Was ist Denitrifikation?

Die Denitrifikation ist ein natürlicher biologischer Prozess, bei dem Nitrat (NO₃⁻) von bestimmten Mikroorganismen unter sauerstoffarmen Bedingungen weiter abgebaut wird.

Dabei wird Nitrat schrittweise über verschiedene Zwischenstufen letztlich zu gasförmigem Stickstoff (N₂) reduziert. Dieser Stickstoff entweicht anschließend aus dem Wasser in die Atmosphäre.

Vereinfacht dargestellt:

 

Nitrat → Nitrit → Stickoxide → gasförmiger Stickstoff (N₂)

Die Denitrifikation ist damit ein wichtiger Teil des natürlichen Stickstoffkreislaufs.

Im Aquarium kann sie dazu beitragen, Nitrat dauerhaft aus dem System zu entfernen. Allerdings findet eine wirksame Denitrifikation unter normalen, gut durchströmten Bedingungen deutlich weniger stark statt als die klassische Nitrifikation.

 

Der Stickstoffkreislauf im Aquarium

Um die Denitrifikation zu verstehen, muss man zunächst den Stickstoffkreislauf betrachten.

Fische, Garnelen, Schnecken und andere Tiere geben stickstoffhaltige Ausscheidungen ab. Auch Futterreste und abgestorbene Pflanzenteile enthalten Stickstoff.

Beim Abbau dieser organischen Stoffe entstehen zunächst Ammonium (NH₄⁺) beziehungsweise je nach pH-Wert auch Ammoniak (NH₃).

Die nitrifizierenden Mikroorganismen wandeln diese Verbindungen anschließend zunächst in Nitrit und danach in Nitrat um.

Vereinfacht:

 

Organische Stoffe → Ammonium/Ammoniak → Nitrit → Nitrat

Nitrat ist wesentlich weniger giftig als Ammoniak und Nitrit und kann von Pflanzen als Stickstoffquelle genutzt werden.

Wenn Nitrat jedoch langfristig im Aquarium ansteigt, können Wasserwechsel, Pflanzenwachstum oder – unter geeigneten Bedingungen – Denitrifikation dazu beitragen, den Nitratgehalt wieder zu reduzieren.

 

Nitrifikation und Denitrifikation – der Unterschied

Diese beiden Begriffe werden häufig verwechselt.

Nitrifikation

Bei der Nitrifikation werden Ammonium und Ammoniak über Nitrit zu Nitrat oxidiert.

Dieser Prozess benötigt Sauerstoff und findet vor allem in gut mit Sauerstoff versorgten Bereichen statt.

Ammonium/Ammoniak → Nitrit → Nitrat

Denitrifikation

Bei der Denitrifikation wird Nitrat dagegen unter sauerstoffarmen Bedingungen reduziert.

Nitrat → gasförmiger Stickstoff

Die beiden Prozesse sind deshalb gewissermaßen Gegenrichtungen innerhalb des Stickstoffkreislaufs.

 

Welche Mikroorganismen führen Denitrifikation durch?

Die Denitrifikation wird von verschiedenen Mikroorganismen durchgeführt, die Nitrat als Elektronenakzeptor verwenden können.

Viele dieser Mikroorganismen sind sogenannte fakultativ anaerobe Bakterien. Das bedeutet, dass sie unter bestimmten Bedingungen sowohl mit Sauerstoff als auch bei Sauerstoffmangel leben können.

Ist ausreichend Sauerstoff vorhanden, nutzen sie bevorzugt Sauerstoff. Wird dieser knapp, können bestimmte Mikroorganismen auf Nitrat als alternativen Elektronenakzeptor zurückgreifen.

Dabei wird Nitrat schrittweise reduziert und letztlich zu gasförmigem Stickstoff umgewandelt.

Man sollte deshalb nicht von „den Denitrifikationsbakterien“ sprechen. Es handelt sich um eine Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen und Stoffwechselwege.

 

Wo findet Denitrifikation im Aquarium statt?

Denitrifikation benötigt Bereiche mit sehr wenig Sauerstoff.

Solche Bedingungen können beispielsweise entstehen:

• in tiefen Bodengrundschichten

• in sehr dichtem Filtermaterial

• innerhalb größerer Filtermedien

• in speziellen Biofiltern

• in schlecht durchströmten Bereichen

• in tiefen Mulm- und Sedimentschichten

• in speziellen Denitrifikationsfiltern

Entscheidend ist dabei nicht einfach, dass ein Bereich „dreckig“ ist.

Es muss ein bestimmtes Zusammenspiel aus Sauerstoffmangel, geeigneten Mikroorganismen, Nitrat und einer verfügbaren Kohlenstoffquelle vorhanden sein.

