Folgende
drei
Arten von Stickstoffverbindungen können als Folge organischer Abbauprozesse im
Wasser vorkommen und sich unter bestimmten Umständen auch anreichern:
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Ammonium
und Ammoniak (analysentechnisch nicht trennbar) |
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Nitrit
(NO2-) |
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Nitrat
(NO3-) |
Stickstoff
(N) gehört als Bestandteil der
Proteine zu
den lebenswichtigen Elementen. Beim Abbau der Proteine gelangt Stickstoff in
Form von Ammonium ins Wasser.
Hauptlieferant für Ammonium durch Proteinabbau sind die Verdauungsprozesse
aller im Wasser lebenden tierischen Organismen, da diese die Proteine nur bis
zum Ammonium abbauen
können und dann diese für den
Organismus nicht
verwertbare Stickstoffverbindung über Ausscheidungsorgane ans Wasser abgeben.
Beim Verrotten abgestorbener Pflanzenteile entsteht ebenfalls Ammonium, das
ins Wasser gelangt.
In einem funktionstüchtigen
natürlichen Ökosystem
wird dieses Ammonium zum überwiegenden Teil von Algen und Pflanzen als Nährstoff
aufgenommen und als Stickstoffquelle zur Bildung von Proteinen verwendet. Ein
geringer Teil des Ammoniums wird von Bakterien unter Verbrauch von Sauerstoff
in Nitrat umgewandelt, das ebenfalls als Pflanzennährstoff dient. Schließlich
werden die Pflanzen gefressen oder sterben ab, und es entsteht wieder Ammonium.
Dieser sog. Stickstoffkreislauf funktioniert in der gerade beschriebenen Weise
nur in einem natürlichen Ökosystem einwandfrei, d. h. ohne nennenswerte Anhäufung
der jeweiligen Zwischenprodukte.
In der Natur: Im Aquarium
AMMONIUM
(NH4+) - Ammoniak (NH3)
Bedeutung
In jedem Aquarium fallen organische Verbindungen an, z. B. in Form von Futterresten oder Fischkot. Ein Großteil davon sind Eiweiße (Proteine), also organische Verbindungen mit etwa 15-18 % Stickstoffgehalt (N). Beim oxidativen Reinigungsprozeß, wie er unter Bakterienhilfe in biologisch eingefahrenen Aquarien und besonders konzentriert in Aquarienfiltern abläuft, wird der zuvor organisch gebundene Stickstoff dann in anorganischer Form als Ammonium freigesetzt:
Eiweiße 
Peptide Aminosäuren
Ammonium
Im hygienischen Sinne ist das Ammonium-Ion NH4+ ein Verschmutzungs-Indikator, doch ist es relativ harmlos. Je nach pH-Wert aber wandelt sich ein Anteil davon um in Ammoniak (NH3). Ammoniak ist ein giftiges Gas, das die Zellwände ähnlich leicht durchdringen kann wie Sauerstoff und Kohlendioxid. Gelangt zu viel Ammoniak in die Zelle, so steigt der pH-Wert im Zellsaft derart hoch an, dass lebenswichtige Funktionen blockiert werden.
Der Anteil des giftigen Ammoniaks im Wasser wächst mit dem pH-Wert. Sinkt der pH-Wert wieder, so wandelt sich das Ammoniak wieder zurück zum ungiftigen Ammonium-Ion. Dieser Prozeß verläuft spontan ohne Bakterienhilfe; er ist beliebig oft wiederholbar:
pH steigt
NH4+ + OH - ----------> NH3 + H2O
<--------
Ammoniumhydroxid
Ammoniak + Wasser
Wenn der pH-Wert zum Beispiel durch Teilwasserwechsel oder CO2-Mangel ansteigt, kann es spontan zur Freisetzung von giftigem Ammoniak aus dem im Wasser vorhandenen Ammonium kommen, und damit zu Fischverlusten. Häufig wird die Ursache nicht richtig erkannt: Die Fische sind in solchen Fällen nicht etwa am Frischwasser oder am höheren pH-Wert gestorben, sondern an Ammoniak-Vergiftung!
