Milano, 26 Gennaio 2003

 

Il ciclo dell'azoto in acquario

 

Il ciclo dell'azoto riveste un'importanza elevata in un ambiente chiuso come quello di un acquario. E', infatti, grazie alla sua presenza che ci è possibile mantenere in vita pesci e invertebrati in un piccolo spazio vitale e, quindi, è importante che impariamo a conoscerlo e a rispettarne, soprattutto, i tempi. Ed è proprio su questo punto che è importante fare leva, poiché tutti noi, una volta allestita una vasca, non vediamo l'ora di iniziare a riempirla di pesci. Purtroppo, questo non è possibile; ricordiamoci che abbiamo a che fare con forme di vita alle quali dobbiamo rispetto e attenzione.

Quindi, prima di ogni cosa, impariamo che per questo hobby, la cosa più importante è la pazienza. Avere pazienza all'inizio significa avere meno problemi dopo.

Perciò, nell'incertezza, meglio aspettare; tutto il nostro sistema acquario non potrà che trarne giovamento.

 

Chi dirige la musica?

Prima di discutere del ciclo vero e proprio, diciamo un paio di paroline su chi, o cosa, sia responsabile di queste trasformazioni biochimiche. Come tutti saprete, i responsabili delle trasformazioni che coinvolgono il ciclo dell'azoto sono i batteri nitrificanti. Si sente spesso dire che questi sono composti da due famiglie più importanti: i Nitrosomonas e i Nitrobcter. Giusto per togliervi la curiosità, dirò che i primi sono responsabili del primo attacco all'ammonio, con produzione di nitriti, mentre i secondi attaccano i nitriti, trasformandoli in nitrati. Purtroppo, le cose non sono così semplici; infatti, in un filtro (e in una vasca, direi, dato che a lungo andare, TUTTO il sistema acquario viene interessato dalla colonizzazione di questi batteri) non si trovano solo questi batteri (anzi, qualcuno afferma che i Nitrobacter non sono neppure presenti, addossando tutto il lavoro di ossidazione ad altri batteri, della famiglia dei Nitrospira; altri, invece, rilevano la presenza di classi di batteri diverse come i Nitrosococcus e i Nitrosolobus, mentre altri ancora ritengono che tutti questi batteri siano presenti solo in vasche marine), ma ve ne sono anche molti altri, tutti con compiti più o meno chiari. Ad esempio, a monte del processo che trasforma l'ammonio in nitrato, vi sono batteri che attaccano le molecole organiche in genere (proteine, vitamine, DNA, amminoacidi ecc.) e le trasformano in materiale aggredibile dai batteri nitrificanti; questi batteri, noti come batteri degradanti la materia organica, sono i più attivi tra quelli presenti nei filtri, tanto da essere aggressivi anche nei confronti degli stessi batteri nitrificanti. E' solo dopo che questi batteri si sono installati e sviluppati che può partire il ciclo dell'azoto vero e proprio, coi passaggi che più avanti andrò a illustrare.

 

Cos'è il ciclo dell'azoto

Il ciclo dell'azoto che andrò a trattare altro non è che la versione acquatica di un ciclo presente in natura e che sta alla base di tutta la vita sul nostro pianeta. Nel nostro sistema acquario esso permette la trasformazione di sostanze tossiche, derivanti dal metabolismo di animali e vegetali, in altre meno tossiche che, quindi, si possono accumulare. Il fatto che questi metaboliti finali siano meno tossici e si possano accumulare, tuttavia, non significa affatto che li si debba lasciar ammassare in acqua in modo indiscriminato.

Nel nostro caso, allora, possiamo dire che il metabolismo primario è quello che trasformerà l'ammonio, principale prodotto di escrezione dei pesci, in nitrato, attraverso uno stadio intermedio di nitrito.

Tutto il ciclo dell'azoto, per innescarsi la prima volta, può richiedere da due a quattro settimane, a seconda degli allestimenti e delle operazioni effettuate dall'acquariofilo.

Diciamo subito che l'ammonio e il nitrito sono i composti tossici e il nitrato è il composto meno tossico, tanto per mettere un punto fermo nel nostro discorso. Ora, vedremo come si arriva a questi punti e cosa fare in ogni situazione.

 

Ma prima c'è un altro passaggio

Prima di partire col ciclo dell'azoto, è bene mettere in evidenza un punto importante: non solo l'ammonio produce nitrato.

Cosa vuol dire?

Come detto più sopra, prima di arrivare all'ammonio escreto dai pesci, il ciclo richiede un altro passaggio; non dimentichiamo, infatti, che in una vasca nuova i pesci non ci sono e, quindi, manca la fonte primaria d'ammonio per avviare il ciclo. E se non c'è ammonio (o qualcosa che lo produca) il ciclo dell'azoto non può partire. Quindi, prima di questo, abbiamo una fase di degradazione di materia organica a dare ammonio e altro. Per ottenere questo è sufficiente inserire, una volta completato l'allestimento di una vasca, delle piante o, in mancanza di queste, ogni altra cosa possa decomporsi (tipicamente si aggiunge qualche foglia o scaglia di cibo). Una volta che i batteri degradanti la materia organica abbiano iniziato il loro lavoro e abbiano prodotto abbastanza substrato per i batteri nitrificanti, questi iniziano a insediarsi e a lavorare. Grazie ai batteri degradanti la materia organica, vi è una prima demolizione di sostanza organica secondo questo schema:

 

N - organico

----->

NH4+ + CO2
P - organico

----->

PO43- + CO2
S - organico

----->

S= + CO2

               

L'importanza di queste trasformazioni sta nel fatto che solo grazie ad esse le molecole organiche diventano disponibili per gli organismi fotosintetici e per i batteri del filtro.

