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Themen - Natürliches Meerwasser
Stickstoff - (Nitrogenium) - N
Ammoniak
Nitraten
Filtermedien
CS NitraClean
CS DeChlorAmm

Auf der Erde kommt Stickstoff hauptsächlich in Form von molekularem Stickstoff in der Atmosphäre vor. Mit einer durchschnittlichen Molekularkonzentration von 2,25.10-5 mol/l ist Stickstoff an der fünfzehnten Stelle der häufigsten Elemente im Meerwasser. In Maßeinheiten ausgedrückt bewegt sich die Stickstoffkonzentration zwischen 0 und 45.10-6 g/l (0 - 45 μg/l).



Version 2012-III

Stickstoff - (Nitrogenium) - N

N

Stickstoff kommt auf unserem Planeten hauptsächlich als molekularer Stickstoff vor. Mit einer durchschnittlichen Konzentration von 2,25.10-5 mol/l ist Stickstoff an Stelle 15 der häufigsten Elemente im Seewasser. In Mengeneinheiten ausgedrückt bewegt sich die Stickstoffkonzentration zwischen 0 und 45.10-6 g/l (0 - 45 µg/l).

Einführung

Stickstoffvorkommen im Seewasser:

PON
Organischer Stickstoff in Partikelform (Partikel > 0,4 Mikrometer)
0,002%
DON
Gelöster organischer Stickstoff (Partikel < 0,4 Mikrometer)
2,300%
DIN
Gelöster anorganischer Stickstoff (97,698% total):
- Molekularer Stickstoff (N2)
95,200%
- andere Verbindungen (NO3-, NO2-, NH4+)
02,498%

Vereinfachter Ablauf des Stickstoffkreislaufs im Meer

Nitrogen Cycle
1
PON Bildung
Output
Lebende Organismen erhalten Stickstoff entweder durch die direkte Aufnahme von gelöstem organischen Stickstoff N2 (nur bei gewissen Bakterien),oder durch die Assimilierung der Reproduktion von DIN (NO3-, NO2-, NH3- - Algen, Phytoplankton),durch die Aufnahme von DON (Bakterien) und über die Aufnahme anderer Organismen (Fische, Säugetiere, Krustentiere, Korallen etc.).Ausscheidungen und Reste toter Organismen geben ungelösten organischen Stickstoff, mit darin enthaltenden Partikeln an das Seewasser ab. PON ( Organischer Stickstoff in Partikeln).
PON
In der Meerwasseraquaristik wird diese Stufe des Stickstoffkreislaufs unzweifelhaft durch die Fütterung hauptsächlich beeinflusst (Zugabe organischen Stickstoffs in fester Form (particulate organic matter - POM) sowie durch die Zugabe gelöster Nährstoffe (Dissolved Organic Matter - DOM). Wenn das System überfüttert wird (POM) der überdosiert (DOM),gehen die ungenützten Anteile direkt in die Phase 2 (POM) und 3 (DOM).
2
DON Bildung
Output
Auch Remineralisierung genannt. Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen reagieren in der PON-Stufe leicht und verursachen einen schnellen Abbau in DON unter 2 (Dissolved Inorganic Nitrogen - DON).
DON
3
Ammonifizierung
Output
DON wird zu Ammonium abgebaut von heterotrophen Bakterien, unter bis jetzt noch nicht eindeutig geklärtem Bedingungen, dies in einer enzymatischen Reaktion. Diese resultiert in der Reaktion mit H+ zur Bildung von Ammonium.
NH3 / NH4+
4
Nitrifikation
Output
4a - Nitrosomonas Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrit.
NO2-
4b - Nitrit wird dann zu Nitrat von Nitrospira und Nitrobacter Bakterien oxidiert.
NO3-
Nitrifikation ist ein schneller Prozess und erfordert sauerstoffreiches Milieu (oxic Zonen).
5
Denitrifikation
Output
Einige heterotrophe Bakterien verarmen Nitrat (Paracoccus). Hierbei ergibt sich Nitrit und logischerweise molekularer Stickstoff, welcher in die Atmosphäre entweicht und als solcher kein Baustein für frisch entwickeltende Biomasse ferner sein kann.
N2
Bakterielle Denitrifikation ist ein langsamer Prozess und erfordert reduzierendes Milieu mit entweder keiner oder stark begrenzter Anwesenheit von Sauerstoff (anoxic oder hypoxic), eine hohe Energieversorgung in Form schnell verwertbarem organischem Kohlenstoffs und eine große Menge essentieller Nährstoffe für die Bakterien.

