Ο κύκλος του Αζώτου

Ο κύκλος του αζώτου στη φύση και στο ενυδρείο

Στη φύση

Το άζωτο είναι το κυριότερο συστατικό των αμινοξέων, των νουκλεικών οξέων, των αμινοσακχάρων και των πολυμερών τους,  θεμέλιων λίθων της ζωής.
Είναι συστατικό του κυτταροπλάσματος στα ζωντανά κύτταρα.
 Έξω από αυτά είναι ένα από τα κυριότερα συστατικά της ατμόσφαιρας σε ποσοστό 79% του συνόλου της ατμόσφαιρας.

Ο κύκλος του αζώτου είναι σχετικά απλός και μπορεί να διακριθεί σε τρία διαφορετικά στάδια.
Τη δέσμευση του μοριακού αζώτου (αζωτοδέσμευση), τη νιτροποίηση και την απονιτροποίηση.
Ας δούμε την πορεία του αζώτου ξεκινώντας από την αζωτοδέσμευση.

Αναφέραμε πως αποτελεί το 79% της ατμόσφαιρας. Ωστόσο σε αυτή την αέρια μορφή του είναι μη χρησιμοποιήσιμο από την πλειονότητα των ζωντανών οργανισμών.
Γι' αυτό το λόγο για να μπορέσουν οι οργανισμοί να προσλάβουν το άζωτο πρέπει προηγουμένως να μετατραπεί σε μία περισσότερο εύχρηστη μορφή. Αυτό γίνεται με τη διαδικασία της αζωτοδέσμευσης.

Η αζωτοδέσμευση διακρίνεται σε φυσική και βιολογική.

Κατά την φυσική αζωτοδέσμευση το άζωτο της ατμόσφαιρας ενώνεται με το υδρογόνο σχηματίζοντας αμμωνία ή με το οξυγόνο σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα.
H ενέργεια που χρειάζεται για να γίνει η δέσμευση αυτή εξασφαλίζεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (κεραυνούς) στην ατμόσφαιρα.
Αυτές οι ενώσεις προσλαμβάνονται από τα φυτά καθώς είναι υδατοδιαλυτές και με αυτόν τον τρόπο ενσωματώνονται στην τροφική αλυσίδα.
Δηλαδή παρασύρονται από τις κατακρημνίσεις (βροχή) και καταλήγουν στη γή ή στην θάλασσα.

Όμως το άζωτο που δεσμεύεται με αυτόν τον τρόπο δεν αποτελεί παρά το 10 % περίπου που χρησιμοποιείται από τη ζώσα ύλη. Το υπόλοιπο 90% γίνεται διαθέσιμο με τη βιολογική αζωτοδέσμευση.


Κατά  τη βιολογική αζωτοδέσμευση διάφοροι οργανισμοί που ονομάζονται αζωτοδεσμευτικοί μετατρέπουν με κατανάλωση ενέργειας, το μόριο του ελεύθερου  αζώτου  σε διαθέσιμή προς δέσμευση μορφή.
Ενδεικτικά είδη αζωτοδεσμευτικών οργανισμών είναι τα γένη των εξής βακτηρίων: Azotobacter, Azospirillium, Clostridium, Rhizobium, Vibrio, Thiobacillus, Bradyhizobium κ.α. καθώς και τα κυανοβακτήρια Anabaena, Aphanizomenon, Nostoc, Tolypothrix κ.α.

Επίσης υπάρχει άζωτο δεσμευμένο μέσα στην οργανική ύλη των φυτών και των ζώων.
Αυτό είναι δεσμευμένο σε μεγαλομοριακές ενώσεις όπως πρωτεΐνες και αμινοξέα.
Όταν αυτό διασπάται μέσα στα μικροβιακά κύτταρα το τελικό προϊόν της αποικοδόμησης είναι η αμμωνία.
Η αμμωνία χρησιμοποιείται και προσλαμβάνεται από τα φυτά, αλλά σε μεγάλες συγκεντρώσεις είναι τοξική τόσο για τους φυτικούς όσο και τους ζωικούς οργανισμούς.
Στο επόμενο βήμα η  αμμωνία χρησιμοποιείται από μία ομάδα αερόβιων βακτηρίων τα οποία την χρησιμοποιούν  ως τροφή.

Τα βακτήρια αυτά ανήκουν στα γένη Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosovibrio,  και με κατανάλωση οξυγόνου οξειδώνουν την τοξική αμμωνία σε νιτρώδη ιόντα. Επικρατέστερο είναι το γένος Nitrosomonas.
Τα νιτρώδη ιόντα είναι λιγότερο τοξικά από την αμμωνία και πολύ περισσότερο ανεκτά από τους ζώντες οργανισμούς.

