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Chimie simplifiée de l'aquarium récifal

L'eau de mer, c'est quoi ?
L'eau de mer contient du sel. Cela n'est pas nouveau, le sel c'est NaCl, du chlorure de sodium, en cuisine cela donne le goût… salé. En fait ce sel n'est pas l'unique composant de l'eau de mer.
L'eau de mer est constituée par de l'eau pure (notre bonne vieille H20) dans laquelle est dissous un mélange : Nous allons encore simplifier la composition des différents composants et retenir que l'eau de mer contient :

Après le remplissage initial à partir d'eau douce et de ce 'sel' complet à usage marin jusqu'à la densité de 1025 du milieu naturel, on s'attend seulement à ajouter un peu d'eau pure pour compenser l'évaporation, c'est pourtant insuffisant. Pourquoi ?

Dans un aquarium récifal les animaux et végétaux marins puisent directement de l'eau les éléments nécessaires à leur métabolisme (édifications de squelettes, de coquilles, etc.). Cette consommation utilise les composants dissouts dans l'eau.

Les éléments qui sont principalement utilisés sont :

Une partie des autres constituants, notamment les éléments traces appelés 'oligoéléments', sont aussi exploités par les organismes et leurs concentrations s'affaiblissent peu à peu.

Si on se contente de compenser l'évaporation avec de l'eau douce il va y avoir des carences !

Faut-il ajouter de l'eau un peu salée à la place de l'eau douce pour éviter les carences ?

La réponse est non, car ces éléments sont retirés dans des proportions différentes de celles contenues dans l'eau de mer naturelle, si calcium et carbonates sont utilisés, les sels de sodium et potassium ne sont que peu retirés. De plus chaque population d'aquarium va puiser de façon propre et individuelle dans l'eau ses constituants de croissance. Il n'y a pas de mélange universel pour compenser cet effet ( La méthode 'Balling' est l'exemple d'une solution apportant calcium, magnésium et carbonates de façon équilibré, bien dosé cela évite la mise en service d'un réacteur pour un aquarium de petit volume ou faiblement calcificateur.).

Autre difficulté, si le mélange initial est stable, l'épuisement d'un constituant perturbe l'équilibre chimique et entraine des réactions et variations de proportions des autres éléments.

Or la croissance, voire la survie, des animaux est liée au maintien dans des proportions exactes des taux de calcium, magnésium et de carbonates. Il faut intervenir si le taux de calcium tombe sous 370 mg/l, si la dureté carbonatée descend sous 7°dKH ou si le magnésium est sous la barre des 1000mg/l (chiffres correspondants à une densité de 1025 ou 35 g de sels par liltre).

Il est important de mesurer très régulièrement, une à deux fois par mois, selon son expérience, les trois paramètres clés : Calcium, dureté, magnésium.

Si l'observation attentive de l'aquarium est indispensable pour déceler les dérives, elle n'est pas suffisante pour débusquer une carence qui n'a pas encore (et c'est tant mieux) de conséquence sur les animaux de l'aquarium. Pour cela des 'kits' de mesure sont disponibles, ils sont loin d'être parfaits, mais il faut faire avec..

Comment intervenir ?

L'intervention de routine consiste à changer une partie de l'eau de l'aquarium par de l'eau salée neuve, opération effectuée chaque semaine (au moins 5%) ou chaque mois (au moins 20%). Au terme de plus longues périodes (trois mois, six mois), un changement plus significatif (50-60%) replace les paramètres à leurs valeurs nominales. C'est efficace, sans danger si le mélange est préparé avec soin et les constituants (eau douce y compris) d'excellente qualité. CF : nanoZine De l'eau et du sel . L'avantage est aussi de compenser l'épuisement des éléments traces non mesurables car les sels à usage marin sont très complets. N'ayez pas la crainte de retirer de précieux animalcules par les changements d'eau, l'aquarium ne contient que très peu de zooplancton ou phytoplancton et n'est pas réellement pénalisé par cette perte temporaire. Un sel dit 'enrichi' ou 'reef' destiné aux aquariums fortement peuplés en scléractiniaires peut être un bon choix, cependant il faut juger pertinemment des effets produits.


