Réflexion sur le cycle de l'azote et mécanismes associés.
Aquariophilie d'eau douce

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.)

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

Super ton article, cela m a permise de comprendre comment l ammonium se transformait en nitrite, je savais mais pas comment.
Deux questions c est quoi n2?
le pka du couple acide base nh3/nh4, c est quoi le pka?

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

Il est 00h38, j'ai la tête dans le.. :-$ , mais j'ai tout lu!!
Merci pour ton article, il est vraiment très intéressant et il me vient moi aussi une petite question.
Ya peut-être quelque chose que j'ai mal compris dans l'histoire mais ta phrase m'intrigue:
"Baisser la température fait très régulièrement ralentire la progression de maladies"
Je croyais que, pour la maladie des points blancs par exemple, il fallait a linverse augmenter la température pour s'en débarrasser ?

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

Super !!! Très bel article détaillé

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

Bel article merci! :)

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

Merci à vous :)

Concernant les maladies ; certaines bactéries ne supporte pas l'augmentation donc tu as parfaitement raison ;) Mais dans d'autres cas , la température joue le rôle d catalyseur et a tendance à accélérer l'évolution.

Du coup il faut distinguer le palliatif du curatif ;) Dans le cas ou l'on veut ralentir , on diminue la température et dans certains cas on augmente pour soigner :)

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

Ah super je te remercie X2269! C'est plus clair maintenant :">

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

Bonjour X2269 !

Très bel article, bien détaillé et j'ai tout compris bien que je ne sois pas chimiste. Alors Bravo >:D<
Je trouve qu'il vient bien compléter le Guide du débutant en aquariophilie et peut rendre plus aisée / ou éclairer la lecture de sujets comme La variation de la toxicité de l'ammoniaque et des nitrites en fonction du pH et le FAQ low-tech / aquarium naturel.

Deux questions me sont venues à l'esprit :
- influence du rejet du filtre à la surface sur le phénomène de pression partielle (échange air / eau) ?
- utilité du filtre sur l'équilibre du bac qui semble compliquer l'alimentation des plantes (préfèrent l'ammonium aux nitrates), favoriser les algues (consomment mieux les nitrates) et imposer des changements d'eau plus fréquents pour maintenir un milieu sain pour les poissons ?

Un point essentiel que tu cites à retenir pour les débutants : le système clos du bac tend toujours à s'équilibrer, ce qui explique le développement d'algues, "l'apparition" de cyanobactéries (apportent de l'oxygène) et l'autorégulation par mortalité quand le bac est surpeuplé, mal brassé et/ou l'entretien insuffisant. ;)

Merci beaucoup pour ce post très intéressant. J'espère que Nico le classera vite en article ! :-bd

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

Pour répondre à Fabrice :

N2 (si c'est bien e que tu me demande ;) ) c'est le diazote , soit le gaz qui compose 80 % de notre atmosphère :) Il est présent mais parfaitement neutre dans presque toutes les réactions ;) C'est très souvent un inertant

Pour le pka c'est la constante d'équilibre d'un couple acide base.

Pour faire simple ,le pH traduit un potentiel d'hydrogène , c'est une échelle en milieu aqueux entre 0 et 14. 7 est la neutralité.

La concentration en ions H+ donne le pH (échelle logarithmique de la concentration)

Certaine espèce chimique sont relié entre elles par un échange de protons H+ (acidité de Bronsted)

Dans le cas de NH3 , ce dernier est en équilibre avec NH4+ selon la réaction

NH3+H+--> NH4+ cette réaction est également équilibre et sa constante d'équilibre ka est défini de la même manière que précédement;

ka=(Concentration en NH4+)/(concentration en NH3)*(COncentration en ions H+)

Le logarithme de cette valeur donne le pka.

Cette constante , placé sur un axe ph (de 0-14) permet de définir l'endroit ou les espèce vont tendre vers la forme acide ou vers la forme basique. La force du couple induira un gradient de concentration plus ou moins étalé autour de ce point.

Dans notre cas le pka est de 9.2 et c'est un acide faible.

