L’azote est présent partout où l’on trouve de la matière organique animale ou végétale mais aussi à l’état de déchet : déjections, débris végétaux, cadavres, surplus d’alimentation... Dans la nature l’azote suit un cheminement cyclique : l’azote organique présent dans les déchets est dégradé par des bactéries en azote minéral. Celui-ci est assimilé par les végétaux, et redevient azote organique. Il est alors consommé par les herbivores et suit la chaine alimentaire jusqu’à redevenir déchet. En aquariophilie, ce cycle est incomplet, les aquariophiles n’appréciant que très peu de voir les poissons se nourrir de leurs précieuses plantes, et encore moins la prédation entre espèce ! Par ailleurs, la masse végétale peut être insuffisantes pour absorber tout l’azote minéral produit, il y a alors accumulation de cette dernière.

En aquariophilie classique (avec filtre), le cycle est assuré principalement par le filtre ainsi que de façon beaucoup plus marginale par le sol (gravier, sable...). Par le passage forcé de l’eau à haut débit dans sa partie biologique, le filtre ne laisse en effet que très peu de place aux autres phénomènes liés au cycle de l’azote, dégradant très rapidement l'ammonium en nitrites puis en nitrates. Les concentrations en Ammonium et en nitrites restent alors à des niveaux indétectables.

En absence de filtre (low-tech, ANP,…), et donc de passage forcé au travers des colonies bactériennes, la dégradation de l’azote organique s’arrête quasiment après l’ammonisation. L’azote reste alors beaucoup plus longtemps sous forme ammoniacale. L’ammonium est alors directement assimilé par les plantes. En effet, plantes aquatiques, dans leur grande majorité, préfère l’ammonium puis les nitrites, aux nitrates, contrairement aux plantes terrestres pour lesquelles cette préférence est inversée. Les phases de nitritation et nitratation ne se déroulent que très lentement, principalement au niveau du sol, et sont alors marginales.

L’ammonisation est la première phase du cycle de l’azote, soit la transformation de l’azote organique en azote ammoniacal (minérales) et divers métabolites azotés plus ou moins simples. Les déchets (excréments, reste de nourriture, végétaux morts,…) sont dégradés progressivement par des micro-organismes parmi lesquels on trouve différentes bactéries aérobies (Achromobacter, bacillus, Clostridium, Corynebactérium, Flavobacterium, Nitrococcus, Proteus, Pseudomonas, Sarratia,…). La diversité des acteurs de cette phase la rend très peu dépendante des paramètres de l’eau et très résistante aux perturbations de l’environnement.

On notera toutefois que la vitesse d’ammonisation augmente avec la température. Le pH, quant à lui, n’a que peu d’effet sur la vitesse d’ammonisation, il a un effet déterminant sur l’azote ammoniacal résultant. En effet, dans une eau fortement basique (pH > 9) l’ammonisation produit majoritairement de l’ammoniaque, très toxique pour tous les être vivant, tandis que dans une eau faiblement basique ou acide (pH < 7,5) elle produira quasi exclusivement de l’ammonium, faiblement toxique et assimilable par les plantes. Il est donc préférable que l'ammonisation se fasse dans une eau faiblement basique ou acide, ce qui est généralement le cas en aquariophilie. Les tests standards du commerce ne font pas la distinction entre ces deux formes de composés ammoniaqués. Pour les aquariums ayant un pH autour de 8 ou plus, il conviendra donc de surveillier étroitement leur concentration (à pH 8.2, 1 mg/l de composés ammoniaqués est composé d'environ 0.1 mg/l d'ammoniaque).

La dangerosité de l’ammoniaque est assez variable d’un organisme vivant à un autre, mais on considère, par exemple, qu’il sera mortel pour les coraux dès 0,01 mg/l, tandis que pour les poissons, il sera mortel vers 0,1 à 0,2 mg/l.

Note : On parle ici d'ammoniaque et non d'ammoniac! En effet, l'ammoniaque est le produit de la dissolution de l'ammoniac NH₃ à l'état gazeux dans l'eau. On devrait donc la noter NH_{3 aqueux} ou encore NH₄OH, même si la designation par NH₃ est communément admise.

La nitritation est la seconde étape du cycle de l’azote. Elle consiste en la transformation de l’ammoniaque en nitrite. Elle est effectuée par les bactéries autotrophes du genre Nitrosomonas, notamment Nitrosomonas europeae.

