Il Ciclo dell’Azoto 2.0 : in pratica

18 settembre 2017

Le reazioni di nitrificazione sono effettuate da vari ceppi di batteri nitrificanti che sono batteri chemiosintetici, autotrofi obbligati strettamente aerobi, usano direttamente CO2 come sorgente di carbonio, mentre le sostanze organiche sono per loro generalmente tossiche.
Vivono nel suolo e nelle acque, prediligendo i luoghi calcarei e non acidi, a pH molto acidi vengono fortemente inibiti o addirittura bloccati, il pH deve essere pH>5,5, la temperatura ideale è 25÷30°C.
Ossidano NH3 a NO2- (nitrosazione), e NO2- a NO3- (nitrazione) ricavandone energia sufficiente per la sintesi di composti organici.
I due processi di nitrosazione e di nitrazione vengono denominati nel loro insieme nitrificazione.
I batteri nitrificanti si dividono in due gruppi: un gruppo ossida NH3 a NO2- passando per l’intermedio idrossilammina NH2OH (batteri nitrosi, tra i quali quelli dei generi Nitrosomonas e Nitrosocystis), un altro ossida NO2- a NO3- (batteri nitrici tra i quali quelli dei generi Nitrospira, Nitrobacter e Nitrococcus).

Il filtro biologico deve poi essere preparato adeguatamente come popolazione batterica prima dell’immissione dei pesci, ci sono diverse tecniche più o meno affidabili, dall’inserimento del classico pizzico di mangime, al cucchiaio di latte, dal metodo molto usato in Francia di mettere in vasca una cozza, alla preparazione più affidabile in assoluto, cioè aggiungendo aceto o vodka, ammoniaca o cloruro di ammonio e nitrito di sodio o di potassio; c’è anche il metodo di mettere un bicchiere di urina nell’acquario, il metodo è assolutamente affidabile, anche se il rapporto C/N è elevato, ma le controindicazioni etico ambientali sono evidenti, il partner moglie/marito potrebbe avere delle comprensibili obiezioni e non essere d’accordo con tale metodo di avvio.

Il pizzico di mangime o il cucchiaio di latte va bene per acquari da 40 litri dove andranno inseriti 4 guppy, 5 neon e 2 Corydoras, tale infatti è il mangime necessario giornalmente a questi pochi e piccoli pesci; ma se si prevede di inserire un branco di discus con una ventina di Petitella o di cardinali, due M. ramirezi ed un gruppo di Cory, e se si trattasse di un acquario di Ciclidi del Malawi adulti, di un branco di scalari, ma perché no anche di un laghetto con Koi, il discorso evidentemente cambia completamente, il carico di rifiuti metabolici azotati emessi giornalmente da questa popolazione ittica è enormemente maggiore del carico di composti azotati emessi dai pochi pesci della vasca da 40 litri, bisogna prevedere in anticipo quale sarà il carico di composti azotati che il filtro dovrà smaltire giornalmente per prepararlo adeguatamente, pena le classiche tragedie che si leggono poi sul web tipo “aiuto, nitriti”, o “il filtro non funziona”, oppure “nitriti, cosa devo fare”, quante volte lo abbiamo letto? Troppe, e purtroppo lo si legge ancora.

Nemmeno il tempo da solo è sufficiente per preparare il filtro come serve, aspettare i canonici 40 giorni senza fornire ai batteri nitrificanti il “nutrimento” necessario è solamente una perdita di tempo, i batteri sono autoliminati in base al carico di composti azotati che hanno a disposizione, se non si fornisce loro il “nutrimento” necessario non si sviluppano nella quantità necessaria.

Se avviamo il filtro con il pizzico di mangime, nel filtro ci saranno solamente i batteri nitrificanti in grado di svolgere il ciclo dell’azoto e smaltire il carico di composti azotati derivanti da quel pizzico, che sarà mezzo grammo e che corrisponde alla quantità di cibo necessaria ai 4 guppy, 5 neon e 2 Cory, ma un branco di discus, o di Ciclidi del Malawi, o le Koi per fare degli esempi, necessitano di 10/20 grammi di granulato al giorno, che è 20 o 40 volte tanto rispetto al pizzico, e tutto quel mangime in più si trasforma in ammoniaca ed in nitriti che il filtro non può smaltire perché non ci sono i batteri necessari a completare il ciclo dell’azoto.

