Operation Aquarium: Teil 5 – Nitro-Alarm!

Neues aus der Wasserwelt:

Bereits letzte Woche Samstag kamen die ersten Bewohner ins Aquarium und zwar ein paar Antennenwelse von meinem Schwiegervater (5 kleine und 1 großer). Antennenwelse sind sehr widerstandsfähige, pflegeleichte und gebärfreudige Fische. Jeder kennt sie.

Aufgrund der Tatsache, dass diese durchaus witzigen Gesellen gern Pflanzen fressen, haben wir zusätzlich ein kleines Stück Mangrovenholz beigelegt.

Diese Maßnahme soll die Welse etwas von den Pflanzen fernhalten.

Zusätzlich besorgten wir Fischfutter auf Algenbasis. Ansonsten kann man auch durchaus etwas Salat oder Gurke ins Aquarium packen. Das mögen die Antennenwelse auch sehr gerne.

Außerdem wollten wir noch etwas „besseres“ Licht mit höherem Farbanteil haben, damit die schöne Färbung der Neonsalmler besser zur Geltung kommt. Aus diesem Grund haben wir eine der beiden Leuchtstoffröhren (die hintere) ausgetauscht und gegen eine „Couleurlampe“ ersetzt.

Nun konnte es eigentlich losgehen. Also ab zum Zoogeschäft samt Wasserprobe, um zu sehen ob alles in Ordnung ist.

Aber dann der Schock.

Die Wasserwerte waren soweit zwar absolut in Ordnung, nur der Nitritwert war leicht erhöht. Nun könnte man zwar trotzdem schon Fische einsetzen, aber dann nur solche wie bereits drinnen sind (also tolerante Welse zum Beispiel). Ansonsten muss man vorsichtig sein.

Aber was ist Nitrit überhaupt? Woher kommt es? Und welches Thema haben Fische damit?

Nitrit ist quasi oxidierter Stickstoff, welcher sich in ionischer Form im Wasser löst.

Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Luft und wird ausschließlich durch Mikroorganismen aus der Luft aufgenommen. Jeder weiß zum Beispiel, dass Erbsen, Bohne oder Linsen (sogenannte Hülsenfrüchte) sehr viel Protein enthalten. Proteine bestehen aus Aminosäuren und diese Aminosäuren können nur deshalb gebildet werden, weil kleine Bakterien in den Wurzeln der Hülsenfrüchte (sogenannte Rhizobien) den Stickstoff aus der Luft binden und in Aminosäuren ablegen. Die Pflanze bedankt sich mit leckeren Kohlenhydraten, eine friedliche Symbiose also. Durch die Arbeit von Rhizobien und andere Bakterien wird daher der sogenannte Stickstoffkreislauf geschlossen.

Stickstoff ist ein sehr bemerkenswertes Element, denn er kann in 8 verschiedenen Oxidationsstufen vorkommen, d.h. er ist in der Lage reichlich Elektronen aufnehmen und abzugeben. Wir hatten ja bereits in meinem Autophagieartikel gelernt, dass es bei Stoffwechselereignissen immer um den Transfer von Elektronen geht, die in Nährstoffen gespeichert vorliegen. Dadurch, dass Stickstoff so flexibel ist, gibt es zahlreiche weitere Verwendungsmöglichkeiten für Stickstoff:

• Neben der Aufnahme in Proteinen (also so gesehen als Baustoff)
• kann Stickstoff aber auch sowohl als Elektronenlieferant (Donor)
• als auch Elektronenakzeptor dienen

Sauerstoff ist auch ein Elektronenakzeptor, welcher in unserer mitochondrialen Atmungskette am Ende die Elektronen der Nährstoffe wegschnappt, welche zuvor einen langen Weg hinter sich hatten, um Energie für den Körper zu generieren. Gäbe es am Ende keine Elektronenakzeptoren, so würde der gesamte Prozess zusammenbrechen. Die Energiegewinnung kann somit nicht funktionieren.

Der Stickstoff in den Aminosäuren hat den Oxidationszustand -3, d.h. er ist stark reduziert und würde somit eher Elektronen abgeben. Gleiches gilt für Ammoniak (-3). Molekularer Stickstoff der Luft hat eine Oxidationszahl von 0. Danach kommt der oxidierte Zweig mit Distickstoffmonoxid (+1), Stickstoffmonoxid (+2), sowie Nitrit mit +3. Die höchste Oxidationsstufen haben Stickstoffdioxid +4 und Nitrat mit +5.

Wenn nun ein Organismus stirbt, dann gibt er in der Regel eine ganze Menge Stickstoff ab. Denn Stickstoff ist neben den Proteinen und Aminosäuren auch in Nukleinsäuren (wie DNA) und anderen Verbindungen reichlich vorhanden.
Dieser Stickstoff, welcher durch den Abbau der Aminosäuren und Nukleinsäuren frei wird, liegt zunächst als Ammoniak oder Ammonium vor (kommt auf den pH-Wert an), ein Prozess welcher als Ammonifikation bezeichnet wird.
Das entstandene Ammoniak hat nun zwei Möglichkeiten.