Nitrosomonas est un genre de bactérie de la famille des Nitrosomonadaceae, découvert par Serge Winogradsky en 1890. La plupart des Nitrosomonas sont motiles grâce à un flagelle situé dans les régions polaires. Ce sont des bactéries chimiotrophes, leur métabolisme utilise comme source d'énergie des éléments chimiques inorganiques et elles trouvent donc l'énergie nécessaire au développement de leurs cellules sans utiliser celle de la lumière du Soleil. Elles sont donc photophobes et vont générer une matrice de biofilm ou former des amas avec d'autres microorganismes pour éviter la lumière. Elles doivent consommer de grandes quantités d'ammoniaque pour accomplir leur division cellulaire, ce qui peut prendre jusqu'à plusieurs jours.

Les conditions de culture optimales de Nitrosomonas sont un pH compris entre 6.0-9.0 et des températures allant de 30 à 38 ° C. Sa vitesse de dégradation chute d’environ de 50% avec une baisse de température de 10°.

Le NH3 est en bilan oxydé en HNO2 selon la demi équation est la suivante :

NH₄⁺ +  1 ½ O₂    →     NO₂^- +  H₂O  + 2 H⁺

Cette oxydation s'effectue en partie au niveau membranaire par l'enzyme Ammoniac MonoOxygénase (AMO) et en partie au niveau périplasmique par l’enzyme Hydroxylamine Oxidoreductase (HAO). Le "pouvoir réducteur" est injecté dans la chaîne respiratoire au niveau de la quinone via le cytochrome c-554.

O₂ est bien l'accepteur terminal de la chaîne respiratoire. Le métabolisme est donc aérobie strict.

Les nitrites entrainent une méthémoglobinémie, à savoir, une accumulation anormale dans les globules rouges de méthémoglobine, forme non fonctionnelle de l ’hémoglobine où le noyau de fer central est bloqué sous forme Fe₃+. L’oxygène ne peut donc plus être transporté jusqu’aux cellules. Ceci entraine donc l’étouffement des poissons, qui en désespoir de cause essaient d’aller respirer à la surface.

Une concentration de 1mg/l de nitrites est mortelle à court terme pour tous les occupants de l’aquarium, mais les effets se font sentir dès 0.1 mg/l et une exposition prolongée à cette concentration entrainera elle aussi la mort.

La nitratation est la dernière étape du cycle de l’azote et consiste en la transformation des nitrites en nitrates.

On a longtemps cru que cette étape était réalisée par les bactéries Nitrobacter spp, elles aussi découverte par Serge Winogradsky en 1892. Mais une étude mené par Timothy A. Hovanec du département d’écologie de l’Université de Californie et publiée en 1990 a démontré que cette bactérie est totalement absente des filtres d’aquarium et que la nitratation est effectuée par les bactéries Nitrospira spp. En effet, Nitrobacter ne peut se développer qu’à partir de 2 mg/l de nitrites, une concentration rarement atteinte en aquarium et mortelle pour tous les occupants de l’aquarium. Par ailleurs, Nistrospira présente une affinité beaucoup plus forte pour les nitrites.

Nitrospira appartient à la famille des Nitrospirae. Le premier membre de ce genre, Nitrospira marina, a été isolé dans le golfe du Maine et décrit en 1986 par Watson et al.. D’autres membres de cette famille ont depuis été identifiés. Il est à noter que certains sont des bactéries Comammox (COMplete AMMonia OXidiser) et ont donc la capacité d'effectuer la nitrification complète. Si la conversion complète de l'ammoniaque en nitrate par un seul micro-organisme avait été prédite en 2006, la première bactérie ayant cette capacité n’a été identifiée que 10 ans plus tard.

La température de développement optimal pour Nitrospira est de 28°C. Comme pour Nitrosomonas, la vitesse de dégradation chute d’environ de 50% avec une baisse de température de 10°.

Même si Nitrobacter n’est finalement pas présente dans nos filtres, voici à titre d’exemple, le processus de nitration chez elle. Il est semble-t-il assez similaire chez Nitrospira.

NO₂- est oxydé en NO₃- par une enzyme oxydase qui catalyse une réaction d'oxydo-réduction impliquant une molécule de dioxygène (O₂) comme accepteur d'électron. Dans cette réaction, l'oxygène est réduit en eau (H₂O). Le métabolisme est donc aérobie strict.

