Réflexion sur le cycle de l'azote et mécanismes associés.

Avant propos: cet article est une réflexion que je vous offre qui mérite d'être critiqué. En tant qu'étudiant chimiste , je me permets de tenter cette approche qui n'est ni exacte ni incontestable, la relecture des fautes d'orthographes éventuelles sera faite très prochainement

Le cycle de l'azote est un élément incontournable d'un écosystème aquatique.

C'est un cycle qui peut être considéré comme biochimique et qui traduit l'échange de matière entre la faune et la flore et l'extérieur.

Dans un permier temps , interessons nous à ce qui rentre et ce qu'il sort de notre aquarium.

Cette approche englobe le cycle de l'azote et le dépasse mais permet de comprendre certaine subtilité de ce dernier. Le cycle sortit de son contexte n'a aucun sens, il faut le voir dans son ensemble. Ce dernier traduira sa robustesse et sa sensibilité.

Bilan Matière du système "aquarium" entrée sortie.

En considérant l'aquarium comme une enceinte fermée , on peut facilement imaginer que les seuls échanges de matières se font à l'interface de l'eau. En l’occurrence les gaz de l'air (N2, CO2, O2 , pour ceux qui nous intéresse) sont en équilibre gaz-liquide à la surface de l'eau. Cela signifie qu'une partie de ces gaz (faible) se dissolve dans l'eau. 

Cette propriété des gaz est traduite par la loi dite de Henry
complétée par la loi de Raoult. 

La loi de Henry stipule que : "À température constante et à l'équilibre, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide" . 

Allons doucement et clarifions un peu cela. Lorsque l'on parle d'équilibre , on suppose une certaine stabilité du milieu. Cela peut se définir thermodynamiquement mais ce n'est pas nécessaire pour notre propos. 

La pression partielle , quid ? La pression peut se traduire comme l'agitation des molécules de gazs contre les parois d'un système. Le nombre de choc des particules contre la parois constitue une force sur le volume. Cette force est mesurée en N.m^2 et est également appelé Pascal marqué Pa. La pression partielle c'est considéré que l'une des espèce chimique du gaz (comme le dioxygène) est "seule" et c'est la force que "seule" elle exerce , soit la pression partielle représentative de l'espèce choisi. 

Cette pression partielle peut être déterminé par la loi de Raoult qui stipule : "Dans une solution idéale, la pression partielle en phase vapeur d'un constituant est proportionnelle à sa fraction molaire en phase liquide."

Nous avons donc 2 lois physique permettant de remonter à la quantité d'oxygène (ou de CO2) dans notre eau.

La réalité est plus complexe mais cela donne une bonne approximation.

Ces données thermodynamiques sont importantes car il ne faut pas oublier que notre faune respire! 

C'est de ces données que l'on peut démontrer que lorsque la température augmente la quantité en gaz dissous diminue. C'est une des raisons du gros danger de l'été dans nos aquariums. 

Concernant le bilan de matière, en résumé , seul les gazs se dissolvent et si l'aquarium est ouvert , l'eau s'évapore suivant la même logique (équilibre liquide vapeur) . Je ferais un petit article sur ce point. (refroidir l'été, réchauffer l'hiver !) 

Le reste du système est parfaitement fermé et les réactions biochimiques qui ont lieu influence sur la teneur en oxygène et CO2 et c'est TOUT. 

Bilan énergétique , entrée et sortie.

L'équilibre thermique  est stabilisé par nos résistances à thermocouple , cette chaleur joue sur la vitesse des différentes réactions ayant lieu dans l'aquarium (décomposition , oxydation....) car d'après la loi d'arrhénius  la constante de vitesse des réactions (outre l'ordre) est proportionnel à la température.  Ainsi il fau se dire , le plus souvent,  que  plus il fait chaud , plus ça va vite ! Sans provoquer de choc thermique , baisser la température fait très régulièrement ralentir la progression de maladie et la propagation d'algues (entre autre). 

La deuxième source d'énérgie à ne pas du TOUT négliger est l'énergie de rayonnement apporté par la lumière du jour et par nos éclairages. C'est un moteur énorme d'énergie qui joue un rôle clef dans la photosynthèse. 

C'est pourquoi il est si important de bien connaitre son éclairage. Lorsque l'on augmente la puissance , on augmente le rayonnement lumineux ou flux  (aussi appelé lux).

Concernant les entrées sortie ce sont les seules données en fonctionnement continue. 

Comme on peut le constater , nous avons pourtant la nécessité absolue de faire des changements d'eau et d'apporter certain éléments , la question est donc POURQUOI ?

