Rapporto Redfield, che detto così può sembrare il titolo di un film, ha origini nel 1934 quando lo statunitense Alfred C. Redfield (1890÷1983) scoprì che il rapporto tra il carbonio, l’azoto ed il fosforo nello zooplancton e nell’acqua è costante ed in maniera completa può essere scritto 106 C / 16 N / 1 P / 0.01 (Fe, Zn, Mn) / 0.001 (Cu, Mo, Co, ecc), espresso in numero di atomi, molecole o ioni.
La definizione Redfield viene spesso applicata nel caso della classificazione di bacini idrici in base al livello trofico (presenza di nutrienti), può essere ultraoligotrofico, oligotrofico, mesotrofico,
distrofico, eutrofico, ipertrofico.
Queste informazioni sono importanti per comprendere l’equilibrio dell’ecosistema acquario e poterlo mantenere senza alghe, per le piante terrestri il rapporto di Redfield è importante solamente in termini di garanzia di crescita ottimale, ma l’effetto del Redfield per le piante acquatiche in presenza di alghe diventa importante dato che considera il rapporto di carbonio, azoto e fosforo necessario per la vita, il rapporto 106 C / 1 P è uguale sia per le piante terrestri, che per le piante acquatiche, ma si sa che la necessità di N su terra è maggiore in quanto le piante necessitano di più proteine per creare una struttura rigida dello stelo/tronco, essendo quindi la domanda di N inferiore per le piante acquatiche, la domanda relativa di P è maggiore perché è equamente distribuito tra le forme terrestri ed acquatiche, quindi nei bacini idrici naturali il fattore limitante è il P, in acquario spesso è l’opposto. Solo a titolo informativo, in base a questi studi risulta che per le piante in acquario il rapporto di Redfield corretto sarebbe 106 C / 13 N / 1 P, questa formula è pochissimo usata, quindi nemmeno noi la terremo in considerazione.
Una concentrazione carente, nell’ambiente, di un solo elemento del rapporto di Redfield è sufficiente per limitare la crescita delle micro/macroalghe secondo la legge di Liebig.
Conoscere e gestire il rapporto Redfield può portare ad una corretta gestione dell’acquario e mantenere sotto controllo le alghe, la soluzione infatti è il corretto rapporto molare Redfield C/N/P=106/16/1, cioè 106 atomi di carbonio, 16 di azoto e 1 di fosforo, di seguito alcuni sviluppi completi della formula base che si ottengono con la fotosintesi:
106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 122H2O <=> (CH2O)106 (NH3)16 (H3PO4) 138O2 (biomassa)
106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 106H2O <=> C106H263O110N16P4 (biomassa acquatica)
106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O <=> C106H175O42N16P4 (fitoplancton)
106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 61H2O <=> C106H173O65N16P4 (biomassa algale)
come si vede a seconda dei testi cambia il risultato finale, ma il rapporto C/N/P=106/16/1 è costante.