Ammonium bzw. Ammoniak entsteht nicht nur bei der bakteriellen Zerlegung der Proteine. Fische scheiden täglich etwa 0,03 % ihres Gewichtes an Ammoniak aus; und zwar nicht nur über Kot oder Urin, sondern größtenteils über die Kiemen
Einfluss des pH-Wertes auf den
Ammoniak-Gehalt
Bild: Anteile des NH4+ / NH3 -Gemisches je nach pH-Wert (bei 25 °C).
Beispiel:
Vom NH4+/NH3 - Gemisch
liegen bei pH 8,0 etwa 6 % als giftiges Ammoniak vor. Die Darstellung gilt nur
bei 24 °C. Je 1°C höherer / niedrigerer Temperatur sind bis zu 4 % höhere/niedrigere
Werte vorhanden.
Für
unsere Aquarienpflanzen ist Ammonium eine wertvolle und sehr bevorzugte
Stickstoffquelle. Gutwüchsige Wasserpflanzen nehmen pro Gramm Frischgewicht täglich
bis zu 0,1 mg Ammonium auf. In den meisten Aquarien fällt jedoch mehr Ammonium
an, als der Pflanzenbestand verarbeiten kann. So entsteht mit der Zeit ein Überschuß,
der im Normalfall durch Bakterien weiteroxidiert wird über Nitrit zu Nitrat.
Ist dieser Oxidationsprozess gestört oder wird zu viel Ammonium bzw. Ammoniak produziert, kann es sich anhäufen. Das passiert beispielsweise, wenn zu viel Futter in das Aquarium gegeben wird. Gefährlich sind insbesondere stoßweise Überlastungen (Futterdose fällt in das Wasser!). Ganz besonders gefährdet sind neu eingerichtete Aquarien mit neuen Filtern, weil darin sich noch keine leistungsfähigen Bakterienkolonien angesiedelt haben, die das Ammoniak zügig weiteroxidieren über Nitrit zum Nitrat.
Grenzwerte:
Sauberes
Trinkwasser enthält weder Ammonium noch Ammoniak. Etwa 0,1 bis 0,5 mg/L NH4+/NH3
Gesamtgehalt gelten in eingefahrenen Aquarien als normal. Wesentlich höhere
Werte weisen hin auf ungenügend funktionierende biologische Filterung oder überbesetzte
Aquarien. Gefährlich
ist - wie erwähnt - nicht das Ammonium-Ion NH4+, sondern
das Ammoniak-Gas NH3. Bei Dauereinwirkung muss bereits ab 0,02
mg/L Ammoniak mit Schädigungen gerechnet werden. Ab 0,20 mg/L Ammoniak sind
schon nach wenigen Tagen Todesfälle zu erwarten.
Weil
jede Messung stets Ammonium und Ammoniak gemeinsam erfasst, kann das
Messergebnis erst nach einer zusätzlichen pH-Messung beurteilt werden.
Beispiel:
Es werden 0,5 mg/l Ammonium/Ammoniak Gesamtgehalt gemessen und pH 7,0. Dann beträgt
der Anteil an giftigem Ammoniak 0,003 mg/L. Das ist weit unterhalb der
kritischen Grenze von 0,02 mg/L
Erhöhung
der Ammoniakkonzentration ist unerwünscht.
Absenken des Ammoniakgehaltes:
Ein
zu hoher Ammonium/Ammoniakgehalt wird am schnellsten durch Teil-)Wasserwechsel
herabgesetzt. Der pH-Wert muss dabei beachtet werden; Gefahr kann drohen, wenn
der pH-Wert dabei ansteigt, siehe Kapitelanfang.
Bei
ständig erhöhter Konzentration ist das Aquarium überlastet. Dann muss der
Fischbesatz reduziert oder ein leistungsfähigerer (biologischer) Filter
installiert werden.
Nitrat ist die Endstufe der NITRIFIKATION, d.h. der bakteriellen Oxidation des Ammoniums.
Ammonium
(NH4+)
Nitrit (NO2-)
Nitrat (NO3-)
Bakterien [Nitrosomas] Bakterien [Nitrobacter]
In einem funktionierenden Aquarium sind die die Ammonium- und Nitritkonzentration stets gering. Nitrifizierende Bakterien - insbesondere der Bakterienrasen im Filtersystem, aber auch am Bodengrund - sorgen für einen schnellen Umsatz von entstandenem Ammonium und Nitrit unter Sauerstoffverbrauch zu Nitrat. Bei dieser Art an Selbstreinigungsprozess bleibt häuft sich Nitrat als eine Art harmloser Mülldeponie an. Höhere Nitratgehalte werden von Süßwasserfischen im Allgemeinen gut vertragen. Dennoch sollte der Nitratgehalt möglichst niedrig gehalten werden, da durch Nitratgehalte ab 20 mg/L vor allem das Algenwachstum gefördert wird. Bei Werte über 150 mg/L sollte unbedingt eingegriffen werden, weil bei einem eventuellen Sauerstoffmangel die gefährliche Reduktion zum Fischgift Nitrit erfolgen kann!
