Chimie de l'eau en aquariophilie naturelle : Transformations biochimiques des éléments

1. ⚗️ Introduction

L'eau d'un aquarium naturel est un écosystème dynamique où divers éléments chimiques interagissent constamment. Comprendre ces interactions est essentiel pour maintenir un environnement sain pour les organismes aquatiques.

2. 🧪 Éléments chimiques présents dans l'eau

1. 🌿 Azote (N)

Formes présentes :

• Ammonium (NH₄⁺) : forme ionisée, non toxique à pH neutre ou acide.

• Ammoniac (NH₃) : forme gazeuse toxique, dominante en eau basique (pH > 7).

• Nitrites (NO₂⁻) : intermédiaire de la nitrification, très toxique.

• Nitrates (NO₃⁻) : forme finale, faiblement toxique, assimilable par les plantes.

Origine :

• Déjections des poissons 🐟

• Dégradation des protéines par les bactéries

• Rejets de la microfaune et des plantes mortes

Rôles :

• Nutriment majeur pour les plantes (surtout sous forme de NO₃⁻ ou NH₄⁺)

• Indicateur du cycle de l’azote

Processus de transformation :

• Nitrification : NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (par Nitrosomonas puis Nitrobacter)

• Dénitrification (en sol anaérobie) : NO₃⁻ → N₂ (azote gazeux)

📚 Source : Wetzel, R.G. (2001). Limnology: Lake and River Ecosystems – 3rd ed.

2. 🔬 Phosphore (P)

Formes présentes :

• Orthophosphates (PO₄³⁻) : forme la plus courante et directement assimilable.

• Phosphates organiques : issus des débris organiques en décomposition.

Origine :

• Aliments non consommés 🍤

• Décomposition de la matière organique végétale/animale

• Apport par les sols riches (substrats naturels)

Rôles :

• Énergie cellulaire (ATP)

• Croissance racinaire et reproduction des plantes aquatiques

📚 Source : Schindler, D.W. (1977). Evolution of phosphorus limitation in lakes – Science.

3. ⚡ Potassium (K⁺)

Forme :

• Ion K⁺ dissous

Origine :

• Minéraux du sol, substrats enrichis

• Engrais naturels ou compléments

Rôle :

• Régulation osmotique

• Transport actif de nutriments

📚 Source : Marschner, H. (1995). Mineral Nutrition of Higher Plants.

4. 🧲 Fer (Fe)

Formes :

• Fe²⁺ (fer ferreux) : soluble, assimilable

• Fe³⁺ (ferrique) : précipité, peu biodisponible

Origine :

• Substrat, terreau, argiles

• Ajouts sous forme chélatée (Fe-EDTA, Fe-DTPA)

Rôle :

• Synthèse de la chlorophylle

• Respiration cellulaire

📚 Source : Raven, P.H. et al. (2005). Biology of Plants.

5. ⚛️ Calcium (Ca²⁺) et Magnésium (Mg²⁺)

Origine :

• Roche calcaire, eau du robinet, substrats minéraux

Rôles :

• Calcium : paroi cellulaire, messagerie intracellulaire

• Magnésium : élément central de la molécule de chlorophylle

📚 Source : Epstein, E. (1972). Mineral Nutrition of Plants.

6. 💨 Carbone (CO₂, HCO₃⁻, CO₃²⁻)

Formes :

• CO₂ (gaz dissous) : utilisé en photosynthèse

• HCO₃⁻ (bicarbonates) et CO₃²⁻ (carbonates) : tampons du pH

Origine :

• Respiration des êtres vivants

• Dégradation de la matière organique

• Diffusion atmosphérique 🌬️

📚 Source : Stumm, W. & Morgan, J.J. (1996). Aquatic Chemistry.

7. ⚖️ Autres éléments traces

• Soufre (S : SO₄²⁻) : synthèse d’acides aminés

• Bore (B), Zinc (Zn), Cuivre (Cu), Molybdène (Mo), Manganèse (Mn) : cofacteurs enzymatiques, présents à l’état de traces

📚 Source : Foth, H.D. (1990). Fundamentals of Soil Science.

3.🔁 Phénomènes de transformation des éléments chimiques en aquariophilie naturelle

1. 🧬 Le cycle de l’azote (nitrification et dénitrification)

🟢 Étape 1 : Ammonification

Les protéines (déjections, plantes mortes, aliments non consommés) sont dégradées par des bactéries hétérotrophes en ammonium (NH₄⁺) ou ammoniac (NH₃).