Calcolandolo in grammi e semplificando diventa C/N/P=41/7.2/1 (in peso) basato sulla quantità di carbonio, nitrati e fosfati in acquario, se non riusciamo ad abbassare un valore, può bastare alzare l’altro, semplice o folle?
Folle è per esempio utilizzare resine selettive per assorbire nitrati e fosfati, il risultato è che con zero nitrati e/o fosfati si mettono in difficoltà le piante ma non le alghe, che in alcuni casi sono in grado di assimilare l’azoto atmosferico e continuano a nutrirsi di sostanze organiche, per giunta trovano disponibili quantità maggiori di microelementi che le piante in sofferenza non sono in grado di assimilare.
In Olanda per la lotta alle alghe blu (ciano batteri) invece che cambiare acqua, aggiungono composti azotati, un fertilizzante che non contenga composti azotati sotto forma di ammoniaca per esempio.
Diversi ricercatori hanno utilizzato il rapporto Redfield (RR) per capire quale sia l’influenza dei diversi valori sulla presenza di vari tipi di alghe, un articolo di Bulgakov spiega che con un RR alto prosperano le alghe verdi, con RR basso invece proliferano le alghe blu, l’ideale è il rapporto N/P=16/1, il che significa RR=16.
Oltre agli antibiotici, esiste anche una variante alla lotta delle alghe blu tramite l’oscuramento della vasca per una settimana, all’estero c’è anche chi preleva le alghe blu dalla vasca e le mette nel filtro al buio, i cianobatteri assorbono l’azoto atmosferico dall’aria, mettendoli al buio muoiono e rilasciano l’azoto precedentemente assorbito in vasca con il risultato che RR aumenta.
Va tenuto presente che la crescita dei cianobatteri dipende anche da molti altri fattori, come le condizioni idrodinamiche e di luce e la struttura della catena alimentare.
Per l’individuazione del fattore nutritivo limitante va esaminato il rapporto N/P, nel fitoplancton il rapporto molare medio N/P è 16/1, che in termini di peso equivale a 7,2/1, per le cianoficee il rapporto in peso è N/P = 9/1, per le cloroficee il rapporto in peso è N/P = 10/1, per le diatomee, crisoficee e silicoflagellati che necessitano di silicio C/N/Si/P=106/16/15÷16/1 (il contenuto di silice nelle diatomee può variare dal 22% al 47% del peso secco – Lewin e Guillard 1963; Hildebrand et al. 2012), per le macroalghe C/N/P=550/30/1, se il rapporto N/P nell’acqua è superiore a quello indicato sopra, si afferma che il fosforo è il fattore limitante la crescita algale e l’azoto in eccesso presente nelle acque non può essere utilizzato dalle alghe.
Secondo la teoria si afferma che la crescita delle alghe dipende sia dai nutrienti presenti in acqua, che dalla loro proporzione, se c’è molto fosforo e poco azoto (dando per scontato che in acquario tutto l’azoto sia sotto forma di nitrato) le piante e le alghe crescono finché si esaurisce l’azoto che secondo la legge di Liebig diventa il fattore limitante per la crescita, viceversa se c’è molto azoto, il fattore limitante è il fosforo, è chiaro che le piante e le varie specie di alghe hanno il loro RR ottimale, le alghe blu prediligono bassi RR, le alghe verdi prediligono alti RR, in mezzo c’è la zona di transizione nella quale le piante hanno il sopravvento, questa è la zona che dobbiamo mantenere, come dal grafico sotto:

Qual è il metodo per combattere le alghe basato sul Redfield? Semplice, cercando di rendere inospitale l’acquario per le alghe di cui soffre.
Se ci sono alghe blu significa che proporzionalmente c’è tanto fosforo e poco azoto (basso rapporto N/P), se forniamo meno fosforo e/o più azoto (rapporto N/P maggiore) le condizioni per le alghe blu diventano meno favorevoli.
Se viceversa ci sono alghe verdi è vero il contrario, significa che proporzionalmente ci sono elevate quantità di azoto e poco fosforo, se forniamo meno azoto e/o più fosforo le alghe verdi ne risentiranno negativamente.
Nel grafico sotto sono indicati i rapporti N/P dei bacini naturali più grandi al mondo, risulta che il rapporto è sempre costante circa 15÷16/1

Il controllo delle alghe con il metodo Redfield significa che le alghe vengono combattute spostando l’equilibrio azoto/fosforo, ma possiamo utilizzare lo stesso metodo anche per altri elementi.

Composti organici/Carbonio
Oltre all’azoto e fosforo, ed altri elementi in quantità inferiori, nel RR sono molto importanti le sostanze organiche che sono solubili nell’acqua che molte alghe utilizzano come nutrimento, le alghe nere a pennello, acronimo BBA (black brush algae), per esempio proliferano quando mancano alcuni oligoelementi, la fotosintesi continua mentre zuccheri ed esteri vengono consumati, ma le piante non possono completare l’assimilazione a causa della mancanza degli oligoelementi, le piante entrano in difficoltà mentre le BBA si adattano meglio ad assimilare i composti organici crescendo vicino o sulla pianta.
Ripristinando gli oligoelementi mancanti e riducendo il carico organico in vasca entrano in sofferenza le BBA e riprendono vigore le piante, questo è dimostrato dal fatto che spesso le BBA crescono su materiale organico morto, come i legni.