Aparté pour une simulation de l'effet d'un changement d'eau. Cette simulation est imparfaite car elle ne tiens pas compte de paramètres difficiles à modéliser, mais cela permet d'évaluer grossièrement l'efficacité de la stratégie de changements d'eau.
La simulation actuelle fait l'impasse sur des paramètres tels que les variations de consommation en fonction des concentrations, les effets que produisent sur la chimie de l'eau les différents taux qui interagissent entre eux, etc. Ainsi dans ce modèle il est possible d'avoir des concentrations négatives (!), cela à donc des limites mais en tenant compte de ces restrictions, c'est également instructif.

Cette simulation comporte 2 feuilles de calcul Excel, une pour l'accumulation d'éléments indésirables qui sont retirés de l'aquarium par le changement d'eau (pris comme exemple les nitrates), l'autre pour le remplacement d'éléments consommés ou vitaux au métabolisme des animaux (pris comme exemple le calcium). En effet ces deux effets sont obtenus par la même opération.

Pour celle concernant le remplacement des éléments en carence, l'exemple pris est le calcium. Il est possible d'introduire la quantité initiale, la quantité consommée chaque jour et celle introduite par un moyen quelconque (RAH, RAC ou solution de chlorure de calcium), le pourcentage et la fréquence de changements d'eau réguliers ainsi que l'action de changements inhabituels de plus grand volume.

Deux stratégies sont confrontées et mise sous forme de graphique pour une comparaison de leur efficacité.

Premier exemple : Sont prises les hypothèses : Consommation de 1mg/l/jour de calcium, apport de 0,8 mg/l dans la stratégie n°2, changements d'eau de 5% par mois et 20% tous les trois mois.

On voit qu'un apport proche de la consommation permet d'éviter les changements d'eau, cependant les autres éléments consommés de même manière (carbonates, magnésium, éléments traces) doivent être également compensés. La stratégie d'un échange de 5% par mois et 20% tous les trois mois est bien insuffisante pour ne pas infléchir sensiblement la descente.

Deuxième exemple Sont prises les hypothèses : Consommation de 1mg/l/jour de calcium, apport de 0 mg/l dans la stratégie n°1 et 1,5 mg/l pour la stratégie n°2, changements d'eau de 5% par mois et 20% tous les trois mois.

Un excès aura les mêmes inconvénients qu'un déficit et les changements d'eau limités ne peuvent remédier à un écart de plus de 0,5 mg/l/jour.

Troisième exemple Sont prises les hypothèses : Consommation de 1mg/l/jour de calcium, apport de 0,5 mg/l pour les deux stratégies. Dans la stratégie n°1 les changements d'eau sont de 5% par semaine, dans la stratégie n°2 mois de 20% par semaine.

L'efficacité de changements significatifs (au moins 20%/semaine) dans cette configuration est évidente.

Quatrième exemple … votre configuration. La simulation sur Excel est en téléchargement libre evolutions.xls Vous devez faire une mesure de votre taux de calcium avant et après changement d'eau pour évaluer le déficit quotidien (quantité consommée – apport). Il reste à tester la meilleure stratégie pour rester à une valeur compatible avec votre population animale.


On voit que malgré les changements d'eau il y a un risque d'appauvrissement progressif. Si une carence notable d'un des paramètres est constatée il est nécessaire d'intervenir pour compenser la dérive de celui-ci. La règle de prudence est de ne modifier que de 1 à 2 % par jour la concentration d'un paramètre pour ne pas stresser les animaux. Il faut y aller pas à pas, lentement, en diluant bien car une élévation brutale peut aussi détruire l'équilibre chimique.

Attention : Un surdosage peut avoir des conséquences inverses à celles espérées.

Il faut intervenir sur un des paramètres (carbonates, calcium ou magnésium) indépendamment des autres puis de juger après quelques heures de l'effet produit sur ces 3 paramètres clés.

Et les réacteurs ?

Les réacteurs à hydroxyde de calcium (RAH) et à calcaire (RAC) sont utiles pour compenser l'épuisement naturel des aquariums contenant des coraux durs, grands calcificateurs devant l'éternel. Ils présentent également des avantages connexes, comme la précipitation des phosphates pour le RAH. Aussi si la population de votre aquarium est composée de nombreux scléractiniaires il est intéressant de placer un des modèles de réacteur dans votre aquarium, voir les deux pour les plus habiles. Un RAC est certainement un peu plus difficile à maitriser mais cet équipement ajoute conjointement calcium et dureté carbonatée d'une manière simultanée (parfois trop de carbonates). Ce peut être même une solution économique dans un grand aquarium et si vous faites beaucoup d'ajouts de solutions prêtes à l'emploi. Cependant il est important de ne pas sur-dimensionner les réacteurs pour ne pas obtenir un effet contraire. Dans tous les cas d'utilisation de réacteurs la surveillance du pH s'avère indispensable et l'automatisation (automate industriel par exemple) très utile. Dans nos petits aquariums (moins de 200 litres) l'emploi de ces réacteurs n'est pas indispensable car les additifs liquides sont économiquement rentables et les changements d'eau facilement significatifs.

