Dr. Gerd Kassebeer  07/04

Das Phänomen Nitritpeak

Sind Aquarianer unter sich, ganz gleich ob im Verein oder Internet, dann gehört das Nitrit bzw. der Nitritpeak zu ihren Gesprächsthemen. Ich als eifriger Teilnehmer hatte das Gefühl, die Entstehung eines solchen Peaks noch nicht richtig verstanden zu haben. Und andere auch nicht!

Also versuchte ich, mir Klarheit zu verschaffen. Ich griff in den Bücherschrank und nahm Fachbücher zur Hand, ich suchte im Internet mit Suchmaschinen und in den Threads der aquaristischen Foren. Was ich da an Information bekam, machte mir die Sache auch nicht klarer. Ich führte Messungen durch, um das Phänomen im eigentlichen Wortsinn zu "begreifen", aber ohne großen Erfolg.

Dann kam mir die Idee, einen Text zu verfassen, ihn in kleinem Kreise zur Diskussion zu stellen und dann zu veröffentlichen. Mir ging es dabei nicht um ein Handlungskonzept zur Vermeidung oder Bekämpfung des Peaks, sondern um das elementare Verständnis des Phänomens! Ich meine, daß mir das vor allem durch die Mitwirkung einiger Freunde gelungen ist, die in mehren Durchgängen meine Entwürfe kritisch durchgesehen haben. Dafür möchte ich mich herzlich bedanken!

Bei der Auswertung der Versuche entstand auch die Grafik "Nitritpeak". Die Meßdaten dafür wurden in einem Eimer mit Aquarienwasser ohne Beimpfung und mit einem Zusatz von 3 mg NH₄⁺/L "erzeugt".

1.) Was ist ein Nitritpeak?

Nicht selten treten Erkrankungen und Todesfälle bei Fischen in einem Aquarium auf, das neu eingerichtet oder sehr gründlich gereinigt wurde, und zwar einige Tage bis Wochen später. Der betroffene Aquarienbesitzer weiß nicht, daß er ein Opfer des Nitritpeaks geworden ist. Würde er z. B. mit einem Nitrittest sein Aquarienwasser untersuchen, dann würde er unter Umständen mehrere mg/l Nitrit finden. Hätte er problembewusst gehandelt, so hätte er das Aquarium nach Neustart beimpft, im kritischen Zeitraum überwacht und Fische erst danach eingesetzt.
Nitrit entsteht im Aquarium als ein Zwischenprodukt des mikrobiologischen Abbaus von ursprünglich organischen, stickstoffhaltigen Stoffen, zum Beispiel Eiweißen (Proteinen), oder anders formuliert: Es entsteht durch die Oxidation des Zwischenprodukts Ammonium durch Bakterien der Gattung Nitrosomonas. In einem eingefahrenen Aquarium ist die Nitritkonzentration sehr gering, weil dort genügend nitritoxidierende Bakterien (Nitrobacter) vorhanden sind, die das entstandene Nitrit vollständig zum ungiftigen Nitrat oxidieren.
In einem neu eingerichteten oder gründlich gereinigten Aquarium kann das aber anders aussehen! Da kann es vorkommen, daß sich Tage bis Wochen lang ein Überhang von mehreren mg/l Nitrit ansammelt, weil zwar schon genügend Bakterien der Gattung Nitrosomonas vorhanden sind, um Ammonium vollständig zu oxidieren, aber noch nicht genügend Bakterien der Gattung Nitrobacter, um das entstehende Nitrit völlig zu Nitrat zu oxidieren. Es handelt sich um ein vorübergehendes Ungleichgewicht im Aufbau der Bakterienflora. In der Grafik "Nitritpeak" ist ein solcher Peak dargestellt. Dieser Peak entstand dadurch, daß das vorhandene Ammonium durch Nitrosomonas zum Nitrit in der Größenordnung von etwa 0,5 mg NO2- /(L.d) (d = Tag) oxidiert wurde, und das zunächst ohne die üblicherweise darauf folgende Oxidation des Nitrits durch Nitrobacter zu Nitrat.

