Stickstoff

Unsere Aquarien stellen keine abgeschlossenen Biosphären dar und sind auf mannigfaltigen externen “Stoffwechsel” angewiesen. Selbst in den größten Aquarien bildet sich kein echtes stabiles Gleichgewicht im Sinne eines geschlossenen Kreislaufes. Wir können lediglich durch permanente Manipulation von außen einen quasi stationären Zustand der Konstanz erreichen. Wir fügen Futter, Dünger, Wasser oder neue Lebewesen hinzu. Andererseits entnehmen wir Wasser, Mulm und lebendes, sowie totes organisches Material. Durch diesen Materialaustausch simulieren wir mehr oder weniger erfolgreich die fehlenden Segmente der natürlichen Kreisläufe.

In der Natur hingegen gibt es einen geschlossenen Stickstoffkreislauf, der alle Lebewesen einschließt. Das gilt nur teilweise für unsere Aquarien. Auch in scheinbar gut eingefahrenen Aquarien kann es immer wieder zu Problemen aufgrund stark schwankender Konzentrationen der Stickstoffverbindungen kommen. Die meisten interessierten Aquarianer haben daher in Ihrer Laufbahn auch schon Messungen von Ammonium, Nitrit und Nitrat vorgenommen. Nur wenige machen sich jedoch Gedanken über die Zusammenhänge oder Ursprünge. Zum Teil mit fatalen Folgen.

Themen

1. Wie kommt der Stickstoff überhaupt ins Aquarium und in welcher Form?
2. Welche Konsequenzen hat das Gleichgewicht Ammonium/Ammoniak?
3. Was entsteht aus dem Ammonium?
4. Warum stellt Nitrit ein Problem dar?
5. Ich habe gelesen, dass Nitrit gar nicht giftig ist?
6. Wie wird Nitrit abgebaut?
7. Wie gefährlich ist Nitrat?
8. Wie wird man das Nitrat wieder los?
9. Wie fahre ich den Filter ein?
10. Kann ich die umgesetzte Stickstoffmenge reduzieren?

1. Wie kommt der Stickstoff überhaupt ins Aquarium und in welcher Form?

Wenn wir einmal intensiv bepflanzte Aquarien mit Bedarf an NPK-Düngern ausklammern, dann liegt die Hauptquelle im Futter unserer Fische. Genauer: In den Proteinen, umgangssprachlich Eiweiße. Diese bestehen aus langen Ketten von alpha-Aminosäuren. Und diese wiederum enthalten Stickstoff in Form einer NH2-Gruppe, der namengebenden Aminogruppe.

Sobald diese Aminosäuren – von welchen Organismen auch immer – verdaut werden, entstehen große Mengen an NH4+ (Ammonium). Dabei wird von Carnivoren, bedingt durch die proteinreiche Nahrung, wesentlich mehr produziert, als von Herbivoren. Das Ammonium liegt im Wasser nicht immer ausschließlich als solches vor. Es bildet sich immer ein Gleichgewicht aus Ammonium und NH3 (Ammoniak). Dieses Gleichgewicht ist vom pH-Wert abhängig:

NH4+ ↔ NH3 + H+

In saurem Milieu verschiebt sich das Gleichgewicht praktisch vollständig auf die linke Seite. Es liegt so gut wie kein Ammoniak vor. Gut für Südamerika-Aquarien mit ihrem sauren pH-Wert. Schlecht für Malawi-Becken mit basischen Wasser. Dort verschiebt sich das Gleichgewicht mehr auf die rechte Seite.

top

2. Welche Konsequenzen hat das Gleichgewicht Ammonium/Ammoniak?

In Aquarien mit hohem pH-Wert kann sich daraus eine Gefahr entwickeln. Im basischen Milieu steigt die Ammoniak-Konzentration mit dem pH-Wert an:

NH4+ + OH → NH3 + H2O.

Da der pH-Wert ein logarithmischer Wert ist, erhöht eine pH-Wertzunahme um eine Einheit die Ammoniak-Relation um den Faktor 10! Das entstehende Ammoniak ist ein Zellgift, welches auf mehrere Arten die interzellulären Stoffwechsel stört. So behindert es einerseits den Energiestoffwechsel und schädigt andererseits die Zellmembran. Bereits sehr geringe Konzentrationen wirken für Fische toxisch.

Diese Abhängigkeit vom pH-Wert ist auch der Grund, warum man den Ammonium-Wert im Auge behalten sollte. Eine hohe Ammonium-Konzentration kann bei einem Anstieg des pH-Wertes ohne weiteres eine Ammoniak-Vergiftung hervorrufen.