Souvent pH varie...

Dans l'aquarium le pH varie car il dépend en partie du taux de gaz carbonique (CO2) dissout dans l'eau, celui-ci se combinant à H2O pour former de l'acide carbonique H2CO3. La concentration en gaz carbonique dépend de l'activité photosynthétique des plantes y compris les zooxanthelles symbiotiques des coraux. Lors de la période de photosynthèse le gaz carbonique est synthétisé en carbone organique et de l'oxygène est libéré alors qu'en phase nocturne ce phénomène s'inverse. En milieu naturel cela n'a aucune conséquence, dans l'aquarium le très faible volume d'eau n'assure pas le 'lissage' des variations et nous devons essayer de réduire les baisses nocturnes par quelques moyens à notre disposition :

Et en ce qui concerne les éléments traces ?

Pour ces éléments impossibles à mesurer de façon simple il est d'usage d'ajouter de manière systématique dans l'aquarium des solutions du commerce prêtes à l'emploi :

Ce peut être fait en respectant les consignes indiquées sur les produits du commerce et jamais en 'sur dosant' les quantités prescrites pour 'mieux faire'. Pour être efficaces, ces produits doivent être ajoutés très régulièrement. Les changements d'eau sont également un moyen de bien supplémenter les éléments traces.

Le cycle de l'azote (les nitrates)

L'aquariophile contrôle un petit monde fermé, son aquarium-microcosme. C'est une responsabilité certaine. Pour le faire vivre sans trop de heurt il est toujours intéressant de réfléchir (encore) à quelques points de son fonctionnement. Les propos qui suivent sont une simplification de la réelle complexité, que les bio et les puristes me pardonnent. Et désolé de reprendre encore une fois un sujet bien rebattu.

Réseau trophiques dans un aquarium récifal ?

Les ‘réseaux trophiques' sont les chaines alimentaires reliant les organismes d'un écosystème. C'est-à-dire les relations entre producteurs et consommateurs, chasseur et proie, herbivores, carnivores et détritivores, etc. du même biotope.

Dans ce schéma, les premiers de l'échelle sont les producteurs autotrophes ce qui signifie que ceux-ci produisent (ou synthétisent) de la matière organique à partir d'énergie (ici la lumière) et de molécules chimiques inorganiques. Ces organismes remarquables sont les végétaux, pourtant assez peu appréciés dans nos aquariums. Les plantes sont aussi les espèces pionnières, premiers signes de vie dans un univers minéral ou... un aquarium débutant, ce n'est pas signification.

Des animaux herbvivores vont pouvoir s'en repaitre, ce sont les organismes hétérotrophes, c'est à dire qui se nourrissent de matière organique. Les gammares, gastéropodes, vertébrés sont les consommateurs primaires de cette famille.

A leur tour ceux-ci servent de nourriture à des animaux prédateurs carnivores qui sont eux-mêmes mangés par d'autres, etc.

Enfin les fèces et les cadavres sont utilisés par les organismes situés ‘en fin de chaîne', les décomposeurs (nos détritivores) et, pour l'ultime étape, les êtres unicellulaires, bactéries, dont les bactéries nitrifiantes et les bactéries dénitrifiantes qui dégradent les dernières particules organiques en molécules chimiques neutres, celles-ci pouvant de nouveau servir de base au métabolisme des organismes photosynthétiques, etc. etc.

Ces relations trophiques forment dans la nature un ‘cycle', que l'on peut considérer parfait, une répétition d'organisation et de désorganisation des matières constituants les organismes vivants ; azote et carbone. Ce ‘cycle de l'azote' dans le monde fermé de l'aquarium préoccupe beaucoup l'aquariophile car une crainte est de voir ce dernier ne pas s'accomplir totalement et que la phase ‘dénitrification' soit défaillante, alors s'accumulent les nitrates pouvant causer la perte de ses fragiles invertébrés (le taux très bas de 10mg/l de NO3 est considéré comme juste acceptable).