• Entweder nehmen Pflanzen oder Mikroorganismen es auf und fixieren es zunächst wieder in Aminosäuren
• oder er wird weiter oxidiert.

Die Fixierung von Ammoniak in Aminosäuren (Glutamin!) kann sowohl unter aeroben wie anaeroben Bedingungen ablaufen (kein Sauerstoff nötig).

Die Oxidation von Ammoniak erfolgt aber primär im Aeroben, also mit Sauerstoff. Durch diesen Prozess, welcher als Nitrifikation bezeichnet wird, entsteht schließlich Nitrit. Primär wird dies durch das Bakterium Nitrosomonas realisiert.

Im weiteren Verlauf kann das Nitrit noch weiter oxidiert werden zum Nitrat, was primär durch das Bakterium Nitrobacter arrangiert wird.

Alle Übergänge von Ammoniak, über Nitrit bis hin zum Nitrat setzen Elektronen frei, weshalb potentiell überall etwas Energie durch Atmungskettenphosphorylierung erhalten werden kann.

Der terminale Elektronenakzeptor ist zunächst Sauerstoff, denn Sauerstoff hat von allen erwähnten Molekülen das geringste Redoxpotential, d.h. Sauerstoff ist nicht besonders daran interessiert Elektronen abzugeben.

Im Anaeroben gibt es aber keinen Sauerstoff, weshalb hier Nitrat oder Nitrit als Elektronenakzeptoren dienen können. Folgende Möglichkeiten gibt es

• Reduktion von Nitrat zu Nitrit, sowie schließlich von Nitrit wiederum zum molekularen Stickstoff = Denitrifikation (es ist auch möglich, dass Ammoniak entsteht, dann spricht man von Ammonifikation)
• Reduktion von Nitrat direkt zu Ammoniak = Dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA)
• Reduktion von Nitrit und anschließende Verbindung mit Ammonium zu molekularem Stickstoff = Anaerobe Ammonium-Oxidation (Anammox)

Um das kurz zusammenzufassen:

• Chapper hat etwas zu viel Nitrit in seinem Aquarium
• Nitrit entsteht beim Abbau organischer Substanzen durch Nitrosomonas im Aeroben
• Nitrit entsteht außerdem im Anaeroben aus Nitrat durch Bacillus, Paracoccus oder Pseudomonas (das spielt hier aber wahrscheinlich keine Rolle)

Zusammenfassung Stickstoffkreislauf

Aber warum ist das denn überhaupt ein Problem, denn immerhin ist der Nitritwert noch nicht mal hoch?

Das ist durchaus richtig, wenn jetzt aber meine Fische kommen, dann muss ich die füttern und außerdem machen die überall hin. Vielleicht geht auch der eine oder andere Fisch zugrunde. Kurzum, es wird sich viel totes organisches Material ansammeln. Aufgrund dieser Abbauprozesse wird Ammonium oder Ammoniak frei, es kommt zu noch stärkerer Nitrifikation und somit zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass der Nitritwert weiter steigt.

Ja und? Soll der Nitritwert doch einfach weiter steigen! Ist doch egal oder?

Nein! Nitrit ist sehr schlecht für die Fische, denn dadurch werden ihre Sauerstofftransportproteine, das Hämoglobin funktionslos. Hämoglobin ist das Sauerstofftransportprotein im Blut und kommt in den Roten Blutkörperchen (Erythrozyten) vor. Hämoglobin besteht aus 4 Proteinen, die sich zu einem großen Komplex zusammensetzen. Dabei kooperieren die Moleküle in der Weise, als dass bei Bindung eines Sauerstoffmoleküls an ein Hämprotein, die Bindung eines weiteren Sauerstoffmoleküle durch ein anderes Hämprotein erleichtert wird. Man spricht von Kooperativität!

Die Bindung des Sauerstoffs wird aber nicht durch das Protein an sich, sondern durch zwei Kofaktoren ermöglicht: einen Porphyrinring und zweiwertigem Eisen.

Wenn man den Porphyrinring so ein bisschen auf die Seite dreht, dann erkennt man, dass über und unterhalb dieses Rings Aminosäuren des Hämproteins an der Bindung des Sauerstoffs beteiligt sind. Je nachdem ob es eine Bindung gibt oder nicht bewegt sich das Molekül gewissenmaßen an dieser Stelle auf und ab. Bindet ein Sauerstoffmolekül, so wird es etwas „abgeknickt“. Dadurch ist die Abgabe in den entsprechenden Geweben verbessert (siehe roter Pfeil).

[Anmerkung: Von Bindung kann man übrigens nicht sprechen, da es sich hier lediglich um eine Anlagerung oder „Komplexierung“ des Sauerstoffs handelt. Ich verwende der Einfachheit halber trotzdem den Begriff Bindung weiter.]