 

Warum findet Denitrifikation nicht überall statt?

In einem normalen Aquarium wird das Wasser ständig mit Sauerstoff versorgt.

Filter, Strömung und Wasserbewegung bringen Sauerstoff in das System.

Solange ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, nutzen viele Mikroorganismen bevorzugt diesen Sauerstoff.

Für eine ausgeprägte Denitrifikation muss der Sauerstoff in bestimmten Bereichen dagegen stark reduziert sein.

Deshalb ist die Denitrifikation in einem normalen, gut durchströmten Filter meist wesentlich geringer als die Nitrifikation.

 

Denitrifikation im Bodengrund

Der Bodengrund eines Aquariums kann ein sehr interessanter Ort für Denitrifikation sein.

An der Oberfläche befindet sich Sauerstoff. Je tiefer man in den Bodengrund gelangt, desto weniger Sauerstoff kann vorhanden sein.

Dadurch können sich unterschiedliche mikrobielle Zonen bilden.

Vereinfacht:

Oberfläche → sauerstoffreich

tieferer Bereich → sauerstoffärmer

noch tiefer → möglicherweise nahezu sauerstofffrei

In geeigneten Bereichen können dadurch Prozesse stattfinden, die unter anderem zur Denitrifikation beitragen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder tiefe Bodengrund automatisch eine leistungsfähige Denitrifikationsanlage darstellt.

 

Denitrifikation in einem Sandboden

Auch feiner Sand kann unterschiedliche Sauerstoffzonen entwickeln.

Wasser bewegt sich in einem dichten Sandboden deutlich langsamer als durch groben, stark durchströmten Kies.

Dadurch können sich sauerstoffarme Bereiche bilden.

Das kann grundsätzlich die Denitrifikation begünstigen.

Ein gut gepflegter Sandboden muss deshalb nicht ständig vollständig durchmischt werden.

Allerdings sollte verhindert werden, dass sich massive Mengen organischer Abfälle unkontrolliert ansammeln.

 

Denitrifikation im Filter

Auch innerhalb von Filtermaterial können sauerstoffarme Bereiche entstehen.

Das gilt insbesondere bei sehr dichtem oder stark besiedeltem Filtermaterial.

An der Außenseite des Materials steht mehr Sauerstoff zur Verfügung. Im Inneren können die Bedingungen dagegen sauerstoffärmer sein.

Bei entsprechendem Aufbau kann dort neben der Nitrifikation auch Denitrifikation stattfinden.

Allerdings sollte ein normaler Aquariumfilter nicht bewusst komplett „dicht“ gemacht werden.

Ein Filter benötigt eine ausreichende Wasserströmung und Sauerstoffversorgung, damit die biologische Filterung zuverlässig funktioniert.

 

Warum braucht Denitrifikation Kohlenstoff?

Für die Denitrifikation benötigen die beteiligten Mikroorganismen neben Nitrat auch eine geeignete Energie- beziehungsweise Kohlenstoffquelle.

In einem Aquarium können dafür beispielsweise organische Stoffe aus:

• Fischkot

• Futterresten

• abgestorbenen Pflanzen

• Mulm

• gelösten organischen Verbindungen

zur Verfügung stehen.

In speziellen Denitrifikationssystemen wird teilweise gezielt eine Kohlenstoffquelle zur Verfügung gestellt.

Das kann beispielsweise über spezielle Flüssigprodukte oder andere geeignete Kohlenstoffquellen erfolgen.

Hier ist jedoch Vorsicht notwendig: Eine unkontrollierte Zugabe organischer Kohlenstoffquellen kann zu einer starken Vermehrung von Bakterien, Sauerstoffmangel und anderen Problemen führen.

 

Denitrifikation ist nicht dasselbe wie „Schmutzabbau“

Ein weit verbreiteter Irrtum ist die Vorstellung:

„Je mehr Mulm und Schmutz im Filter vorhanden sind, desto besser funktioniert die Denitrifikation.“

So einfach ist es nicht.

Ein biologischer Filter ist kein Abfalllager.

Zu viel organisches Material kann Sauerstoff verbrauchen und unerwünschte anaerobe Prozesse fördern.

Eine funktionierende biologische Filterung benötigt ein kontrolliertes Verhältnis von:

• Mikroorganismen

• Sauerstoff

• Wasserströmung

• organischer Belastung

• Nitrat

• geeigneten Oberflächen

 

Denitrifikation und Nitratabbau

Der wichtigste praktische Vorteil der Denitrifikation besteht darin, dass Nitrat tatsächlich aus dem Aquarium entfernt werden kann.