Fische scheiden permanent Ammoniak über die Kiemen aus. Jeder Fisch hinterlässt damit beim Schwimmen eine Duftspur. Manche Räuber, wie Haie, können dieser Spur problemlos über weite Entfernungen folgen. Darüber sollte man besser nachdenken, bevor man das nächste Mal ins Meer pinkelt. 🙂 Ein Fisch hat übrigens keinen aktiven Mechanismus, der die Ausscheidung des Ammoniak bewältigt. Es handelt sich statt dessen um einen reinen Diffusionvorgang. Das setzt natürlich voraus, dass zwischen Fisch und Wasser ein ausreichendes Konzentrationsgefälle existiert. Anderenfalls erleidet der Fisch eine Ammoniakvergiftung.

Prinzipiell ist Ammonium bei Pflanzen als Stickstoffquelle sehr beliebt. Dummerweise entsteht meist mehr, als die Vegetation verarbeiten kann. Das Ammonium würde sich in diesem Fall immer weiter anreichern.

top

3. Was entsteht aus dem Ammonium?

Dennoch ist die Konzentration des Ammoniums in unseren Aquarien selbst ohne Pflanzen normalerweise recht niedrig. Wie kommt das? Verantwortlich dafür sind Nitrosomonas-Bakterien, die bevorzugt auf dem Filtersubstrat siedeln. Sie gewinnen ihre lebensnotwendige Stoffwechselenergie aus der Oxidation des Ammoniums zu NO2 (Nitrit). Nitrit ist das Anion der salpetrigen Säure (HNO2).

Stark vereinfacht passiert folgendes:

2 NH3 + 3 O2 → 2 HNO2 + 2 H2O

Die Unterteilung der Gesamtreaktion im die einzelnen Teilschritte ersparen wir uns einfach mal.

Allerdings muss sich die Nitrosomonas-Kultur in einem neu eingerichteten Aquarium zuerst etablieren. Dazu brauchen sie natürlich Nahrung, eben Ammonium. Aus diesem Grund ist es so wichtig, ein neu eingerichtetes Aquarium von Anfang an zu füttern, als ob bereits Fische drin wären. Nur so können sich die notwendigen Filterbakterien bilden, was man auch “den Filter einfahren” nennt.

Diese und alle anderen Bakterien verrichten permanent und völlig unauffällig ihre “Arbeit”, indem sie die Stoffwechselprodukte von Fischen und Wirbellosen weiter abbauen. Durch den Einsatz von Medikamenten, ganz besonders Antibiotika, kann es unter den Bakterien zu einem Massensterben kommen. Damit bricht die biologische Abbauleistung des Filters zusammen. Die Prozesse kommen zum Erliegen. Je nachdem, welche Bakterienart besonders stark betroffen ist, können sich dadurch giftige Zwischenstufen des Stickstoffabbaus, wie eben Nitrit, anreichern. Daher ist es bei Medikamenteneinsatz zwingend notwendig, die Leistungsfähigkeit des Filters täglich zu kontrollieren. Im schlimmsten Fall muss der Filter nach dem Absetzen der Medikamente und deren Entfernen aus dem Aquarienwasser wieder neu angeimpft, bzw. eingefahren werden. Auch während dieser Zeitdauer ist eine tägliche Kontrolle der Stickstoffwerte unerlässlich.

top

4. Warum stellt Nitrit ein Problem dar?

Haben die Nitrosomonas erst einmal eine entsprechende Anzahl erreicht und ihre “Arbeit” aufgenommen, kann man das an zwei Effekten beobachten. Erstens nimmt die Konzentration des Ammoniums ab. Das ist gut. Zweitens nimmt die Nitrit-Konzentration zu. Ist das auch gut? Eher nicht.

Idealerweise ist Nitrit in einem eingefahrenen Aquarium nämlich gar nicht nachweisbar. In Konzentrationen über 0,2 mg/l kann es für einige Fische bereits tödlich sein. Es wirkt als Atemgift, indem es das für den Sauerstofftransport verantwortliche Hämoglobin blockiert. Die Symptome einer beginnenden Nitrit-Vergiftung sind daher ähnlich wie bei einem Sauerstoffmangel. Die Fische atmen heftig, schnappen nach Luft, beginnen durchs Becken zu schießen. Bei fortschreitender Vergiftung wird das Verhalten apathisch. Verstorbene Fische weisen meist weit abgespreizte Kiemendeckel auf, oftmals verbunden mit einer hellroten Kiemenfärbung.

top

5. Ich habe gelesen, dass Nitrit gar nicht giftig ist?

In der Tat finden sich vor allem im Internet selbsternannte Koryphäen, die die Giftwirkung des Nitrits kategorisch abstreiten. In ihren Publikationen geben sie zwar teilweise zu, dass das Hämoglobin vom Nitrit blockiert wird, streiten aber kategorisch die Giftigkeit ab.

