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Redução de nitrato pela desnitrificação

A desnitrificação é um processo muito importante na natureza. É por ele que o nitrato é devolvido à atmosfera na forma de um óxido gasoso ou até mesmo nitrogênio gasoso, mas também fundamental para a manutenção dos aquários, principalmente os marinhos.

Nos aquários é principalmente pelo processo da desnitrificação que o nitrato (e junto o fosfato) é transformado e removido do sistema sem ser pelas trocas parciais, pela utilização de plantas ou pelo uso de adsorventes específicos.

desnitrificação aquário

Uma breve revisão sobre nitrato


O nitrato é um composto inorgânico que surge nos aquários através da nitrificação. Ele é menos nocivo que a amônia e o nitrito, mas ainda assim pode causar problemas em grandes quantidades.


Nos peixes o principal efeito do nitrato é prejudicando a respiração. Quando o nitrato está em concentrações elevadas, o peixe consegue transportar menos oxigênio no seu sangue desencadeando uma série de outros problemas secundários.


Os principais sintomas de intoxicação por nitrato nos peixes são:


  • Respiração ofegante

  • Letargia (o peixe parece que está inconsciente por muito tempo ou fica inconsciente após nadar curtas distâncias)

  • Manchas marrons nas brânquias

  • Sangue marrom


Não é preciso se assustar com isso, o nitrato só é tóxico em concentrações, em média, acima de 90 ppm, mas a quantidade certa depende da espécie do peixe, idade e outros fatores.


O nitrato é mais tóxico aos invertebrados do que aos vertebrados. Quem tem aquário com camarões, caramujos e afins tem que ficar um pouco atento a isso.


 Bem antigamente a famosa síndrome do aquário antigo era causado por elevados níveis de nitrato no aquário. Como os testes eram raros, dificilmente se descobria o motivo.


Já falamos da importância do teste de nitrato e você pode ler clicando aqui!


A intoxicação por nitrato muitas vezes é crônica, o nitrato vaia cumulando lentamente no organismo do animal, podendo causar danos irreversíveis, principalmente em peixes em fase de crescimento.


Nitrato e as plantas


O nitrato, por outro lado, é um composto fundamental no desenvolvimento das plantas.

As plantas, por isso, são ótimas para a redução do nitrato no aquário.


Já falamos sobre o filtro de plantas e você pode ler clicando aqui!


Nitrato, algas, cianobactérias e outros microrganismos


O nitrato também é utilizado por algas, cianobactérias e outros microrganismos, o que pode causar desagradáveis problemas ao aquarista.


As algas também são muito usadas na filtragem do aquário marinho!


Já falamos com muitos detalhes sobre a relação do nitrato e microrganismos no nosso texto sobre a razão de Redfield que pode ser lida clicando aqui!


Também já fizemos um texto específico sobre as cianobactérias que pode ser lido clicando aqui!


O que é a desnitrificação?


A desnitrificação é o processo pela qual o nitrato é transformado em óxidos gasosos (até mesmo em nitrogênio gasoso) pro microrganismos diversos. É o principal processo pelo qual o nitrato é reduzido ou removido dos aquários sem ser por trocas parciais.


O processo da desnitrificação é realizado por bactérias e fungos com a capacidade de reduzir quimicamente a molécula de nitrato e usa como oxidante matéria orgânica, compostos ferrosos ou à base de enxofre e até mesmo hidrogênio.


A imagem abaixo mostra a exemplificação das transformações que o nitrato sofre até se transformar em nitrogênio gasoso.

É preciso ficar claro desde já que nem sempre o processo da desnitrificação vai se dar completo. É muito comum o processo transformar o nitrato dos aquários em óxido nítrico e óxido nitroso, principalmente quando é feito por bactérias anaeróbicas na presença de oxigênio, o que causa alguns problemas que falaremos mais adiante.


Tipos de Desnitrificação


Podemos separar a desnitrificação em duas condições: uso ou não uso de matéria orgânica (desnitrificação heterotrófica e desnitrificação autotrófica) ou presença ou ausência de oxigênio (desnitrificação aeróbico e desnitrificação anaeróbica).


Desnitrificação heterotrófica x desnitrificação autotrófica


A desnitrificação heterotrófica é aquela que utiliza compostos orgânicos para a produção de energia como o etanol (contido na vodca), metanol, ácido acético (presente no vinagre), glicose (contida na açúcar de cozinha e na celulose), até mesmo restos de ração, folhas mortas e fezes dos peixes.


A tabela abaixo retirada da fonte [1] mostra a estequiometria de alguns compostos orgânicos usados durante a desnitrificação. Note que na última coluna há uma média da quantidade em massa de matéria orgânica para cada grama de nitrato usado na desnitrificação. Vamos falar disso mais à frente.

É muito importante dizer nesse ponto que, ao contrário da nitrificação que consome reserva alcalina, a desnitrificação heterotrófica aumenta a alcalinidade da água.


Quando uma molécula orgânica complexa é usada na desnitrificação, pode haver a liberação de amônia e fosfato na água.