Pflanzen nehmen Nitrat auf und bauen den enthaltenen Stickstoff in Biomasse ein.

Bei der Denitrifikation wird der Stickstoff dagegen letztlich als gasförmiger Stickstoff aus dem Aquarium entfernt.

Das ist ein grundlegender Unterschied.

Pflanzenaufnahme:

Nitrat → Pflanzenmasse

Denitrifikation:

Nitrat → gasförmiger Stickstoff → Atmosphäre

 

Denitrifikation ersetzt nicht automatisch den Wasserwechsel

Auch wenn ein Aquarium über eine funktionierende Denitrifikation verfügt, bedeutet das nicht, dass Wasserwechsel grundsätzlich überflüssig werden.

Ein Wasserwechsel entfernt wesentlich mehr als nur Nitrat.

Er kann beispielsweise reduzieren beziehungsweise verdünnen:

• überschüssige Nährstoffe

• gelöste organische Stoffe

• bestimmte Abbauprodukte

• Stoffwechselprodukte

• Medikamente nach einer Behandlung

• unerwünschte gelöste Verbindungen

Denitrifikation entfernt dagegen hauptsächlich Stickstoffverbindungen über einen bestimmten biologischen Weg.

Ein Aquarium kann deshalb trotz niedrigem Nitratgehalt andere Stoffe enthalten, die durch einen Wasserwechsel reduziert werden.

 

Warum ist Nitrat nicht automatisch schlecht?

Nitrat wird in der Aquaristik häufig zu stark als „Schadstoff“ betrachtet.

Nitrat ist in normalen Konzentrationen für viele Fische wesentlich weniger problematisch als Ammoniak oder Nitrit.

Außerdem ist Nitrat ein wichtiger Pflanzennährstoff.

Wasserpflanzen benötigen Stickstoff für den Aufbau von Eiweiß, Enzymen und anderen Zellbestandteilen.

Das Ziel sollte deshalb nicht sein:

„Nitrat muss immer bei 0 mg/l liegen.“

Viel wichtiger ist ein für das jeweilige Aquarium passender und stabiler Nitratbereich.

 

Warum kann zu wenig Nitrat für Pflanzen ebenfalls problematisch sein?

In stark bepflanzten Aquarien kann Nitrat durchaus vollständig verbraucht werden.

Wenn gleichzeitig eine starke Denitrifikation stattfindet und die Pflanzen viel Stickstoff aufnehmen, kann der Nitratgehalt sehr niedrig werden.

Dann kann ein Stickstoffmangel entstehen.

Mögliche Anzeichen können sein:

• verlangsamtes Pflanzenwachstum

• kleinere neue Blätter

• gelbliche ältere Blätter

• allgemein schwacher Pflanzenwuchs

Deshalb ist ein möglichst niedriger Nitratwert nicht automatisch ein Zeichen für ein perfektes Aquarium.

 

Denitrifikation in stark bepflanzten Aquarien

In einem stark bepflanzten Aquarium wird Nitrat häufig bereits durch die Pflanzen aufgenommen.

Zusätzlich können Mikroorganismen Nitrat über verschiedene Prozesse umsetzen.

Dadurch kann der Nitratgehalt trotz regelmäßigem Füttern relativ niedrig bleiben.

Hier sollte man nicht automatisch versuchen, durch zusätzliche Denitrifikation noch mehr Nitrat zu entfernen.

Manchmal ist sogar das Gegenteil sinnvoll: Die Stickstoffversorgung muss angepasst werden, damit die Pflanzen ausreichend versorgt bleiben.

 

Denitrifikation im Meerwasseraquarium und Süßwasseraquarium

Das Prinzip der Denitrifikation ist sowohl im Süßwasser als auch im Meerwasser relevant.

Im Meerwasseraquarium wird der Nitratabbau häufig gezielt über spezielle Filtersysteme, tiefere Substratbereiche oder andere biologische Verfahren unterstützt.

Auch im Süßwasseraquarium kann Denitrifikation stattfinden, wird dort aber häufig weniger gezielt eingesetzt.

Für viele normale Süßwasseraquarien reichen eine gute biologische Filterung, regelmäßige Pflege, passende Fütterung, ausreichende Pflanzenmasse und geeignete Wasserwechsel völlig aus.

 

Spezielle Denitrifikationsfilter

Es gibt Filtersysteme, die speziell darauf ausgelegt sind, Nitrat biologisch abzubauen.

Dabei wird das Wasser langsam durch einen sauerstoffarmen Bereich geführt.

Die niedrige Durchflussgeschwindigkeit ist entscheidend, damit sich entsprechende sauerstoffarme Bedingungen entwickeln können.