Diese Behauptungen beruhen auf einem (für die Fische) gefährlichem Halbwissen! Ein Gift ist gemäß allgemeiner Übereinkunft ein Stoff, der durch Eingriff in die Stoffwechselvorgänge dem Organismus Schaden zufügt und bei entsprechender Dosis zum Tod führen kann. Nitrit erfüllt diese Definition, da es den Transport des Sauerstoffs blockiert. Interessanterweise sind die Verharmloser des Nitrits bislang noch nicht auf die Idee gekommen, Kohlenmonoxid (CO) ebenfalls für ungiftig zu erklären. Schließlich ist der Mechanismus, bei dem es durch Anlagerung an das Eisen-Atom des Hämoglobins den Sauerstofftransport unterbindet, fast identisch mit der Wirkung von Nitrit. In beiden Fällen ist das vergiftete Blut auffallend hell rot gefärbt.

Nitrit ist also sehr wohl ein Gift. Alle anders lautenden Behauptungen sind faktisch falsch.

top

6. Wie wird Nitrit abgebaut?

Im Idealfall sollte Nitrit im Aquarienwasser also nicht mehr nachweisbar sein. Im Normalfall ist das auch so. Wie kommt das? Das verdanken wir einer weiteren Bakterienart, den Nitrobactern, die sich allerdings deutlich langsamer vermehren als die Nitrosomonas. Auch sie siedeln bevorzugt auf dem Filtersubstrat. Erwartungsgemäß tun sie das erst, wenn es sich für sie lohnt. Also erst, wenn auch Futter, sprich Nitrit angeliefert wird. Das wird von ihnen dann weiter zum NO3- (Nitrat) aufoxidiert.
Das sieht so aus:

2 NO2 + O2 → 2 NO3

Bevor sich also eine entsprechende Anzahl Nitrobacter gebildet hat, steigt erst einmal die Nitrit-Konzentration weiter an. Ist die Population der Nitrobacter stark genug, sinkt die Nitritkonzentration wieder ab. Im Idealfall unter die Nachweisgrenze. Diesen Effekt des Ansteigens mit anschließendem Abfall nennt man gemeinhin “Nitritpeak”. Er tritt meist beim Einfahren eines neuen, sterilen Aquariums auf, kann aber durch Animpfen des Filters umgangen werden. In jedem Fall muss man vor dem Einsetzen der ersten Fische Gewissheit schaffen, dass der Nitritpeak bereits durchlaufen ist, oder nicht mehr stattfinden wird.

Durch Medikamente (Antibiotika) kann auch in einem eingefahrenem Aquarium ein Nitritpeak auftreten. Mit dem Unterschied, dass hier bereits eine große Menge abbaubare organische Materie (inklusive der durch die Medikamente gekillten Bakterien) vorhanden ist. Entsprechend groß sind auch die neu entstehenden Mengen an Nitrit. Auch eine starke Besatzaufstockung kann durch den erhöhten Stoffumsatz zu einem erneuten Nitritpeak führen.

top

7. Wie gefährlich ist Nitrat?

Nitrat ist das Anion der Salpetersäure (HNO3). Verglichen mit dem Nitrit ist es eine bedeutend harmlosere Substanz. Vor allem adulte Fische vertragen auch dauerhaft Konzentrationen um 50 mg/l, manche großwüchsige Arten sogar noch mehr. Bei Weichwasserfischen sind die tolerierten Konzentrationen zum Teil deutlich niedriger angesiedelt. Das gilt ganz besonders für Jungfische, die unter Umständen schon bei Konzentrationen um 10 mg/l mit Wachstumsstörungen reagieren können. Darüber hinaus besteht bei hohen Nitratmengen die Gefahr, dass es unter gewissen Umständen zu einer partiellen Denitrifikation kommt. Dabei entstehen größere Mengen Nitrit, die dann ein plötzliches Fischsterben auslösen können.

Bei hohen Nitrat-Konzentrationen ist damit zu rechnen, dass in der Darmflora aus Nitrat wieder Nitrit gebildet wird. Aus diesem und den ebenfalls dort vorhandenen Amino-Verbindungen können wiederum Nitrosamine entstehen. Diese sind karzinogen. Tendenziell kann man allerdings sagen, dass diese Art der Gefährdung mit fortschreitendem Alter der Fische an Bedeutung verliert.

