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Ramsch, B. 1994: Wie kann der überflüssige Stickstoff aus dem Aquarium entfernt werden? Diskus-Rundbrief der Diskus-Züchtergemeinschaft 1:19-26.

Wie kann der überschüssige Stickstoff aus dem Aquarium entfernt werden?

von Dipl.-Biol. Burkhard Ramsch


Stickstoff (chemisches Kurzzeichen N), ein wichtiges Element der Natur, ist für jedes Lebewesen - ob Tier, Pflanze oder Bakterium - lebensnotwendig. In natürlichen aquatischen Biotopen ist Stickstoff oft ein Mangelfaktor, so dass verschiedene Strategien entwickelt wurden, um an das wichtige Element zu gelangen. Im Aquarium dagegen ist es oft der Fall, dass Stickstoff in Hülle und Fülle vorliegt und die Hälterungsbedingungen verschlechtert (Algenplage, Unwohlsein der Fische).

Stickstoff wird in Form von Eiweißen oder Aminosäuren im Futter, dass von Fischen zu Ammonium / Ammoniak (NH4+ / NH3) umgewandelt wird, oder in Form von Nitrat (NO3-) im Leitungswasser in das Aquarium gebracht, ferner durch stickstoffixierende Organismen (einige Blaualgen, symbiontische Blaualgen z.B. im Schwimmfarn Azolla). Der erste Schritt, Stickstoffwerte im Aquarium zu verringern, ist die Unterbindung des Stickstoffeintrags. Das Leitungswasser ist in vielen Fällen nicht für die Hälterung oder die Zucht von tropischen Fischen geeignet und muss aufbereitet werden. Dabei sollte neben der Härte und dem Leitwert auch auf niedrige Stickstoffwerte geachtet werden.

Zur Verfügung stehen einige verschiedene Methoden, um Stickstoff aus dem Leitungswasser herauszubekommen.

Um einem weit verbreitetem Irrtum entgegenzutreten: mit Aktivkohle kann kein Nitrat entfernt werden (außer in einem Denitrifikationsfilter), dafür aber sehr wohl organischen Substanzen unter der Voraussetzung, dass die Kontaktzeit eingehalten wird (Kontaktzeiten von wenigen Minuten, wie sie bei einigen Aktivkohlefiltern zur Leitungswasseraufbereitung verwirklicht werden, können keine hohen Reinigungsleistungen durchführen).

Vollentsalzer senken die Leitfähigkeit und je nach Qualität des Harzes und Durchflussgeschwindigkeit durch die Entsalzungssäulen kann ebenfalls Nitrat entfernt werden. Die Austauschtechnik ist etwas kompliziert zu bedienen (Hantieren mit Säuren und Laugen) und kann außerdem kaum organische Stoffe entfernen - eine Aktivkohlefilterung danach sollte zusätzlich vorgenommen werden.

Umkehrosmosetechnik ist dagegen sehr leicht zu handhaben und entfernt neben gelösten Salzen (Härte, andere Ionen) auch organischen Inhaltsstoffe wie z.B. Pestizide. Nachteilig ist, dass bei dieser Technik Abwasser produziert wird. Dieses kann allerdings für andere Zwecke (Topfblumen, Garten) noch benutzt werden kann.

Ist erst einmal das Wasser aufbereitet (richtige Härte, Temperatur und evtl. Zusatzstoffe) und von Stickstoffverbindungen (meist Nitrat) befreit, kann es für das Aquarium gut eingesetzt werden.

Im Aquarium werden die Fische gefüttert und der im Futter enthaltene Stickstoff zum Teil in fischeigene Verbindungen umgewandelt. Der größte Teil wird jedoch als Ammonium / Ammoniak über die Kiemen ausgeschieden und würde, wenn dieses Ammonium / Ammoniak nicht verbraucht oder umgewandelt würde, die Fische schnell vergiften, da diese Verbindung äußerst toxisch (giftig) ist. Ebenso werden nicht gefressene Futterreste durch Destruenten (u.a. Bakterien) abgebaut und Ammonium / Ammoniak freigesetzt. Bei diesen beiden Vorgängen gilt: je mehr gefüttert wird, desto größer sind die Ausscheidungen von Ammonium / Ammoniak. Sparsames Füttern ist demnach ein guter Schritt zur Verhinderung von Stickstoffanreicherungen. Bei der Zucht von Fischen kann dieses Prinzip jedoch nicht angewendet werden, da einige Jungfische im "Futter stehen" müssen.

