Il Rapporto Redfield: la pratica

11 aprile 2019


Questo è un articolo scritto a 4 mani da Fabio Scarpa e da Paul Sabucchi che l’ha arricchito con dettagliate ed importanti osservazioni.

Oltre al rapporto di Redfield generale, ogni organismo o colonia vivente ha il suo RR.
Ad esempio, le piante acquatiche contengono N/P circa 8÷10/1 (Garten 1976) e alghe circa 14/1 (Redfield 1958); i dati convertiti in NO3/PO4 in peso daranno per le piante circa 5,2÷6,5/1 e per le alghe circa 9.3/1.
Questo può essere usato per determinare quale particolare elemento diventerà inadeguato per primo con una certa proporzione di NO3/PO4 per la fertilizzante della colonna d’acqua e del fondo, la concentrazione della sostanza deve essere divisa nella sua proporzione nel rapporto Redfield.
Di seguito, in base al numero dell’elemento che risulterà più piccolo, quell’elemento diventerà il fattore limitante di Liebig. Ad esempio, se si crea una soluzione con un rapporto atomico Redfield N/P = 7.5/1 stimato in peso NO3/PO4=5/1, supponiamo di aggiungere 1 mg/l di PO4 con la concentrazione di NO3 = 5mg/l, che darà come massa di P circa 0,33 mg/l ed N circa 1,15 mg/l, utilizzando il rapporto di Garten N/P=10/1 otteniamo N=1,15/10 = 0,115 e P=0,33/1 = 0,33, cioè, in questo caso, l’azoto N finirà presto e diventa il fattore limitante.
I seguenti esempi sono indicativi in quanto le composizioni, e quindi le proporzioni dei fertilizzanti, possono variare nel tempo.
Se si aggiunge una soluzione di NO3/PO4=19/1 di fertilizzante Tropica con un rapporto atomico N/P=28,5/1 ed una dose N=4,37 mg/l e P=0,33 mg/l, utilizzando il rapporto di Garten abbiamo per l’azoto 4,37/10 = 0,437 e per il fosforo 0,33/1=0,33, cioè il fosforo terminerà un po’ prima, il che offre enormi vantaggi in caso di limitazione delle piante mediante CO2.
Con una proporzione nel fertilizzante NO3/PO4=15/1, azoto e fosforo terminano simultaneamente.

Confrontiamo tre sistemi usando i dati della composizione vegetale di Garten (atomico N/P=8÷10/1):
Il fertilizzante Seachem ha NO3/PO4=15/1, rapporto atomico 22,5/1, da cui N/P=2,25÷2,81/1, in questo caso il fosforo finirà prima.
Tropica con NO3/PO4=19/1 = atomico 28,5/1, dal quale 2,85÷3,56/1, il fosforo P finirà prima.
Indice indicativo con NO3/PO4=5/1, rapporto atomico 7,5/1, da cui N/P=0,75÷0,93/1, l’azoto terminerà prima, l’accento è posto sulla fatto che ci sia sempre un eccesso di fosforo.
I fertilizzanti liquidi ADA sono specifici poiché la principale fonte di azoto è il substrato Aqua Soi, solo PO4 viene aggiunto all’acqua. Le proporzioni di NO3/PO4 circa 1.695/1 per Lights e 1.915/1 per Shade.