Je nach System wird zusätzlich eine Kohlenstoffquelle benötigt.

Solche Systeme können bei speziellen Anwendungen sinnvoll sein, sind für ein normales Gesellschaftsaquarium aber meistens nicht erforderlich.

 

Warum eine zu starke Denitrifikation problematisch sein kann

Ein übermäßiger Nitratabbau klingt zunächst positiv.

In einem stark bepflanzten Aquarium kann jedoch genau das Gegenteil passieren.

Wenn Nitrat dauerhaft auf nahezu null fällt, fehlt den Pflanzen unter Umständen ein wichtiger Stickstofflieferant.

Außerdem können schlecht kontrollierte anaerobe Bereiche andere unerwünschte Stoffwechselprodukte erzeugen.

Deshalb gilt auch hier:

Nicht möglichst viel biologische Aktivität ist automatisch besser – entscheidend ist ein stabiles Gleichgewicht.

 

Denitrifikation und Sauerstoff

Sauerstoff ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Denitrifikation.

Die klassische Nitrifikation benötigt viel Sauerstoff.

Die Denitrifikation dagegen findet bevorzugt dort statt, wo Sauerstoff knapp wird.

Im Aquarium können deshalb verschiedene biologische Zonen gleichzeitig existieren.

An einer gut durchströmten Oberfläche eines Filtermaterials kann Nitrifikation stattfinden.

Im sauerstoffärmeren Inneren desselben Materials können unter geeigneten Bedingungen zusätzlich denitrifizierende Prozesse ablaufen.

 

Anaerob bedeutet nicht automatisch gefährlich

Der Begriff „anaerob“ wird in der Aquaristik häufig mit etwas Negativem verbunden.

Anaerob bedeutet zunächst lediglich:

ohne beziehungsweise mit sehr wenig Sauerstoff.

Solche Bedingungen sind in bestimmten Bereichen eines natürlichen Gewässers vollkommen normal.

Problematisch wird es erst, wenn sich unkontrollierte sauerstofffreie Bereiche mit viel organischem Material entwickeln und dort unerwünschte Stoffwechselprodukte entstehen.

Ein kontrollierter sauerstoffarmer Bereich kann dagegen ein wichtiger Bestandteil des Stickstoffkreislaufs sein.

 

Denitrifikation und Mulm

Mulm besteht aus einer Mischung aus abgestorbenem organischem Material, Bakterien, Futterresten, Kotpartikeln und anderen Bestandteilen.

In Mulmschichten können unterschiedliche Sauerstoffzonen entstehen.

Deshalb kann auch dort Denitrifikation stattfinden.

Trotzdem sollte man Mulm nicht absichtlich unbegrenzt ansammeln lassen, nur um Nitrat abzubauen.

Ein Aquarium sollte nicht auf einem „dreckigen Filter“ oder einer dicken Schlammschicht basieren.

 

Kann man Denitrifikation durch einen großen Filter fördern?

Ein größerer Filter bedeutet nicht automatisch mehr Denitrifikation.

Ein großer Filter bietet vor allem mehr Oberfläche für Mikroorganismen.

Für die klassische biologische Filterung ist das grundsätzlich vorteilhaft.

Damit tatsächlich nennenswerte Denitrifikation entsteht, müssen zusätzlich geeignete sauerstoffarme Bereiche vorhanden sein.

Ein stark durchströmter Filter mit viel Sauerstoff ist in erster Linie ein guter Ort für die Nitrifikation.

 

Denitrifikation und Filterreinigung

Bei der Filterreinigung sollte man vorsichtig vorgehen.

Ein biologisch aktiver Filter enthält eine große Menge nützlicher Mikroorganismen.

Eine komplette Reinigung oder Desinfektion kann die biologische Filterleistung erheblich reduzieren.

Filtermaterial sollte deshalb in der Regel nicht unnötig steril gereinigt werden.

Wenn ein Filtermaterial nur ausgespült werden muss, kann dafür beispielsweise entnommenes Aquariumwasser verwendet werden.

So werden grobe Ablagerungen entfernt, ohne die gesamte biologische Besiedlung unnötig stark zu schädigen.

 

Denitrifikation durch Pflanzen oder Bakterien?

Pflanzen und Denitrifikationsbakterien entfernen Stickstoff auf unterschiedliche Weise.

Pflanzen nehmen Nitrat oder andere Stickstoffverbindungen auf und bauen den Stickstoff in ihre Biomasse ein.

Denitrifizierende Mikroorganismen wandeln Nitrat dagegen letztlich in gasförmigen Stickstoff um.

Beide Prozesse können im Aquarium gleichzeitig stattfinden.

