salées qu'à l'état de traces (les nitrates atteignent quelques fois 1 mg/l dans certaines baies isolées), il n'en est pas de même en aquarium; ceux-ci ont un volume forcément limité, fonctionnent le plus souvent en circuit fermé et sont trop souvent surchargés en poissons et pauvres en plantes. Des taux de 1 000 mg/l de nitrates sont atteints en une année dans des bacs dont l'eau n'est pas renouvelée régulièrement et utilisant, en particulier, le principe de filtration biologique ou avec une eau du robinet inadaptée (cela existe de plus en plus à cause des méthodes chloration ou chloramination).

Des contrôles et des dosages s'avèrent par conséquent utiles, surtout lors de la mise en service de nouveaux bacs. Peuplement et excès de nourriture provoqueront l'apparition des premiers déchets organiques azotés et le développement dans le sol délavé et bactériologiquement pauvre, des premières colonies bactériennes de l'ammonification avec poussée de produits toxiques, puis de la nitrosation, avec nouvelle poussée toxique, et enfin de la nitratation.

Il sera parfois nécessaire d'attendre plusieurs semaines avant qu'un équilibre s'établisse et que les différentes phases de cette biodégradation se déroulent simultanément. Des excès temporaires d'ammonium et de nitrites peuvent néanmoins survenir à l'occasion d'une surcharge alimentaire, d'une destruction partielle du lit bactérien (siphonage intensif, traitement médicamenteux). Un excès permanent d'ammonium et de nitrites est incompatible avec le bon fonctionnement d'un aquarium et traduit en déséquilibre dont il faut bien souvent rechercher la cause dans le surpeuplement du bac (tenir compte du nombre, de la taille, de l'activité des spécimens et de l'excès de nourriture distribuée). Des quantités importantes d'ammonium et de nitrites apparaissent si la végétation et surtout les bactéries sont insuffisantes pour résorber une production trop importante.

La toxicité des composés ammoniacaux est également fonction de la présence de substances colloïdales et en particulier d'albumine et de difficultés supplémentaires inhérentes à la mise en service d'un aquarium : pH élevé et matières organiques en abondance.

Une quatrième solution qui consiste à introduire des bactéries lyophilisées donné des résultats positifs en eau douce et en eau de mer, mais le protocole doit être appliqué stricto-sensu. En outre, ces souches bactériennes sont, le plus souvent, spécifiques du stade nitrites-nitrates. En admettant qu'elles soient actives, le problème des composés ammoniacaux reste entier.

Prélever de l'eau dans un bac déjà en service n'est pas une solution très efficace puisqu'une très faible partie seulement (1 % environ) des bactéries de la nitrification est présente dans l'eau, le reste étant fixé aux substrats.

Une méthode simple, couramment utilisée, consiste à transférer des blocs de filtration, non lavés depuis une semaine, des éléments du décor et un peu de sable d'aquarium sain déjà en service vers un aquarium neuf.

Conséquences pour l'épuration biologique de l'eau

La mise en place de ces processus d'épuration bactériologique étant obligatoire au bon fonctionnement d'un aquarium et en produits intermédiaires, composés ammoniacaux et nitrites — qui sont de violents toxiques en bloquant les mécanismes de fixation de l'oxygène apparaissant obligatoirement les uns après les autres dans un aquarium neuf et bactériologiquement vierge, il est indispensable de prendre certaines précautions simples.

Au moment de la mise en service, 3 solutions peuvent être proposées :

1. "Ensemencer" l'aquarium avec du sol (couche superficielle) ou un filtre non lavé provenant d'un aquarium déjà en service mais parfaitement sain.
2. Ébouillanter une moule et la dilacérer finement avant de la déverser, avec son jus, dans l'aquarium. Attendre une vingtaine de jours avant de commencer à peupler.
3. Peupler très légèrement (2 ou 3 poissons à la réputation de robustesse notable) et les nourrir avec parcimonie pendant une vingtaine de jours avant de poursuivre le peuplement.

