Dans un écosystème aquatique, l’ensemble des réactions biologiques de croissance et de maintenance requiert la présence de l’élément azote : N. C’est un élément fondamental de la matière vivante. L’introduction de matière organique augmente la quantité totale d’azote dans ce milieu fermé. Les composés organiques azotés vont se retrouver dans les urines, les excréments, les cadavres d’animaux ou de végétaux.
Ils seront dégradés par les bactéries et transformés en déchets azotés à l’état minéral sous forme ammoniacale : ammoniac moléculaire (NH3) le plus toxique pour les êtres vivants, ou ionisé (ammonium NH4+) environ 100 fois moins toxique, de nitrites (NO2-),toxiques et de nitrates (NO3-) relativement inoffensifs. Si la dégradation est poussée à son terme on les retrouvera sous la forme de CO2 et d’azote N2 qui se dégage.
L’azote minéral est assimilé par les bactéries et par les végétaux, (phytoplancton et plantes supérieures). Les protéines végétales synthétisées entrent ensuite directement (herbivores) ou indirectement (carnivores) dans l’alimentation des animaux, qui les utiliseront après transformations, soit pour renouveler leurs protéines cellulaires, soit pour la production d’énergie utilisable par les cellules.
Ces composés azotés organiques vont donc se retrouver dans les urines, les excréments et les cadavres. Ils seront dégradés par des bactéries bien définies, en composés ammoniacaux NH4+, nitrites NO2- et enfin nitrates NO3- qui fourniront aux plantes de nouvelles matières azotées assimilables, favorisant leur développement ou s’accumuleront dans le bassin.
Ainsi se trouve résumé, très schématiquement, LE CYCLE DE L’AZOTE. Il est par conséquent facile de comprendre que le contrôle de ces produits, dont certains sont extrêmement toxique, soit très important dans la conduite d’un aquasystème.
L’AMMONISATION
La première étape de la dégradation des déchets azotés organiques est l’ammonisation. Elle va produire des composés ammoniacaux NH3 et NH4+ dont la toxicité est variable selon le pH.
LA NITRIFICATION
La nitrification est la transformation des composés azotés en éléments dont l’azote N est dans l’état le plus oxydé : LES NITRATES.
Elle est assurée par des bactéries autotrophes (capables de se développer à partir des seuls éléments minéraux), et des bactéries nitrifiantes hétérotrophes (capables de se développer à partir de substances issues de tissus vivants). La part la plus importante de la nitrification dans un écosystème est généralement attribué aux microorganismes autotrophes aérobies stricts appartenant à la famille des Nitrobacteriaceae: Nitrosomonas (ammonium > nitrites) et Nitrobacter (nitrites > nitrates). Les bactéries nitrifiantes utilisent l’azote ammoniacal ou les nitrites comme source d’azote et comme source d’énergie (donneurs d’électrons). Les source de carbone sont le gaz carbonique et les carbonates.
Les organismes nitrifiants hétérotrophes utilisent une source de carbone organique comme source d’énergie et oxydent des composés azotés organiques ou inorganiques.
La réaction se décompose en deux étapes :
- la nitritation ou nitrosation (oxydation de l’azote ammoniacal en nitrites),
- la nitratation (oxydation des nitrites en nitrates).
Deux facteurs principaux affectent le processus de nitrification : La physico-chimie de l’eau et la communauté biologique.
Physico-chimie de l’eau :
Les bactéries nitrifiantes sont très sensibles aux conditions du milieu en particulier les Nitrobacter. En effet la croissance des Nitrobacter est inhibée lorsque le taux d’ammoniac est trop élevé (supérieur à 0,1mg/l de N-NH3). Faute d’une quantité
suffisante de Nitrobacter un taux élevé de nitrites sera mesuré avant même que l’ammonium baisse à un niveau permettant aux Nitrobacter de croître rallongeant ainsi la durée de maturation du filtre biologique. Il ne faut pas oublier que les bactéries se livrent à une terrible compétition d’autant plus nuisible à l’établissement du filtre biologique que les conditions sont mauvaises: manque d’oxygène de certains oligo-éléments abaissement anormal du pH, excès de pollution, etc.
Ceci se traduit dans les aquasystèmes par des eaux troubles, résultats des luttes bactériennes, avec prolifération anarchique de bactéries de pleine eau.
Le pH – Équations de principe :
| 2NH4+ + 3 O2 | >> | 2NO2- + 4H+ + 2H2O |
| 2NO2- + O2 | >> | 2NO3- |
soit :
| 2NH4+ + 3 O2 + 2NO2- + O2 | >> | 2NO2 + 2NO3- + 4H+ + 2H2O |
| 2NH4+ + 3 O2 + O2 | >> | 2NO3- + 2H2O + 4H+ |
La nitrification libère des ions H+ et abaisse donc le pH qui doit être suivi surtout au démarrage des bassins. La présence de carbonates procure un effet tampon contre les variation de pH. Le pH optimal pour la nitrification se situe autours de 8,0. Les valeurs hors du champ 7,0 -8,6 peuvent affecter l’efficacité de la nitrification.