A desnitrificação autotrófica é aquela que utiliza de compostos inorgânicos para a produção de energia como o hidrogênio gasoso, compostos à base de ferro ou enxofre.


A tabela abaixo retirada da fonte [2] mostra a estequiometria da desnitrificação autotrófica de alguns compostos inorgânicos.

A variação do pH na desnitrificação autotrófica depende do elemento usado para produzir energia. Como podemos ver na tabela acima, quando se usa hidrogênio o pH tende a aumentar e quando se usa ferro ou enxofre o pH tende a diminuir.


Independente se é nitrificação autotrófica ou heterotrófica, é fundamental que haja um doador de elétrons (composto orgânico ou inorgânico) na quantidade adequada para que a desnitrificação aconteça.


Muitos aquaristas acham que basta não ter oxigênio para que a desnitrificação aconteça, mas não é assim que acontece. Quem diz isso está profundamente enganado.


Desnitrificação anaeróbica x desnitrificação aeróbica


A desnitrificação anaeróbica é aquela que acontece apenas em ambientes com ausência completa de oxigênio. Essa ocorre principalmente na desnitrificação autotrófica.


A desnitrificação aeróbica é aquela que acontece na presença de oxigênio.


A desnitrificação aeróbica é menos conhecida, mas existe e é muito eficiente, principalmente nos aquários.


Muitas bactérias desnitrificantes anaeróbicas conseguem realizar a desnitrificação na presença de oxigênio, mas muitas vezes ela é incompleta devido ao oxigênio inibir certas enzimas fundamentais.


As bactérias desnitrificantes


Agora que já falamos um pouco das características da desnitrificação, vamos falar brevemente sobre os microrganismos que realizam a desnitrificação nos aquários.


A imagem abaixo retirada da fonte [2] mostra uma lista de alguns gêneros de bactérias que realizam a desnitrificação. Hoje são mais de 60 gêneros conhecidos que conseguem realizar esse processo.

O leitor mais atencioso e experiente já deve ter percebido que alguns nomes nessa lista são conhecidos, mas não são queridos.


Aeromonas, Pseudomonas, Vibrio, Acinetobacter e uma grande parte dessa lista são patógenos em potencial. Devemos tentar manter a comunidade desses microrganismos o menor possível para reduzirmos as chances de doenças nos animais.


Essas bactérias estão presentes naturalmente em todos os aquários e principalmente nos filtros. Caso tenha mais interesse pode ler clicando aqui no nosso texto sobre a microbiologia do aquário!


Não estamos querendo fazer alarde com essas informações, é só que precisa ser dito devido a sua importância para desenvolvermos esse assunto mais à frente nesse texto.


Em todos os aquários de todo o mundo essas bactérias estarão presentes, mas caso elas estejam em excesso problemas sérios podem acontecer.


Fatores que controlam a desnitrificação


Para que a desnitrificação aconteça ou não aconteça de maneira completa é preciso que haja condições para que isso aconteça. Muitos processos incompletos podem levar à produção de nitrito e amônia, o que é, definitivamente, indesejado.


Oxigênio


O Oxigênio é o fato mais importante da desnitrificação e o que merece mais atenção. Na grande maioria dos casos, o oxigênio, mesmo em pequenas quantidade (abaixo de 1 ppm) é capaz de reduzir a desnitrificação em mais de 90% ou mesmo interromper esse processo completamente.


O oxigênio atua prejudicando as enzimas fundamentais que fazem as reduções do nitrato e dos produtos subsequentes. É o mesmo efeito que o oxigênio tem nas cianobactérias.


Muitas dessas bactérias desnitrificantes heterotróficas podem utilizar o oxigênio para a respiração celular ao invés de fazer a desnitrificação se isso for mais favorável energeticamente falando. 


Como já dissemos, existem bactérias que conseguem realizar o processo de desnitrificação aeróbica para a remoção do nitrato, mas elas possuem alguns detalhes que precisamos ficar atentos.


Muitas bactérias desnitrificantes aeróbicas possuem um ponto ótimo onde a concentração de oxigênio vai favorecer ao máximo a desnitrificação. Abaixo e acima dessa ponto a redução do nitrato é menor.


Outras bactérias desnitrificantes aeróbicas possuem a capacidade de realizar a desnitrificação mesmo em concentrações muito altas de oxigênio. Essas bactérias mantém a alta redução de nitrato mesmo em altíssimas concentrações de oxigênio.


A imagem abaixo retirada da fonte 3 mostra esse ponto ótimo das bactérias desnitrificantes.

A curva I representa a desnitrificação em condições anóxicas (sem oxigênio, mas na presença de nitrato). A curva II mostram as bactérias que possuem um pico onde a concentração de oxigênio dissolvido favorece a desnitrificação. A curva III mostram as bactérias que fazem a desnitrificação mesmo em ambientes com alta concentração de oxigênio dissolvido.


Existem mais bactérias desnitrificantes que são representadas pelas curvas I e III do que pela curva II. Isso provavelmente é resultado da evolução já que as condições com muito oxigênio dissolvido ou na sua completa ausência são mais comuns do que em faixas específicas.