Gli elementi chimici
Silicio
Le alghe marroni e/o le diatomee crescono quando c’è una elevata quantità di silicio e poco fosforo, questo succede spesso negli acquari di nuova installazione dove il silicio è presente sotto forma di acido silicico solubile nella normale acqua potabile, quando il silicio è stato utilizzato le diatomee si riducono drasticamente fino a scomparire, siccome il silicio viene reintegrato molto lentamente dal fondo e poco con una normale gestione dell’acquario e con i cambi di acqua, le diatomee generalmente svaniscono da sole.
Contrariamente se nell’acqua potabile c’è una elevata concentrazione di silicati e si effettuano grossi e frequenti cambi di acqua, le diatomee ritornano.

Ferro
Elevate concentrazioni di ferro in acquario causano la crescita di alghe verdi.

Calcio
Alcune alghe necessitano di calcio per le pareti cellulari, le acqua dure ne agevolano la crescita delle alghe rosse.
Anche le alghe filamentose amano il calcio, si trovano principalmente sulle foglie in caso di decalcificazione biogena, il carbonato di calcio che si forma sulla lamina foliare viene utilizzato dalle alghe filamentose.
La soluzione in questo caso è semplice, basta utilizzare acqua più tenera.

Il Redfield non è solo azoto e fosforo, c’è anche il carbonio, un rapporto elevato C/N>15 indica la mancanza di azoto e tale sbilanciamento agevola le alghe blu anche se il rapporto N/P è sfavorevole a queste alghe, ciò significa che un elevato carico organico e/o con un filtro molto sporco di melma (fanghi flocculati di Kassebeer) l’acquario è a rischio di alghe blu, anche con la variante blu-verde, e la gestione del RR si complica perché con i normali test acquariologici non riusciamo a misurare il carico organico che rimane un’incognita.
Un fondo che rimane pulito di solito indica un rapporto C/N basso ed una buona mineralizzazione, un fondo che si sporca rapidamente e/o un filtro che forma fanghi indica un rapporto C/N alto ed una cattiva mineralizzazione, i depositi organici rimangono solidi e legano i fosfati con il risultato che nei fanghi otteniamo un rapporto N/P inferiore che nell’acqua, il Redfield nell’acqua è buono ma rimangono le alghe blu nel fondo, il rapporto C/N elevato è la causa.
Quindi entrambi i rapporti N/P e C/N influenzano la presenza delle alghe blu, somministrando azoto sotto forma di composti chimici il rapporto N/P si alza diventando sfavorevole alle alghe blu, ma cambia anche il rapporto C/N che viceversa si abbassa, questo migliora la nitrificazione e la crescita delle piante che diventano più competitive rispetto alle alghe. Quale è stato il rapporto determinante, quello N/P o quello C/N? La verità spesso è nel mezzo, come in questo caso.
Come abbiamo visto, modificando le concentrazioni di elementi come il carbonio, azoto, fosforo, silicio, ferro, calcio, ecc possiamo mantenere sotto controllo le alghe creando condizioni di vita a loro sfavorevoli, ma bisogna stare attenti a non ottenere un altro effetto sgradito, se combattiamo le alghe blu alzando il rapporto N/P, bisogna stare attenti a non sovra dosare i composti azotati per non creare le condizioni di vita favorevoli alle alghe verdi, in questo caso non abbiamo risolto il problema, abbiamo solo cambiato tipo di alga, bisogna calibrare con attenzione i rapporti C/N/P per rimanere nelle condizioni ottimale per le piante in maniera da ottenere la lotta integrata alle alghe con le piante.

I batteri
Ma se non abbiamo piante in vasca, o ne abbiamo poche, dove possiamo trovare un alleato per combattere le alghe? Nei batteri, perché non solo le piante e le alghe hanno necessità di nutrienti per crescere, questi servono anche ai batteri, soprattutto agli eterotrofi dato che hanno una crescita esponenziale ed in condizioni a loro ottimali possono raddoppiare ogni 20 minuti, possono comportarsi come i ceppi batterici opportunisti e colonizzando gli stessi supporti dei ceppi nitrificanti, possono mettere in sofferenza proprio i nitrificanti.
E’ soprattutto il fosforo ad essere assorbito dalle colonie batteriche in crescita, e quando la crescita dei batteri si stabilizza, l’assorbimento di fosforo diminuisce.
Quindi parallelamente alla crescita delle colonie batteriche, si instaura anche una graduale e costante riduzione del fosforo, in questo modo è chiaro che i batteri assorbendo fosforo, fanno aumentare il rapporto N/P e quindi modificano il rapporto Redfield.
Il contrario accade invece quando nel sistema acquario sono presenti i batteri denitrificanti, i nitrati vengono ridotti fino ad azoto gassoso N2 con il risultato che l’azoto diminuisce e di conseguenza il rapporto N/P diminuisce.

