Nitrat- und Phosphatreduktion durch Kohlenstoffdosierung

Der Kampf gegen Nährstoffansammlungen im Aquarium ist eines der Hauptprobleme, mit denen jeder Aquarianer täglich konfrontiert wird. Heutzutage gibt es vielzählige Methoden, um Nährstoffgehalte zu senken. So werden Harze (Ad-/Absorber) und andere chemische Filtrationskomponenten verwendet. Die neuestens Trends umfassen jedoch „probiotische“ Ansätze und/oder die Förderung der biologischen Nährstoffreduzierung durch Bakterien.

Die meisten Aquarianer, die die biologische Filtration bevorzugen, sind sich durchaus bewusst, dass der limitierende Faktor dieser Prozesse das Fehlen von Kohlenstoffverbindungen mit geringem Molekulargewicht ist, welche als Energiequelle für die Reduktionsprozesse dienen. Um die biologische Aktivität zu steigern, haben viele Hobbyisten damit angefangen, dem Aquarium verfügbare Kohlenstoffquellen wie Wodka, Essig und Zucker oder auch verschiedenste Mischungen dieser Komponenten hinzuzufügen. Die gängige Praxis basiert auf der Bereitstellung von genügend organischen Kohlenstoffquellen, welche in Verbindung mit den im Aquarium verfügbaren anoxischen Bereichen (Lebendgestein und Sedimente) die ordnungsgemäße Denitrifikation und Phosphatreduktion fördern.

Diese Methode kann jedoch auch andere biologische Aktivitäten fördern, welche zu katastrophalen Ergebnissen führen können, wenn sie nicht verhindert oder kontrolliert werden. Es ist wichtig zu wissen, dass die Dissimilationsprozesse in der Meeresumwelt sehr komplizierte ökologische Wechselwirkungen zwischen mehreren Bakteriengruppen mit sich bringen. Diese Gruppen umfassen zwei Gruppen von dissimilatorischen Nitratreduzierern, eine weitere Gruppe von POAs (Phosphat-akkumulierende Bakterien oder PHA-Bakterien) und die SRBs (Sulfat-reduzierende Bakterien).

Zwischen diesen vier Gruppen bestehen kontinuierliche Konkurrenz- und Hemmungsbeziehungen. Sie werden reguliert durch die Konzentrationen, die Verfügbarkeit und die Verhältnisse von Nährstoffen (Stickstoff, Phosphor und Schwefel), die Verfügbarkeit von enzymatischen Co-Faktoren und von anderen biotischen und abiotischen Faktoren.

Als wir die Dissimilationswege im Aquarium untersucht haben, haben wir festgestellt, dass es zwei Hauptbakteriengruppen gibt. Die erste Gruppe sind DNRA-Bakterien, welche Nitrat entweder zu Nitrit oder Ammoniak reduzieren. Die zweite Gruppe besteht aus heterotrophen Denitrifikatoren, die Nitrat über Nitrit zu gasförmigem Stickstoff reduzieren. Elementarer Stickstoff ist das Endprodukt dieses Prozesses, jedoch kann unter bestimmten Bedingungen, üblicherweise in Abwesenheit von enzymatischen Co-Faktoren, eine Zwischenanreicherung von Nitrit, Stickoxid und Distickstoffoxid stattfinden.

Umweltfaktoren, insbesondere die Verfügbarkeit und Art der organischen Kohlenstoffverbindungen, das C/N-Verhältnis, die Verfügbarkeit spezifischer Co-Faktoren und der Oxidations-/Reduktionszustand der aquatischen Umgebung, bestimmen in hohem Maße das Auftreten jeder dissimilatorischen Gruppe und den primären Reduktionsweg.

Zum Beispiel: Ein unausgeglichenes C/N-Verhältnis verhindert eine vollständige Denitrifikation und erhöht die DNRA-Aktivität, was zu einer Ansammlung von Ammoniak und Nitrit führt. Nach der ersten Einlaufphase testen die meisten Aquarianer nicht auf NH4+ und NO2- und daher stellen sie beim Dosieren von Kohlenstoffquellen möglicherweise eine Verringerung von NO3- fest, bemerken jedoch keine Anreicherung von Ammoniak oder Nitrit. Auch wenn das C/N-Verhältnis für die Denitrifikation optimal ist, regulieren andere obligatorische Faktoren die vollständige Denitrifikation von Nitrat zu freiem Stickstoff.