La température
La température optimale pour Nitrosomonas se situe entre 30° et 36°. Pour Nitrobacter elle est de 28°. La température a un effet important sur les vitesses de croissance.(Knowles et al., 1965) :
- Entre 23° et 30° le taux de croissance maximal est multiplié par 4 Pour Nitrosomonas.
- Il augmente d’environ 6% par degré centigrade pour Nitrobacter.
Le taux de dégradation des matières peut diminuer de moitié pour une diminution de 10°.
La concentration en oxygène
L’oxygène est un facteur de la réaction d’oxydation : il peut donc apparaître comme un facteur limitant. Or les constantes de demi-saturation par rapport à l’oxygène dissout vont de 0,25 à1,3mg/l pour Nitrosomonas, et de 0,5 à1mg/l pour Nitrobacter selon la température (Capdeville, 1991 ).
Ceci indiquerait qu’il n’est pas nécessaire de maintenir des concentrations élevées en oxygène dissout dans les systèmes nitrifiants : 4mg/l seraient suffisant. Cependant, comme c’est le cas en aquasystème la concentration en oxygène devient importante lorsqu’il y a compétition entre une flore hétérotrophe, et une flore autotrophe surtout en présence de carbone.
En effet les bactéries hétérotrophes inhibent les microorganismes nitrifiants avec lesquelles elles sont en compétition pour l’oxygène et l’azote ammoniacal car elles possèdent un taux de croissance maximal cinq fois supérieur à celui des autotrophes. Ceci explique la nécessité d’une bonne oxygénation et d’une communauté de souches bactériennes soigneusement déterminée.
LA NITRIFICATION HÉTÉROTROPHE
L’activité nitrifiante des bactéries hétérotrophes est effective mais à une vitesse beaucoup plus faible que celle observée pour des autotrophes. Ils sont appelés les Nitrifiants pauvres.
Ils sont néanmoins nécessaire car ils dégradent des composés azotés allant de l’azote ammoniacal aux composés de la chaîne aliphatique (graisses) ou aromatique ainsi que des sous-produits de la nitrification : hydroxylamine, oxime, acide hydroxamique…
L’observation de la production des nitrites et des nitrates lors du travail de ces bactéries montre que très peu de N-oxydes s’accumulent. Il a été démontré que tous les nitrifiants hétérotrophes sont des dénitrifiants aérobies, ce qui expliquerait
la non-accumulation des nitrites et des nitrates (Papen et al., 1989, Van Niel et al., 1992a). Il est ainsi possible de transformer la pollution azotée ammoniacale en azote moléculaire au sein d’un même microorganisme.
LA DÉNITRIFICATION, L’ÉPURATION BIOLOGIQUE
La dénitrification est définie comme étant le réduction des nitrates en azote gazeux avec pour intermédiaire le nitrite, l’oxyde nitrique, l’oxyde nitreux, Chacun étant réduit par une enzyme réductase.
Étapes de la dénitrification :
| NAR | NIR | NOR | N2 OR | |||||
| NO3- | — | NO2- | — | NO | — | N2O | — | N2 |
Intermédiaires et enzymes.
NAR = nitrate réductase NIR = nitrite réductase NOR = oxyde nitrique réductase
N2 OR = oxyde nitreux réductase
Chaque intermédiaire est réduit par une enzyme secrétée par les bactéries concernées.
La dénitrification est une alternative à la respiration classique de l’oxygène dans les zones peu oxygénées de la lagune.
La source d’oxygène est constituée par les nitrates ou l’un des intermédiaires utilisés comme accepteurs finals d’électrons transférés le long de la chaîne respiratoire. La réduction des nitrates est couplée à l’oxydation :
- soit de composés minéraux
- soit de composés carbonés organiques.
On cherchera à privilégier la respiration anaérobie hétérotrophe qui exige une source organique de carbone combustible qui peut être tout simplement les déchets organiques du milieu : cadavres, excès de nourriture etc. C’est le principe d’action du nettoyeur biologique.
Par ailleurs ces êtres vivants nécessitent également entre autres choses une source de phosphore. Il sera possible d’en rajouter sous la forme de dihydrogénophosphate de sodium ou de potassium (Lavigne 1993) mais la plupart du temps la présence de phosphates dans le bassin est suffisante pour faciliter cette dénitrification hétérotrophe.
Par Sauveur RODRIGUEZ – BIOXEM
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