Vediamo, ora, come lavora il filtro.

 

Il primo passaggio

Come detto, il primo passaggio del ciclo dell'azoto prevede l'ossidazione dell'ammonio a nitrito ad opera dei Nitrosomonas, secondo questo schema di reazione:

 

NH4+ + 1.5 O2 ------>

2 H+ + NO2- + H2O

              

Un'osservazione importante da fare è che questo processo produce acidità e consuma ossigeno. Quindi, ricordiamo che il metabolismo del filtro è in diretta competizione coi nostri pesci, sottraendo loro prezioso ossigeno e consumando i tamponi naturali dell'acqua, i bicarbonati (o ogni altro tampone eventualmente presente, come gli acidi umici).

Inoltre, se l'ammonio è tossico a pH superiori a 7 (vedere tabella relativa) perché inizia a trasformarsi in ammoniaca, lo ione nitrito è tossico a tutti i pH, entrando in competizione con l'ossigeno per i siti di legame presenti nell'emoglobina del sangue formando metemoglobina, un'emoglobina modificata del tutto incapace di trasportare ossigeno; questo tipo di intossicazione è analoga a quella che colpisce i mammiferi esposti ad alte concentrazioni di monossido di carbonio (CO). Un rimedio per ridurre la tossicità del nitrito è di aggiungere del comune sale da cucina all'acqua, in quanto lo ione cloruro sposta il nitrito dall'eme dell'emoglobina, ripristinandone le normali funzioni. Anche il blu di metilene, grazie al suo potere antimetemoglobinemico, combatte questo tipo di intossicazione.

 

Il secondo passaggio

Una volta che sia stato prodotto lo ione nitrito, entra in gioco la seconda classe di batteri che, fino a questo momento, è stata del tutto latente per mancanza di substrato su cui operare.

Rilevo che la cinetica di accrescimento dei batteri nitrificanti è tutta a favore dei Nitrosomonas, più rapidi a insediarsi.

Ecco lo schema di questo secondo passaggio:

 

NO2- + 0.5 O2 ------>

NO3-

 

In questa equazione non compaiono ioni H+, ma viene ancora consumato ossigeno, anche se meno che nel primo passaggio (0.5 moli contro 1.5).

Lo ione prodotto, il nitrato, è uno ione relativamente innocuo e può accumularsi in acqua senza troppi problemi. Ovvio che, come per tutte le cose, è necessario evitare ogni eccesso. Per cui, anche se molti pesci non hanno assolutamente problemi a vivere in acque con 50-60 mg/L di nitrato, a 100 mg/L inizia a presentarsi qualche accenno di tossicità in diverse specie e concentrazioni superiori producono malessere e problemi a quasi tutti i pesci. Tra l'altro, lo ione nitrato è molto legato al metabolismo delle alghe per cui, onde evitare problemi, è meglio tenere la sua concentrazione sempre al di sotto dei 10 mg/L (meglio se sotto i 5) grazie a adeguati cambi d'acqua o con l'uso di una folta e rigogliosa vegetazione, abbinata a un altrettanto adeguata popolazione ittica.

 

Il ciclo globale

Sommando le due relazioni scritte sopra, arriviamo a esprimere la relazione finale del ciclo dell'azoto che ci interessa:

 

NH4+ + 2 O2 ------>

2 H+ + NO3- + H2O

 

Come detto, in questo processo viene prodotto acido nitrico ed è consumato molto ossigeno. In particolare, per ogni ione ammonio ossidato vengono consumate ben due molecole di ossigeno e sono prodotti due ioni idrogeno.

Una nota, che può essere interessante per chi ama le piante d'acquario, è che l'energia guadagnata dai batteri nitrificanti con questo processo (circa 84 kcal/mol) corrisponde perfettamente a quella che perderanno le piante per trasformare di nuovo lo ione nitrato in ammonio (83 kcal/mol). E' per questo motivo che è sempre meglio puntare affinché siano le piante a lavorare come purificatrici dell'acqua e non il filtro, assorbendo l'ammonio PRIMA che possa essere ossidato dai batteri nitrificanti.

 

La denitrificazione

In alcuni casi, è possibile assistere a un processo inverso, che consuma nitrato e produce azoto gassoso. Questo lavoro viene svolto dalle stesse classi di batteri nitrificanti, ma diventa un processo importante in ambienti poveri di ossigeno. La catena parte dal nitrato e arriva ad azoto secondo questo schema:

 

NO3- ---> NO2- ---> NO ---> N2O ---> N2

 

 

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