Da tenere presente che la tossicità a lungo termine dell’ammoniaca nell’acqua, sia dolce che salata, è di 0.0011 mg/l, ciò significa che a pH=7.0 c’è lo 0.55% di ammoniaca ed il 99.45% di ammonio, con 0.3 mg/l di ammoniaca letta con i test abbiamo 0.0017 mg/l di ammoniaca, basta poco per raggiungere la soglia di tossicità.

A pH=6.0 invece servono dieci volte tanto di ammoniaca letta al test perché solo lo 0.05% è sotto forma di ammoniaca, ma a pH=8.0 bastano 0.03 mg/l di ammoniaca letta al test per avere 0.002 mg/l di ammoniaca dato che il 5.21% è sotto la forma più tossica ed il 94.79% è sotto forma di ammonio.

La tossicità letale CL50 96h è di 0.89 mg/l, cioè con 0.89ppm di ammoniaca il 50% dei pesci muore entro 96 ore, quindi in normale acqua di rubinetto che mediamente ha pH di circa 8.0, con 15 mg/l di ammoniaca letta al test i pesci muoiono in 4 giorni.

Per i nitriti il limite di tossicità a lungo termine in acqua dolce è di 0.0054 mg/l e CL50 96h è 0.09 mg/l per la trota iridea, che è sicuramente meno resistente dei normali pesci per acquario, ma per dare un’idea della pericolosità di un avvio del filtro fatto male.

Per accelerare la maturazione del filtro, ma soprattutto per farla adeguata al branco di pesci che andrà immesso in vasca nello stesso momento, il metodo ormai usato da noi di MD da parecchi anni, ci sono articoli del 2012 che ne parlano, è quello di inserire ammoniaca non profumata e senza detergenti, e se possibile anche nitrito di sodio, spieghiamo quanto e come.

Consideriamo che un discus del diametro del corpo di 12/13 cm (circa 15 cm con la coda) pesa circa 150 gr, necessita giornalmente di 1.5 gr di granulato, ma siccome i pesci appena immessi non mangiano a pieno regime, consideriamo la dose al 50%, quindi 0.75 gr di granulato, che equivalgono a circa 2 cc di ammoniaca al 5%, che è quella maggiormente reperibile in commercio, oppure 0.35 cc di ammoniaca concentrata al 32/33% reperibile in farmacia.

Si aggiunge gradatamente ammoniaca (NH4OH nella forma idrata acquistabile in bottiglia) fino ad arrivare alla concentrazione in vasca di circa 3÷5 mg/l, indicativamente servono circa 16 cc di ammoniaca al 5%, o circa 2.4 cc di ammoniaca concentrata al 32/33% ogni 100 litri di acqua dell’acquario, la quantità è indicativa perché l’ammoniaca NH3 è un gas, che assorbito in acqua diventa NH4OH, ma la concentrazione difficilmente è sempre corrispondente a quella dichiarata.

Per il nitrito di sodio NaNO2 lo si recupera sotto forma di polvere in farmacia, o da un produttore di salumi dato che è il conservante anti botulino (Clostridium botulinum) per gli insaccati, si sciolgono in un pò di acqua circa 600 mg di nitrito di sodio ogni 100 litri di acqua dell’acquario e si versa in vasca, la concentrazione sarà di circa 4 mg/l.

E’ poi utile aggiungere anche una fonte di carbonio organico per gli eterotrofi, bastano 2/3 cucchiai di aceto bianco, meglio se di mele, ogni 100 litri.

Per rendere bene l’idea di come funziona il metodo, sotto ci sono tre grafici relativi ai vari metodi di avvio, il primo è relativo al vecchio ed inaffidabile con il pizzico di mangime, o con il cucchiaio di latte, la quantità di batteri che si insediano nel filtro è irrisoria:

La differenza tra il secondo ed il terzo metodo, quindi con ammoniaca o con ammoniaca e nitrito di sodio, è solamente il tempo necessario, nel metodo di avvio “completo” tutti i ceppi batterici cominciano ad avviarsi contemporaneamente e da subito.

Dopo la prima immissione di ammoniaca, e possibilmente anche di nitrito, si aspetta finche l’ammoniaca comincia a calare, a quel punto basta mantenere costante la concentrazione di ammoniaca a circa 1÷2 mg/l con aggiunte giornaliere di ammoniaca per fornire ai batteri nitrosanti il carico di azoto ammoniacale necessario al loro mantenimento.

Quando successivamente anche i nitriti saranno azzerati significa che anche i ceppi dei batteri nitratanti si sono insediati nel filtro, a quel punto in base ai pesci che andranno immessi bisogna calcolare la quantità di ammoniaca necessaria per lo sviluppo dei ceppi nitrosanti e nitratanti che ci servono per concludere l’attivazione del filtro.