Ammonium / Ammoniak kann auf mehrere Weisen unschädlich gemacht werden. Es kann direkt von Pflanzen aufgenommen und in Biomasse umgewandelt werden (die Pflanzen wachsen) und mit dem Auslichten der Pflanzen werden die eingebauten Stickstoffverbindungen mit aus dem Aquarium genommen. Ein dichter Pflanzenwuchs ist somit eine gute Stickstoffsenke. Aber auch diese Methode ist für die meisten Zuchtbecken nicht einsetzbar, da vom Züchter aus Hygienegründen auf Pflanzen verzichtet wird.

Die wichtigste biochemische Reaktion im Aquarium ist die sogenannte Nitrifikation. Hochspezialisierte Bakterien - die Nitrifikanten (z.B. Nitrosomonas, Nitrobacter) - oxidieren Ammoniak über Nitrit zum Nitrat, das für den Besatz weitaus ungefährlicher ist. Bedingungen, die die Nitrifikation sicher ablaufen lassen, sind sauerstoffreiches Wasser in einem eingefahrenen, schnell durchströmten Filter (auch Biofilter genannt). Die Nitrifikanten brauchen keine organischen Stoffe, sondern nur Kohlendioxid, Ammoniak bzw. Nitrit und einige Spurenelemente. Besonders in der Anfahrphase eines Aquariums will die Nitrifikation nicht so recht anlaufen.

Aber auch wenn das toxische (giftige) Ammonium / Ammoniak zum ungefährlicheren Nitrat umgewandelt wurde, besteht die Gefahr, dass sich immer mehr Nitrat bildet (es wird ja regelmäßig gefüttert) und in hohen Konzentrationen ebenfalls giftig wirkt. Nitrat wird wie Ammonium / Ammoniak auch von Pflanzen verwertet und in die Zellmasse eingebaut, dabei ist die Nitratbildungsrate meist höher, als der Nitratverbrauch. Nitrat muss somit durch andere Maßnahmen entfernt werden, als es bei Ammonium /Ammoniak der Fall ist.

Die einfachste Maßnahme ist der regelmäßige Teilwasserwechsel, mit dem auch andere nicht oder nur schwer abbaubare Stoffe (z.B. Gelbstoff) entfernt werden.

Auch kann in sehr salzarmen Aquarienwässern mit speziellen Ionenaustausch-Harzen gearbeitet werden, um das Nitrat zu entfernen. Diese Methode ist jedoch nicht einfach, da auch andere Salze teilweise mit entfernt werden. Deshalb sollte diese Methode nur vom Spezialisten angewendet werden. In Aquarien mit höheren Leitwerten oder im Meerwasseraquarium sollte die Ionenaustausch-Methode nicht verwendet werden, da die Ionenverschiebung dort zu ungeahnten Komplikationen führen kann (allgemeines Unwohlsein, gestörter Stoffwechsel).

In letzter Zeit sind Denitrifikationsfilter (auch Nitratfilter genannt) vermehrt zum Einsatz gekommen. Unter Denitrifikation versteht man die mikrobiologische Umwandlung vom Nitrat zu molekularem Stickstoff (N2 ist zu 80% in der Luft enthalten). Dieser Prozess kann von sehr vielen Bakterien ausgeführt werden; die Reaktionsbedingungen sind aber entgegengesetzt zu den optimalen Nitrifikationsbedingungen. Damit eine Denitrifikation stattfinden kann, darf bei gebräuchlichen Filtermaterialien kein gelöster Sauerstoff im Filter sein und es müssen zusätzlich organische Stoffe als "Bakterienfutter" angeboten werden.