Donc à ph=7 la forme très largement majoritaire est NH4+ car nous somme loin de son point d’équilibre. Plus on remonte dans le pH est plus le risque d'avoir de l'ammoniac augmente.
Une eau à ph 8.5 aura de gros risque d'avoir une teneur en NH3 élevé ce qui est dangereux pour les poissons. Dans ce cas , le cycle de l'azote est un alié et c'est pour cette raison que les Malawi ont besoin de beaucoup de brassage (basique et pas de plante) ainsi que de plus de changement d'eau.(pas d'assimilation)


Je sais pas si c'est très clair , mais c'est complexe à expliquer ;)

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

Merci Josselynep :)

Je réponds à tes questions de suite ;)

-Pour moi l'agitation créée par les remous engendre 2 choses; le renouvellement de la couche de vapeur saturé au dessus du liquide (donc tend à équilibrer de nouveau ==> dégazage des espèces gazeuses plus rapide) , augmentation de la surface d'échange ( plus ça bouge plus la surface est grande)

- Pour le filtre ; ben là est la grande question ;) Tout dépend de la population et de la quantité de plante (et du reste, eau , lumière...))!! Les 3/4 des aquariums que nous voyons ne sont pas assez planté et surpeuplé par rapport à l'échelle naturelle. Du coupe le filtre permet de tamponner les déchets. Plus la concentration en ammonium est forte plus elle la faible proportion en ammoniaque augmente jusqu'à devenir significative et dangereuse. Les nitrates sont toxique à partir d'une relative grande echelle. En conséquent le filtre nous laisse le temps d'agir !Sans filtre et sans plante (beaucoup de plante) le tampon serait trop faible et notre bac s'équilibrerait pour une population extrêmement faible.

Mais beaucoup te diront qu'en soit il ne sert à rien et qu'une pompe de brassage est suffisante. Mais il faut bien connaitre son bac pour oser !

Le prinicpe du Dr.Waltsad s'appuie là dessus entre autre. C'est ce que je pense et déduis ;)

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

Merci de ta réponse,
Donc notre air est compose de 80% de diazote, pas d air pur, j ignorai
Donc le couple ammoniaque et ammonium est de 9,2 chez nous
Plus le pH est eleve, plus il faut du brassage pour éviter l ammoniaque
Cet aprem je vais me faire un tableau explicatif.
Y a de quoi se perdre. Encore merci pour ses explications j aurai appris pas mal de choses, dormirai moins bete ce soir :D
Encore, super ton article

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

Mince ou est ce que j'ai dit que le brassage enlevait l'ammonium (!) On brasse pour dégazer et diminuer la quantité de C02 dissoute et remonter la teneur en oxygène , pas pour l'ammonium !

Le truc clef c'est que les poissons respire et font augmenter le CO2 ==> si le taux d'oxygène diminue trop asphyxie! (= il pipe à la surface) solution brassage + bulleur= réoxygénation.

Les espèces ionique reste dans l'eau :) :D

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

Pour le couple ammoniaque / ammonium ; c'est 9.2 tout le temps dans l'eau , c'est un potentiel d'équilibre qui traduit la teneur en chacun des composé à un ph donné :)

A titre inidcatif : l'air c'est 79 % N2 , 20 % O2 et le reste = autres gazs ;) DU coup CO2 est en quantité très faible dans l'air ( 0,0400 %)

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

@ Fabrice : l'ammonium n'est pas toxique pour les occupants du bac, sauf à très forte dose. Les plantes le consomment préférentiellement aux nitrates mais rencontrent la concurrence des bactéries du filtre qui transforment cet ammonium en nitrites (très vite toxique pour la faune) puis en nitrates (moins toxiques pour les poissons) que les plantes consomment dans une certaine mesure. Nous enlevons les restes de nitrates avec les changements d'eau.

Pour visualiser le principe de passage ammoniac (NH3) / ammonium (NH4+) :

(graphique transmis par TheEdge)

Pour saisir la toxicité de l'ammoniac (NH3) / ammonium (NH4+) relevé par un test en gouttes selon le ph :


Pour les nitrites, c'est l'inverse : plus toxiques en ph acide qu'en ph basique. Plus d'infos ici.

Si vraiment tout cela t'intéresse, lis les liens que j'ai mis dans ma première réponse à X2269. Tu verras tout un "univers" de la chimie de l'eau s'ouvrir à toi qui te permettra de mieux saisir ce qui se passe dans tes aquariums pour tes plantes et tes locataires. C'est magique (je trouve) >:D<

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

Je savais que hoxygener l eau baissait le pH d ou pas de bulleur en bac plante. J avais mal compris, tout c est mots scientiphiques me font perdre la tête, d ou le schéma que je vais me faire, car ça m intéresse vraiment ton sujet, qui rentre bien ds les détails. J aurais surement des questions a te reposer :D
Bonjour josselynep, je vais regarder ton lien. Oui ça m intéresse, de connaitre plus en profondeur, car je connais les bases mais je voudrais savoir pourquoi tel element réagi avec tel element, j ai de quoi m occuper les prochain week end et m arracher les cheveux de la tête ~X(
Encore merci

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

Je vais faire un schéma :) Mais j'ai pas le temps tout de suite tout de suite :) Je vous le publierai :)

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