La demi équation suivante :

2 HNO₂^- + O₂ → 2 NO₃^- + H₂O

Les nitrates sont beaucoup moins toxiques que les nitrites. En théorie, ils ne sont létaux qu’à partir d'une concentration de l'ordre de 3 à 4 000 mg/l. Cependant le seuil maximum admissible en aquariophilie est d’environ 50 mg/l, voir beaucoup moins pour certaines espèces. Les raisons sont les suivantes :

Des taux trop élevés peuvent entraver la croissance de certaines espèces végétales, certaines ne tolérant pas des taux supérieurs à 5 mg/l.

L’exposition à des taux élevé de nitrates sur le long terme fragilise les poissons, notamment leurs systèmes immunitaires et respiratoires. Là encore, certaines espèces ne tolèreront pas plus de 5 mg/l.

Ceci peut entrainer une prolifération de bactéries dénitrifiantes (voir ci-dessous : Dénitrification et Respiration nitrate)

La dénitrification est un processus commun dans le sol et les sédiments consistant en la transformation des nitrates (NO3-) en diazote (N2). Il se déroule en plusieurs étapes :

Nitrates (NO₃^-)→ Nitrites (NO₂^-)→ Oxyde nitrique (NO)→ Protoxyde d'azote (N₂O) → Diazote (N₂)

De nombreuses bactéries sont capables d’effectuer la dénitrification. On trouve parmi celles-ci divers souches de Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Achromobacter, Escherichia, Micrococcus,… Elles se servent généralement de l’enzyme Nitrate réductase A. Sous certaines conditions, la dénitrification peut être partielle et produire de nitrites. Ce phénomène reste rare en aquarium et ne pose généralement pas de problème, l’éventuelle production de nitrites étant beaucoup plus lente que la nitratation effectuée par le filtre.

Bien que la dénitrification se déroule partout où l’on trouve des nitrates et de la matière organique en anaérobiose, elle est généralement liée à la nitrification. En effet, celle-ci fournie les nitrates et un milieu anaérobie en consommant l’oxygène. Il résulte de ce double processus une perte substantielle en azote dans les milieux aquatiques. Une étude menée dans des bassins d’aquaculture a démontré que seulement 43% de l’azote introduit sous forme de nourriture était présent dans l’eau, le sol et les poissons. Les 57% restant ont été perdus sous forme de dénitrification. De même, on pense que la concentration en azote du lac Tanganyika est limitée par les processus de nitrification, dénitrification.

Une autre étude a tracé l’azote dans un aquarium de 300 litres contenant des sédiments et diverses plantes. Un isotope radioactif de l’azote est introduit dans les aquariums sous forme d’ammoniaque et de nitrates, 27 jours plus tard, la radioactivité est mesurée dans le sol, les plantes et l’eau.

Introduction sous forme d’ammonique :

Introduction sous forme de nitrates :

La respiration nitrates est un processus commun, utilisé par une grande variété de bactéries en anaérobiose pour respirer. Il en résulte la demi équation suivante :

NO₃^- + 2H⁺ + 2e^- ->NO₂^- + H₂O

Contrairement à la dénitrification qui produit du diazote gazeux, cette réaction produit des nitrites qui s’accumulent dans l’eau s’ils ne sont pas traités par le filtre ou absorbés par les plantes.

Environ 80% des bactéries vivant en anaérobiose se servent de la respiration nitrates, les 20% restant pratiquant la dénitrification. Il semble que certaines bactéries pratiquent aussi la Production d’Ammonium Dissimilatoire (DAP), soit la transformation des nitrates (NO₃^-) en ammonium (NH₄⁺).

Ces phénomènes ne posent pas de problèmes en aquarium, la nitrification au niveau du filtre étant plus efficace. Toutefois, en présence de conditions très fortement anaérobiques, d’un fort taux de nitrates et d’une filtration défaillante, on peut assister à une prolifération bactérienne très rapide (rendant parfois l’eau légèrement laiteuse), dont les conséquences peuvent être dramatiques pour la population de l’aquarium.

Une fois l’aquarium mis en eau et le système de filtration démarré, la mise en place du cycle commence. Le système de filtration doit impérativement contenir au moins un support bactérien tel que la pouzzolane concassée, ou de la céramique poreuse. Les bactéries nécessaires à la nitrification sont présentes naturellement dans l’environnement. Il n’est donc pas nécessaire d’en ajouter pour démarrer le cycle. On peut toutefois ajouter un peu de nourriture pour créer des « déchets ». Si ce n’est pas obligatoire, cela rendra le cycle un peu plus résistant.

