Le cycle de l'azote: le fonctionnement et les impacts

Le cycle de l'azote, un cycle souvent expliqué mais, aussi mal expliqué. 

Le cycle de l'azote c'est quoi ?

Le cycle de l'azote est un ensemble d'interactions biologiques et des réactions chimiques. Ces réactions se font naturellement dans les milieux aquatiques tels que les rivières, les lacs ou encore dans la mer. Le principal acteur de toutes ces réactions chimiques sont les bactéries. Comme à dis l'aquariophile Canadien Joey Mullen : "Un éleveur de poisson est d'abord un éleveur de bactérie".

Mais alors qui sont ces fameuses bactéries ? Eh bien, je vous présente Nitrosomonas et Nitrobacter. 

Voici les deux bactéries qui sont à l'origine du cycle de l'azote. En effet, ce sont ces deux bactéries qui vont faire les réactions chimiques nécessaires. Ce sont des bactéries aérobies, c'est-à-dire qui ont besoin d'oxygène, le contraire est anaérobie, c'est-à-dire qui n'ont pas besoin d'oxygène. Elles sont aussi autotrophes c'est-à-dire qu'elles produisent leur propre énergie à partir de minéraux contrairement aux hétérotrophes (comme nous) qui produisons de l'énergie à partir de matière organique. 

Les bactéries ont besoin d'un support de vie. Dans la nature, elles vivent généralement dans le sable ou dans des roches poreuses. En aquaculture ou en aquarium, ont leurs offres dans des billes d'argiles ou des supports en plastiques. Ces matériaux que l'on va installer dans le système s'appellent des "médias de filtration", et ces médias seront installés dans le bio filtre.

Le bio filtre est l'endroit dans votre système où les bactéries vivront et épureront l'eau, le bio filtre doit toujours être surdimensionné par rapport à la population de poisson que vous avez. Comme le bio filtre doit-être surdimensionner, vous aurez alors assez de place pour planter vos plantes dedans, elles aideront les bactéries à épurer l'eau.

Le fonctionnement du cycle de l'azote

Mais ce cycle, il sert à quoi ? Et comment il fonctionne ?

Très bonne question. Ce cycle sert à "épurer l'eau", en effet les poissons produisent des déchets qui sont plus ou moins soluble dans l'eau. Les fèces des poissons.

Par exemple, les poissons en respirant et en urinant pour certaines espèces libèrent dans l'eau de l'ammoniac (NH3) sous forme gazeux qui va se dissoudre dans l'eau sous forme d'ammonium (NH4+). L'ammoniaque est un composé chimique qui est très toxique pour les poissons ! Le NH4+ est aussi toxique pour les poissons mais 100 fois moins que le NH3. 

Ces 2 composés chimiques qui sont toxiques pour les poissons sont consommés par la bactérie Nitrosomonas. Cette bactérie va oxyder le NH3 et NH4+ pour le transformer en nitrite (NO2-). Le NO2- est un composé qui est lui aussi très toxique pour les poissons. Mais grâce la bactérie Nitrobacter va a son tour oxyder les NO2- pour les transformer en nitrate NO3-. Les nitrates ne sont pas nocifs pour les poissons et c'est une molécule dont les plantes ont besoins pour ce développer.

La nature est bien faite n'est-ce-pas ? Mais vous devez vous demander : comment avoir ces bactéries dans l'eau de nos bassins ?

Ce cycle met un certain temps à se mettre en place dans un système recirculé. En effet il faut laisser le temps aux bactéries de s'installer dans le filtre et dans les médias de filtration. Il faut leurs laisser le temps de faire grossir leur population, et que les populations s'équilibrent. En aquarium on peut compter 3 semaines, en aquaponie il y a plus de volume donc on est plus proche des 1 mois voire 1 mois et demi. Mais, on peut écourter ce temps d'attente en introduisant directement dans le système. Pour cela vous pouvez utiliser les bacto-balls de chez Colombo qui sont des boules remplis de bactéries prêtes à aller s'installer dans votre filtre biologique.