Spesso il rapporto di Redfield viene erroneamente utilizzato dagli acquariofili, per utilizzarlo correttamente è necessario compilare prima i fertilizzanti trasformando il rapporto atomico di Redfield N/P nel rapporto di massa N/P e convertirlo nel rapporto di massa in NO3/PO4. Il fattore di conversione della massa NO3/PO4 in atomico N/P richiede all’incirca 0,7.
Il rapporto di Redfield atomico è 106C/16N/1P, la conversione in rapporto di massa darà 41C/7.2N/1P, la conversione in NO3/PO4 in peso darà 10.4/1.
L’intervallo consentito di rapporto Redfield atomico è 15÷30/1 (di seguito RRatomic), che diventa NO3/PO4 in peso 10÷20/1.
Secondo Briene il rapporto atomico di Redfield migliore con la massima crescita di piante e contemporaneamente con il minimo di alghe è N/P=24/1 , che corrisponde a NO3/PO4=16/1, equivalente al rapporto di Redfield atomico nel rapporto NO3/PO4 in massa, RRatomic = NO3/PO4x0,7.
Da tenere presente che l’azoto è anche sotto forma di ammonio/ammoniaca NH3/NH4+ e nitrito NO2-, ma la loro concentrazione in un acquario sano è così piccola che può essere trascurata.
Ci sono alcuni articoli con una traduzione diversa di RRatomic come rapporto di massa NO3/PO4, invece della formula RRatomic NO3/PO4x0,7, dove RRatomic è il rapporto atomico del rapporto di Redfield e NO3 e PO4 sono la concentrazione di massa, è stata usata una formula con un fattore di 0,7 invece di 1,5 (scelta tra un acquariofilo statunitense ed un ricercatore russo, è stato preferito il secondo).
Baddendorf fornisce un esempio di una proporzione stabile di NO3=5 mg/l e PO4=0,2 mg/l in bellissimi acquari nei Paesi Bassi, che è stato seguito per anni, questo corrisponde a RRatomic circa 37.5/1, cioè NO3/PO4=25/1 che fornisce buoni risultati perché migliora l’attività di Rubisco come consumo di CO2.

Riprendendo la tabella, come si usa in pratica?
Bisogno preparare una soluzione di fosfato/nitrato con la proporzione corretta di circa 10÷15/1 (RRatomic 15÷22,5), ed in caso di squilibrio temporaneo i normali cambi d’acqua riporteranno tutto alla normalità. Per il metodo di illuminazione graduale è necessario meno fosfato, NO3/PO4=15÷25/1 (RRatomic = 22,5÷37,5), la deviazione da questi parametri verso il nitrato (RRatomic > 1/45) può contribuire alla rapida crescita delle alghe verdi, ed la deviazione verso il fosfato (RRatomic <1/10) porta alla crescita di alghe blu.
La mancanza di azoto è molto peggiore del fosforo poiché riduce drasticamente la capacità delle piante di consumare CO2, e la loro proporzione corretta è la regola principale dell'applicazione del rapporto di Redfield.
Questa è la proporzione utilizzata quando l'azoto e il fosforo vengono introdotti in vasca con i prodotti di Seachem Flourish Nitrogen e Flourish Phosphorus.