Organische Stoffe sind normalerweise in geringen Mengen immer gelöst im Aquariumwasser vorhanden. Diese Stoffe können auch für die Denitrifikation genutzt werden, indem im Nitrifikationsfilter ein spezielles poröses Filtermaterial (z.B. Siporax; ähnliche Funktion haben die in der Meerwasseraquaristik eingesetzten "lebenden Steine") eingesetzt wird. An und in den äußersten Schichten dieses Materials siedeln sich Nitrifikanten und andere sauerstoffliebende Bakterien an, weil dort genügend gelöster Sauerstoff vorhanden ist. Der Sauerstoff kann jedoch nicht ganz bis zur Mitte des Filtermaterials dringen - dort herrscht also Sauerstoffmangel und somit gute Bedingungen für die Denitrifikation. Da immer einige organische Verbindungen zur Verfügung stehen, kann auch ein Teil des Nitrates zu Luftstickstoff reduziert werden. Nachteil dieser Methode ist die geringe Effektivität. Bei hohen Nitratbildungsraten (viele Fische, die gut gefüttert werden) hält die Entfernung des Nitrates mit der Anreicherung nicht stand. Die Nitratwerte steigen also.

Um bei hochbelasteten Aquarien eine intensive Denitrifikation zu ermöglichen, müssen sogenannte Denitrifikationsfilter benutzt werden. Leider sind diese meist entweder nicht effektiv oder sehr gefährlich. Eine sichere Denitrifikation wird somit zum Glücksfall.

Viele angebotenen Denitrifikationsfilter sind im Prinzip ein geschlossener Filterkasten, in dem sich ein untergetauchtes Filtermaterial als Aufwuchsfläche für die Bakterien befindet. Das Aquariumwasser tropft langsam in den Filter, soll dort vom Nitrat befreit werden und tropft vom Filter wieder ins Aquarium. Ab und zu wird eine Nährflüssigkeit oder ein Nährpulver hinzugegeben, damit die denitrifizierenden Bakterien ihre Arbeit aufnehmen können. In dem Filter ist kaum eine Strömung vorhanden (die Aufenthaltszeit des Wassers beträgt mehrere Stunden), so dass sich verschiedene Zonen ausbilden:

Am Vorderende des Filterkastens, dort wo das Aquariumwasser hineintropft, ist noch viel Sauerstoff vorhanden - das Wasser hat mehr oxidierende als reduzierende Eigenschaften, d.h. das Redoxpotential ist im positiven Bereich. Je weiter das Wasser durch den Filter fließt, desto mehr wird der Sauerstoff von den Bakterien, die die Nährsubstanz verarbeiten, verbraucht - das Redoxpotential fällt in den negativen Bereich. An der Stelle, wo kein Sauerstoff mehr zu messen ist, stellen sich die Bakterien um und veratmen anstatt des Sauerstoffs einfach das Nitrat zu Luftstickstoff (Redoxpotential ca. -50 bis -300 mV). Noch weiter am Ende des Filters, wo bereits das gesamte Nitrat verbraucht wurde, stellen sich die Bakterien erneut um und verbrauchen nun Sulfat (unter -300 mV), dass meist in hohen Konzentrationen im Wasser vorhanden ist. Bei diesem Prozess - Sulfatreduktion genannt - entsteht der hochgiftige Schwefelwasserstoff (H2S).

