Ciclo do Nitrogênio

Antes de manter peixes, plantas ou invertebrados, temo que aprender

a criar bactérias.

Exatamente amigos... bactérias

Solange Nalenvajko

Denis Cetera

Nossos aquários são exemplos máximos de exuberância e vida.  Possuímos em nossa casa um pedaço da natureza com peixes, plantas e invertebrados, entre outros, e isto é algo que nos encanta, nos ensina, e nos apaixona. Contudo possuímos protagonistas invisíveis sem os quais não existiria vida, não existiria aquário.
Iremos entender nesse artigo que antes de manter peixes, plantas e invertebrados, mantemos bactérias. Exatamente amigos... bactérias.
Muitas vezes condenadas pela generalização, acabam sendo combatidas de forma sistêmica pela desinformação. Iremos abordar de forma simples essas questões tão importantes, respondendo ao final os questionamentos mais recorrentes em relação a nossas amadas bactérias. 

Foto: Sérgio Monteiro

A remoção biológica do nitrogênio em suas diversas formas até chegar ao nitrogênio molecular (N2, que será incorporado ao ar) se dá através de três processos:
- Amonificação, que é a conversão do nitrogênio orgânico (N-org) em nitrogênio amoniacal (N-amon);
- Nitrificação, que se divide em nitritação (oxidação da amônia NH3 para nitrito NO2) e nitratação (oxidação do nitrito NO2 para nitrato NO3);
- Desnitrificação, que é a conversão de nitrato (NO3) para nitrogênio molecular (N2).
Estes três processos ocorrem basicamente por intermédio de bactérias.
Na amonificação atuam bactérias heterotróficas decompositoras ou saprófitas, que conseguem seus alimentos decompondo materiais orgânicos mortos ou excretados pelos organismos, utilizando as proteínas e os aminoácidos como fonte para suas próprias proteínas e liberando o excesso de nitrogênio sob a forma de amônia (NH3). 
Na nitrificação as bactérias atuantes pertencem a vários gêneros, sendo eles os seguintes:
- as que oxidam amônia: Nitrosococcus (quatro espécies), Nitrospira (três espécies) e Nitrosomonas (dez espécies);
- as que oxidam nitrito: Nitrobacter (quatro espécies), Nitrospira (três espécies), Nitrospina (uma espécie) e Nitrococcus (uma espécie).
Com relação a bactérias nitrificantes, podemos dizer que são:
- autotróficas quimiossintetizantes, sintetizam seu alimento a partir de reações de compostos inorgânicos, produzindo energia química que é usada em seu metabolismo;
- aeróbicas, necessitam de oxigênio;
- fotossensíveis. Segundo um dos textos consultados, “no aquário estas bactérias fazem este processo de nitrificação com luzes apagadas”. Segundo outro, “são fotossensíveis, devendo ser mantidas na escuridão”. 

As mídias biológicas são locais perfeitos para colonização de bactérias importantes para manter a água de nossos aquários capaz de sustentar vida. Boa circulação de água e fartura de oxigênio irão favorecer o desenvolvimento desses microrganismos. Nesse exemplo estão as mídeas K1.

Esses dois grupos de microrganismos (bactérias oxidadoras de amônia e bactérias oxidadoras de nitrito) são grupos de organismos distintos, não realizando a oxidação de ambas as formas nitrogenadas.
Alguns fatores externos interferem no crescimento das bactérias nitrificantes e entre eles estão o pH, oxigênio dissolvido e temperatura.
É citado como sendo a faixa ótima de pH para o crescimento das bactérias nitrificantes o intervalo entre 7,0 e 8,5. A nitrificação fica completamente inibida em pH abaixo de 5,0 e acima de 9,0. Quanto mais próximos estes limites, menor a taxa de crescimento. O pH ótimo para Nitrosomonas é de 8,1 e para Nitrobacter é de 7,9. Um bom motivo para não preocupar-se com pH alcalino durante o processo de ciclagem.
O oxigênio é um gás que apresenta baixa solubilidade em líquido. O valor mínimo requerido de oxigênio dissolvido para o desenvolvimento de bactérias responsáveis pela oxidação da matéria orgânica é de 2 mgL, sendo que abaixo deste valor o crescimento é limitado. A concentração crítica, abaixo da qual a nitrificação não acontece, fica em torno de 0,2 mgL . 