Esempio: se si prevede di mettere un branco di 10 discus da 12/13 cm il filtro dovrà smaltire 10 x 2 cc = 20 cc di ammoniaca al 5% al giorno, se per mantenere la concentrazione di 1÷2 mg/l servivano 10 cc al giorno, si aumenta gradatamente la dose giornaliera di ammoniaca del 20% fino ad arrivare ai 20 cc necessari, quindi il giorno dopo che anche i nitriti sono azzerati si aggiungono 12 cc di ammoniaca, il giorno dopo 14 cc, poi 16 cc e così via fino ad arrivare ai 20 cc che ci servono, o per meglio dire che serviranno al filtro per non fare intossicare i pesci.

Naturalmente se oltre ai 10 discus ci saranno anche 30 cardinali, 10 Cory e una coppia di M. ramirezi servirà un po’ di più di ammoniaca, altri 4 cc in questo caso, quindi l’avvio sarà terminato quando il filtro smaltirà 24 cc di ammoniaca al 5% al giorno.

Le aggiunte di ammoniaca vanno fatte fino al giorno prima dell’immissione dei pesci, e naturalmente uno o due giorni prima dell’immissione va fatto anche un sostanzioso cambio di acqua con acqua stabulata ed alla stessa temperatura per abbassare i nitrati che inevitabilmente ci saranno.

Dopo che il filtro è pronto i pesci vanno inseriti tutti assieme, o perlomeno va inserito il gruppo di pesci più grandi e più numeroso, non si possono inserire i 30 cardinali e dopo una settimana i 10 discus o gli scalari altrimenti il filtro soffre perché il carico di composti azotati emesso dai pochi pesci presenti in quella settimana non è in grado di supportare tutti i batteri nitrificanti che erano attivi nel filtro al termine dell’avvio, e se i batteri muoiono è come se l’avvio non fosse stato fatto.

 

Adesso che il filtro è pronto, bisogna mantenerlo attivo al massimo delle sue potenzialità.

La fauna eterotrofa è in competizione con i batteri nitrificanti, in caso di carico organico definito come BOD (acronimo di domanda biochimica di ossigeno o Biochemical Oxygen Demand) molto elevato rispetto ai composti azotati non ossidati (definito come TKN in onore del suo scopritore Johan Kjeldahl, acronimo di azoto totale di Kjeldahl o Total Kjeldahl Nitrogen) abbiamo una sensibile diminuzione dei nitrificanti.

Capita che in vecchi acquari funzionanti egregiamente da anni, l’acqua diventa lattiginosa e nei casi peggiori può emanare un cattivo odore, se il carico organico aumenta considerevolmente gli etrotrofi prendono il sopravvento sui nitrificanti e data la maggiore velocità di crescita degli eterotrofi rispetto ai nitrificanti, può diventare un problema serio.

Il biofilm è stratificato, lo strato esterno soffre di meno delle limitazioni diffusionali ma è più esposto al distacco, sopravvivono le specie eterotrofiche che crescono più rapidamente, gli autotrofi nitrificanti crescono più lentamente e si ritrovano più in profondità dove sono più protetti dal distacco, le limitazioni diffusionali dei vari ceppi batterici ed il consumo di O2 per l’ossidazione del BOD possono rendere limitante l’ossigeno per i nitrificanti e diminuisce l’efficacia del filtro.

Tanto maggiore è lo spessore del biofilm, e maggiore sarà la sua possibilità di distacco, quindi il flusso attraverso il filtro va calcolato adeguatamente per impedirne l’inspessimento, cosa già discussa in un altro articolo.

Bisogna sapere poi che il biofilm non è eterno, mediamente ha una vita di 10÷15 giorni, poi si rinnova, ma deve essere in grado di poterlo fare, come si nota dal grafico della crescita della popolazione batterica nella curva batteri/tempo si distinguono quattro fasi, ciascuna caratterizzata da una certa velocità di rinnovo della popolazione.

Nel tratto A-B di latenza all’inizio la velocità di crescita è quasi zero, nella fase esponenziale B-C (fase logaritmica) la velocità di crescita raggiunge il valore massimo, poi c’è la fase stazionaria C-D dove sostanzialmente la crescita è uguale a zero, ed infine la fase di letalità (fase endogena) nella quale la crescita ha un valore negativo.