Ein stark bepflanztes Aquarium kann deshalb bereits eine erhebliche natürliche Nitratkontrolle besitzen.

 

Wie erkennt man Denitrifikation im Aquarium?

Die Denitrifikation selbst ist normalerweise nicht direkt sichtbar.

Man kann sie auch nicht zuverlässig anhand der Farbe oder des Aussehens des Filters erkennen.

Ein sinkender Nitratwert kann verschiedene Ursachen haben:

• Pflanzenaufnahme

• Wasserwechsel

• geringere Fütterung

• weniger Fischbesatz

• Denitrifikation

• andere biologische Prozesse

Nur weil Nitrat sinkt, bedeutet das deshalb nicht automatisch, dass eine starke Denitrifikation stattfindet.

 

Nitrat sinkt trotz Fütterung – was kann die Ursache sein?

Wenn der Nitratwert in einem Aquarium dauerhaft sehr niedrig bleibt, sollte man das gesamte System betrachten.

Mögliche Gründe:

• viele schnell wachsende Pflanzen

• starke Pflanzenmasse

• geringer Fischbesatz

• geringe Fütterung

• regelmäßige Wasserwechsel

• geringe Nitratbelastung des Ausgangswassers

• Denitrifikation

• Messfehler

Bei einem stark bepflanzten Aquarium kann der Nitratverbrauch der Pflanzen überraschend hoch sein.

 

Denitrifikation gezielt einsetzen – sinnvoll oder unnötig?

Für ein normales Süßwasseraquarium ist eine gezielt aufgebaute Denitrifikation meistens nicht notwendig.

Wenn der Nitratwert zu hoch ist, sollte zunächst nach der Ursache gesucht werden.

Typische Ursachen können sein:

• zu hoher Fischbesatz

• zu viel Fütterung

• zu wenig Pflanzen

• zu wenig Wasserwechsel

• stark belastetes Ausgangswasser

• abgestorbene organische Stoffe

• schlecht gepflegte Filter- oder Bodengrundbereiche

Erst wenn diese Faktoren überprüft wurden, sollte man über eine spezielle Nitratentfernung nachdenken.

 

Denitrifikation bei Osmosewasser

Bei der Verwendung von Osmosewasser wird Nitrat aus dem Ausgangswasser weitgehend entfernt.

Das bedeutet, dass die Nitratbelastung des Aquariums bereits durch das verwendete Wasser reduziert werden kann.

Das Aquarium selbst produziert jedoch weiterhin Stickstoff durch Fütterung und Stoffwechsel.

Auch bei Osmosewasser kann deshalb Nitrat entstehen und sich im Aquarium anreichern.

Je nach Pflanzenwachstum, Besatz und Pflege kann anschließend ein Teil davon durch Pflanzenaufnahme oder Denitrifikation entfernt werden.

 

Denitrifikation und Wasserwechsel

Ein Wasserwechsel und Denitrifikation sind zwei völlig unterschiedliche Methoden.

Beim Wasserwechsel wird nitratreiches Wasser aus dem Aquarium entfernt und durch nitratärmeres Wasser ersetzt.

Bei der Denitrifikation wird Nitrat biologisch in gasförmigen Stickstoff umgewandelt.

Beide Prozesse können sich ergänzen.

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Fazit

Die Denitrifikation ist ein natürlicher Bestandteil des Stickstoffkreislaufs und beschreibt den biologischen Abbau von Nitrat unter sauerstoffarmen Bedingungen.

Dabei wird Nitrat schrittweise reduziert und der darin enthaltene Stickstoff letztlich als gasförmiger Stickstoff an die Atmosphäre abgegeben.

Im Aquarium kann Denitrifikation insbesondere in sauerstoffarmen Bereichen des Bodengrundes, in bestimmten Filterzonen und in speziellen Denitrifikationsfiltern stattfinden.

Für die meisten normalen Süßwasseraquarien muss die Denitrifikation jedoch nicht künstlich maximiert werden.

Ein stabiles Aquarium entsteht vielmehr durch das Zusammenspiel von:

gesunder biologischer Filterung + passenden Pflanzen + angemessener Fütterung + geeignetem Besatz + ausreichender Wasserpflege.

Ein Nitratwert von 0 mg/l ist dabei nicht automatisch das Ziel. Pflanzen benötigen Stickstoff, und ein gewisser Nitratgehalt kann vollkommen sinnvoll sein.

Die beste Denitrifikation ist deshalb nicht die maximal mögliche Denitrifikation, sondern eine Denitrifikation, die sich sinnvoll in das biologische Gleichgewicht des Aquariums einfügt.