La toxicité des composés ammoniacaux est variable selon ln espèces mais aussi, et surtout, selon la température et le pH. En aquarium, les poissons d'eau de mer sont, dans l'ensemble, plus exposés que les poissons d'eau continentale. Aussi il est judicieux de choisir, lorsque cela est possible, des espèces moins sensibles comme premiers hôtes de l'aquarium. En eau de mer, les invertébrés (grands crustacés en particulier) sont gros producteurs et relativement peu sensibles à ces toxiques.

Remarque : Les méthodes de dosage habituellement utilisées permettent une mesure qualitative et quantitative de l'ammonium (NH₄). Or II existe une relation très étroite entre la forme dissociée NH₄+, peu toxique et la forme gazeuse dissoute non dissociée NH₃ (Ammoniac) 100 fois plus toxique. Le pourcentage non dissocié (NH₃, très toxique) est fonction de la température et du pH. Il peut être considéré comme négligeable au-dessous de pH 7, alarmant à partir de pH 7,5, particulièrement dangereux au-delà de pH 8,5.

En pisciculture continentale, les seuils recommandés, comme pour le recyclage d'une eau, sont les suivants :

• NH₃ (Ammoniac) : 0,005 mg/l (Alevins); 0,075 mg/l (jeunes poissons solides).
• NH₄ (Ammonium) : 0,5 mg/l (Alevins); 0,75 mg/l (jeunes poissons solides).
• NO₂ (Nitriles) : 0,1 mg/l (seuil légal pour les eaux douces en France).
• NO₃ (Nitrates) : non toxiques.

En aquarium marin, compte tenu de la température moyenne des aquariums d'eau de mer (25 °C), du pH moyen de ces mêmes bassins (> 8), du pourcentage moyen de dissociation NH₃ ↔ NH₄ dans ces conditions, des exigences moyennes des algues vertes à l'égard de la charge en azote total et de
l'expérience acquise, les seuils suivants sont retenus pour les aquariums marins :

• NH₄+ (Ammonium) : 0,1 mg/l (ce qui correspond approximativement à un risque potentiel de 0,01 mg/I de NH₃ à 25 ° et pH à 8,5).
• NO₂ (Nitrites) : 0,1 mg/l.
• NO₃ (Nitrates) : 10 mg/l (ce taux est maintenu par renouvellement lent et continu de l'eau).

Dans les conditions moyennes ainsi définies le seuil de l'ammoniac (0,01 mg/l) apparaît comme dix fois plus sensible que celui des nitrites (0,1 mg/l) ce qui conduit à admettre une toxicité moyenne des composés ammoniacaux dix fois supérieure à celle des nitrites.

Pendant toute la durée de la mise en place du cycle de l'azote, le pH doit est maintenu stable !

Lorsque les nitriles apparaissent de façon significative, des risques évidents d'intoxication se manifestent dès que le taux de nitrites dépasse 3 mg/l.

La toxicité des composés ammoniacaux, à pH élevé, est spectaculaire : on débutera, si possible, un aquarium avec une eau acide à neutre, mais pas basique.

En eau de mer, le pH étant par définition élevé, le risque de voir apparaître de l'ammoniac moléculaire (NH₃), extrêmement toxique, est permanent.

En eau continentale, le pH ayant une tendance naturelle à s'élever lors de la mise en service d'un nouveau bac, le risque de voir apparaître de l'ammoniac moléculaire est également très élevé. Par contre, dans un milieu dont le pH est stabilisé ou maintenu artificiellement aux alentours de la neutralité (6,5 à 7,3) la poussée ammoniacale est relativement peu dangereuse.

Dans les deux cas, cependant la poussée des nitrites constitue un second et redoutable danger indépendant du pH.

Chaque fois qu'une poussée de nitrites est enregistrée, cela signifie que les organismes vivants viennent d'être exposés à des toxines auxquelles ils ont survécu, l'ion ammonium ayant une toxicité propre variable selon les espèces.

À pH élevé la plupart des organismes vivants ne survivent cependant pas aux composés ammoniacaux et disparaissent bien avant l'apparition des nitrites.

Note : Lors de la mise en service d'un nouvel aquarium (ou bassin de jardin), il vaut mieux éviter d'exposer les animaux élevés à ces dangers.

