Réduction des nitrates et phosphates par dosage du carbone

Se battre avec la composition en nutriments de son aquarium est une des luttes majeures à laquelle sont confrontés quotidiennement tous les récifalistes. Il existe aujourd’hui différentes méthodes de réduction des concentrations en nutriments. Certaines utilisant des résines (adsorbantes ou absorbantes) ou d’autres composants de filtration chimique, mais les dernières tendances incluent l’utilisation de « probiotiques » et/ou l’amélioration de la réduction des nutriments par voie biologique.

La plupart des aquariophiles préférant la filtration biologique sont conscients que le facteur limitant dans ce processus est l’absence de composés carbonés de faible masse moléculaire qui servent de source énergétique pour le processus de réduction. Afin de dynamiser l’activité biologique, certains ont ajouté à leur aquarium différentes sources de carbone comme de la vodka, du vinaigre et des sucres ou différents mélanges de ceux-ci. Il est couramment accepté que fournir suffisamment de sources de carbone organique en lien avec la présence de zones anoxiques dans l’aquarium (au cœur des roches vivantes et sédiments) suffirait à la dénitrification et à la réduction des phosphates.

Cela est théoriquement correct, cependant cela peut aboutir à d’autres activités biologiques pouvant mener au désastre si ce n’est pas contrôlé ou anticipé. Il est important de savoir que la dissimilation en environnement marin implique des interactions écologiques très complexes entre différents groupes de bactéries. Parmi ces groupes, on peut citer 2 groupes de bactéries dissimulatrices réductrices de nitrates, un autre de bactéries accumulatrices de phosphates ainsi que les bactéries réductrices de sulfate.

Des relations de compétitions et d’inhibition existent constamment entre ces 4 groupes. Elles sont régulées par les concentrations, la disponibilité et les ratios entre nutriments (azote, phosphore et sulfure), les disponibilités en cofacteurs enzymatiques et autres facteurs biotiques et abiotiques. Lors de nos études sur les possibilités de dissimulation en aquarium, nous avons découvert les deux groupes majeurs de bactéries : le premier correspond aux bactéries DNRA qui réduisent les nitrates en nitrites ou ammoniaque, le second comprend les dénitrifieurs hétérotrophes qui réduisent les nitrates en azote gazeux en passant par les nitrites. L’azote élémentaire est le produit final du processus, mais des accumulations intermédiaires de nitrites, d’oxyde nitrique et d’oxyde nitreux peuvent avoir lieu sous certaines conditions, souvent en absence de cofacteurs enzymatiques.

Les facteurs environnementaux, en particulier la disponibilité et le type de composés organiques carbonés, le ratio C/N, la disponibilité des cofacteurs spécifiques et l’état d’oxydoréduction de l’environnement aquatique, déterminent principalement la présence de chaque groupe de bactéries dissimulatrices et la voie primaire de réduction.

Par exemple, un ratio C/N non équilibré empêchera une dénitrification totale et l’activité des bactéries DNRA augmentera, conduisant à l’accumulation d’ammoniaque et nitrite. Après le cycle initial de l’azote, la plupart des aquariophiles ne testent plus l’ammoniaque et les nitrites -ils peuvent observer une réduction des nitrates en supplémentant en sources de carbone- mais ne noteront aucune accumulation d’ammoniaque et nitrite. D’autres facteurs obligatoires régulent indubitablement la dénitrification complète des nitrates en azote libre même lorsque le ratio C/N est optimal pour celle-ci.

Ces facteurs incluent des éléments chimiques spécifiques qui agissent comme cofacteurs à chaque étape de la dénitrification. L’absence ou le déséquilibre dans leur concentration peut amener à l’arrêt du processus à n’importe quelle étape ce qui conduira à une accumulation de N2O et de NO toxiques. C’est pourquoi l’un des aspects les plus importants de la réduction biologique des nutriments est de soutenir la voie spécifique de dissimilation des bactéries hétérotrophes et d’assurer la totalité du processus. C’est dans ce but que le Red Sea’s NO₃:PO₄-X de Red Sea a été développé.

NO₃:PO₄-X de Red Sea , fait partie du programme Red Sea Algae Management program,

et fournit des concentrations à équilibre stœchiométrique de différentes sources de composés carbonés, dont leur capacité à dynamiser les bactéries dénitrifiantes dont les DNRA, évitant ainsi l’accumulation d’ammoniaque et nitrite. NO3:PO4-X  contient également 7 cofacteurs enzymatiques qui assurent une dénitrification totale en azote gazeux et réduisent les chances de formation de N2O et NO.

Deux autres groupes de bactéries réductrices de nutriment prospèrent habituellement lorsque les conditions de dénitrifications sont accompagnées d’une source de carbone suffisante : il s’agit des bactéries accumulatrices de polyphosphates et des bactéries réductrices de sulfate. Ces 2 groupes ont un impact significatif sur le processus de réduction générale des nutriments en aquarium. Les plus connus sont les bactéries accumulant les phosphates via une réaction en deux étapes sous conditions d’aérobie et anaérobie/anoxie.

Ces bactéries entrent en compétition avec les bactéries dénitrifiantes vis à vis des sources de carbone, ce qui, en anaérobie, peut conduire à la libération de PO4-3 dans l’eau. Nous avons découvert que certaines lignées de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes sont capables d’accumuler les phosphates et de synthétiser des polyphosphates durant la réduction des nitrates en utilisant ces dernières en accepteur final d’électron à la place de l’oxygène. La double étape aérobie/anoxie devient non pertinente. Quand la population bactérienne prolifère, les floculations libérées dans la colonne d’eau sont retirées par l’écumeur et les phosphates qui y sont attachés sont retirés du système.

NO3:PO4-X de Red Sea encourage la prolifération des bactéries hétérotrophes dénitrifiantes qui ont la capacité biologique de synthétiser des polyphosphates en anoxie (bactéries PHB) parmi les autres bactéries accumulatrices de phosphate en maintenant un état de réduction des nitrates et phosphates équilibré. Une réduction plus rapide des nitrates par rapport aux phosphates conduira à une prolifération rapide des bactéries anaérobiques accumulatrices de phosphate, et donc à une apparition de cyanobactéries capables d’assimiler l’azote gazeux pour proliférer.

Le quatrième groupe de bactéries est celui des bactéries réductrices de sulfate en sulfure en conditions d’anaérobie, qui est toxique. Comme le sulfate est présent dans l’eau de mer à hauteur de 940ppm environ et qu’il y a des sources de carbones et des zones d’anaérobies, la production de sulfure est inévitable.

La prolifération de ces bactéries affectera les autres groupes bactériens en entrant en compétition pour le carbone et en inhibant leur activité par le sulfure qu’elles produisent. Durant nos recherches nous avons trouvé 3 éléments pouvant inhiber l’activité des bactéries réductrices de sulfate en entrant en compétition avec le sulfate et cassant les complexes de respiration intracellulaires. La production de sulfure d’hydrogène est ainsi évitée tout en maintenant la réduction biologique des nutriments en conditions d’anoxie.

Comparaison de différentes méthodes de réduction des nitrates et phosphates