Graphique de l'évolution en NO2-, NO3-, NH3 (TAN :Total Ammonia Nitrogen) en fonction du temps (Timmons M.B & Ebeling J.M; (2010))

Schéma détaillé du cycle de l'azote dans l'eau.

Les impacts sur les poissons

Ce cycle est surtout important à comprendre afin de garder des poissons en bonne santé. Les nitrites (NO2-) et l'ammoniac (NH3) sont très toxiques pour les poissons ! Il faut absolument garder les taux de concentration de ces deux composés le plus bas possible ! Pour les nitrites, il faut rester en dessous de 2.0 mg/L et pour l'ammoniac, il faut rester en dessous de 1.0 mg/L. Si les concentrations dépassent ces valeurs, cela peut être fatal pour tous les poissons.

La réaction de Nitrosomonas qui transforme l'ammoniac (NH3) et l'ammonium (NH4+) en nitrites (NO2-) est une réaction très rapide et les bactéries consomment de l'oxygène (O2). À l'inverse la réaction de Nitrobacter qui transforme les nitrites (NO2-) en nitrate (NO3-) est une réaction qui prends plus de temps et les bactéries consomment des carbonates. 

Pour garder les niveaux des nitrites et de l'ammoniac très bas, il suffit de "nourrir" correctement. En effet, Nitrobacter (la bactérie qui transforme les nitrites en nitrates) consomme des carbonates (liés au KH). Surveiller régulièrement votre taux de nitrites et votre KH avec des tests Colombo, si votre KH est trop bas, des nitrites vont apparaître. Pour augmenter votre KH mettez dans l'eau de votre système du bicarbonate de potassium, préférez celui-ci par rapport à du bicarbonate de soude, car cela va apporter énormément de carbonate à votre eau et permettre aux bactéries (Nitrobacter) de transformer les nitrites en nitrates. Nous recommandons un KH entre 7° et 9° (Michael B. Timmons et James M. Ebeling, 2010), mais un KH supérieur n'est pas dangereux pour les poissons. 

Les impacts sur les plantes

Si les nitrites et l'ammoniac en très petite quantité sont toxiques pour les poissons, ce n'est pas le cas pour les plantes. Les paramètres de l'eau agissent seulement sur la nutrition des plantes. Les plantes vont consommer divers minéraux présents dans l'eau comme les nitrates (NO3-) apporter avec le cycle de l'azote, et les phosphates (PO4-) sont apporter par les aliments, les poissons ne digère pas le phosphate et donc le rejette via les fèces et l'urine.

Le plus important pour les plantes, ce sont les nitrates et les phosphates, pour cela, il faut bien nourrir ces poissons et faire en sorte que les paramètres d'eau soit optimale pour que les bactéries puissent produire des nitrates.

Le cycle de l'azote dans l'aquaponie

Beaucoup de chimie un peu barbante, mais nous allons arriver dans le vif du sujet. En quoi tout cela est intéressant pour l'aquaponie ? Le cycle de l'azote est à la base de l'aquaponie, si vous voulez des plantes et des poissons en bonne santé, ce cycle est très important et il faut le maîtriser. C'est sur ce cycle que repose tout le principe de l'aquaponie. Les bactéries transforment les déchets des poissons en minéraux assimilables par les plantes, donc pour un système qui fonctionne bien, il faut prendre soin de ses bactéries !

Schéma détaillé du cycle de l'azote en aquaponie

Graphique de la consommation en oxygène (OUR: Oxygen Uptake Rate) de Nitrosomonas (a) et Nitrobacter (b) en fonction de la présence ou non de CO2 et de la concentration en NH3 considéré comme de l'ammoniaque libre (FA: Free ammonia) (Vandelivu V.M, Keller J. & Yuan Z.;(2007))

Les graphiques ci-dessus représentent l'évolution de la consommation en oxygène (O2) en fonction de la concentration en NH3 de Nitrosomonas (a) et Nitrobacter (b). On peut remarquer que pour Nitrosomonas la consommation en oxygène augmente si la concentration de NH3 augmente. C'est logique, car Nitrosomonas consomme le NH3 pour le transformer en nitrites (NO2), pour cela, elles ont besoin d'oxygène.