Gemeinsam mit molekularem Stickstoff, werden Ammonium und Kohlenstoffmonoxyd auch in der Denitrifikationstufe gebildet. Molekularer Stickstoff und Distickstoffoxyd gehen hauptsächlich in die Atmosphäre, während ein kleiner Anteil im Wasser verbleibt und gemeinsam mit Ammonium wieder in eine der vorigen Phase des beschriebenen Kreislaufs eintreten.

 

Denitrifikation im Meerwasseraquarium

Stickstoffverbindungen in der Meerwasseraquaristik

Einige Zwischen/Nebenprodukte des Stickstoffkreislaufs können ernste oder fatale Folgen für die Tiere im Seewasser haben::

PON

Vorstufe

Organischer Stickstoff in fester Form (Particulate Organic Nitrogen - PON) – an sich stellt dieser kein Problem. Jedoch steht PON am Anfang des Kreislaufs und je mehr PON z.B. anfänglich aus dem System entfernt wurde, umso weniger Probleme ergeben sich in den nachfolgenden Stufen.
DON

OK

Gelöster organischer Stickstoff (Dissolved Organic Nitrogen - DON) – kein Problem an sich, wird schnell in den Prozess der Ammonifizierung.
NH3
NH4+

Hoch toxisch

Ammoniak and Ammonium – höchst toxisch für Fische und andere Tiere, selbst in Spuren (NH3 ist weitaus giftiger).
NO2-

Toxisch

Nitrit – oberhalb gewisser kleiner Werte toxisch für Fische und andere Tiere.
NO3-

Schädlich

Nitrat – oberhalb gewisser Werte (artenspezifisch) kann es schädigend wirken. Weiterhin werden Nitrate von vielen Bakterien verbraucht, z.B. Cyanophyten, Algen und Dinoflagellaten.
N2

OK

Inaktiv.

Als Ergebniss der obigen Tabelle wird deutlich, dass der reibungslose Ablauf des Stickstoffkreislaufs in Meerwasseraquarien unabdingbar ist. Ferner macht es logischerweise keinen Sinn, einzelne Stufen gesondert zu behandeln, sondern beste Bedingungen für den umfassenden Stickstoffkreislauf zu schaffen. Und der Stickstoffkreislauf hängt tatsächlich von den Eingriffen des Aquarianers ab, da im Unterschied zu natürlichen Bedingungen dieser in Riffaquarien nicht von selbst abläuft.

 

Arten der Denitrifikation

BIOLOGISCH – NATÜRLICH BAKTERIELL

Wesentliche Elemente
Nachteile
Bacteria
Bakterien
Keine

BIOLOGISCH - BAKTERIEN IM MEDIUM

Wesentliche Elemente
Anforderungen / Nachteiles
Bacteria
Bakterien Medium
Zusätzliches Aquarium oder Ausstattung für einen biologischen Filter erforderlich. Hauptanforderung sind Porosität und Seewasserbeständigkeit der Glass, Keramik, oder Plastik –Medien.

BIOLOGISCH - REFUGIUM

Wesentliche Elemente
Anforderungen / Nachteiles
Bacteria
Makro-Algen
Zusätzliches Aquarium notwendig.
Abgestorbene Algen müssen regelmäßig entfernt wurden.
Die Photosynthese der Algen kann den pH-Wert deutlich beeinflussen.

BIOLOGISCH - PFLANZEN

Wesentliche Elemente
Anforderungen / Nachteiles
Bacteria
Mangroven
Mangroven benötigen starke Pflege.
Die erforderliche Menge an Pflanzen ist schwer zu ermitteln.

PHYSIKALISCH-CHEMISCHE - ABSORPTION

Wesentliche Elemente
Anforderungen / Nachteiles
Bacteria
Sorptionsmittel
Nicht lineares Absorptionsverhalten.
Regelmäßiger Austausch.

PHYSIKALISCH-CHEMISCH - CHEMISCHE REAKTION

Wesentliche Elemente
Anforderungen / Nachteiles
Bacteria
Reaktoren Chemikalien
Reaktor notwendig.
Regelmäßige Wartung und Austausch der Chemikalien erforderlich.
Bei Fehlfunktion besteht Gefahr für Tiere.