 
Diese Faktoren umfassen spezifische chemische Elemente, welche in jeder Phase des Denitrifikationsprozesses als Co-Faktoren wirken. Die Abwesenheit oder Unausgewogenheit dieser Elemente kann den Denitrifikationsprozess in jedem der frühen Stadien beenden und zur Anreicherung von toxischem N2O und NO führen.
Ein wichtiger Aspekt der biologischen Nährstoffreduktion ist es daher, den spezifischen Dissimilationsweg heterotropher Bakterien zu fördern und einen vollständigen Prozess zu gewährleisten. NO3:PO4-X wurde entwickelt, um dieses Ziel zu erreichen.
 

NO3:PO4-X von Red Sea, ein Teil des Red Sea Algae Management Programms, enthält chemisch ausgeglichene Mengen verschiedener Kohlenstoffverbindungen, von welchen wir herausgefunden haben, dass sie heterotrophe Denitrifikatoren gegenüber DNRA-Bakterien fördern und so die Anreicherung von Ammoniak oder Nitrit verhindern. NO3:PO4-X liefert auch sieben enzymatische Co-Faktoren, um eine vollständige Denitrifikation zu Stickstoffgas sicherzustellen und der Wahrscheinlichkeit einer N2O und NO Bildung vorzubeugen.

Normalerweise beginnen unter denitrifizierenden Bedingungen mit der Verfügbarkeit einer ausreichenden Kohlenstoffquelle zwei andere Gruppen nährstoffreduzierender Bakterien zu gedeihen: die Phosphat-akkumulierenden und die Sulfat-reduzierenden Bakterien. Diese beiden Gruppen haben einen signifikanten Einfluss auf die gesamten Nährstoffreduktionsprozesse im Aquarium. Die am häufigsten vorkommenden PAOs oder Poly-P Bakterien sind die PAHs, welche in einem zweistufigen Prozess von aeroben/anoxischen und anaeroben Bedingungen Phosphat anreichern.

Diese Bakterien konkurrieren mit den Denitrifikatoren um die Kohlenstoffquelle und können unter anaeroben Bedingungen PO4-3 an das Wasser zurückgeben. Wir haben herausgefunden, dass bestimmte Stämme von heterotrophen Denitrifikatoren in der Lage sind, Phosphate anzusammeln und Poly-P während des Prozesses der Nitratreduktion mit Nitrat anstelle von Sauerstoff, welcher als terminaler Elektronenakzeptor dient, zu synthetisieren, sodass der Doppelprozess von aerob/anoxisch irrelevant wird. Wenn sich die Bakterienpopulation stark vermehrt, werden die in die Wassersäule freigesetzten Bakterienkolonien vom Abschäumer entfernt und somit die Phosphate aus dem System beseitigt.

NO3:PO4-X von Red Sea fördert durch Aufrechterhaltung einer ausgewogenen Reduktion von sowohl Nitrat als auch Phosphat die Proliferation heterotropher Denitrifikatoren, welche im Gegensatz zu anderen PHA-Bakterien die biologische Fähigkeit besitzen, unter anoxischen Bedingungen Polypen zu synthetisieren (welche PHB genannt werden können). Eine rasche Reduktion von Nitrat über Phosphat führt zu einer rapiden Vermehrung von anaeroben PHA-Bakterien und dem Ausbruch von Cyanobakterien, welche Stickstoff aus der Umgebung aufnehmen können, um zu gedeihen.

Die vierte Gruppe von Bakterien ist SRB. Diese Bakterien reduzieren Sulfat unter anaeroben Bedingungen zu toxischem Sulfid. Da Sulfat in Meerwasser mit Gehalten um 940 ppm vorhanden ist und auch Kohlenstoffquellen und anaerobe Bedingungen verfügbar sind, kann nichts die Sulfidproduktion verhindern.

Die Proliferation von SRBs beeinflusst die anderen Bakteriengruppen, indem sie um die Kohlenstoffquellen konkurrieren und ihre Aktivitäten aufgrund des von ihnen freigesetzten toxischen Sulfids hemmen.

Während unserer Forschung haben wir drei Elemente gefunden, welche die Aktivität von SRB durch Konkurrenz um Sulfat und durch die Zerstörung des intrazellulären Atmungskomplexes hemmen können, wodurch die Bildung von Schwefelwasserstoff verhindert wird, während die biologische Nährstoffreduktion unter anoxischen Bedingungen noch verstärkt wird.

Vergleich verschiedener Methoden zur Nitrat- und Phosphatreduktion