La montée d’ammoniaque intervient au bout d’environ une semaine. Une semaine plus tard, l’ammoniaque aura chuté pour laisser place à une forte monté des nitrites. Les nitrosomonas sont installées et commence à oxyder efficacement l’ammoniaque. C’est au tour de Nitrospira de s’installer, ce qui prendra de nouveau une semaine et se caractérisera par la chute de la concentration en nitrites et la hausse de nitrates. Le cycle de l’azote est établi. La vitesse de mise en place du cycle varie en fonction de la température et sera optimale autour de 26 à 28°C. D’autre facteurs interviennent, comme le filtre, les plantes,… Il convient donc de surveiller l’apparition du pic de nitrites à l’aide de tests (de préférence en goute, l’expérience ayant montré que les bandelettes étaient très imprécises, voir totalement fausses)

On ne doit sous aucun prétexte introduire des poissons lors de cette période, comme certains sites « aquariophile » le préconisent « pour apporter des polluants ». Ils seront exposés à des doses pouvant être mortelles de nitrites. Aucune intervention (changement d’eau, nettoyage du fond ou des masses filtrantes) ne doit être faite dans le bac, au risque de ralentir considérablement le processus. On peut toutefois compléter la plantation, débuter l’injection de CO2 si on le désire.

Le cycle établi, il est maintenant possible d’introduire des poissons sans trop de risques. Toutefois, les colonies bactériennes sont encore immatures et ne suffiraient pas à la tâche si trop de poissons se mettaient à polluer le bac. Il convient donc d’introduire les poissons petit à petit et de continuer à surveiller l’apparition de nitrites.

Une fois le cycle de l’azote établi, il se préserve de lui-même dans l’aquarium à condition d’être vigilant sur quelques points.

• Le chlore est un puissant bactéricide. Lors des changements d’eau, l’eau doit donc être parfaitement déchlorée et les supports de filtration ne doivent jamais être rincés sous l’eau du robinet.
• Les supports bactériens doivent être oxygénés, donc alimentés par une eau débarrassée de tous les déchets macroscopiques qui pourraient colmater les pores des supports en céramique hébergeant les bactéries.
• Les supports bactériens doivent être retirés du filtre lors des traitements antibiotiques jusqu’à ce que ces derniers soient éliminés par une filtration sur charbon actif.

On trouve dans le commerce aquariophile des bactéries de culture sous divers formes, gélules, bouteilles, ampoules,… A écouter les vendeurs, celles-ci sont indispensables, dispensant de la période de mise en place du cycle, il faudrait même en rajouter après chaque changement d’eau. Mais les aquariophiles sont beaucoup moins enthousiastes quant à leur utilisation et leur efficacité.

Les bactéries de culture sont-elles efficaces ? Le retour d’expérience de nombreux aquariophiles a montré que même avec l’utilisation de ces bactéries, un pic de nitrite pouvait survenir. En effet, bien que la composition ne soit que très rarement indiquée, il semble que certaines marques utilisent toujours Nitrobacter spp et non Nitrospira spp. Ces produits seront donc inefficaces voir perturbateurs pour la mise en place du cycle. Par ailleurs, à la vue du temps et des conditions de conservation, on peut émettre quelques doutes quant à la vivacité des bactéries vendues. Enfin, même lorsqu’elles sont efficaces, elles ont le gros inconvénient de cacher le pic de nitrite, laissant toujours planer un doute sur la mise en place du cycle.

Au final, face à autant de doutes, il est préférable de laisser le cycle s’établir de lui-même. Il n’en sera que plus robuste, les souches bactériennes seront plus variées et adaptées aux paramètres de l’aquarium.

Quant au fait de rajouter des bactéries de culture après chaque changement d’eau, cela n’a strictement aucun intérêt si les changements d’eau sont faits dans la règle de l’art.

Le seul cas où l’utilisation de bactéries de culture est conseillée, est pour relancer le cycle dans un aquarium déjà peuplé dont le cycle a été accidentellement rompu, par exemple suite à un traitement antibiotique ou quand un aquarium doit être mis en place d’urgence. La plus grande prudence s'impose alors, mais quand on n’a vraiment pas le choix…