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Nitrat kann bis zu Konzentrationen von 200 - 500 mg/L von Fischen ohne Schaden toleriert werden, während Nitrit bereits in geringen Konzentrationen (ab ca. 0,5 mg/L) ein starkes Fischgift darstellt |
Voraussetzung, dass der Nitrifikationsprozess wirkungsvoll abläuft, ist ein stets genügend hoher Sauerstoffgehalt.
Nitrat kann von den Wurzeln der Pflanzen als Stickstoffquelle genutzt werden, doch zuvor muss das Nitrat erst im Wurzelbereich zu Ammonium reduziert werden, da es nur in Form von Ammonium aufgenommen werden kann. Diese Reduktionsvorgänge benötigen die Gegenwart von geringsten (aber vorhandenen!) Mengen an Eisen und Molybdän-Ionen. Diese Ionen werden während der Reduktion nicht verbraucht, sind aber für den Reduktionsvorgang vonnöten. Sie wirken also katalytisch. Ungefähr 10 - 50 µg (millionstel Gramm) Mo2+ und ca. 20 µg/L Fe2+ pro Liter Wasser reichen aus. Allerdings verbraucht die Nitratreduktion viel Energie von der Pflanze, deshalb bevorzugen sie stets die direkte Ammoniumaufnahme als Stickstoffversorgung.
Das Vorkommen erhöhter Ammonium- oder Nitritmengen im Aquarium deutet immer auf eine Störung der bakteriellen Abbauvorgänge oder gar eine Vergiftung der nitrifizierenden Bakterien hin |
Verschiedene Ursachen können dafür in Frage kommen wie z.B.:
- zu starke Fütterung
- zu hoher Fischbesatz
- zu geringer Sauerstoffgehalt
- Medikamentenbehandlung
- Veränderung im pH-Wert
Nitrit sollte im Normalfall kein Problem im Aquarium darstellen. Dennoch kann z.B. beim Einfahren eines Aquariums, bzw. bei enem Austausch des Filtermaterials es passieren, dass sich noch keine effektive Bakterienkolonie angesiedelt hat, mit der Folge, dass der bakterielle Oxidationsprozess (Nitrifikation) gestört ist und sich eine gefährliche Nitritkonzentration aufbauen kann. Neues Filtermaterial braucht bis zu 3 Wochen Zeit, bis es biologisch eingefahren ist und die Nitrit-Stufe der Nitrifikation zügig durchlaufen wird. Dies ist einer der Hauptgründe wieso ein Fischzusatz erst einige Wochen nach dem Aquarienaufbau erfolgen soll!
Durch ein sogenanntes Animpfen mit gebrauchtem Filtermaterial kann diese Einfahrzeit verkürzt werden. Dennoch sollte gerade zu Beginn des Aquarienbetriebes die Konzentration an Ammonium, Nitrat sowie pH regelmässig kontrolliert werden, um die Effektivität der Bakterienkolonie zu ermitteln.
Erhöhen von Nitrat ist unerwünscht.
Gehaltssenkung von Nitrat:
- Wasserwechsel
- Vermindern der (Über-)Fütterung
- Vermindern des (erhöhten) Fischbesatzes
- Pflanzenwachstum fördern; Pflanzenmenge erhöhen
- Denitrifikation: Unter stark sauerstoffarmen Bedingungen (anaerob) kann Nitrat zu Gasen wie Distickstoffoxid (N2O) und Stickstoff reduziert werden. Diese Verbindungen sind nur gering wasserlöslich und dampfen demnach aus. Sie sind damit im Aquarienwasser vermindert. Weitere Infos --
Erhöhen von Nitrit ist unerwünscht.
Gehaltssenkung von Nitrit:
- sofortiger Wasserwechsel
- Funktion des Biofilters optimieren
- Filterdimension erhöhen