Bei jeglicher Denitrifikationsmethode ist es notwendig, regelmäßig den pH-Wert und das Redoxpotential zu prüfen. Der ideale Redoxwert liegt bei 250 mV. Werte über 300 mV entsteht giftiger Schwefelwasserstoff als Nebenprodukt. Bei Redoxwerten unter 50 mV wird gefährliches NO2 gebildet, da der Reduktionprozess noch nicht abgeschlossen ist.

 

Die optimale Lösung – Natürliche Denitrifikation

Es ist unbestritten ein großer Vorteil für jeden Meerwasseraquarianer den Denitrifikationsprozess zu stabilisieren und aufrecht zu erhalten. Um dies zu erreichen, müssen fogende Bedingungen im Aquarium gegeben sein:

  • Sauerstoffreiche, sauerstoffarme und sauerstofffreie Zonen
  • Die Anwesenheit von nitrifizierenden und denitrifizierenden Bakterien
  • Nachhaltige Versorgung schnell verfügbarer chemischer Energie für Bakterien
  • Ständige Zugabe essentieller Nährstoffe für Bakterien

Natürlich gelten außerdem grundsätzliche Anforderungen an die richtige Seewasserzusammensetzung und erforderliche physikalische Parameter. Für die Denitrifikation sind der pH-Wert (8.1) sowie der Redoxwert (250 mV) von entscheidender Bedeutung.

 

Ad 1 - Sauerstoffreiche, sauerstoffarme und sauerstofflose Zonen

Die Ausbildung aller erforderlichen Zonen kann erreicht werden durch:

  • Lebendgestein
  • Hoch qualitative Riffkeramik mit erforderlicher Seewasserbeständigkeit und Porosität
  • Sandbett (Sand bed) soweit eine Schichthöhe von min. 6 cm vorliegt

Ad 2 - Nitrifizierende und denitrifizierende Bakterien

Eine gewisse Menge Bakterien ist immer in Lebendgeestein vorhanden, soweit diese natürlichen Ursprungs sind und optimal transportiert wurden. Der erforderliche Anteil von Bakterien ist enthalten frisch importiertem Lebendgestein, Lebendsand oder künstlich beimpftem Gestein. Ferner in handelsüblichen biologischen Katalysatoren, welche eine Mischung kultivierter mariner Bakterien enthalten.

Ad 3 – Beströmung

Während die Nitrifikation ein schneller Prozess ist , der in sauerstoffreichen Milieu mit relativ starker Beströmung oder hoher Filter-Durchflussrate abläuft, benötigt die Denitrifikation deutlich andere Bedingungen.

Dieser langsame Prozess benötigt geringe Durchströmung. Der optimale Wasserdurchfluss ist in separaten Lebendgestein-Filtern einfach einzustellen aber diese Bedingungen im Hauptbecken sicherzustellen, kann einige Probleme aufwerfen. Ein starker Wasserdurchfluss von Becken zu Unterbaufilter, sowie in heutigen modernen Filtersystemen mit mehreren Tausend Litern pro Std. ist insoweit kein Problem, sofern die Durchflussleistung gesplittet wird zur Oberflächenbeströmung des Lebendgesteins und Beströmung des Bodengrundes Ein weiteres Problem kann die Ausbildung von „Totzonen“ sein, in denen die Beströmung sehr gering sein sollte. Dies führt zu Sedimentsablagerungen und sehr gefährlichen Zerfallsprozessen, die nichts mit Denitrifikation zu tun haben.

Ad 4 – Chemische Energie- u. essentielle Nährstoffversorgung

Wie bereits oben erwähnt, ist der Denitrifikationsprozess durch einen hohen Verbrauch schnell verfügbarer chemischer Energie in Form von organischem Kohlenstoff. Nur Kohlenwasserstoffe, auch bekannt als Sacharide, sind in der Lage , diesen Verbrauch zu bedienen. Man kann mit mindermolekularen Kohlenhydraten experimentieren, vorzugsweise Alkohole, jedoch sind solche Methoden nicht natürlicher Art und bergen Risiken. Besonders bei Alkoholen besteht die Gefahr der Überdosierung und die Zugabe von Sachariden ist mit unerwünschten Nebeneffekten behaftet. Der einzig natürliche Weg denitrifizierende Bakterien zu ernähren ist die Anwendung einer ausbalancierten Mischung von Kohlehydraten, die im Seewasser vorhanden sind und anteilig biogenischen Spurenelementen.

Literatur

An Introduction to Marine Biochemistry, Susan M. Libes, John Wiley & Sons, Inc.

CS Reefkeeping Concept

CS Concept
 
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