Che rapporto di Redfield?
E’ chiaro che il tipo di gestione del filtro, nonché come e quando lo puliamo, influenza il RR del sistema acquario e diventa anche un importante fattore nella lotta alle alghe, per non incorrere in variazioni del RR e mantenerlo costante, per il primo caso riguardante gli eterotrofi bisogna tenere presente che è buona regola eliminare periodicamente le colonie di eterotrofi morti, la cosa si nota soprattutto nella sump dove sul vetro di fondo si possono osservare miliardi di batteri morti, ed è sufficiente aspirarli; nel secondo caso riguardante i denitrificanti basta pulire frequentemente il prefiltro e mantenere il flusso nel filtro a livelli ottimali (cosa spiegata dettagliatamente in altri articoli).
In linea di massima è tutto abbastanza semplice, per poter mettere in pratica quanto detto bisogna sapere la concentrazione dei composti azotati e dei composti fosforosi, per i primi diamo per scontato che ammoniaca e nitriti sono assenti, quindi è sufficiente conoscere la concentrazione di nitrati, per i secondi basta conoscere la concentrazione dei fosfati, c’è il limite che i test acquario logici misurano solo i fosfati mineralizzati, conoscendo i due valori dalla tabella sotto si può ricavare rapidamente il rapporto Redfield della propria vasca:
e conoscendo il RR possiamo sapere se il nostro acquario è a rischio alghe, e quali.
Andando nel dettaglio la crescita numerica algale e legata anche alla temperatura secondo la seguente formula semplificata:
dA = (µ – m – s) A – G
dt

A: concentrazione numerica
µ: tasso di crescita
m: tasso di mortalità non predatoria
s: tasso di sedimentazione
G: tasso di mortalità predatoria (grazing)

E messa graficamente diventa:

In alcuni casi caratterizzati da rapporti N/P e Corg/P nella sostanza particellata significativamente superiori rispetto al RR ottimale, si nota una riduzione del fosforo sia nella sostanza organica particellata, che in quella solubile, diverse particelle esopolimeriche (TEP Transparent Esopolimeric Particles) sono caratterizzate da rapporti C/N maggiori di quelle del RR standard, i complessi mucillaginosi che si formano sono poveri di N e P, di conseguenza si alzano i rapporti C/P e C/N che coinvolgono il TEP ed i colloidi nei processi di formazione, uno di questi composti è la patina bianca superficiale.
L’aumento dei rapporti Corg/P e N/P nella sostanza particellata durante l’estate, quando l’aumento della temperatura accelera l’attività batterica ed enzimatica sui fosfati organici, coinvolge la remineralizzazione del fosforo confinato nella sostanza esopolimerica presente sia nelle fasi solubili che particellate, questo crea uno sbilanciamento del RR che spesso coincide con la comparsa di alghe proprio in estate.

Stato trofico
Oltre al rapporto di Redfield, esiste una tecnica per determinare la salute dei bacini naturali dal cosiddetto stato trofico, questo vale per i laghi e gli stagni, ma può essere rapportato anche ai laghetti con le koi ed agli acquari.
Allo stesso tempo, viene utilizzato anche il rapporto P/N, uno stagno con una bassa quantità di sostanze nutritive, si dice che abbia un basso livello trofico, cioè è oligotrofico (letteralmente “piccola base di nutrienti”). Se i nutrienti sono sufficienti ma non eccessivamente si dice
Mesotrophic (quantità media), e stagni con cibo in eccesso sono chiamati Eutrophic (troppo).
Si ritiene che il rapporto tra N/P di 10/1 riduca la crescita delle alghe e l’aggiunta di azoto ne stimolerà la loro crescita; il rapporto tra 10/1 e 15/1 è considerato intermedio, con un rapporto superiore a 15/1 si ritiene che l’acqua manchi di fosforo e con un rapporto così elevato l’aumento della percentuale di fosforo agevola la crescita delle alghe. In linea di principio, ciò corrisponde a quanto detto sopra, il fosforo è considerato il principale fattore limitante per la crescita delle alghe verdi , mentre la bassissima concentrazione di azoto nell’acqua non garantisce tale contenimento della crescita delle alghe come mancanza di fosforo.
L’invasione delle alghe blu-verdi proviene da una piccolissima quantità di azoto nello stagno e le maggiori concentrazioni di nitrati sono ancora migliori, altre specie di alghe sopprimono il verde-blu, il che migliorerà significativamente le condizioni del bacino.