Der Stickstoff liegt jetzt also als Nitrat vor. In dieser Form kann er immer noch von den Pflanzen aufgenommen werden. Allerdings bevorzugen diese das Ammonium als Stickstoffquelle, da die Synthese neuer Aminosäuren dann wesentlich weniger energieaufwendig ist. Mit Nitrat müssen sie sich dann schon mehr anstrengen. Daher hat die pflanzliche Nitratzehrung nur in stark bepflanzten Aquarien eine Bedeutung.

top

8. Wie wird man das Nitrat wieder los?

Auch der Abbau des Nitrats über bakterielle Denitrifikation spielt im Aquarium meist nur eine untergeordnete Rolle. Hierbei wird das Nitrat über die Zwischenstufen Nitrit, NO (Lachgas) und N2O (Distickstoffmonoxid) zum N2 (gasförmiger Stickstoff) abgebaut. Diese Abbauschritte werden ebenfalls von Bakterien bewerkstelligt, passieren aber nur bei Abwesenheit von Sauerstoff in sogenannten anaeroben Zonen. Solche Zonen finden sich in geringem Umfang in stark beladenen Filtersubstraten. Je nach Korngröße und eingesickerter Menge an Mulm auch im Bodengrund. Die Blasen, die beim Stochern aus dem Bodengrund entweichen können, bestehen daher erwartungsgemäß aus gasförmigem Stickstoff, der im Zuge der Denitrifikation entstanden ist.

Die denitrifizierenden Bakterien benutzen Nitrat und Nitrit als Sauerstoffquellen, um ihre kohlenstoffhaltige Nahrung verdauen zu können. Zwar gibt es im Bodengrund und teilweise auch in stark beladenen Filtersubstraten die dafür notwendigen anaeroben Zonen. Allerdings reicht das erfahrungsgemäß bei Weitem nicht aus, um die ständige Nachlieferung von Nitrat zu kompensieren. Hierzu wären spezielle Verfahren (Wodkafilter, Schwefelfilter) oder der Einsatz von Nitratzehrern auf Tauscherbasis notwendig. In den meisten Aquarien steigt daher die Nitratkonzentration immer weiter an.

Im Normalfall wird also diese permanent ansteigende Nitratkonzentration hauptsächlich über den regelmäßigen Wasserwechsel wieder abgesenkt. Je stärker der tägliche Anstieg der Nitratkonzentration ist, desto öfter und größer sollte der Wasserwechsel ausfallen. Zum Problem kann es dabei werden, wenn das genutzte Leitungswasser bereits einen gewissen Nitratgehalt mitbringt. Laut Trinkwasserverordnung sind in Deutschland bis zu 50 mg/l Nitrat zulässig. In einem solchen Fall hilft nur die Aufbereitung des Wechselwassers über Osmose oder Vollentsalzung. Auch die Verwendung von Regenwasser ist eine mögliche Alternative.

Zusammenfassend können wir feststellen, dass der Löwenanteil des Stickstoffs über die Proteine des Fischfutters ins Aquarium eingebracht wird. Dieser verlässt es beim Wasserwechsel wieder in Form des Nitrats. Das gilt für den größten Teil der Aquarien.

top

9. Wie fahre ich den Filter ein?

Die wahrscheinlich am häufigsten praktizierte Methode ist das “Impfen” mit Filterschlamm aus einem laufenden Becken. Das eröffnet die Möglichkeit, das Becken sofort mit Fischen zu besetzen. Allerdings sollte man mit einer geringen Stückzahl beginnen, da der Filter sich dem steigenden Besatz anpassen muss. Der Nachteil dieser Methode liegt in dem Umstand, dass man mit dem Filterschlamm möglicherweise auch unerwünschte Bakterien oder gar Parasiten überträgt.

Zeitaufwendiger, aber auch wesentlich empfehlenswerter ist die einfache Inbetriebnahme des Filters ohne fremden Filterschlamm. So kann man mit Sicherheit verhindern, dass Bakterienstämme und möglicherweise Parasiten aus dem Spenderbecken importiert werden. Man muss lediglich das leere Aquarium, genauer die Filterbakterien, mit proteinhaltigem Futter versorgen und den Nitritpeak abwarten. Sehr bequem geht das mit Vollmilch. Etwa 20-30 ml auf 100 Liter Wasser. Die Filterfauna wird sich von ganz alleine einstellen und den Betrieb aufnehmen. Wer will, kann den Einfahrvorgang noch etwas beschleunigen. Dazu wird NaNO2 (Natriumnitrit) hinzugefügt, bis die Nitritkonzentration 1 mg/Liter beträgt. Die sich langsamer vermehrenden Nitrobacter brauchen so nicht erst auf die Stoffwechselprodukte der Nitrosomonas zu warten. Sie haben bereits ab dem ersten Tag Futter. Man beginnt also das Einfahren des Filters bereits mitten auf dem Nitritpeak. So lässt sich die Einfahrzeit um etwa eine Woche verkürzen.