Pour Nitrobacter, la consommation en oxygène diminue lorsque la concentration en NH3 augmente. Cela est normal, car l'oxygène sera consommé par Nitrosomonas avant pour transformer le NH3 en NO2.

Graphique de l'évolution de la consommation de l'ammoniac total en fonction de la température par Nitrosomonas (a) et Nitrobacter (b) (Grunditz & Dalhammar, 2001)

Ces 2 graphiques nous montrent aussi que la température a un effet significatif sur l'activité de Nitrosomonas et Nitrobacter. En effet, les bactéries auront une activité de nitrification plus ou moins forte selon la température de l'eau. Dans une eau trop froide, les bactéries ne seront pas actives et dans une eau trop chaude, elles mourront. On voit donc que les bactéries ont un optimum de température entre 30 °C et 35 °C, bien sûr nos installations ne sont jamais à ces températures, mais l'on peut voir une différence significative entre 15 °C et 20 °C. Cela peut expliquer pourquoi il y a plus de pics de nitrites et d'ammoniaque en hiver qu'en été.

(A gauche) Graphique de l'évolution de la consommation de l'ammoniac total en fonction du pH par Nitrosomonas (a) et Nitrobacter (b) (Grunditz & Dalhammar, 2001)

(A droite) Graphique de l'effet de la concentration de cellules (bactéries) sur l'activité de Nitrosomonas (a) et Nitrobacter (b) (Grunditz & Dalhammar, 2001)

Sur les 2 graphiques de gauche, on peut voir que le pH joue un rôle très important sur la nitrification. En effet les bactéries seront plus ou moins active selon le pH de l'eau. On peut voir ici que les bactéries ne sont pas très actives à pH de 6.0 par rapport à un pH de 7.0. Dans les systèmes aquaponiques, le pH est généralement bas, c'est pour cela qu'il est important de garder un pH au-dessus de 6.0 pour que la nitrification se fasse efficacement. Pour avoir un pH qui ne descend pas en dessous de 6.0, il faut ajouter du bicarbonate pour remonter le KH.

Sur les 2 graphiques de droite, on peut voir que plus il y a de cellules (cells) plus l'activité des bactéries est forte. Ces cellules sont en fait les bactéries (les bactéries sont des organismes unicellulaires), donc pour une nitrification optimale, il vous faut une bonne population de bactéries, pour ce faire, il faut leur offrir une zone de vie leur permettant de fonder de grande population, c'est pour ça que l'on doit bien choisir le média de filtration

En conclusion

Pour résumer tout ça, pour une nitrification optimale dans le cadre d'un système aquaponique il faut que :

- la température soit au-dessus de 10 °c,

- le pH soit au-dessus de 6.0,

- avoir une concentration de bactérie maximale.

Dans nos systèmes aquaponiques on a rarement tous ces paramètres réunis. Si un jour, vous avez un pic de nitrites (NO2-) ou d'ammoniaque (NH3), regarder :

- votre KH, s'il est trop faible alors les bactéries n'auront pas une activité optimale, la valeur optimale pour votre KH est 8.0,

- le pH, si le KH est bas alors le pH le sera aussi, ajouter du bicarbonate pour remonter les 2,

- la température, si la température est trop basse (en dessous de 10 °C) alors les bactéries ralentiront leurs activités, mais cela n'est pas très grave car à ces températures, car les poissons vivent de manière ralentie aussi, ils produisent donc moins de déchets.

Bibliographie

- Recirculating aquaculture, (Michael B. Timmons et James M. Ebeling), 2010

- Free ammonia and free nitrous acid inhibition on the anabolic and catabolic processes of Nitrosomonas and Nitrobacter, (Vandelivu V.M, Keller J. & Yuan Z.); 2007

- Development of nitrification inhibition assays using pure cultures of Nitrosomonas and Nitrobacter, (Grunditz & Dalhammar); 2001