Rapporto NO3/PO4 in peso utilizzato nei fertilizzanti per piante acquatiche
Tropica plant nutrition + liquido in peso NO3/PO4 circa 19/1 (1,34 N/0,1 P/1,03 K), che è uguale a RRatomic 1/28,5.
Seachem flourish nitrogen e Flourish phosphorus NO3/PO4 in peso circa 16/1, che è uguale a RRatomic 24/1.
PPS-pro in peso NO3/PO4 circa 10/1, che è uguale a RRatomic 15/1.
PJAN (PJ Magnin) nel metodo ADA di illuminazione a step NO3/PO4 in peso circa 15÷25/1 (RRatomic 22,5÷37,5/1), con “limitazione” intenzionale della crescita delle piante per mantenere l’assenza e la stabilità della composizione delle alghe.
Come si può vedere, il rapporto ampiamente utilizzato nel nostro hobby NO3/PO4=10÷15/1 corrisponde al rapporto atomico ottimale di Redfield 15÷22.5/1.
Negli acquari di Takashi Amano il livello di fosfato non è superiore a 0,05÷0,1 mg/l, ed i nitrati non sono superiori a 1÷3 mg/l, ciò non significa che possa esserci mancanza di azoto dato che il substrato Aqua soil funziona così bene che le piante non mancano mai di N e solo P viene aggiunto all’acqua tramite i fertilizzanti liquidi ADA NO3/PO4 con 1.695/1 per Green brighty special light e 1.915/1 per Green brighty special shade, e le piante stesse prendono l’azoto quanto ne hanno bisogno.
Concentrazioni così basse di fosfato e nitrato nel metodo di Takashi Amano significa che dopo l’ applicazione di fertilizzanti, grazie all’illuminazione ottimale e all’approvvigionamento di CO2, le piante praticamente consumano completamente i nutrienti in un giorno o due , e la concentrazione di queste sostanze nell’acqua rimane estremamente bassa riducendo il tasso di crescita delle alghe in caso di squilibrio.
È possibile offrire la proporzione ideale per un acquario con piante secondo il sistema ADA con NO3=1,5÷3,0 mg/l e PO4=0,1÷0,2 mg/l con NO3/PO4=15, che è un rapporto atomico 22,5/1. Per i sistemi con applicazione di fertilizzante solo in acqua si può usare la stessa proporzione di fertilizzanti con dosaggio per una concentrazione maggiore di 1,5÷3 mg/l di PO4 a settimana.
Concentrazioni più elevate di fosfati di 0,2 mg/l sono anche possibili perché il più alto livello di fosfato (così come il nitrato) nell’acqua stessa non è una causa diretta della comparsa di alghe, ad esempio, l’indice di stima del sistema può essere dosato a 3 mg/l alla settimana senza avere alghe. Nel sistema ADA i dosaggi in acqua sono significativamente inferiori poiché la maggior parte della nutrizione delle piante è ottenuta attraverso il substrato ricco, la differenza di stabilità con NO3/PO4=5/1 è minore perché è più suscettibile ad un dosaggio inadeguato di fertilizzanti e fluttuazioni nella concentrazione di CO2.
In un acquario assolutamente stabile con un dosaggio normale che non limita la crescita delle piante, la percentuale di Redfield non gioca un ruolo così significativo come in un acquario poco stabile, e NO3/PO4=5/1 non sarà la causa diretta della comparsa delle alghe, ma questo è ancora un dosaggio sufficiente, ma cosa succede se c’è una mancanza di nutrizione?
Quando le piante mancano di nutrienti in seguito ad un dosaggio troppo basso e/o irregolare di fertilizzanti, con carenza di CO2 o con grandi cambi d’acqua durante la comparsa di alghe, la percentuale NO3/PO4=10÷15/1 offre il vantaggio di offrire un tasso di crescita algale inferiore quando acquario è instabile e dà all’acquariofilo più tempo per correggere l’errore, il sistema acquista stabilità. Questo è lontano da una panacea per tutti i problemi, ma l’uso di fertilizzanti con NO3/PO4=15/1 può essere tranquillamente definita una buona abitudine che non porterà danni, solo benefici, questa proporzione è ampiamente sperimentata e largamente utilizzata. La massima stabilità del sistema ADA è con la maggior parte dell’alimentazione nel substrato, la concentrazione minima di nutrienti nell’acqua ed un regime di illuminazione speciale.
Se la proporzione 10÷15/1 provoca la comparsa di alghe verdi è un problema facile da risolvere, quanto la mancanza di azoto nel sistema, basta aumentare temporaneamente il dosaggio dei fertilizzanti o aggiungere un paio di dosi di KH2PO4 ed il problema si risolve rapidamente.
E’ sottointeso che rispettare il rapporto di Redfield non è la soluzione di tutti i problemi per la crescita ottimale delle piante ed avere acquari senza alghe, il rapporto Redfield è fondamentale ma tutto il sistema acquario deve funzionare in modo ottimale, serve che le piante siano adeguate al sistema come necessità di luce, devono essere ottimali anche il filtro, l’illuminazione, il fondo, i pesci, ecc.