Equilibres biochimiques

Dans l'eau nous devons bien comprendre qu'il se passe des milliards et des milliards de réactions à la seconde. Ces réactions sont pour la majorité purement d'orde biochimiques, c'est à dire officié par des organisme vivants. 

Ces différents organismes sont présent dans l'eau quoi qu'il advienne car les bactéries sont partout. Seul un système parfaitement désinfecté pourrait en être exempt , ce qui dans notre cas est impossible. 

Parmis les bactéries présentes,  ils existent entre autres , deux populations qui vont intervenir dans le processus  de décomposition de la matière organique. 

Rappelons que la matière organique est prinicpalement composé de Carbone , d'Hydrogène , d'Oxygène , d'Azote . Ce sont les éléments les plus courants mais ils y en a un très grand nombre. 

La réaction de décomposition est un processus à entropie favorable , c'est à dire qui induit une subdivision de la matière. Parmis les molécules possible , une part de la matière organique se décompose en ammonium dans  nos eaux neutre à acides noté NH4+. 

Je rappelle que je parle bien d'ammonium et non d'amoniaque! En effet le pka du couple acide base NH3/NH4+ est de 9.2 ; la forme acide est largement prédominante dans nos eaux. 

L'ammonium est parfaitement assimilable par les plantes et non toxique mais des bactéries nommé Nitrosomonas vont induire une réaction de nitrosation transformant en présence d'oxygène l'ammonium en nitrites NO2-

Les nitrites sont eux très toxiques à faible doses pour les organismes aquatique. Si la population de bactérie ne comportait que les Nitrosomonas , l'eau ne serait tout simplement pas viable pour notre faune aquatique (Attention , je parle bien de notre faune= poissons , crustacés , escargots..)

Heureusement les Nitrobacter et Nitrospira vont transformer les nitrites en nitrates nettement moins toxique NO3-.

Ces nitrates sont assimilable par les plantes en moindre proportions par rapport à l'ammonium.

En conséquent il est très important de comprendre que nous subissons cette réaction en cascades dans nos aquariums. 

Nous subissons le cycle de l'azote.

Le principe du Low tech consiste entre autre à planter densément l'aquarium pour facilité l'assimilation sous forme d'ammonium et à  peupler  très raisonnablementpour limiter la polution organique.

Les réactions d'oxydation de l'ammonium nécessite un apport d'oxygène important , ce qui explique la nécessité d'apporter de l'oxygène aux bactéries via une bonne filtration. 

Photosynthèse et Respiration

En parallèle de ces réactions et équilibre , les plantes réalisent un travail incroyable d'élimination des déchets via l'absorption d'ammonium et de nitrates ainsi que réoxygénation du bac via la photosynthèse. 

La photosynthèse est une réaction complexe qui peut être résumé simplement par :

CO2+ source d'énergie solaire--> O2 

Cette équation n'est pas équilibrée mais traduit l'essentiel de la photosynthèse.

C'est pour cette raison que j'évoquait l'importance de la source d'énergie par radiation lumineuse . 

Cependant le processus inverse a lieu également en même temps; la respiration. 

Pour les plantes , lorsque qu'elles sont éclairées, le processus de photosynthèse a un rendement de production d'oxygène supérieur à sa consomation par la respiration. En terme de CO2 ou de carbone , on parle de rendement carbone négatif. (diminution du taux de CO2 en bilan)

Les poissons eux respirent seulement. 

CONCLUSION

Ils est donc aisé de comprende l'importance des différents équilibres thermodynamiques physico-biochimiques et des mécanisme biologiques primaires .

Tout ces processus sont complémentaire les uns des autres et forme l'équilibre du bac.

Je n'aborde pas le reste des réactions (minérales , lié à la dureté , pH ...) afin de faciliter la lecture.  

Lorsque qu'un poisson meurt ou que des algues se développe le système tend finalement à s'équilibrer 

Le cycle de l'azote est un processus subit complexe qui se maitrise et s'équilibre . Le taux de plantes , de poissons , le type de sol , le type d'éclairages...  sont tant de facteurs influencant sur ce dernier et sur l'équilibre global.  

Le bac s'équilibrera toujours dans tout les cas , c'est nous qui choisissons de préférer un système sans algues avec poissons et qui tentons d'établir l'équilibre permettant leur maintien. Mais la nature reprendra toujorus ces droits .

Nos aquariums sont des cycles de l'azote bien imparfait qu'il faut contrôler et corriger sans cesse. 

C'est aussi pour cette raison que les petits bacs dérives plus facilement que les gros.

Mais c'est un combat magnifique ; sans cesse la vie versus la mort et nous au centre en tant qu'anges gardiens (ou parfois démons.)