In jedem Aquarium, dem Nährstoffe zugeführt werden und das über tierischen Besatz verfügt - unabhängig davon, ob es sich dabei um Axolotl, Fische, Garnelen, Schnecken oder sonstige Bewohner handelt - finden Stoffwechselvorgänge statt. Die dabei entstehenden Stoffe sind wahrscheinlich die, mit denen sich ein Aquarianer am häufigsten beschäftigen wird, weshalb sie an erster Stelle genannt werden.
Beim Stickstoffwechsel werden Eiweisse über mehrere Stufen zum weitgehend unschädlichen Nitrat abgebaut. Verantwortlich hierfür sind verschiedene Gruppen von Bakterien, die auf allen Oberflächen mit ausreichender Sauerstoffversorgung (Pflanzen, Scheiben, obere Schichten des Bodengrundes, Filtermedien) und zum geringen Teil sogar frei schwebend im Wasser angesiedelt sind.
Diese Vorgänge werden als "Nitrifikationskette" bezeichnet, funktionieren sie stabil, wird ein Aquarium als (biologisch) eingefahren oder eingelaufen bezeichnet. Wie man als Aquarianer ein neu eingerichtetes Becken einfahren kann, wird auf einer eigenen Seite beschrieben und welche Funktion dabei ein biologischer Filter übernehmen kann, findet sich auf einer gesonderten Seite zur Filterung.
Die Nitrifikationskette gestaltet sich wie folgt:
Die eigentliche Nitrifikation (die bakterielle Umwandlung von Ammonium zu Nitrat) läuft in zwei Stufen ab, wobei hier der Übersicht halber noch eine Vorstufe - die Ammoniumerzeugung - mit beschrieben wird, um das Verständnis zu erleichtern.
1. Stufe - Ammonium / Ammoniak
Im Aquarium befindliche organische Verbindungen bestehen zu einem erheblichen Teil aus Eiweissen (Futter, Kot, abgestorbene Pflanzen und Tiere). Diese Eiweisse enthalten ca. 15 - 18% Stickstoff (vgl. Krause, 2007).
Dieser ursprünglich organisch gebundene Stickstoff wird anorganisch als Ammonium frei gesetzt.
Ammonium selbst ist für die Tiere eines Aquariums relativ harmlos, allerdings wandelt sich ein Teil davon bei steigendem pH-Wert und steigender Wassertemperatur in Ammoniak um, was wiederum ein gesundheitsschädliches Gas ist. Ammonium und Ammoniak werden mit den gängigen Testmethoden immer gemeinsam gemessen, der jeweilige Anteil bestimmt sich über den pH - Wert.
Grenzwert: dauerhafte Ammoniakkonzentrationen von 0,02 ml/l gelten für Fische als schädlich, Werte von 0,2 mg/l können auch kurzfristig Schädigungen hervorrufen und sollten unbedingt vermieden werden!
In der Regel sollten in eingelaufenen Becken keine hohen Ammonium / Ammoniak - Werte auftreten, da diese Stoffe durch Pflanzen aufgenommen und durch Bakterien abgebaut werden, wie in der 2. Stufe beschrieben..
2. Stufe - Nitrit
Die zweite Stufe ist in der obigen Abbildung durch eine "Wolke" mit einem orangenen Smilie dargestellt.
Hierbei wird durch verschiedene Bakterien (z. B. Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira) das im Wasser befindliche Ammonium-Ammoniak - Gemisch unter Verbrauch von Sauerstoff in Nitrit umgewandelt.
Das so entstehende Nitrit kann bei erhöhten Konzentrationen giftig wirken, weil es einerseits den Sauerstofftransport im Blut behindert und andererseits die Bildung von krebserregenden Nitrosaminen ermöglicht. Eine weitere Gefährdung entsteht bei niedrigem pH-Wert (pH < 7,0), weil hierbei stark giftige salpetrige Säure entstehen kann.
Grenzwert: Ein konkreter Grenzwert ist schwierig zu bestimmen und wird in unterschiedlichen Quellen mit recht großen Schwankungsbreiten angegeben. In einem eingelaufenen Aquarium mit funktionierender biologischer Filterung sollte ein Wert von mehr als 0,2 mg/l jedenfalls vermeidbar sein.
3. Stufe - Nitrat
In der dritten und abschließenden Stufe der Nitrifikationskette wird das vorher erzeugte Nitrit in Nitrat (NO3) umgewandelt. Das ist in der Grafik durch eine "Wolke" mit grauem Smilie symbolisiert.
Hierfür sind z. B. Bakterien der Gattungen Nitrobacter, Nitrococcus oder Nitrospira verantwortlich. Auch für diesen letzten Schritt benötigen die Bakterien Sauerstoff.
Nitrat selbst ist weitgehend harmlos und wird im Regelfall im Aquarium nicht weiter abgebaut oder umgewandelt. Pflanzen nutzen Nitrat als Nährstoff, wenn kein Ammonium mehr vorhanden ist, für diesen Vorgang ist allerdings Eisen und Molybdän als Katalysatoren notwendig. Im Normalfall sollte der Nitratgehalt in Aquarien durch regelmäßige Teilwasserwechsel reduziert werden, bei denen ein Teil des Aquarienwassers durch frisches Wasser ersetzt wird.
Gefährlicher wird ein hoher Nitratwert, wenn es zu sauerstoffarmen Zuständen (Sauerstoffgehalt < 1,5 mg/l) kommt, beispielsweise in stark verdichtetem Bodengrund oder in ausgefallenen Außenfiltern. Hier kann es durch den Vorgang der Denitrifikation zu einer "Rückbildung" in das giftige Nitrit kommen.