🔬 Transformation biochimique :R-NH₂ → NH₃ / NH₄⁺

📚 Source : Wetzel, R.G. (2001) Limnology

🟡 Étape 2 : Nitrification (en présence d’oxygène)

• Nitrosomonas transforme :NH₄⁺ → NO₂⁻ + H₂O + H⁺

• Nitrobacter transforme :NO₂⁻ → NO₃⁻

🔋 Coût énergétique pour les bactéries : processus autotrophe chimiolithotrophique

📚 Source : Prosser, J.I. (1989) Autotrophic nitrification in bacteria

⚫ Étape 3 : Dénitrification (en sol anaérobie)

Les bactéries dénitrifiantes utilisent les nitrates comme accepteur final d’électrons pour produire de l’azote gazeux :NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂ ↑

🌱 Intérêt : épuration naturelle de l’eau et retour de l’azote à l’atmosphère

📚 Source : Seitzinger, S.P. (1988). Denitrification in freshwater and coastal marine ecosystems

2. 🧲 Précipitation et complexation des métaux (Fe, Cu, Zn...)

🧪 Précipitation

En pH alcalin (pH > 7), certains ions comme Fe³⁺ forment des hydroxydes insolubles :Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃ ↓

❗ Cela rend le fer non disponible pour les plantes → d’où l’usage de chélates (Fe-EDTA).

🔗 Complexation

Certains métaux forment des complexes organiques avec l’humus ou les acides fulviques :Fe³⁺ + acide humique → [Fe-humate]

📚 Source : Stumm & Morgan (1996), Aquatic Chemistry

3. 🧫 Minéralisation des matières organiques

Les déchets organiques (cadavres, feuilles mortes) sont transformés en éléments minéraux simples par des bactéries et champignons :

• C → CO₂

• N → NH₄⁺

• P → PO₄³⁻

• S → SO₄²⁻

Ce processus rend les nutriments assimilables par les plantes.

📚 Source : Fenchel & Finlay (1995). Ecology and Evolution in Anoxic Worlds

4. 🌡️ Fixation et relargage par le sol

Les substrats naturels comme l’argile, la tourbe ou le sable enrichi fixent certains éléments (PO₄³⁻, K⁺, NH₄⁺) par adsorption électrostatique.

Mais ces éléments peuvent être relargués si :

• Le pH change

• L’oxygène devient rare (réduction)

• Les micro-organismes les mobilisent

📚 Source : Goldberg, S. (2005). Soil Chemistry

5. 💨 Échanges gazeux et pH

CO₂ ↔ HCO₃⁻ ↔ CO₃²⁻

En fonction du pH et de l’activité des plantes et bactéries, le carbone inorganique passe d’une forme à l’autre :

• pH < 6 : CO₂ dissous dominant

• pH 6–8 : HCO₃⁻ dominant

• pH > 8 : CO₃²⁻ dominant

🌿 Les plantes absorbent de préférence le CO₂ libre (photosynthèse).

📚 Source : Stumm & Morgan (1996), Aquatic Chemistry

3. 🔁 Le cycle de l'azote

Le cycle de l'azote est un processus crucial qui transforme les déchets toxiques en composés moins nocifs :

1. Ammoniac (NH₃) / Ammonium (NH₄⁺) : produits par les déchets organiques.

2. Nitrites (NO₂⁻) : formés par l'action des bactéries Nitrosomonas.Wikipedia

3. Nitrates (NO₃⁻) : résultats de l'action des bactéries Nitrospira, moins toxiques et assimilables par les plantes.Wikipedia+1Wikipedia+1

Ce processus est essentiel pour éviter l'accumulation de composés toxiques dans l'aquarium.

4. 🌊 Autres transformations biochimiques

4.1. Dénitrification

En conditions anaérobies, certaines bactéries transforment les nitrates en azote gazeux (N₂), réduisant ainsi la concentration de nitrates dans l'eau. Reef2Reef

4.2. Assimilation par les plantes

Les plantes aquatiques absorbent les nitrates et les phosphates pour leur croissance, contribuant à la purification de l'eau.

4.3. Précipitation chimique

Certains éléments, comme le fer, peuvent précipiter et devenir indisponibles pour les organismes si les conditions de pH et de dureté ne sont pas adéquates.

4.🦠 Le rôle des bactéries bénéfiques en aquariophilie naturelle

1. 🔁 Cycle de l’azote : la base du système

Les bactéries sont les actrices principales de la nitrification :

🟢 Nitrosomonas

Convertit l’ammonium toxique (NH₄⁺) en nitrites (NO₂⁻).💬 Formule : NH₄⁺ + 1.5 O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O👉 Cela acidifie légèrement l’eau.