Σε αυτό το αερόβιο μονοπάτι ακολουθεί η οξείδωση των νιτρωδών ιόντων, η οποία πραγματοποιείται από μία ομάδα αερόβιων βακτηρίων τα γένη Nitrobacter, Nitrospira, Nitrospina, Nitrosococcus.
Τα βακτήρια αυτά μετατρέπουν τα νιτρώδη ιόντα σε νιτρικά ιόντα.  Επικρατέστερο είναι το γένος Nitrobacter.

Τα νιτρικά ιόντα είναι ακόμα λιγότερο τοξικά σε σχέση με τα νιτρώδη.
Είναι η καλύτερη μορφή αζώτου η οποία δεσμεύεται σε τεράστια ποσοστά και πολύ εύκολα από τα φυτά.
Η διαδικασία αυτή στο σύνολό της μέχρι αυτό το σημείο ονομάζεται νιτροποίηση και συμβαίνει σε αερόβιες συνθήκες, παρουσία οξυγόνου.

Τόσο η αμμωνία όσο και τα νιτρικά και νιτρώδη ιόντα είναι όλα τους υδατοδιαλυτά με αποτέλεσμα να καταλήγουν στους υδάτινους αποδέκτες λίμνες , ποτάμια, θάλασσα.
Με αυτόν τον τρόπο θα περίμενε κανείς τα αποθέματα αζώτου στην ατμόσφαιρα συνεχώς να μειώνονται και ολοένα και λιγότερο άζωτο να είναι διαθέσιμο για χρήση από τα ζώντα κύτταρα. Αυτό όμως δεν συμβαίνει διότι στη φύση επιτελείται και η ακριβώς αντίθετη διαδικασία της νιτροποίησης η οποία ονομάζεται απονιτροποίηση.

Η απονιτροποίηση διαδραματίζεται κάτω από αυστηρά αναερόβιες συνθήκες από ομάδες αναερόβιων θειοβακτηρίων και βακτηρίων του γένους Pseudomonas (Pseudomonas denitrificans), Azospirillium, Rhizobium, Rhodopsedomonas, Propionibacterium,Vibrio, Bacillus, Spirilliun, Nocardia, το Thibacillus denitrificans και άλλα.
 Έτσι λοιπόν τα νιτρικά ιόντα ανάγονται σε νιτρώδη, έπειτα τα νιτρώδη ιόντα σε οξείδιο του αζώτου και αυτό με τη σειρά του σε  μοριακό άζωτο που είναι αέριο. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν ανατροφοδοτείται η ατμόσφαιρα με άζωτο  και ολοκληρώνεται ο κύκλος αυτού του στοιχείου στη φύση.

Στο ενυδρείο

Μέσα σε ένα ενυδρείο πραγματοποιούνται τα ίδια γεγονότα σε μικρότερη βέβαια κλίμακα από ότι στον πλανήτη. Πάντως οι διαδικασίες της νιτροποίησης και απονιτροποίησης γίνονται με παρόμοιο τρόπο και οι οργανισμοί που συμμετέχουν είναι οι ίδιοι.
 Η κυριότερη διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι το ενυδρείο είναι ένα πάρα πολύ μικρό κλειστό  σύστημα, με πολύ λίγους πρωτογενείς παραγωγούς (δηλαδή φυτά) και πάρα πολύ περισσότερους καταναλωτές (δηλαδή ψάρια) για το δεδομένο όγκο και χώρο του, αναλογικά με αυτόν που υπάρχει σε μία λίμνη ή στη θάλασσα. Αυτό το γεγονός δημιουργεί ορισμένες ιδιαιτερότητες οι οποίες χρειάζονται συγκεκριμένους χειρισμούς.

Ξεκινώντας λοιπόν και στήνοντας κανείς το ενυδρείο του έρχεται αντιμέτωπος αρχικά με τα γεγονότα της νιτροποίησης, τα οποία αν δεν ληφθούν σοβαρά υπόψη μπορεί να οδηγήσουν το ενυδρείο σε πλήρη αποδιοργάνωση του συστήματος και θάνατο των οργανισμών που κατοικούν σε αυτό.
Ας ξεκινήσουμε από τη στιγμή που προσθέτει κανείς το πρώτο ψάρι μέσα στο ενυδρείο.
Όταν το ψάρι αυτό ταϊστεί  θα καταναλώσει την τροφή, θα την μεταβολίσει και τελικά θα απεκκρίνει αμμωνία στο νερό.
Με την συνεχή του παρουσία μέσα στο ενυδρείο και τα συνεχή διαδοχικά καθημερινά ταίσματα η συγκέντρωση της αμμωνίας στο νερό του ενυδρείου μας ολοένα και θα αυξάνει.