Oligotrofico
Fosforo totale 0,005-0,1 mg/l.
NO3 <0,3 mg/l.
Il serbatoio (laghetto o acquario) è generalmente pulito, profondo e privo di piante e focolai di crescita di alghe, sebbene sia bello, ha poche sostanze nutritive per supportare grandi popolazioni di pesci. Tuttavia, i bacini oligotrofici sviluppano spesso una buona catena alimentare in grado di sostenere la popolazione desiderata per i pesci di grandi dimensioni.

Eutrofico
Fosforo totale 0,03-0,1 mg/l.
NO3 = 0,5-1,5 mg/l.
Nel laghetto c’è un alto livello di fosfati, molti nutrienti, ed una grande quantità di sedimento di fondo, può supportare una grande biomassa (molti animali e piante).
Solitamente crescono alghe o spesso si verifica la loro invasione, hanno molti pesci ma sono soggetti a carenza di ossigeno.
I bacini eutrofici piccoli e poco profondi sono particolarmente sensibili ai parassiti invernali, che possono ridurre il numero e la varietà delle specie ittiche, spesso vivono pesci resistenti.
E’ impoverito di ossigeno nella tarda estate, l’hypolimnions (lo strato inferiore dello stagno) di corpi idrici eutrofici più profondi limitano il numero di pesci d’acqua fredda e causano il rilascio di fosforo dal sedimento.
L’acquario naturale è simile ai laghetti eutrofici.

Mesotrofico
Fosforo totale (fosforo totale) 0,01-0,3 mg/l.
NO3 = 0,3-0,5 mg/l.
Occupa una posizione intermedia tra gli stadi di Oligotrofico ed Eutrofico.

Ipertrofico
Fosforo totale (fosforo totale)> 0,1 mg/l.
NO3> 1,5 mg/l.
Troppe sostanze nutritive portano alla completa crescita eccessiva delle alghe.

Conclusioni
Il rapporto di Redfield considera il rapporto ottimale di carbonio e fosforo necessario per la vita.
Gli studi hanno dimostrato che la crescita delle alghe avviene quando lo squilibrio nel serbatoio è proporzionale alla concentrazione di carbonio, azoto e fosforo, questa proporzione è chiamata rapporto Redfield, e la variazione in natura del RR 106/16/1 non è mai superiore al 20%.
Questa relazione fu anche studiata per determinare l’effetto dei due elementi principali azoto e fosforo sull’aspetto di certe specie di alghe nei corpi idrici (Levich / Bulgakov), e si scoprì che lo spostamento della proporzione in un senso o nell’altro è caratteristico della dominanza di certe specie. Le alghe verdi in natura sono presenti con quantità relativamente elevate di nitrati (NO3> 5 mg / l) rispetto ai fosfati nell’acqua, e viceversa, una piccola quantità o assenza di azoto e molti fosfati (PO4> 0,15 mg/l) porta alla comparsa di alghe blu-verdi.
Conoscere e gestire il rapporto Redfield, magari utilizzando in parallelo anche l’allelopatia, è un sicuro quanto semplice aiuto non invasivo nei riguardi del sistema acquario nella lotta alle alghe senza dover ricorrere a prodotti chimici, in Italia il rapporto Redfield non è molto conosciuto, e pochissimo utilizzato, viene definito inutile come molte cose che non si conoscono, in altri paesi come per esempio Germania, Olanda e Russia invece è conosciuto, discusso nei forum ed utilizzato dagli acquariofili con acquari e/o laghetti.
Solo a titolo informativo, nel mondo vengono considerati più di un rapporto Redfield, per esempio Cleveland e Liptzin (2007) hanno trovato che il rapporto C/N/P per i microbi del suolo è 60/7/1, che è significativamente diverso da quello del terreno sfuso 186/13/1, o altri acquatici come da tabella:

In questo articolo è stato preso in considerazione quello storico più utilizzato e più utile a noi acquariofili, cioè il rapporto Redfield molare (o atomico) 106/16/1.
Fabio Scarpa