Nella crescita della popolazione batterica non sempre esiste una fase di latenza e la sua durata è molto variabile, quando le sostanze nutritive non vengono rinnovate, la crescita esponenziale continua solo per un certo tempo, la sua diminuzione è legata all’accumulo di prodotti metabolici tossici od al progressivo esaurirsi dei composti azotati necessari al nutrimento batterico, a qual punto subentra la fase stazionaria e successivamente la letalità, motivo per cui l’ammoniaca deve essere aggiunta fino al giorno prima dell’arrivo dei pesci.

Durante la fase di crescita logaritmica le sostanze nutritive vengono consumate rapidamente, compresa la sostanza organica biodegradabile BOD per cui i batteri cominciano ad utilizzare il polisaccaride glycocalyx che costituisce il biofilm causandone quindi il distacco, quando il biofilm è sufficientemente ridotto i batteri presenti che nel frattempo sono accresciuti come numero, risultano più strettamente associati generando una positiva diminuzione dello spessore del biofilm stesso (cosa spiegata in un altro articolo) , ma gli effetti negativi del distacco e della disgregazione del biofilm superano gli effetti positivi.

Un inoculo saltuario con prodotti seri che contengano davvero ceppi batterici nitrificanti attivi è quindi sicuramente positivo, si provvede ad un ricambio continuo dei batteri nitrificanti evitando sia la fase di letalità, sia che gli eterotrofi prendano il sopravvento.

Anche l’effetto del pH sul processo di ossidazione biologica è importante per l’influenza che ha sulle reazioni enzimatiche, in un sistema eterogeneo si cerca di mantenere il pH nel campo 6.5÷8.5 in modo da ottimizzare queste reazioni, un rapido cambio del pH fa diminuire in maniera importante l’attività biochimica delle colonie batteriche.

Il pH ha poi un effetto selettivo nei confronti dei microrganismi, man mano che si scende nel campo acido i funghi competono fino a prendere progressivamente il sopravvento con pH<5.0÷5.5.

I funghi sono organismi multicellulari strettamente aerobici di tipo eterotrofo che per svilupparsi hanno bisogno di un substrato organico, non sono in grado di compiere la fotosintesi e devono nutrirsi di sostanze elaborate da altri organismi, il corpo vegetativo è costituito da un intreccio di filamenti ramificati detto ife che costituiscono il micelio, secernono vari enzimi che penetrano nel substrato organico e lo digeriscono, i prodotti della digestione vengono poi assorbiti dalle ife, non hanno bisogno di luce, non richiedono molto ossigeno , sopravvivono anche a pH molto acidi e sono in grado di attaccare e degradare sostanze organiche come la cellulosa.

Quelli che interessano maggiormente nella depurazione delle acque sono funghi di dimensioni microscopiche dell’ordine di 2÷4 µm, contrariamente ai batteri hanno la capacità di resistere anche in condizioni di scarsa umidità, si sviluppano per spore e quindi riescono a resistere anche per lunghi periodi in ambienti non adatti, per poi riprendere la loro vitalità una volta ristabilite le condizioni ambientali a loro favorevoli.

I funghi partecipano ai processi depurativi aerobici e sono presenti soprattutto nel biofilm.

Da tenere presente che alcuni di questi funghi possono essere patogeni nei confronti di pesci deboli.

E’ importante anche l’influenza del pH sulla denaturazione delle proteine a valori inferiori a 5.0, basta pensare che le cellule batteriche hanno una composizione prevalentemente proteica si intuisce che la condizioni di elevata acidità portano alla loro morte.

Una cosa molto importante quanto semplice, e che spesso viene considerata in maniera sbagliata a causa di vecchie leggende metropolitane, l’ossigeno.
La saturazione dell’ossigeno serve per fare funzionare ottimamente tutto il sistema acquario, i pesci sopravvivono con 4ppm di ossigeno, vivono con 6ppm, stanno alla grande con 7÷8ppm, stesso discorso per il classico filtro ossidante, i batteri ossidano i composti azotati fino a nitrati solo in presenza di ossigeno, in una vasca popolata con pesci e piante, le piante non sono assolutamente in grado di mantenere elevata la saturazione di ossigeno, il tubo di mandata del filtro posto sotto il livello dell’acqua non è in grado di apportare l’ossigeno necessario al sistema acquario, oltre tutto in una vasca normo popolata dopo un pò spesso si forma la classica pellicola biancastra oleosa sulla superficie formata da batteri in una matrice di polisaccaridi che rallenta ulteriormente lo scambio gassoso tra l’acqua e l’aria.
Quindi diamo ossigeno al nostro sistema acquario, più c’è n’è, e meglio è.