Egal welches Verfahren: Die Kontrolle der Nitritkonzentration ist Pflicht! Falls das Einfahren wider Erwarten länger dauert, dann muss der Besatz eben verschoben werden. Als verantwortungsvoller Aquarianer sollte man die nötige Geduld mit Leichtigkeit aufbringen. Diese Thematik habe ich auch in meinem Text Filter einfahren beschrieben.

top

10. Kann ich die umgesetzte Stickstoffmenge reduzieren?

Theoretisch ja. Praktisch hängt dies von dem betroffenen Aquarium ab. Um eine generelle Reduzierung zu erreichen, bietet es sich scheinbar an, weniger proteinreiches Futter zu verfüttern. In der Praxis ist das Futter im Idealfall an den aktuellen Bestand angepasst. Allgemein kann man sagen, dass Carnivore einen deutlich höheren Proteingehalt im Futter benötigen als Herbivore. Wenn ich also nicht gerade ein Becken voller Pflanzenfresser habe, muss ich zwangsläufig ein Futter mit höherem Proteingehalt verwenden. Die einzige Einsparmöglichkeit beim Futter geht über die Menge. Eine sparsame Fütterung. Leider wird das oft zu wenig beherzigt. Viele Fische in Aquarien sterben an den Folgen einer Überfütterung. Sparsames Füttern empfiehlt sich also auch aus diesem Grund.

Wie wir eben betrachtet haben, ist eine gewisse, für jedes Aquarium spezifische, Mindestmenge an Protein unumgänglich. Wenn der Stickstoff erst einmal seinen beim Ammonium beginnenden Weg angetreten hat, gibt es eigentlich nur noch die Möglichkeit, mit einem starken Pflanzenwuchs dagegen zu halten. In der Kombination wenige Fische mit vielen Pflanzen lassen sich folgerichtig traumhafte Wasserwerte erreichen. Sollte die Gestaltung/Besetzung des Aquariums in eine andere Richtung laufen, dann bleibt erst einmal nur die Pflicht zum regelmäßigen umfassenden Wasserwechsel.

Wirksamkeit

Wie viel die Stickstoffbelastung beim Wasserwechsel reduziert wird, kann sich jeder selbst ausrechnen. Ausgehend von einem wöchentlichen Wechsel von 50 % bedeutet das, wir muten unseren Fischen zu, nach einer Woche immer noch in 50 % der alten Gülle zu leben. Da kommt in den nächsten 7 Tagen noch die Gülle einer ganzen Woche dazu. Entfernt wird aber wieder nur die Hälfte der Gesamtmischung. Sollte das Aquarium nicht in der Lage sein, nennenswert Stickstoffverbindungen abzubauen oder zu binden, dann wird sich im Laufe der Zeit eine Konzentration einstellen, die deutlich über der wöchentlichen Güllemenge liegt. Das gilt auch für die ganzen anderen Stoffwechselprodukte. In der Natur nennt man diesen Vorgang Eutrophierung. Die Quintessenz aus dieser Überlegung ist recht einfach: Regelmäßiger und großzügiger Wasserwechsel ist nicht nur klar von Vorteil, er ist ein verpflichtendes Muss.

Ergänzend muss darauf hingewiesen werden, dass Nitrat das dominanteste, nicht aber das einzige resultierende Stoffwechselprodukt ist. Es dient allerdings mit seinen Messwerten als hilfreicher Orientierungspunkt für die allgemeine Wasserbelastung. Zur Ermittlung der aktuellen Konzentrationen im Aquarienwasser sind Tropftests generell vorzuziehen. Die Genauigkeit der vielerorts beliebten Teststäbchen lässt leider oft zu wünschen übrig und erlaubt eigentlich nur eine grobe Abschätzung.

top

Für Anregungen und inhaltliche Wünsche zu diesem Text bin ich dankbar.
Ich habe versucht, die Zusammenhänge allgemeinverständlich zu formulieren.
Falls dennoch Klärungsbedarf besteht, werde ich dem gerne nachkommen.

 

Zurück zu Filtertechnik

Letzte Änderung: 14. Dezember 2018

Teile die Seite mit Deinen Freunden: