Reforma en el acuario (4). Ciclo del nitrógeno

El contenido de esta entrada es consecuencia de tres factores. El primero, que mi afán por dar forma al nuevo acuario sigue su curso, y ya tocaba contar cómo ha transcurrido lo que se conoce como «ciclado» del acuario. El segundo es que la entrada más vista de la historia de este bloj es una relacionada, precisamente, con el ciclado de los acuarios y el establecimiento del ciclo del nitrógeno en el mismo. Esa entrada correspondía a cómo fue el ciclado del acuario en su fase anterior, pero el proceso estaba explicado muy por encima y he pensado que esta es una buena ocasión para hablar con más detalle de este tema, aparentemente tan solicitado. Por último, este mes estrenamos el Carnaval de Biología, y como el tema propuesto es «las bacterias«, ¿Qué mejor tema para participar en el carnaval que mostrando el trabajo de las bacterias en el acuario? Pues nada, vamos allá.

Un acuario es un sistema absolutamente artificial. Su prevalencia en el tiempo dependerá siempre de las atenciones y los cuidados de su dueño, desde el aporte de comida a los peces, la luz adecuada para las plantas, los cambios de agua, etc. Sin embargo, en su aspiración de representar una porción de un ecosistema real, sí que es cierto que determinados procesos ecológicos tienen lugar en el acuario como en la naturaleza, por ejemplo, la fotosíntesis que realizan las plantas oxigenan el agua permitiendo a los peces respirar, o también la circulación de ciertos elementos como puede ser, el nitrógeno.

El nitrógeno está presente en todos los seres vivos. Forma parte de todos los aminoácidos (y por lo tanto, de las proteínas que éstos forman) y de los nucleótidos de los que están compuestos los ácidos nucleicos. En la materia viva, el nitrógeno se encuentra normalmente en forma reducida, como grupo amino o imino, pero en la naturaleza es habitual que el nitrógeno pueda encontrarse en formas oxidadas (por ejemplo, como ión nitrito o nitrato) y, más habitual todavía, como nitrógeno gaseoso, formando el 78% de la atmósfera. Cómo el nitrógeno pasa de unas formas a otras, se recicla, se expulsa y se incorpora a la biosfera es un proceso complejo que se denomina, predeciblemente, ciclo del nitrógeno.

Ciclo del nitrógeno, en general

Visión esquemática del ciclo del nitrógeno

El reservorio de nitrógeno atmosférico, que es inmenso, tiene varias formas de «bajar a tierra» (lo que se conoce como «fijación del nitrógeno«), es un proceso también muy interesante que pueden realizar determinados organismos pero en el que no nos detendremos ahora. Vamos a fijarnos en la parte del ciclo que tiene lugar en el suelo o el agua: la nitrificación. Por cierto, el descubrimiento de este proceso se lo debemos al ruso Sergéi Vinodradsky (siempre me ha encantado este nombre), un señor muy aficionado a meter las cosas en botes y esperar a que se pudrieran para ver qué pasaba.

El nitrógeno presente en las proteínas y ácidos nucleicos de los seres vivos tiene dos formas de regresar al suelo. Una de ellas puede ser la excreción de los desechos, y otra, por la propia deposición del cuerpo del organismo o una parte de él tras su muerte, la caída de las hojas en otoño, etc. La cuestión es que ese nitrógeno, recordemos, en forma reducida acaba pasando al suelo (si es que no llegó a él de esa forma) como ión amonio. A este proceso de amonificación contribuyen ciertos microorganismos descomponedores. Aunque las plantas son, técnicamente, capaces de asimilar el amonio, lo normal es que el nitrógeno libre en su forma reducida tenga una tendencia a oxidarse con el paso del tiempo. Además, el amonio suele ser bastante tóxico para la mayoría de los animales, sobre todo en altas concentraciones y determinados pHs, al ser fuertemente alcalino.

El proceso de oxidación del amonio tiene dos fases. La primera es la nitritación, o conversión del amonio en nitrito, que está seguida de la nitratación, o conversión del nitrito en nitrato. En la biosfera ambos procesos son el modo de vida de ciertas estirpes de bacterias de las que depende el equilibrio ecológico de la biosfera.

Las bacterias nitritantes (que convierten el amonio en nitrito) pertenecen mayoritariamente a los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus. Son quimioautótrofas y obtienen la energía extrayendo los electrones del amonio (al que oxidan con oxígeno atmosférico) y generando a ambos lados de su membrana un gradiente electroquímico de protones con el que poner a funcionar sus ATP-asas.

Nitrosomonas y un esquema de su metabolismo (fuente)

El producto de desecho de las bacterias nitritantes, el ión nitrito, es muy tóxico incluso en bajas concentraciones para plantas y para animales. Para los vertebrados (peces incluidos), el problema principal es que reacciona con la hemoglobina oxidándola a metahemoglobina, haciéndola así perder su capacidad de transportar oxígeno y provocando la hipoxia del animal. Por suerte, los nitritos no suelen encontrarse en altas concentraciones en la naturaleza, ya que son el sustrato de las bacterias nitratantes, normalmente del género Nitrobacter o Nitrospira que también son quimioautótrofas y oxidan el nitrito a nitrato, aprovechando sus electrones para, de nuevo, generar el típico gradiente electroquímico de protones para ganarse el plato de ATP.

Nitrobacter y el metabolismo de su membrana (fuente 1 y 2)

Los nitratos no son tóxicos y son muy solubles en agua (esto puede tener consecuencias ecológicas como la eutrofización, pero ese es otro tema), y además es la forma preferente del nitrógeno que absorben las plantas y reincorporan en forma de aminoácidos y nucleótidos (reduciéndolos de nuevo a grupo amino con la energía de la luz solar), cerrándose esta parte del ciclo. Lógicamente, gracias a la cadena trófica el nitrógeno  llega hasta todos los animales a través de la dieta en forma de sabrosas proteínas, por ejemplo.

Bien, hasta aquí el panorama general. ¿Qué ocurre en el acuario? Pues básicamente, esta parte del ciclo del nitrógeno ocurre en el acuario exactamente igual que en el resto de la bisofera. Para entenderlo basta con tener en cuenta lo que se ha explicado arriba y aplicar el sentido común.

Ciclo del nitrógeno en el acuario

¿Por qué debería todo esto importarle un carajo al dueño de un acuario? ¡Sigue leyendo!

¿Dónde está el nitrógeno del acuario? Sin duda una parte de él integrado en las proteínas y ácidos nucleicos de los peces y las plantas. ¿Y cómo entra más nitrógeno? En principio únicamente a través de nuestras «compras» de nuevos inquilinos y, por supuesto, del alimento para los peces. El nitrógeno pasa al agua en forma de orina de peces (que lo expulsan directamente en forma de amonio) y, previa descomposición, también a través de los excrementos, restos de plantas secas o muertas, exceso de alimento y (toquemos madera), peces muertos. La cuestión es que hay una tendencia natural a que el agua se llene de amonio, y por eso es vital comprender que las bacterias nitrificantes son imprescindibles en el acuario, ya que se encargarán de convertir el amonio en nitrito y éste a su vez en nitrato.

Aunque las bacterias no se «compren» en las tiendas de peces, son posiblemente los inquilinos más importantes del acuario. Sin ellas los peces acabarían nadando en su propia orina en cuestión de días. Estas bacterias están en el agua y el sustrato del acuario, pero se acumulan de especial manera en los materiales cerámicos que se colocan en el filtro con ese propósito. Las piezas cerámicas son porosas y tienen una altísima relación superficie/volumen, permitiendo albergar grandes poblaciones de bacterias que convierten el amonio en nitrato muy eficientemente sin que se acumule ninguno de los dos iones tóxicos cuando el acuario funciona de forma adecuada.

Ejemplo de material cerámico de un filtro

Como los nitratos son absorbidos por las plantas, podría pensarse que el círculo se completa de esta manera, pero normalmente los acuarios tienen una carga animal desproporcionadamente alta y su alimentación hace que los nitratos suban a un ritmo superior al que las plantas pueden asimilar. Este es uno de los motivos por los que hay que hacer cambios de agua parciales de forma regular. Entre otras cosas es la única vía de salida de nitrógeno del acuario.

El ciclado

Ahora bien, ¿Qué pasa en los acuarios nuevos? Un acuario recién inaugurado no tiene población de bacterias nitrificantes. Si metiéramos plantas y peces de golpe, la acumulación de desechos, orina y heces provocaría que los peces muriesen envenenados en amonio en breve. Por eso es importante que los acuarios nuevos pasen un tiempo de rodaje o «ciclado» en el que se van estableciendo las colonias bacterianas. Como estas bacterias son ubicuas, no es necesario añadirlas al tanque, aunque la mayoría de tiendas suministran unas alícuotas de las mismas y algunos agentes aceleradores.

Idealmente, si midiésemos los distintos compuestos nitrogenados en el tiempo, el ciclado de un acuario se podría ilustrar de la siguiente forma:

Ciclado de un acuario, no hagáis mucho caso de las escalas de los ejes (fuente)

Los residuos orgánicos del sustrato o de las plantas que se hayan introducido provocarán un primer pico de amonio que se acumula porque, recordemos, aún no están establecidas las bacterias. Las Nitrosomonas y Nitrosococcus son las primeras en colonizar el filtro, animadas por la abundancia de amonio y produciendo unos cuantos días después de que se inicie su actividad, un pico en la concentración de nitritos. De tener peces en este momento, cascarían como chinches.  Seguidamente las Nitrobacter empezarían a medrar en el acuario y sería entonces cuando el nitrito empezaría a bajar de concentración. Cuando la concentración de amonio y nitritos es indetectable es cuando podemos sospechar que las bacterias han colonizado satisfactoriamente el acuario y se puede empezar a introducir las plantas y los peces. El proceso completo dura alrededor de un mes o más.

Pues bien, toda esta introducción más o menos detallada es para que podamos comentar juntos cómo ha ido el ciclado de mi nuevo montaje. Como os dije hace unos días, llené de agua el tanque y lo dejé ciclándose mientras elegía algunos troncos y pensaba en la decoración y la elección final de plantas y peces. Durante este tiempo he medido diariamente el amonio, nitrito y nitrato del agua gracias a unos tests colorimétricos comerciales. Estos tests te piden que añadas unos reactivos a muestras del agua del acuario y en función del color que toma la mezcla, comparas con una escala y obtienes la concentración de la sustancia.

Como valorar el color de la disolución con una escala discontinua a ojo (sin espectrofotómetro) es algo un poco subjetivo, tampoco podemos tomar el resultado de los tests como algo exacto, sino más bien como una aproximación cualitativa. Además, en función del ángulo del flash, la luminosidad del tubo podía cambiar, aún así, las fotos sirven para haceros una idea de cómo funciona el asunto de los tests.

El agua al comienzo del ciclado, con todos los niveles bajos

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El amonio del sustrato se ha ido acumulando hasta llegar al pico, los nitritos empiezan a despuntar

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Pico de nitritos, el nitrato también ha ido subiendo, y aún queda bastante amonio

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La secuencia histórica de estos primeros 27 días de vida del acuario ha sido la siguiente:

Bien, varias cosas a comentar. La primera es que este ciclado es un poco anómalo por el sustrato que escogí (amazonia aquasoil, os recuerdo). Se trata de un sustrato abonado especial para plantas, famoso (como me advirtió el amigo Xema) por liberar mucho amonio durante el ciclado, y así ha sido. En lugar de producirse un pico de amonio, he tenido una «meseta» durante todo lo que ha durado el ciclado. Es posible que los valores hayan sido en realidad, más altos de lo que percibía por el test, pero si comparamos con el ciclado del acuario anterior, este ha sido más lento y con mucho más amonio, y seguramente se ha debido al sustrato.

Los nitritos hicieron un amago de aparición el cuarto día, pero fue a partir del décimo cuando su espectacular subida confirmó que las Nitrosomonas se habían establecido en el filtro. De nuevo, la espectacular acumulación de nitritos se extendió durante más de 10 días hasta que, sobre el día 24, bajaron de golpe, indicando que las Nitrobacter ya andan haciendo de las suyas. Pese a todo, el amonio ha tardado casi un mes en llegar a cero. La concentración de nitrato, por su parte, se ha ido incrementando a lo largo de estos días de forma más o menos gradual

Pues bien, parece ser que las bacterias ya están instaladas en su nuevo hogar. Yo continúo con el diseño del nuevo montaje. Por ejemplo, he adquirido unos troncos estupendos, pero como están todavía nuevos, flotan, así que deben pasar unos cuantos días sumergidos hasta que se saturen de agua y pueda colocarlos en su posición final. También he conseguido algunas plantas baratillas de crecimiento rápido para que el agua se oxigene y para que el nitrógeno circule y el ciclo recién establecido vaya ejercitándose. El agua sigue un poco turbia, cosa que al parecer es normal al principio con este sustrato, pero ya va cogiendo el color té tan interesante para recrear los bosques amazónicos sumergidos.

Seguiremos informando.

Esta entrada participa en la 2ª edición del Carnaval de Química (hospedada en El Busto de Palas) y la primerísima edición del Carnaval de Biología, que coordina Micro Gaia.