Não importa se comprou um sistema caro de filtragem, caso não tenha dado tempo para que colônias de bactérias se estabelecessem (ciclagem) o qualidade de sua água irá declinar rápido com serio impacto na saúde de seus peixes.

Considerando-se os peixes, o valor mínimo requerido é de 6 mgL. Curiosidade: durante a digestão dos peixes pode ocorrer um declínio do oxigênio dissolvido em função do aumento da respiração.
A temperatura influencia diretamente na taxa de crescimento dos microrganismos nitrificantes, sendo que o intervalo ótimo se encontra entre 25 a 36°C. 
A última etapa do ciclo é a de desnitrificação onde, na ausência de oxigênio (águas anóxicas ou fundo de substratos elevados, acima de 25 cm), bactérias heterotróficas transformam o nitrato em gás nitrogênio (N2).  A maioria das bactérias desnitrificantes encontra-se no Filo Proteobacteria. Os gêneros mais representativos incluem Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus e Thiosphaera.
A ausência de oxigênio dissolvido é um pré-requisito para a ocorrência da desnitrificação. As melhores taxas de crescimento de bactérias desnitrificantes são conseguidas em temperatura em torno de 35°C e pH próximo ao neutro.
Alguns lembretes: 
- Não existe concentração segura de amônia para os peixes;
- O nitrito deve manter-se abaixo de 1mgL, pois ele se combina com a hemoglobina dando origem a metahemoglobina que não tem capacidade de fixar e transportar o oxigênio;
- O nitrato se acumula na água e torna-se tóxico em concentrações muito elevadas (acima de 300 mgL).

Perguntas&Respostas

O que são bactérias nitrificantes autotróficas?
São bactérias benéficas de nossos sistemas responsáveis pela chamada nitrificação transformando biologicamente amônia em nitrito e nitrito em nitrato. São bactérias que possuem a capacidade de produzir seu próprio alimento através da quimiossíntese.

Qual a diferença básica entre nitrificação e desnitrificação?
A nitrificação é um processo feito por bactérias nitrificantes convertendo amônia que ocorre naturalmente em nossos sistemas em nitrito, que então se converte em nitrato, processo conhecido como ciclo do nitrogênio. A desnitrificação é feita por bactérias heterotróficas que convertem nitrato em nitrogênio gasoso, completando o ciclo. Nitrificantes autotróficas têm importância fundamental; heterotróficas depuradoras possuem igual importância, contudo sua população deve ser equilibrada.

Se as bactérias heterotróficas não estiverem com a população equilibrada no aquário, o que acontece?
Basicamente bactérias heterotróficas, além de completar o ciclo do nitrogênio, degradam matéria orgânica produzindo amônia. Se sua população for muito superior em relação às bactérias nitrificantes, não ocorrerá o processamento eficaz desse perigoso composto nitrogenado pela nitrificação, sendo relativamente comum ocorrerem picos de amônia de forma sistêmica.
Além disso, bactérias heterotróficas disputam o oxigênio dissolvido com os peixes e demais organismos do aquário. Em grandes concentrações a água ficara turva (demostrando explosão populacional de bactérias) e em muitos casos os peixes poderão morrer por asfixia, já que o oxigênio dissolvido poderá ser totalmente consumido pelas bactérias heterotróficas. Devemos buscar o equilíbrio.

Bactérias anaeróbias facultativas, o que são?
Bactérias são os seres vivos (apesar de não possuir núcleo) mais bem adaptados da Terra. Podemos encontrar bactérias em praticamente qualquer sistema. Normalmente encontramos as chamadas bactérias anaeróbias obrigatórias (que são prejudicadas pela presença de oxigênio), bactérias aerotolerantes (que não usam o oxigênio para o seu desenvolvimento, contudo sua presença não as afeta), e bactérias anaeróbias facultativas (que se desenvolvem sem oxigênio, mas pod

em utilizar o mesmo se estiver presente).

Como proporcionar o melhor ambiente para as bactérias nitrificantes? Quais os principais pontos que devemos observar?
Para que possamos entender a forma como cada uma delas cumpre seu papel no aquário, é importante inicialmente entender suas necessidades para que possam se desenvolver de forma plena. Bactérias benéficas devem ter o mesmo cuidado e atenção se comparadas aos peixes do aquário. Lembrem-se, amigos, sem elas não existe aquário.