🟡 Nitrobacter / Nitrospira

Convertit les nitrites (NO₂⁻) en nitrates (NO₃⁻), beaucoup moins toxiques.💬 Formule : NO₂⁻ + 0.5 O₂ → NO₃⁻

📚 Sources :

• Prosser J.I. (1989), Autotrophic Nitrification

• Hovanec et al. (1998), Nitrospira-like bacteria as nitrifiers

2. ⚫ Dénitrification : nettoyage anaérobie

En absence d’oxygène (dans les zones profondes du sol), des bactéries comme Pseudomonas ou Paracoccus réduisent les nitrates en azote gazeux (N₂).

💬 Étapes :NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂↑ (qui quitte l’aquarium)

👉 Cela purifie l’eau sans changer le volume de nutriments assimilables.

📚 Source : Seitzinger et al. (2006), Denitrification across ecosystems

3. 🧫 Dégradation de la matière organique (ammonification)

Les bactéries hétérotrophes (genre Bacillus, Pseudomonas, etc.) décomposent les restes organiques (plantes mortes, déjections, aliments).

Résultat :

• Libération d’NH₄⁺, PO₄³⁻, SO₄²⁻

• Mise à disposition des nutriments pour les plantes

📚 Source : Fenchel & Finlay (1995), Ecology in Anoxic Worlds

4. 🧪 Mobilisation et solubilisation des nutriments

Certaines bactéries :

• Libèrent du fer, du manganèse ou du phosphate bloqués dans le sol

• Produisent des acides organiques ou des enzymes chélatantes

👉 Cela rend des éléments disponibles pour les racines.

📚 Source : Richardson, A.E. (2001), Prospects for using soil microorganisms

5. 🛡️ Compétition et protection des plantes

Les bactéries bénéfiques colonisent les racines et les feuilles immergées (biofilm).Elles :

• Compétitionnent avec les pathogènes

• Produisent des antibiotiques naturels ou des enzymes protectrices

• Participent à la santé globale du bac

📚 Source : Berendsen et al. (2012), The rhizosphere microbiome and plant health

6. 🌿 Formation du biofilm

Les bactéries forment un biofilm visqueux sur les surfaces (plantes, racines, vitres, sol) :

• Protège les colonies bactériennes

• Stabilise les échanges microbiens

• Sert de nourriture pour la microfaune

📚 Source : Flemming et al. (2016), Biofilms: an emergent form of bacterial life

🧫 Tableau : Bactéries bénéfiques et leurs fonctions en aquarium naturel

🧪 Groupe bactérien	⚙️ Fonction principale	🔄 Transformation chimique	🌍 Zone d’activité
Nitrosomonas	Nitrification (1ère étape)	NH₄⁺ → NO₂⁻	Substrat, filtre, surfaces aérées
Nitrobacter / Nitrospira	Nitrification (2ème étape)	NO₂⁻ → NO₃⁻	Substrat, filtre, surfaces aérées
Pseudomonas, Paracoccus	Dénitrification (en anaérobie)	NO₃⁻ → NO₂⁻ → N₂	Sol profond, zones anaérobies
Bacillus, Pseudomonas	Ammonification (dégradation organique)	Matière organique → NH₄⁺, PO₄³⁻, etc.	Sol, biofilm, déchets
Azospirillum, Rhizobium	Fixation ou libération d’azote / phosphate	Azote atmosphérique ou organique → NH₄⁺	Rhizosphère, sol enrichi
Paenibacillus, Pseudomonas fluorescens	Libération de fer ou de phosphore bloqué	Minéraux → Fe²⁺, PO₄³⁻	Rhizosphère, biofilm racinaire
Lactobacillus, Streptomyces	Protection naturelle, biofilm, compétition contre pathogènes	—	Racines, feuilles, surfaces colonisées

🔎 Légende des icônes :

• 🧫 : Type de bactérie

• ⚙️ : Fonction biologique

• 🔄 : Réaction chimique observée

• 🌍 : Milieu où elle est active

5. 🧪 Paramètres chimiques à surveiller

• pH : Idéalement entre 6 à 6,5 pour la plupart des aquariums naturels.

• Dureté (GH et KH) : influence la stabilité du pH et la disponibilité des minéraux.

• Ammoniac, Nitrites, Nitrates : doivent être maintenus à des niveaux non toxiques.Wikipédia, l'encyclopédie libre

• Phosphates : doivent être contrôlés pour éviter la prolifération d'algues.

📚 Conclusion

La compréhension des transformations biochimiques des éléments dans l'eau est essentielle pour maintenir un aquarium naturel équilibré. La gestion adéquate des paramètres chimiques et le soutien aux bactéries bénéfiques assurent la santé des organismes aquatiques.