Erst am neunten Tag war erstmalig die Nitritbilanz negativ: Es wurde nunmehr mehr Nitrit verbraucht, als entstand! Der Überhang an Nitrit wurde abgebaut. Nitritentstehung und -beseitigung kamen ins Gleichgewicht. Der Peak verschwand. Die Gefahr war gebannt.

2.) Nitrit ist fischtoxisch

Nitrit dringt hauptsächlich über die Chloridzellen auf den Kiemen in den Blutkreislauf des Fisches ein und blockiert dort das Hämoglobin. Die Chloridzellen dienen der Chloridversorgung des Süßwasserfisches. Da die Nitritionen den Chloridionen ähnlich sind, dringt auf diesem Wege um so mehr Nitrit ein, je weniger Chlorid im Wasser ist. Ein vielfacher Chloridüberschuss, bezogen auf Nitrit, schützt also die Fische vor dem Nitrit.
Das blockierte Hämoglobin kann zum Erstickungstode führen, wenn das Nitrit lange genug und in kritischer Konzentration einwirkt. Die Toxizität ist also auch von der Chloridkonzentration und wahrscheinlich vom pH abhängig und dazu bei den verschiedenen Fischarten sehr verschieden, so daß man keinen Grenzwert für Fische angeben kann.

Als weiterer Weg des Nitrits in den Fisch hinein wird die Diffusion der salpetrigen Säure (HNO2) diskutiert, die bei niedrigem pH durch Rückgang der Dissoziation aus den Nitrit- (NO2-) und den H+ -Ionen entsteht.

HNO2 <--> NO2- + H+

In einem Aquarium mit eingelaufener und ungestörter Bakterienflora ist praktisch kein Nitrit nachweisbar, und somit keine Gefahr für die Fische vorhanden. Da es keinen Grenzwert für die Aquaristik gibt, schlage ich den Wert von 0,3 mg NO2- /L vor.

3.) Nitrit ist ein Zwischenprodukt der Nitrifikation

Nitrit ist eines der Zwischenprodukte (Metaboliten) bei der mikrobiellen Selbstreinigung des Aquarienwassers. In einem eingefahrenen Becken tritt es nicht in Erscheinung, obwohl der tägliche Nitrit-Umsatz etwa 5 mg NO2- /(L.d) betragen kann.
Die Restkonzentration von Nitrit beträgt etwa 0,01-0,03 mg NO2- /L. Sie ist so gering, daß sie nur noch durch empfindliche Tropftests nachweisbar ist.

Die Quelle des Nitrits sind die Stickstoffverbindungen, die hauptsächlich in Form von Proteinen als Futterbestandteile ins Aquarium gelangen, die zum Teil aber auch im Aquarium durch wachsende Pflanzen, Fische, niedere Tiere, Bakterien entstehen und z. T. wieder vergehen. Z. B. wird der überwiegende Teil des Futters von den Fischen zur Energieerzeugung und nur ein kleiner Teil zum Aufbau von Körpersubstanz genutzt.

Der im verbrauchten Futter enthaltene Stickstoff wird von den Fischen überwiegend in Form von Ammonium ausgeschieden, zu einem kleinen Teil als proteinhaltige Partikel, die dann weiter über die Aminosäuren zum Ammonium zerlegt werden. Abgestorbene Blätter oder andere Pflanzenteile setzen Ammonium frei. Bei Trockenfutter mögen es rund 9% NH4+, bei wasserhaltigem Futter und Pflanzen rund 1% NH4+ sein, die bei der Mineralisation freigesetzt werden.

Ammonium ist das Ausgangsprodukt der Nitrifikation, Nitrit das Zwischenprodukt, Nitrat das Endprodukt. Ammonium wird durch Bakterien der Gattung Nitrosomonas zum Nitrit oxidiert. Dieses wird dann von Bakterien der Gattung Nitrobacter zu Nitrat oxidiert.

4.) Die Dynamik der bakteriellen Besiedlung eines neuen oder gereinigten Aquariums

Ich setze als bekannt voraus, daß die im Aquarium auftretenden Stoffe organischer (zum Beispiel Proteine) und anorganischer (zum Beispiel Ammonium, Nitrit) Natur durch eine Fülle von Teilschritten unter Beteiligung verschiedener Bakterienarten abgebaut bzw. mineralisiert werden. Daran ist Sauerstoff maßgeblich beteiligt. Der bakterielle Stoffwechsel in einem Aquarium geschieht überwiegend aerob.