Autre schéma du même thème, non pas, cyclique ou circulaire mais pyramidal : les différents maillons de la chaine trophique ne sont pas présents en quantités égales. La perte lors du transfert en énergie de chacune des étapes est de 90% environ. La structure repose donc sur une base large de producteur et s'affine au fur à mesure que l'on s'élève dans la ‘hiérarchie' des prédateurs. Dix gammares nourrissent un gobie, dix gobies un Pterois, dix Pterois une murène, etc. etc.

L'idéal serait de disposer d'un aquarium reproduisant très exactement le biotope récifal naturel. Même si on exclu la difficulté et même l'irréalisme de la réalisation, le but d'un aquarium est de conserver des animaux, poissons ou invertébrés remarquables, de les mettre en valeur, pas de tenter de reproduire un complexe réseau trophique. (Heureusement d'ailleurs car la tâche est rude et disposer d'une biodiversité aboutissant à un parfait équilibre dans un microcosme, un véritable défit qui reste à accomplir.).

Des animaux sont ainsi introduits dans l'aquarium par l'aquariophile, volontairement et parfois aussi involontairement. Même avec un plan de population ultra raisonnable et une recherche maximale de biodiversité, notre belle pyramide est bancale, ou a plutôt tendance à reposer sur sa pointe ! Et l'aquarium n'est pas stable de lui-même. La dimension réduite du biotope (microscopique au regard du milieu naturel) empêche le développement de certains organismes (par exemple les phyto et zooplanctons dont le déficit dans l'aquarium n'est pas sans conséquence sur l'ensemble de la chaine trophique), le faible volume d'eau favorise les concentrations particulaires de détritus ou l'accumulation d'éléments difficilement recyclables. Le choix esthétique impose également des perturbations et une réduction volontaire de la biodiversité (suppression des algues, des indésirables en compétition avec les désirables (!), etc.).

Pour que les animaux, poissons, invertébrés de grande et petite taille, etc. puissent s'épanouir dans ce milieu il est nécessaire et indispensable de leur apporter des aliments complémentaires (j'insiste bien, il est hors de question d'affamer les animaux), c'est-à-dire une introduction artificielle de matière organique, généralement inerte, ‘par un court-circuit biologique'. La population assurant ‘le recyclage' des déchets, décomposeurs et bactéries réductrices, doit alors être en mesure de faire face à ce déséquilibre. A nous de mettre en place les moyens d'y parvenir.

Le premier conseil serait de respecter au mieux les schémas naturels, choisir les organismes utilisant que peu de nutriments (poissons de tailles réduites par exemple), sous peupler l'aquarium en poissons (cette sous population est en fait toujours une surpopulation versus les conditions naturelles), préférer les espèces de coraux photosynthétiques a ceux qu'il faut nourrir de plancton, encourager la biodiversité et l'introduction de la microfaune, établir des zones refuges internes ou externes à l'aquarium pour préserver les petits organismes, évacuer notre répulsion devant certaines formes peu engageantes de vie, respecter les cycles de maturation, savoir patienter avant d'introduire les prédateurs, etc.

Traitement des déchets

Le traitement des déchets et de l'accumulation de substances s'avère cependant indispensable, il utilise deux techniques que l'on peut qualifier de complémentaires : Le recyclage biologique et l'extraction mécanique.

Filtre biologique

Le recyclage ou autoépuration biologique a été décrite dans les différentes techniques récifales ‘moderne' : Pierres vivantes de la méthode berlinoise, filtre à gazon d'algues Adey, lits de sable vivants DSB ou Jaubert. Si la nitrification biologique est une étape facile à atteindre, le but de ces techniques est de rendre possible l'étape de ‘dénitrification', et la réduction des molécules NO3 soit par le stockage et l'extraction des végétaux (Adey) soit par la transformation des bactéries anaérobies (Pierres vivantes, sable vivant, dénitrateurs sur soufre ou à alcool). Ces techniques sont actuellement utilisées parfois conjointement dans une même installation, les refuges algaux remplaçant partiellement les claies de culture Adey qui restent peu compatibles avec nos petits aquariums récifaux.