 

Passiamo adesso a calcolare quanta superficie filtrante ci serve.

Non dimentichiamo che le proteine sono composte per il 16% da azoto, 1 gr di mangime al 40% di proteine contiene 64 mg di azoto, per cui si generano 78 mg di ammoniaca e/o 283 mg di nitrati, quindi 10 mg di qual mangime al giorno in una vasca da 400 litri corrispondono a 50 mg/l di nitrati alla settimana.

Tutto questo non considerando il valore biologico VB dell’azoto e delle proteine, che andrebbe calcolato in base all’azoto inserito, derivante dalla proteina grezza, e calcolando l’azoto assorbito e l’azoto trattenuto al netto di quelli eliminati sotto forma di azoto fecale ed azoto urinario, si calcola:

VB = N ingerito – ( N fecale + N urinario) / N ingerito – N fecale

La formula in realtà esprime un Valore Biologico Apparente in quanto andrebbe depurato da 2 fonti di azoto endogene che non hanno direttamente a che fare con la quota digerita e con la quota assorbita dell’azoto alimentare, l’azoto fecale metabolico (N.F.M.) e l’azoto urinario endogeno (N.U.E.), quindi:

Bilancio dell’azoto = ( proteine ingerite / 6.25 ) – ( N urinario – X )

dove 6.25 è il rapporto considerando il 16% di azoto nelle proteine, ed X sono le perdite di azoto sommando l’azoto urinario, l’azoto fecale e le perdite di azoto da altre vie (squame, muco, ecc).

La quantità di proteine assunte con la dieta dipende dal bilancio dell’azoto, l’equilibrio nel bilancio dell’azoto significa che l’azoto assunto giornalmente con la dieta bilancia quello perso, nel pesce sano il bilancio è nullo, in caso di malattia o denutrizione diventa negativo a causa del catabolismo proteico causato da sostanze note come citochine infiammatorie, durante la crescita il bilancio tende ad essere positivo.

Per semplicità calcoliamo il bilancio dell’azoto partendo dalla quantità di azoto presente nelle proteine che come detto è del 16%.

Per pesci giovani in accrescimento la quantità di cibo giornaliera è il 2% della massa corporea, mentre per i pesci adulti la quantità viene dimezzata al 1% della massa, i dati per i filtri a letto mobile tipo percolatori umidi indicano 10 m2 come superficie di biofilm necessaria alla nitrificazione di 50 gr di mangime al 40% di proteine.

Questo dato è valido solo per filtri percolatori in condizioni ottimali utilizzati in impianti di ittiocoltura per pesci destinati ad uso alimentare.

Nei filtri per acquari l’efficienza viene dimezzata, quindi per 25 gr di granulato servono 10 m2 di biofilm, naturalmente in condizioni ottimali, e una tale superficie dipende dal materiale filtrante utilizzato e dalla gestione del biofilm, i cannosint per esempio teoricamente dispongono di una superficie elevatissima, circa 37 m2/l, ma solo se lo spessore del biofilm è ridotto altrimenti il rendimento è di poco superiore ai vecchi cannolicchi ceramici che hanno una superficie di 1.26 m2/l; usando male i cannosint possiamo comunque ottenere circa 2 m2/l , quindi per 2,5 kg di pesci adulti che mangiano 25 gr al giorno di granulato al 40% di proteine servono 5 litri di cannosint.

Il dato è incredibilmente più basso rispetto ai mega filtri che vengono utilizzati dagli acquariofili in genere, ma come dico spesso serve un grande filtro, non un filtro grande, perché se il rapporto C/N è elevato, se il pH è acido, se l’ossigeno non è sufficiente, se il flusso è basso ed il biofilm si inspessisce, se i cannosint sono coperti da sporco o da fanghi, se gli eterotrofi hanno sostituito parte dei nitrificanti, se la durezza temporanea non è sufficiente, se il filtro è illuminato, cambia tutto ed allora si che serve un filtro grande.

Per rendersi conto della cosa basta una semplice osservazione, il volume dei filtri esterni e la capacità dichiarata dal produttore, un filtro esterno per vasche da 800 litri viene utilizzato per vasche da 400 litri, anzi ne vengono utilizzati due per sicurezza, quadruplicando di conseguenza la capacità filtrante, quindi o gli acquariofili in genere utilizzano dei margini di sicurezza elevati (diciamo così), o tutti gli ingegneri che progettano i filtri esterni sono degli incompetenti (difficile da credere).


Il Ciclo dell’azoto 2.0: l’influenza del Carbonio
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