Wie dem auch sei. Wenn jetzt Fe2+ zu Fe3+ oxidiert wird, dann geht ein Elektron verloren.

Bei Sauerstoff und Nitrat ist dies nicht so tragisch, denn beide verfügen nicht über ein einzelnes ungepaartes Elektron. Nitrit hingegen verfügt gewissermaßen über ein solches ungepaartes Elektron (auch wenn dieses permanent "rumgereicht" wird), weshalb dieses bei Kontakt mit Fe2+ sofort zu Oxidation führt (wer will schon gern allein sein).

Das Elektron, welches das Eisen bei solch einer Reaktion verliert, ist aber unter anderem dafür notwendig, um das Eisen perfekt im Porphyrinring zu halten.

Demnach würde ein zu hoher Nitritgehalt die Sauerstoffbindekapazität des Hämoglobins zu stark einschränken.

Und tatsächlich passiert dies trotzdem laufend, jedoch gibt es ein Enzym, welches diese Unannehmlichkeit beseitigt. Die sogenannte Methämoglobinreduktase ermöglicht unter Verbrauch von Reduktionsäquivalenten, dass das zweiwertige Eisen und damit die Sauerstoffbindung wiederhergestellt wird. Ungefähr 2% des Hämoglobins liegen im Regelfall als Methämoglobin vor und können durch die Methämoglobinreduktase „korrigiert“ werden. Ist der Anteil allerdings zu hoch, kommt das Enzym nicht mehr hinterher und das war’s dann.

Der freundliche Verkäufer im Zoofachgeschäft riet uns aus diesem Grunde zunächst vom Kauf der Neons ab, denn diese haben da echt kein Bock drauf. Prinzipiell können die Fische auch mit höheren Nitritwerten klarkommen, wenn die Nitritkonzentration über einen längeren Zeitraum hinweg steigt. In diesem Falle hat die Biochemie der Fische eine Chance sich auf eine vermehrte Oxidationsrate des Eisens einzustellen (z.B. durch erhöhte Expression der Methämoglobinreduktase [persönliche Ansicht Chapper]). Wenndie Fische aber von jetzt auf gleich mit sowas konfrontiert werden, dann ist Ende im Gelände.

Aber was kann man jetzt tun?

Zunächst nicht mehr füttern um den Eintrag von Stickstoff zu vermindern. Des Weiteren kann man versuchen den Stickstoffkreislauf etwas stärker in Schwung zu bringen. Dies ist durch Beimpfung mit Bakterienkulturen möglich. Wir haben aus diesem Grunde das Produkt BaktoKlar gekauft, welches eigens für solche Fälle entwickelt wurde.

Das Zeug enthält reichlich Bakterien und muss vor Gebrauch gut geschüttelt werden (etwa 30 s).

Danach wird der komplette Inhalt ins Aquarium gegossen.

Fertig!

Ich frage mich allerdings trotzdem was da konkret passieren soll.

Der Hersteller gibt leider nicht an, um welche Organismen es sich im Detail handelt. Meiner Meinung nach, kommen aber nur Organismen in Frage, die Nitrat, Nitrit oder Ammoniak/Ammonium binden, sprich assimilieren. Die Denitrifikation läuft ja anaerob ab und ist daher raus. Demnach wird das Produkt wahrscheinlich aus Standardbakterien bestehen, die stickstoffhaltige Verbindungen aufnehmen können (da kommen übrigens ziemlich viele in Frage), gleichzeitig aber eben nicht pathogen sind.

Ok, wegen mir!

Das Zeug haben wir übrigens am Mittwoch reingemacht und heute nochmal Nitritwerte gecheckt. Voila: 0.05 mg/L, also nur noch die Hälfte. Aus diesem Grund haben wir heute noch ein paar Welse geholt, u.a. Panda-Panzerwelse (Corydoras panda).

Mit den Neonsalmlern warten wir aber nochmal bis nächsten Mittwoch.

Die Panda-Panzerwelse sind übrigens echt witzig und jetten die ganze Zeit zusammen im Aquarium rum.

Ich liebe sie jetzt schon abgöttisch.

Soweit erstmal von der Aqua-Front

Beste Grüße

Franky & Chapper

P.S.: Alle Abbildungen wurden von uns angefertigt, nehmt was ihr braucht, aber passt auf, dass ihr keine Rechte in welcher Form auch immer verletzt. Gruß

Quellen:

1. Heldmaier G., N.G., Vergleichende Tierphysiologie Band 2 Vegetative Physiologie. 2004: Springer.
2. Reineke W., S.M., Umweltmikrobiologie. 2007: Spektrum Akademischer Verlag.
3. Müller-Esterl, W., Biochemie: Eine Einführung für Mediziner und Naturwissenschaftler. 2004: Spektrum Akademischer Verlag.
4. Peter Karlson, D.D., Jan Koolman, Georg Fuchs, Wolfgang Gerok, Ruth Hammelehle, Karlsons Biochemie und Pathobiochemie. Vol. Auflage: 15. 2005: Thieme.