Carbono orgânico


As bactérias desnitrificantes heterotróficas sofrem muito mais influência da concentração da carbono orgânico do que as autotróficas sofrem dos seus compostos inorgânicos. As bactérias desnitrificantes autotróficas surgem em ambientes onde há excesso de enxofre, ferro ou hidrogênio, fazendo com que esses compostos não sejam limitantes.


Nesse ponto há que dizer que as bactérias desnitrificantes precisam estar em uma ambiente que possua uma relação entre a quantidade de carbono orgânico e a quantidade de nitrato. Essa relação varia em função de uma série de fatores como espécies dos microrganismos, do tipo de carbono orgânico, da temperatura, do oxigênio dissolvido, etc.


Para se ter uma ideia, a média da relação de carbono orgânico para nitrato (C/N) varia na faixa de 5 a 10 gramas de carbono orgânico para cada grama de nitrato. Quando há menos carbono orgânico há um menor crescimento bacteriano, quando há mais carbono orgânico pode chegar a inibir o crescimento bacteriano.


Quem acompanha os nossos textos já ouvir falar dessa relação C/N quando falamos de nitrificação e para a nitrificação quanto menor a relação C/N, melhor!


É justamente por reduzir o crescimento das bactérias heterotróficas e evitar a competição delas é que devemos manter a concentração de carbono orgânico baixo nos aquários de água doce.  Nos aquários marinhos quando se tem skimmer o princípio de funcionamento filtragem é completamente diferente do aquário de água doce e por isso podemos usar de carbono orgânico.


pH


O pH é um dos fatores que menos influenciam na desnitrificação dos aquários. A média de pH para uma boa desnitrificação é entre 7,0 e 8,0.


Já que os aquários marinhos tem pH entre 8,0 e 8,4 e a maioria dos aquários de água doce estão entre 6,5 e 7,5, a maioria atendo para favorecer a desnitrificação.


Aquários de pH muito ácido, biótopos amazônicos por exemplo, tem a desnitrificação prejudicada e o mais indicado é não depender dela para a remoção do nitrato.


Clique aqui e leia nosso texto sobre como corrigir e manter o pH do seu aquário!


Temperatura


Esse é o fator que menos influencia na desnitrificação quando limitamos aos aquários.

A desnitrificação tem um melhor resultado em temperaturas entre 25 e 35 °C, temperatura da maioria dos aquários.


A desnitrificação nos aquários


Já falamos do nitrato e dos fatores que influenciam a desnitrificação, agora vamos desenvolver essas informações para adequar aos aquários.


Existem muitos pontos e detalhes a serem considerados para podermos tirar maior proveito desse processo e evitarmos problemas.


Nitrificação e desnitrificação simultânea


Nos filtros dos aquários (também nas rochas e substrato) a desnitrificação acontece junto com a nitrificação, seja em aquário de água doce ou de água salgada. O biofilme que se desenvolve não é isolado, as bactérias coexistem juntas e competem entre si.


O biofilme nas mídias biológicas tem o aspecto da imagem abaixo

Legenda: HET: Bactérias heterotróficas; BDA: bactérias desnitrificantes aeróbicas; BNA: bactérias nitrificantes aeróbicas; BDAn: bactérias desnitrificantes anaeróbicas.

Nessa imagem temos a mídia biológica onde as bactérias se fixam, o biofilme composto pelas bactérias, a camada limite e a água que passa no filtro.


Independente da mídia biológica utilizada o biofilme tende a ter esse aspecto dividido em zona anaeróbica (em vermelho), zona aeróbica (azul) e superfície do biofilme (amarelo). Diversos fatores podem alterar a espessura de cada zona.


Quando se tem um fluxo lento e uma alta carga orgânica, tende a se desenvolver melhor as zonas amarelas e vermelhas e ter um baixo desenvolvimento da zona azul. O mesmo acontece quando não há limpeza constante das mídias.


As bactérias heterotróficas se dividem muito mais rápido que as nitrificantes e consomem boa parte do oxigênio reduzindo a quantidade de oxigênio disponível nas camadas interiores do biofilme.


Quando o fluxo de água é rápido existe força suficiente para a remoção da superfície do biofilme onde se encontram as bactérias heterotróficas promovendo o desenvolvimento da zona azul e reduzindo assim as zonas amarelas e vermelhas.


Em ambientes com alto nível de oxigênio e baixa quantidade de matéria orgânica, as zonas amarelas e vermelhas são prejudicas podendo até mesmo não existir.


Assim, nos filtros biológicos, a nitrificação acontece junto com a desnitrificação, porém a desnitrificação é bastante pequena já que a quantidade de matérias orgânica na água geralmente é pouca. Por isso geralmente acontece o acúmulo de nitrato na água do aquário.


Nunca vimos um aquário de água doce que consiga manter os níveis de nitrato baixo apenas com a filtragem biológica, sempre são necessários trocas parciais ou a presença de plantas ou mídias especiais para a