Στην φύση τα βακτήρια Nitrosomonas θα «έτρωγαν» (δηλαδή θα οξείδωναν) την αμμωνία αμέσως και θα την εξαφάνιζαν από την υδάτινη στήλη και αυτό γιατί βρίσκονται σε αφθονία.
Σε ένα καινούργιο ενυδρείο όμως που βρίσκεται στο ξεκίνημά του τα βακτήρια αυτά βρίσκονται σε απελπιστικά μικρούς αριθμούς (υπάρχουν όμως) με αποτέλεσμα να μην προλαβαίνουν να καταναλώσουν την αμμωνία που παράγεται με αποτέλεσμα η συγκέντρωσή της να αυξάνεται συνεχώς.
Μέχρι αυτό το σημείο η συγκέντρωση της αμμωνίας καθιστά το νερό σχεδόν τοξικό για τους υδρόβιους οργανισμούς και μόνο ορισμένα πολύ ανθεκτικά είδη ψαριών είναι ικανά να επιβιώνουν.
Μετά το πέρασμα περίπου 10 ημερών (δες σχεδιάγραμμα από Fenner) ο πληθυσμός των βακτηρίων Nitrosomonas έχει αυξηθεί με αποτέλεσμα να καταναλώνουν (να τρώνε) την παραχθείσα αμμωνία και γι αυτό η συγκέντρωσή της σταδιακά μειώνεται.

Τα βακτήρια όμως αυτά δεν καταναλώνουν μόνο την αμμωνία από το ενυδρείο, αλλά την ίδια στιγμή παράγουν και νιτρώδη ιόντα.

Κανονικά στη φύση τα νιτρώδη ιόντα θα εξαφανίζονταν αμέσως από την υδάτινη στήλη αφού μία άλλη ομάδα βακτηρίων τα Nitrobacter υπάρχουν σε αφθονία.
Στο καινούργιο ενυδρείο όμως οι πληθυσμοί και αυτών των βακτηρίων είναι απελπιστικά μικροί στην αρχή και έτσι τα νιτρώδη ιόντα συσσορεύονται μέσα στο νερό μέχρι να περάσουν ακόμα 15 με 20 μέρες.
Τότε μόνο οι πληθυσμοί των Nitrobacter θα είναι επαρκείς για να αρχίσουν να καταναλώνουν τα νιτρώδη ιόντα και να τα μετατρέπουν σε νιτρικά ιόντα που είναι και τα πλέον αβλαβή ακόμα και σε πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις (25-50mg/lt δες Noga, Fish Health).

 Έτσι το συνολικό διάστημα που θα έχει περάσει από τη στιγμή που θα εισαχθεί το πρώτο μας ψαράκι μέχρι να ολοκληρωθεί η διαδικασία της νιτροποίησης ανέρχεται σε 35 με 40 μέρες (δες σχεδιάγραμμα από Fenner).
Τότε μόνο το ενυδρείο μας θα έχει ξεπεράσει το πρωταρχικό επικίνδυνο για τους υδρόβιους κατοίκους του διάστημα, και θα είναι έτοιμο να δεχθεί σταδιακά ένα αυξανόμενο πληθυσμό ψαριών. Αυτό στην πράξη σημαίνει πως θα έχει εγκατασταθεί η  μικροβιολογική  (ή βιολογική) ισορροπία στο ενυδρείο και πιο συγκεκριμένα στο τμήμα του φίλτρου που είναι υπεύθυνο για το βιολογικό φιλτράρισμα του νερού.

Καθ’ όλη τη διάρκεια της ολοκλήρωσης της νιτροποίησης είναι πολύ σημαντικό να παρατηρούμε τις διακυμάνσεις τόσο της αμμωνίας όσο και των νιτρωδών και νιτρικών αλάτων με τα αντίστοιχα τεστ ενυδρειακής χρήσης που είναι διαθέσιμα για αυτόν το σκοπό.
Άρα καταλαβαίνουμε ότι ένα στρωμένο ενυδρείο και κατ’ επέκταση φίλτρο έχει τη δυνατότητα να προκαλεί όλα τα γεγονότα της νιτροποίησης πράγμα που σημαίνει πώς εμείς όταν ταΐζουμε τα ψάρια μας πρακτικά θα παρατηρούμε μετρήσιμές τιμές μόνο στα νιτρικά άλατα.

Τόσο η αμμωνία όσο και τα νιτρώδη θα πρέπει να είναι μη ανιχνεύσιμα από τα τεστ.