Molecole e Moli
L’acquariofilo dilettante in alcuni casi non ha ben chiaro cosa implichi il peso atomico o molecolare, infatti da questo scaturiscono la maggior parte degli errori quando cercano di applicare in pratica il rapporto di Redfield, interpretano i suddetti rapporti atomici traducendoli tal quali in rapporti di peso, spieghiamo di seguito la cosa.
Nell’applicazione pratica del rapporto di Redfield è necessario attenersi ai principi della stechiometria, branca della chimica che studia i rapporti quantitativi tra reagenti e prodotti nelle reazioni chimiche. Queste vengono descritte in base al numero di atomi e/o molecole, ma all’atto pratico essendo impossibile contare uno per uno atomi e molecole ci affidiamo alla bilancia. I diversi atomi hanno pesi atomici diversi (riportati nella tavola periodica degli elementi), di conseguenza le molecole che essi compongono avranno pesi molecolari diversi.
Se si traduce in grammi il peso atomico o molecolare di una sostanza, questo quantitativo conterrà un numero fisso (6,022×10 elevato alla 23, detto Numero di Avogadro) di atomi o molecole. Quindi una quantità in grammi uguale al peso atomico o molecolare di una sostanza viene detta Mole, se tale quantità viene diluita ad es in H2O ad 1 litro si ha una soluzione 1 Molare.
L’unità di misura per il peso di atomi o molecole è il Dalton (Da) chiamata anche unità di massa atomica unificata (u), inizialmente definita come il peso di un atomo di idrogeno, poi come la sedicesima parte dell’atomo dell’ossigeno ed ora come la dodicesima parte di un atomo di carbonio 12.
I pesi degli atomi e molecole trattati nell’articolo sono come segue:
H = 1,008
C = 12,011
N = 14,007
O = 15,999
P = 30,974
NH3 = 17,031
CO2 = 44,009
NO3 = 62,004
PO4 = 94,97
Quindi 1 Mole di NO3 = 62.004gr mentre 1 mole di PO4 = 94.97gr, i pesi sono diversi ma entrambe contengono lo stesso numero di molecole.
Tendenzialmente nelle piante il rapporto tra N e P è tra 8/1 e 10/1, quindi sarebbe preferibile che nei nostri acquari piantumati tali sostanze fossero presenti in queste proporzioni, essendo però la misurazione di azoto e fosforo come tali alla portata di pochi ci affidiamo a quella di nitrati e fosfati.
Traducendo le suddette proporzioni in moli di queste sostanze:
62,004gr (NO3) x 8= 496,032g÷94.97gr (PO4) = 5,223
62,004gr (NO3) x 10= 620,04g÷95.97gr (PO4) = 6,529
Si spiega il numero di Garten scritto all’inizio.
Quindi per essere nelle proporzioni più utili per le piante il rapporto tra nitrati e fosfati misurati in vasca (NO3/PO4) dovrebbe essere compreso tra 5,2 e 6,5, se sotto al limite inferiore significa che c’è difetto di nitrati/eccesso di fosfati, se sopra al limite superiore eccesso di nitrati/difetto di fosfati.
Non è che attenendosi a queste proporzioni sia garantita la crescita rigogliosa di piante rispetto alle alghe ed ai cianobatteri, entrano in gioco altri fattori quali CO2 (alghe e cianobatteri sono molto più efficienti delle piante nello sfruttare i carbonati nell’acqua come fonte di carbonio), la qualità e la quantità della luce, il potassio ed i microelementi, senza contare che alghe e cianobatteri sono più “flessibili” delle piante nell’adattarsi a condizioni in cui i macroelementi non sono in proporzioni per loro ideali, però rimanendo nell’ambito di questo rapporto N/P almeno non partiamo con il piede sbagliato.


Il Rapporto Redfiled : la Teoria Il rapporto Redfield: gli studi accademici
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