Bakterieller Stoffwechsel bedeutet auch Zellvermehrung durch Teilung. Ist das Substratangebot konstant, dann ist näherungsweise auch die Zellzahl konstant. Bleibt das Substrat aus, dann geht mit einer gewissen Verzögerung auch die Zellzahl zurück. Unmittelbar nach einer ersten Inbetriebnahme fehlt die für den schnellstmöglichen Abbau benötigte Bakterienzahl. Je nach Randbedingungen ist von jeder benötigten Art zunächst nur ein kleiner Bruchteil der Zellen vorhanden.

Die meisten Bakterienarten haben bei 25° C und gutem Nährstoffangebot eine Generationszeit von 20 min. bis zur nächsten Teilung. Das bedeutet, daß nach weniger als 7 Stunden aus einer Zelle eine Million geworden sind. Ich weiß zwar nicht, wie viele wirklich gebraucht werden, und auch nicht, wie viele zu Beginn da sind. Das Beispiel soll nur den typischen Zeitbedarf für die Entstehung einer Bakterienflora zeigen.

Bei den Nitrifizierern geht das nicht so schnell. Bei 25° C und optimaler Ernährung haben sie eine Generationszeit von 18 (Nitrobacter) bis 22 Stunden (Nitrosomonas) (K. Mudrack, S. Kunst: Biologie der Abwasserreinigung. 3. Aufl. Stuttgart 1991) Das bedeutet einen Zeitbedarf für eine millionenfache Vermehrung von 15 bzw. 18 Tagen (statt etwa 7 Stunden, wie bei den "normalen" Bakterienarten).

Eine Reihe von Faktoren bremst die Dynamik z. T. erheblich. Jedes Bakterium wächst praktisch nur dann optimal und teilt sich nur dann, wenn reichlich Nährstoffe vorhanden sind. Da ist z. B. das Problem mit dem Nährstoff Nitrit für das Wachstum von Nitrobacter. Er fehlt praktisch tagelang, weil sich die Nitrosomonas zu langsam vermehren, und daher nur einen Teil des vorhandenen Ammoniums zum Nitrit oxidieren, so daß ein Ammoniumpeak entsteht. Bevor hier die Zellzahlen für den vollständigen Umsatz erreicht werden, gibt es zwei deutliche Verspätungen: a.) Zunächst die Verspätung bei dem Abbau des Ammoniums durch noch nicht verfügbare Nitrosomonas, die das Nitrit für das Wachstum von Nitrobacter bereitstellen sollen, und b.) die Verspätung durch die zu langsam wachsenden Nitrobacter, die den mit Verspätung gewachsenen Nitritpeak abbauen sollen, und das zunächst nicht schaffen.

Alles in allem also zwei Verspätungen, eine, die den Anfang des Nitritpeaks verzögert, und eine zweite Verspätung, die ihn erst entstehen lässt. Zuerst verzögert sich die Bereitstellung von Nitrosomonas wegen deren langer Generationszeit. Diese induziert den Aufbau eines Ammoniumpeaks, der sein Maximum erreicht, wenn der Anstieg des Nitritpeaks beginnt. Etwa ein bis zwei Tage sind vergangen, und Nitrit wird meßbar. Die zweite Verspätung kommt daher, daß die Zellzahl von Nitrobacter bislang noch gering geblieben ist, und wegen der erst jetzt beginnenden Nitritentstehung stark verzögert folgt. Das Nitritmaximum ist erreicht, wenn die Nitrobacter eine Stoffwechselkapazität haben, die die tägliche Nitritproduktion übersteigt. Die angesammelte Nitritmenge wird wieder abgebaut, und es entsteht Nitrat, was auf der Skizze "Peaks bei beginnender Nitrifikation" gut erkennbar ist.

5.) Ist der Nitritpeak voraussagbar?