 


Os pontos básicos a serem observados são os seguintes:
1-    pH e KH estáveis.
Normalmente nos preocupamos com o pH adequado para nossos peixes e plantas (fundamental), contudo bactérias nitrificantes tem relação muito sensível a esse quesito, sendo que as taxas máximas de nitrificação ocorrem em pH acima de 7,2. Os níveis de nitrificação de acordo com o pH são:
pH 8.3 - Nitrificação 100%
pH 7.8 - Nitrificação  85%
pH 7.5 - Nitrificação  80% 
pH 7.2 - Nitrificação  75%
pH 7.0 - Nitrificação  50%
pH 6.8 - Nitrificação  39%
pH 6.5 - Nitrificação  30%
pH 6.0 - Nitrificação  10%

Ao contrário do que muitos pensam, bactérias nitrificantes não morrem em pH abaixo de 6,0, contudo nesses valores elas param de se reproduzir.
Também é necessário manter a reserva alcalina sempre constante e em nível adequado para ajudar no processo de nitrificação. A reserva alcalina tem papel fundamental na estabilidade do pH, o que é necessário não somente para a filtragem mas também na manutenção da qualidade de vida do ambiente aquático devido à quebra do equilíbrio osmótico.
Os carbonatos são essenciais para o processo da nitrificação. Cada grama de amônia metabolizada pelas bactérias nitrificantes consome aproximadamente 7 gramas de carbonato, sendo de extrema importância que o mesmo esteja disponível para uma perfeita filtragem biológica.

2-    Oxigênio
Para que nossas bactérias possam existir é necessário que exista oxigênio. Se temos oxigenação otimizada teremos da mesma forma otimização em relação à manutenção de nossas bactérias nitrificantes. Em relação à concentração de oxigênio dissolvido, podemos dizer que uma concentração entre 2 a 3 ppm será compatível para manter as colônias, contudo níveis mais elevados de oxigenação (entre 6 a 8 ppm) serão muito mais efetivos.

3-    Amônia
A população de bactérias nitrificantes é dependente da quantidade de amônia (níveis não detectáveis em testes) que está sendo produzida. Basicamente em alguns casos essa proporção irá determinar o tamanho das colônias. 
Lembrando que a superfície para colonização biológica deve ser compatível com o tamanho da colônia, sob perda em massa de bactérias por não possuírem local especifico para fixação e consequente proliferação.
Um detalhe muito importante diz respeito à adaptação de nossas colônias em relação à carga orgânica e os compostos orgânicos produzidos através da mesma. Um exemplo clássico é quando colocamos uma grande quantidade de peixes no aquário de uma só vez: fatalmente a amônia subirá. 
Levando em consideração que as bactérias nitrificantes irão se dividir e proliferar entre 12 a 20 horas enquanto as heterotróficas fazem o mesmo em um período de 15 a 20 minutos, podemos concluir que teremos um problema considerável a ser resolvido o quanto antes. Além disso, as bactérias que convertem nitrito em nitrato não se multiplicam de forma eficiente em sistemas com níveis de amônia acima de 0,50 ppm.

4-    Micronutrientes
Todas as espécies de bactérias nitrificantes requerem uma série de micronutrientes. Um dos mais importantes entre estes é a necessidade de fósforo para a produção de ATP (adenosina trifosfato). A conversão de ATP fornece energia para funções celulares. O fósforo está normalmente disponível para as células na forma de fosfatos, trocas parciais normalmente repõem esses micronutrientes. O molibdênio é fundamental para o processo de nitrificação, ou seja, podemos concluir que a falta de micronutrientes é um dos principais fatores limitantes da filtragem biológica.

Falamos das bactérias nitrificantes, mas e as bactérias heterotróficas, quais suas exigências básicas?
Onde houver uma fonte de alimento orgânico, as heterotróficas estarão lá. São extremamente adaptáveis, podendo viver em ambientes com altas e baixas taxas de oxigênio, inclusive existindo espécies que são anaeróbios facultativos, ou seja, sobrevivem sem oxigênio.

Elas só vivem nas mídias biológicas?
Bactérias heterotróficas estão em todas as partes do aquário: vidro, substrato, enfeites, plantas e mídias biológicas. Bactérias nitrificantes se concentram em menor proporção na camada superior do substrato, e em maior proporção nas mídias biológicas.

