Quellen von Stickstoffverbindungen in neuen Stauseen.
Die ersten Betriebstage sind für jeden Aquarianer eine Herausforderung. Ein neu eingerichtetes Aquarium bereitet zunächst Freude und Stolz, doch nach einigen Tagen kann es sich schnell in einen Albtraum verwandeln, wenn ungebetene Gäste – Algen – auftauchen. Hauptursache dieser Probleme ist das Fehlen oder die geringe Anzahl nützlicher Bakterienkolonien. Die Ansammlung von Stickstoffverbindungen (vor allem Ammonium), organischem Kohlenstoff und Phosphaten bietet in Kombination mit starker Beleuchtung einen idealen Nährboden für alle Arten von Protozoenalgen und Kieselalgen (sofern auch Silikate im Wasser vorhanden sind). Stickstoffquellen in einem neu eingerichteten Aquarium sind unter anderem Bodengrund wie Gartenerde, japanisches Substrat, Pflanzen (z. B. verrottende Blätter und Stängel), Reste von Nährlösungen aus der In-vitro-Kultur sowie die beim Einrichten verwendeten Wurzeln. Stickstoff im Substrat liegt meist in Form von Ammonium (NH₄⁺ ) , Nitrat (NO₃⁻ ) und Nitrit ( NO₂⁻ ) vor , während geringe Mengen auch als Harnstoff oder dessen Derivate vorhanden sein können. Beschädigte oder degenerierende Pflanzen setzen Proteine und Aminosäuren in das Wasser frei, die hauptsächlich durch Ammonifizierung in Ammoniumionen umgewandelt werden[1].
Die Bedeutung von Sauerstoff bei Nitrifikationsprozessen
Die Nitrifikation ist ein zweistufiger Prozess und kann durch vereinfachte Reaktionen dargestellt werden[2]:
Stufe I : NH₄⁺ + 2O₂ → NO₂⁻ + 2H₂O
Stufe II: NO2– + 1/2O2 → NO3–
In beiden Phasen der Nitrifikation ist Sauerstoff das notwendige Substrat. Daher sind nitrifizierende Bakterien aerobe Bakterien, die für ihren Stoffwechsel ständigen Zugang zu Sauerstoff benötigen. Der Sauerstoffbedarf bei der Nitrifikation ist sehr hoch; um 1 g Ammoniumstickstoff zu Nitrat zu oxidieren, müssen etwa 4,5 g Sauerstoff zugeführt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass dies nur einer von vielen Prozessen ist, die im Aquarium Sauerstoff verbrauchen. Daher sollte für eine gute Belüftung des Aquariums gesorgt werden, insbesondere wenn die Beleuchtung ausgeschaltet ist (da die Pflanzen dann keine Photosynthese betreiben)[3]. Für die Reaktion in Phase I wird viermal so viel stöchiometrischer Sauerstoff benötigt wie für Phase II. Während eineO₂ ausreicht, muss die Sauerstoffkonzentration für Phase II etwa doppelt so hoch sein[4]. Die Nitrifikationsrate in Abhängigkeit von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Wasser ist in der folgenden Grafik dargestellt[5,6]:
Ist die Sauerstoffkonzentration nicht ausreichend, finden Denitrifikation und Nitratatmung statt, wodurch Nitrite (NO₂⁻) aus Nitrat-Ionen (NO₃⁻) entstehen [ 7 ] . Die Abhängigkeit der relativen Denitrifikationsrate von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff ist in der folgenden Grafik dargestellt[6] :
Im Allgemeinen ist Denitrifikation ein nützliches Phänomen, das zur Selbstreinigung von Gewässern beiträgt. Anders verhält es sich in bepflanzten Aquarien, wo der Stickstoffverbrauch relativ hoch ist. Hier ist Denitrifikation ungünstig, da sie Stickstoffverluste verursacht und zu Störungen des Redfield-Koeffizienten beiträgt[1].
[1] Eigene Forschung 2016-2019.
[2] Gerhard Richter „Stoffwechselprozesse in Pflanzen“ PWN 1975.
[3] Zurzycki J. Michniewicz M. „Plant Physiology“ PWRiL 1979.
[4] Joanna Jeż-Walkowiak, PhD, Eng., Łukasz Weber, MSc, Eng. „Entfernung von Ammoniumionen aus Grundwasser“, 2008.
[5] Michael K. Stenstrom, Richard A. Poduska, „Der Einfluss der Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf die Nitrifikation“, Water Research, Band 16, Seite 643-649, 1980.
[6] Sharil Niza B Abdul Aziz „Einfluss der Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf die Nitrifikation und Denitrifikation“ 2005.
[7] Diana Walstad „Pflanzen im Aquarium. Ökologie der Wasserpflanzen“ Oriol 2007.