Βέβαια στο ενυδρείο λαμβάνουν χώρα και τα γεγονότα της απονιτροποίησης. Έτσι τα νιτρικά που όλο και αυξάνονται μέσα στο νερό σταδιακά μετατρέπονται σε αέριο άζωτο το οποίο διαφεύγει στην ατμόσφαιρα. Όμως η απονιτροποίηση είναι μία καθαρά αναερόβια διαδικασία και δεν μπορεί να λάβει χώρα στο έντονα αερόβιο περιβάλλον του φίλτρου, το οποίο χαρακτηρίζεται από μεγάλη ροή οξυγονωμένου νερού.
Γι’ αυτό το σκοπό υπάρχουν ειδικά μηχανήματα που ονομάζονται απονιτροποιητές (denitrators) οι οποίοι εξασφαλίζουν πάρα πολύ χαμηλή ροή νερού στο θάλαμό της συσκευής τους, μέσα στον οποίο δημιουργείται έντονα αναερόβιο αναγωγικό περιβάλλον επιτρέποντας έτσι τον πολλαπλασιασμό των απονιτροποιών βακτηρίων.
 Όταν συμβαίνει αυτό  παρατηρείται μείωση των νιτρικών αλάτων στο νερό.
Στα θαλασσινά ενυδρεία αναερόβιες συνθήκες απαντούν στα βαθύτερα στρώματα του θαλασσινού χαλικιού που ονομάζεται αραγωνίτης και βρίσκεται σκόπιμα σε παχύ στρώμα στον πυθμένα του ενυδρείου.
Επίσης στο εσωτερικό στρώμα του ζωντανού βράχου (που είναι ένα βασικό υλικό διακόσμησης), απαντούν οι αναερόβιες αυτές συνθήκες, επιτρέποντας την απονιτροποίηση και τελικά την μείωση της συγκέντρωσης των νιτρικών αλάτων στο νερό.

Άρα ο κάτοχος ενός καινούργιου ενυδρείου θα αντιμετωπίσει αρχικά τις αυξημένες συγκεντρώσεις αμμωνίας και νιτρωδών αλάτων.
 Έχοντας υπομονή και παράλληλα υποβοηθώντας την νιτροποίηση με την προσθήκη έτοιμων αποικιών βακτηρίων που υπάρχουν στο εμπόριο, γρήγορα το ενυδρείο θα «στρώσει» και θα ξεπεράσει το new tank syndrome όπως ονομάζεται το φαινόμενο αυτό.
Έπειτα σε ένα «στρωμένο» ενυδρείο αυτό που παρατηρείται είναι η συσσώρευση νιτρικών αλάτων. Ας δούμε πως θα απαλλαχθούμε από αυτά.

Τρόποι μείωσης νιτρικών αλάτων

Χρήση πολλών πρωτογενών παραγωγών (φυτών) και μάλιστα σε αρκετά μεγαλύτερη αναλογία από τους καταναλωτές (ψάρια). Τα φυτά  απορροφούν τα νιτρικά ως άριστη πηγή λιπάσματος. Σε πολύ πυκνοφυτεμένα ενυδρεία οι τιμές των νιτρικών όχι μόνο μειώνονται αλλά είναι μηδενικές και μάλιστα πολλές φορές χρειάζεται να προσθέσουμε επιπλέον νιτρικά εξωγενώς με μορφή λιπασμάτων που υπάρχουν στο εμπόριο, αφού τα νιτρικά που παράγονται από τους οργανισμούς του ενυδρείου μας δεν αρκούν για να καλύψουν τις ανάγκες των φυτών. Δώστε πολύ μεγάλη προσοχή σε αυτό το σημείο.

Χρησιμοποίηση συσκευών απονιτροποίησης για την επίτευξη της απονιτροπίησης

Σε περίπτωση που δεν υπάρχει η δυνατότητα εφαρμογής συστημάτων απονιτροποίησης (denitrator) προτείνεται το εξής:
να γίνει επιλογή 2 συμβατικών εξωτερικών φίλτρων,
το ένα εκ των οποίων να είναι το κλασικό με τα προτεινόμενα υλικά φιλτραρίσματος και συμβατική ρουτίνα καθαρισμού όπως προτείνεται από τις εταιρείες κατασκευής,
ενώ το άλλο να είναι πλήρες μόνο με βιολογικό υλικό φιλτραρίσματος να έχουμε μειώσει τη ροή του και ουσιαστικά να καθαρίζεται το ένα τρίτο του υλικού του ή κάτι λιγότερο από αυτό, μια φορά το χρόνο.
Αυτό το σύστημα φίλτρανσης θα βοηθήσει στη μείωση των νιτρωδών αλάτων του νερού.

Συχνές αλλαγές νερού σε 15μερη ή και μέχρι μηνιαία βάση, ανάλογα με τον αριθμό των φυτών, ψαριών και την αναλογία που έχουν μεταξύ τους.

Χρήση παχύ στρώματος αραγωνίτη (θαλασσινά ενυδρεία)

Χρήση επαρκούς ποσότητας ζωντανού βράχου (θαλασσινά ενυδρεία)


Η Ομάδα του enidrio.gr αποτελείται από έμπειρους ιχθυολόγους, γεωπόνους και τεχνικούς-κατασκευαστές ενυδρείων - email: info@enidrio.gr


Gravity.gr - interactive web