M. E. nicht! Dazu ist das Wirkungsnetz zu kompliziert. Nehmen wir beispielsweise die Beimpfung. Ich beimpfe bei einem Neustart z. B. ein 100 L-Becken mit etwa 2 L Filterschlamm. D. h. ich installiere eine komplette Bakterienflora aus einem laufendem Aquarium, und nach zwei Tagen ist Nitrit < 0,1 mg/L. Der Peak bleibt klein, verglichen mit den beiden anderen in der Grafik "Nitritpeak bei unterschiedlicher Beimpfung".

Impfe ich hingegen mit einer kleinen Portion Mulm oder Bodengrund aus einem laufenden Aquarium oder mit Blumentopferde (wie unsere Vorväter), so bekomme ich einen Peak dazwischen (Grafik: normale Beimpfung). Lasse ich mit oder ohne Absicht das Beimpfen sein, so bekomme ich unter Umständen einen großen und lang andauernden Peak (Grafik: ohne Beimpfung) oder auch nicht, z. B. wenn Ammonium fehlt, weil die Pflanzen es verbraucht haben.

Wie wirken sich nun unterschiedliche Startkonzentrationen von Ammonium aus, z. B. beim Einfahren mit kleinen Mengen Trockenfutter, bevor die Fische eingesetzt werden? Ein Beispiel führte ich schon an, nämlich das Fehlen von Ammonium, verursacht durch den pflanzlichen Verbrauch. Damit fehlt eine Grundlage für die Vermehrung von Nitrosomonas und Nitrobacter, und nach dem Besatz mit Fischen und deren Fütterung kommt der Nitritpeak stark verspätet, denn eine leistungsfähige Flora konnte noch nicht entstehen.

Wenn die Ammoniumkonzentration langsam ansteigt, dann kann es sein, daß der Ammoniumpeak und der Nitritpeak nicht auftreten, weil trotz des langsamen Wachstums der Nitrifikanten ihre Kapazität für die Oxidation der Metaboliten ausreicht.
Die Komplexität lässt präzise Voraussagen über den Verlauf des Nitritpeaks nicht zu. Vorsichtige Leute warten mit dem Fischbesatz, bis das Nitrit unter 0,3 mg/L bleibt und kontrollieren ihre Fische und auch das Wasser täglich.. Ein geeigneter Nitrittest sollte verfügbar sein.

6.) Sondereinflüsse

Der ideale pH-Bereich für die Nitrifikation liegt zwischen 7 und 8. Hier ist die Summe der toxischen Wirkungen von Ammoniak und salpetriger Säure am kleinsten.
Niedrige pH-Werte (je nach Literatur unter 5 bis 7) verhindern das zügige Einlaufen der Nitrifikation, wahrscheinlich durch Blockade der bakteriellen Enzyme. An die Stelle von Nitrosomonas und Nitrobacter treten andere noch langsamere Bakterienarten, so daß langfristig doch Ammonium und Nitrit veratmet werden.

Ein weiteres möglicherweise auftretendes Problem ist die Hemmung der Nitrobacter durch das Vorprodukt Ammonium, das ab etwa 10 mg NH4+/L wirksam wird, wahrscheinlich im Zusammenhang mit hohen pH-Werten. Die Oxidation von Ammonium durch Nitrosomonas führt primär zur Bildung von salpetriger Säure, die dann mit dem Hydrogencarbonat (HCO3-) zu Nitrit, Wasser und CO2 reagiert. Der Verbrauch von Hydrogencarbonat kann zum Absinken des pH führen, da sich die Pufferwirkung der Karbonathärte erschöpft. Dadurch w erden die Enzyme von Nitrosomonas blockiert, und sie oxidieren kein Ammonium mehr.

Der niedrige pH-Wert bzw. die fehlende Karbonathärte bewirken weiterhin, daß die ursprünglich entstehende salpetrige Säure nicht mehr völlig in das für Nitrobacter ungiftige Nitrit verwandelt wird. Hierdurch kann der Nitritpeak langlebig werden.