Diesen Typen von Denitrifikationsfilter zu steuern, ist sehr schwierig. Wenn der Wasserdurchfluß zu hoch gewählt oder die Bakterien zu wenig gefüttert werden, ist zu viel Sauerstoff im Filter, so dass Nitrat nicht oder nur teilweise bis zum giftigen Nitrit umgewandelt wird. Wenn der Durchfluss zu niedrig gewählt oder die Bakterien zu viel gefüttert werden, wird zwar Nitrat abgebaut aber Sulfat wird ebenfalls veratmet und der hochgiftige Schwefelwasserstoff entsteht. Aufgrund der schlechten Durchmischung im Filter, befinden sich in den Ecken immer sulfatreduzierende Bedingungen und am Filtereinlauf wird Nitrat grundsätzlich unvollständig abgebaut. Zu kontrollieren sind diese Filter nur durch regelmäßiges Messen der Wasserwerte am Ablauf. Das Ablaufwasser sollte geringe Nitratwerte und weder Nitrit noch Schwefelwasserstoff (stinkt nach faulen Eiern) aufweisen. Sicherheitshalber muss der Ablauf des Nitratfilters in den Nitrifikationsfilter (am besten Rieselfilter) geleitet werden. Evtl. produziertes Nitrit wird zu Nitrat verarbeitet und Schwefelwasserstoff wird in Anwesenheit von Sauerstoff zu Thiosulfat oder Sulfat oxidiert und unschädlich gemacht. Eine Kontrolle des Redoxwertes im Filter ist nicht möglich, da erstens die minimale Anströmgeschwindigkeit der Elektrode nicht erreicht wird und zweitens eine Messelektrode aufgrund der verschiedenen Bedingungen in den jeweiligen Filterteilen keinen repräsentativen Messwert ergibt.

Ein weiteres Problem ist die Dosierung der Bakteriennahrung (organische Stoffe). Flüssige Nährstoffe - es werden meist Alkohol, Essigsäure oder Zuckerlösungen verwendet - müssen entweder mit aufwendigen und daher teuren Dosierpumpen, mit Diffusionsbeutelchen oder ähnlichen Systemen dem Filter zugeführt werden. Andere Hersteller benutzen schwer lösliche Tabletten oder Pulver, die die organischen Substanzen langsam abgeben sollen. Die genaue Kontrolle, wie viel nun wirklich "gefüttert" wird, ist bei allen Methoden nicht sehr einfach. Erschwerend kommt die Tatsache hinzu, dass die organischen Stoffe wegen der äußerst geringen Strömung fast nur durch Diffusion im Filter verteilt werden und somit eine gleichmäßige Versorgung der denitrifizierenden Bakterien nicht gewährleistet wird.

Eine weit aus bessere Version eines Denitrifikationsfilters ist ein Filterkasten mit interner Umwälzung. Der Zulauf des nitrathaltigen Aquarienwassers hat wie bei der oben beschriebenen Version nur eine geringe Fließgeschwindigkeit (tropfenweise), aber im Filter sorgt eine Umwälzpumpe für eine gute Durchmischung des Filterinhalts. Im Filter sind die Reaktionsbedingungen überall gleich (keine unterschiedlichen Redoxpotentiale) und werden nur durch Zulaufgeschwindigkeit und Futtermenge bestimmt. Der größte Vorteil ist aber die leichte Kontrolle der Reaktionsbedingungen, weil in diesen Filter eine Redoxelektrode eingebaut werden kann. So ist es möglich, das Redoxpotential zu messen, und die Bedingungen können vor dem Auftreten von Nitrit oder Schwefelwasserstoff geändert werden. Fällt das Redoxpotential unter -300 mV und ist noch Nitrat im Becken vorhanden, muss sofort die Durchlaufgeschwindigkeit erhöht werden, um einer Schwefelwasserstoffbildung vorzubeugen. Ist jedoch kein Nitrat vorhanden, muss zusätzlich die Fütterung der Bakterien eingeschränkt werden. Sollte das Redoxpotential über -50 mV ansteigen, muss der Zulauf verringert und bei Vorhandensein von Nitrat die Fütterung der Bakterien gesteigert werden. Mit der Zeit wird man die optimale Futtermenge und Zulaufgeschwindigkeit eingestellt haben. Mithilfe der Redoxelektrode ist der Denitrifikationsfilter optimal kontrollierbar, vorausgesetzt, die Elektrode wird jeden Tag gesäubert. Im Denitrifikationsfilter wachsen sehr schnell Bakterien auf der Elektrode und verfälschen die Messergebnisse.

Kategorie: Chemie/Physik