L'auto-épuration biologique est indispensable à l'équilibre de l'aquarium. La dimension du filtre est difficile à déterminer puisque soumise à variance et incertitude, on cite par exemple une quantité de 20% du volume en pierres vivantes, mieux vaut plus que moins et la capacité est en faite mesurée aux résultats obtenus.

Extraction mécanique exportation par changements d'eau

Pour réduire la charge organique devant être recyclée, l'extraction mécanique des déchets (fèces des poissons, débris organiques, etc.) constitue une bonne solution dans les installations risquant de produire des déchets importants. Cependant il faut être conscient qu'une filtration mécanique n'est pas suffisante et que seules les particules ‘piégeables' sont capturables (!) , ce système connait donc des limites. Quels sont les moyens possibles de mise en oeuvre :


Aparté concernant le changement d'eau. Cette méthode est sans conteste utile pour exporter les déchets. Voici une petite simulation, imparfaite car elle ne tiens pas compte de paramètres difficiles à modéliser, qui permet d'évaluer grossièrement l'efficacité de changements d'eau. Cette simulation fait actuellement l'impasse sur des paramètres tels que les nitrates introduits par l'eau de renouvellement, etc.

La simulation comporte 2 feuilles de calcul Excel, une pour l'accumulation d'éléments indésirables retirés de l'aquarium par le changement d'eau (pris comme exemple les nitrates), l'autre pour le remplacement d'éléments consommés ou vitaux au métabolisme des animaux (pris comme exemple le calcium). L'opération de changement d'eau réalisant conjointement ces deux fonctions.

Pour la première feuille (l'accumulation de substances indésirables), il est possible d'introduire la quantité de nitrates produits par jour par l'introduction de la nourriture, la quantité quotidienne extraite mécaniquement et biologiquement par la filtration, le pourcentage et la fréquence de changements d'eau réguliers ainsi que l'action de changements inhabituels de plus grand volume.

Deux stratégies sont confrontées et mise sous forme de graphique pour la comparaison de leur efficacité.

Premier exemple : Sont prises les hypothèses : Production de 1mg/l/jour de nitrate, réduction de 0,5mg/l/jour, pas de changement d'eau confronté à une politique de changement d'eau de 5% par semaine et 20% tous les trois mois.

La politique de non-changement d'eau voit une accumulation inéluctable dans le cas ou le filtre biologique est insuffisant (stratégie 1 en bleu), avec 5% de changement d'eau par semaine les nitrates sont ramenés à 50 mg/l (stratégie 2 en rouge), ce qui est encore insuffisant mais moins catastrophique.

Deuxième exemple : Sont prises les hypothèses : Production de 1mg/l/jour de nitrate, réduction de 0,5mg/l/jour, changement d'eau de 5% par semaine et 20% tous les trois mois, confronté à un changement d'eau de 20% par semaine (ce qui est possible dans un petit aquarium).

Cet exemple montre que les changements de 20% ou plus effectués chaque semaine sont assez efficaces puisqu'avec les données d'entrée cette stratégie est suffisante alors que 5% par semaine et 20% tous les trois mois ne sont pas compatibles avec la maintenance d'invertébrés.

Troisième exemple : Pris comme hypothèses : Production de 1mg/l/jour de nitrate, réduction de 0,5mg/l/jour, changement d'eau de 5% par semaine et 20% tous les trois mois, confronté à une production de 2mg/l/jour de nitrate, réduction de 0,5mg/l/jour, changement d'eau de 5% par semaine et 20% tous les trois mois.

Cet exemple montre que les changements d'eau doivent être également proportionnels aux nitrates accumulés chaque jour. Une variation de 1mg/l/jour fait au final une différence de 100mg/l pour des politiques de changements d'eau équivalentes.

Quatrième exemple… votre configuration. La simulation sur Excel est en téléchargement libre evolutions.xls
Vous devez faire une mesure de vos nitrates avant et après changement d'eau pour évaluer la quantité produite chaque jour. Ensuite il reste à définir la meilleure stratégie pour rester à une valeur compatible avec votre population animale.


Quelques points à retenir

La disposition initiale et l'efficacité des moyens mis en place sont jugés aux résultats aussi observez toujours attentivement l'évolution de votre aquarium, n'omettez pas de mesurer les NO3 (nitrates) et PO4 (phosphates), si vous débutez ne mettez en oeuvre que des techniques simples et éprouvées.

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