7.)Maßnahmen zur Bekämpfung des Nitritpeaks

Das beste ist die Vorbeugung in Form einer massiven Beimpfung, wie schon beschrieben. Außer Schlamm eignet sich noch Mulm, aber auch reichlich Pflanzen, denn die Nitrifikanten sind überwiegend Bildner von Biofilmen und sitzen auch auf den Pflanzen. Gut geeignet ist ein eingefahrener Filter. Ziemlich gut ist viel Bodengrund oder Mulm aus einem laufenden Aquarium. Jede andere Beimpfung ist besser als nichts. Mit Starterpräparaten habe ich keine Erfahrung und enthalte mich einer Wertung. Allerdings ist Aquarienwasser zum Impfen nicht immer geeignet, da es ausgesprochen keimarm sein kann.

Da bei der Ammoniumoxidation Säure entsteht, sollte etwas Karbonathärte vorgehalten sowie der pH kontrolliert werden, ob er mindestens über 6 ist. Bei Aquarien mit weichem sauren Wasser muß man u. U. mit langen Einlaufzeiten rechnen.
Zur Beschleunigung der Besiedlung mit Nitrifikanten sollte etwas gefüttert werden. Spätestens beim Überschreiten von 0,3 mg NO2- /L sollte bei Anwesenheit von Fischen das Füttern gestoppt und das Nitrit durch teilweisen Wasserwechsel gesenkt werden. Die Fische sollten ausquartiert werden, bis das Nitrit beseitigt ist, oder noch besser, mit dem Besatz sollte gewartet werden, bis die Besiedlung mit Nitrifikanten geschehen ist!
Trotzdem ist die Phase nach dem Fischbesatz kritisch, weil die Kapazität der Nitrifikanten nicht bekannt ist!

8.) Sonderproblem Zuchtschale

Hobby-Fischzüchter ziehen häufig in kleinen Gefäßen große Mengen von Fischlarven heran, mit massiver Fütterung, häufig ohne Filter, ohne Bodengrund, ohne Pflanzen. Wenn man diese Gefäße nicht regelmäßig und gründlich reinigt, wächst auf den inneren Oberflächen ein Biofilm aus Nitrosomonas heran, der täglich leistungsfähiger wird und innerhalb von etwa 4-6 Tagen eine solche Leistungsfähigkeit erreicht, daß die Fischlarven an Nitritvergiftung sterben. Pflanzen, Filter, Bodengrund und Dekoration verschärfen das Problem, weil die Nitrifikanten ganz ausgeprägt Biofilme bilden und praktisch nicht im freien Wasser vorkommen. Mit dem Wasserwechsel entfernt man zwar Ammonium und Nitrit, aber nicht die Bakterien des Biofilms. Bei der starken Belastung der kleinen Gefäße mit Futter ist Ammonium schnell wieder da, und der Biofilm aus Nitrosomonas verwandelt es in Nitrit, das auf mehrere mg/L steigt und wegen seiner Hemmwirkung auf Nitrobacter die Weiterreaktion zum relativ harmlosen Nitrat blockiert. Entfernt man diesen Biofilm mechanisch, so entsteht praktisch kein Nitrit, denn das Ammonium wird innerhalb von Tagesfrist nicht oxidiert (siehe Grafik "Ammonium-Atmung"). Diese Reinigung muß häufig und regelmäßig ausgeführt werden, um der Nitritentstehung vorzubeugen, und um die kleinen Fische am Leben zu erhalten.

9.) Schluss

Einiges ist unklar geblieben, einiges erscheint widersprüchlich. So mancher wird sagen, das sei schlecht erklärt. Das liegt wohl auch daran, daß wissenschaftliche Antworten auf viele Fragen noch fehlen.

Die Abtrennung der Sondereinflüsse ist rein willkürlich. Bei dem Bestreben, den Umfang des Textes erträglich zu machen, wurde auf Ausführlichkeit verzichtet.

So mancher wird sagen, das betrifft mich aber nicht. Einige werden sagen, das hat mich schon betroffen, nur habe ich es damals nicht verstanden!

Bei der Diskussion dieses Textes kam auch der Effekt der Nitrit-Entgiftung durch Chlorid zur Sprache. Wir vermuten, daß schon früher Zusätze von Kochsalz oder Seesalz, von Seewasser oder Salzsäure das Nitritproblem beseitigt haben, ohne daß Betroffenen der Zusammenhang bewusst wurde.