Como eu sei que o meu aquário está equilibrado por meio delas?
Um dos principais sinais de estabilidade biológica é sempre ter níveis de amônia e nitrito zerados em relação a testes comumente vendidos no mercado. A amônia está lá, só que em níveis seguros para os animais do aquário. Bactérias nitrificantes chegam a um equilíbrio onde praticamente a mesma quantidade de bactérias que nascem são as que morrem, assim o consumo da amônia e nitrito é otimizado e imperceptível em nossos testes.

Qual seria o fluxo ideal sobre as mídias e sua importância para a otimização de nossa filtragem?
Bactérias nitrificantes não procuram ativamente compostos nitrogenados. Devemos melhorar o fluxo sobre as mídias para otimizar nossa filtragem. Como sabemos bactérias nitrificantes conseguem a duplicação entre 12 a 20 horas, por sua vez bactérias heterotróficas conseguem a duplicação entre 15 a 20 minutos, ou seja, a taxa de proliferação das heterotróficas é muito superior, e por esse motivo estarão sempre em vantagem populacional.
Um dos resultados dessa superpopulação é a colonização predominante da parte externa primária de nossas mídias biológicas por bactérias com maior população, cria-se uma espécie de biofilme bacteriano dominado por bactérias heterotróficas. Este biofilme irá captar incialmente os nutrientes orgânicos não sobrando muita coisa para as bactérias nitrificantes (responsáveis pela nitrificação) que estarão abaixo deste biofilme.
O resultado é uma degradação populacional de bactérias nitrificantes, o que explica em muitos casos sistemas com grande quantidade de mídias biológicas que não conseguem zerar amônia ou nitrito. Esse desequilíbrio está intimamente ligado ao fluxo sobre as mídias biológicas que estarão capitaneadas por bactérias heterotróficas.
Com um fluxo adequado conseguimos romper o biofilme que de certa forma evita que nossas bactérias autotróficas recebam nutrientes orgânicos além de equilibrar nossas colônias. Um fluxo interessante seria em torno de 25 a 30 vezes por hora em relação ao recipiente que contem as mídias. Usando um exemplo prático:
Para um sump com área destinada para mídias biológicas correspondente a 30 litros, iremos proporcionar um fluxo entre 750 a 900 litros/hora sobre as mídias.
No caso dos filtros canisters, basta multiplicar altura, largura e comprimento do recipiente ou “balde” e então dividir o resultado por 1000 para saber o volume do mesmo e verificar se a vazão corresponde a ideal. Como exemplo, se o copo do canister tiver de  40cm x 25cm x 25cm = 25000/1000 = 25 litros. A vazão ideal estará entre 625 a 750 litros/hora.

Se eu usar as mídias cicladas de outro aquário, acelero a biologia?
Diferente da água, nossas bactérias nitrificantes estarão em maior quantidade nas mídias biológicas. Um detalhe muito importante é que estas bactérias são muito sensíveis a choque de parâmetros, principalmente pH e temperatura. Se forem adicionadas a um novo aquário com os mesmos parâmetros, irão ajudar de forma muito positiva a ciclagem. 

 O tipo de filtro influencia na biologia? 
Um filtro adequado deve ter bom espaço para as mídias biológicas e vazão ideal para otimizar a proliferação ideal de bactérias benéficas. Se ele não seguir esses quesitos fundamentais poderemos em pouco tempo ter picos de compostos nitrogenados.  

 

Referências
https://www.tratamentodeagua.com.br/wp-content/uploads/2017/01/Remo%C3%A7%C3%A3o-biol%C3%B3gica-de-nitrog%C3%AAnio-em-efluentes-l%C3%ADquidos-uma-revis%C3%A3o.pdf
http://www.coenge.ufcg.edu.br/publicacoes/Public_357.pdf
http://www.scielo.br/pdf/esa/v21n1/1413-4152-esa-21-01-00029.pdf
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2-  Boks E, Koops H-P. The genus Nitrobacter and related genera. In: Balows A, Trüper H G, Dworkin M, Harder W, Schleifer K-H, editors 1992.
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4- Ward, B. B.: Nitrification in Marine Systems, in: “Nitrogen in the Marine Environment”, edited by: Capone, D. G., Bronk, D. A.,Mulholland M. R., and Carpenter, E. J., Academic Press (2008).
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7- Aquários Sobrinho, filtragem-biológica, 2017.

Foto: Mário Barros