Après une vingtaine de jours à 25 °C (en eau froide, à 10 °C il faut compter de 6 à 8 semaines parfois davantage ! Attention avec les poissons-rouges) la dégradation des matières organiques se fait simultanément, les différentes colonies bactériennes sont en place, et les composés intermédiaires toxiques n'apparaissent plus qu'à l'état de traces (moins de 0,1 mg/I en moyenne).

Par contre, bien entendu, les nitrates continuent à s'accumuler inexorablement à défaut de renouvellement d'eau. Comme nous l'avons déjà signalé, ils ne sont pas réellement dangereux par eux-mêmes. Leur toxicité propre n'apparaît qu'aux environs de 3–400 mg/I ! Il faut cependant éviter leur accumulation, si possible au-delà de 100 mg/I, car ils jouent, surtout dans un aquarium mal entretenu, le rôle d'une "bombe à retardement" en raison du risque d'enclenchement d'un processus de réduction des nitrates en nitrites et ammoniaque, comme nous l'avons signalé plus haut. La croissance de nombreux végétaux est en outre entravée, voir inhibée, par des taux trop élevés de nitrates (> 25 mg/l).

Dans un aquarium en service depuis plus d'un mois les risques d'intoxication par les composés ammoniacaux et les nitrites sont par conséquent pratiquement nuls d'autant plus que les poissons supportent assez facilement une poussée temporaire de ces toxiques lors d'un nourrissage maladroit et excessif, ou lors d'un apport de nouveaux poissons dans le bassin. Il faut en effet avoir présent à l'esprit qu'un rapport dynamique et fluctuant s'établit en permanence entre la production de déchets organiques et l'importance des colonies bactériennes. En cas de surproduction, les colonies déjà présentes se multiplient rapidement et tout rentre dans l'ordre après quelques heures, les toxines n'ayant pas eu le temps d'agir.

Si par contre l'aquariophile commet l'erreur de nettoyer ses filtres en même temps que son décor et que par la même occasion il lave les couches superficielles de son sable, il peut s'attendre à une catastrophe quelques jours plus tard puisqu'il vient de réduire à néant les colonies bactériennes de son aquarium !

En cas de nécessité il faut par conséquent procéder au nettoyage des décors et du sol, par exemple, par étapes, d'une semaine sur l'autre.

Une autre leçon doit être tirée de ces processus : lors du transport des poissons sur de longues distances ils continuent bien sûr à vivre (il faut du moins l'espérer) et par conséquent à produire des déchets. Aussi le taux des composés ammoniacaux s'élève très rapidement. Si, à l'arrivée, ils sont transférés dans des aquariums bien équipés et bien équilibrés tout rentre dans l'ordre et le poisson risque simplement d'être un peu affaibli.

Ce n'est malheureusement pas toujours le cas chez des importateurs ou revendeurs mal équipés, qui ne prennent pas assez de précautions, ou font l'erreur de laver soigneusement leurs bacs de réception, dans lesquels ils ne mettent ni sable ni décor, soit pour des raisons "d'hygiène", de moindre obligation d'entretien, soit pour pouvoir pêcher plus vite et plus facilement les poissons !

Deux solutions s'offrent alors :

• Être présent au moment de l'arrivage et acquérir les espèces souhaitées en assurant soi-même leur acclimatation.
• Repasser une quinzaine de jours plus tard pour récupérer les espèces particulièrement résistantes à l'ammoniaque ! Dans ces conditions un "test nitrites" s'avérera très probablement négatif. Les nitrites n'apparaissent, en effet, que dix à douze jours plus tard et de façon significative après une quinzaine (toujours à 25 °C). Par contre un "test ammoniaque" serait riche d'enseignements.

Un simple coup d'oeil à l'eau laiteuse et une mousse abondante en surface, s'accrochant même aux parois et un petit "coup de nez" au-dessus du bac (odeur ammoniaquée) donnent des renseignements immédiats lorsque le cas est désespéré.

La meilleure solution pour limiter les risques est de choisir un fournisseur sérieux, bien équipé, présentant dans ses rayons des poissons sains dans une eau bien claire et sans odeur. Ce choix sera la meilleure garantie pour l'acquéreur... mais aussi pour les poissons.