Les bactéries nitrifiantes et le biofiltre
Le chapitre 2 traite du rôle vital des bactéries nitrifiantes dans l’ensemble du processus aquaponique. Les bactéries nitrifiantes convertissent les déchets de poisson, qui pénètrent dans le système principalement sous forme d’ammoniac, en nitrate, qui est un engrais pour les plantes (figure 5.1). Il s’agit d’un processus en deux étapes, et deux groupes distincts de bactéries nitrifiantes sont impliqués. La première étape consiste à convertir l’ammoniac en nitrite, ce qui est fait par les bactéries oxydantes d’ammoniac (AOB). Ces bactéries sont souvent appelées par le nom de genre du groupe le plus commun, les Nitrosomonas. La deuxième étape consiste à convertir le nitrite en nitrate est effectuée par la bactérie oxydante de nitrite (NOB). Elles sont communément appelées par le nom de genre du groupe le plus commun, le Nitrobacter. Il y a beaucoup d’espèces dans ces groupes, mais aux fins de la présente publication, les différences individuelles ne sont pas importantes, et il est plus utile de considérer le groupe dans son ensemble. Le processus de nitrification se produit comme suit :
Les bactéries AOB convertissent l’ammoniac (NH) en nitrite (NO₂-)
Les bactéries NOB convertissent ensuite le nitrite (NO₂-) en nitrate (NO-)
La nitrification et, par conséquent, une colonie bactérienne saine est essentielle au fonctionnement du système aquaponique. Les bactéries nitrifiantes sont relativement lentes à se reproduire et à établir des colonies, nécessitant des jours et parfois des semaines. Par conséquent, la patience de l’agriculteur est l’un des paramètres de gestion les plus importants lors de l’établissement d’un nouveau système aquaponique. De nombreux aquariums et systèmes aquaponiques ont échoué parce que trop de poissons ont été ajoutés avant que la colonie de bactéries ne soit complètement développée. Il existe plusieurs autres paramètres clés pour soutenir les bactéries nitrifiantes. Généralement, les bactéries ont besoin d’un grand endroit sombre pour se coloniser avec une eau de bonne qualité, une nourriture suffisante et de l’oxygène. Souvent, les bactéries nitrifiantes forment une matrice visqueuse, brun clair ou beige sur le biofiltre, et ont une odeur distinctive difficile à décrire, mais ne sent pas particulièrement grossière qui pourrait indiquer d’autres micro-organismes.
Superficie élevée
Le matériau de biofiltration avec une surface spécifique élevée (SSA) est optimal pour développer de vastes colonies de bactéries nitrifiantes. Le SSA est un rapport définissant la surface exposée à partir d’un volume donné de milieux, exprimé en mètres carrés par mètre cube (m2/m3). En général, plus les particules du milieu sont petites et poreuses, plus la surface disponible pour la colonisation des bactéries est grande. Il en résulte une biofiltration plus efficace. De nombreux matériaux de ce type sont utilisés en aquaponie, que ce soit comme milieu de culture ou pour la biofiltration, par exemple le gravier volcanique, l’argile expansée, les boules de biofiltre en plastique commerciales et les racines des plantes. Le tuf volcanique et le Bioballs® considérés dans le présent manuel ont respectivement 300 m2/m3et 600 m2/m3, ce qui est un SSA adéquat pour permettre aux bactéries de prospérer. D’autres caractéristiques et le SSA des différents milieux utilisés en aquaponie sont résumés au tableau 4.1 et à l’annexe 4. Si le matériau du biofiltre n’est pas idéal et a un rapport surface/volume inférieur, alors le biofiltre doit être plus grand. Un biofiltre surdimensionné ne peut pas nuire à un système aquaponique, et bien que des biofiltres trop grands entraîneraient des dépenses inutiles, une capacité de biofiltration excédentaire a sauvé de nombreux systèmes de l’effondrement.
pH de l’eau
Les bactéries nitrifiantes fonctionnent adéquatement à travers une plage de pH de 6-8,5. Généralement, ces bactéries fonctionnent mieux à un pH plus élevé, le groupe Nitrosomonas préférant un pH de 7,2 à 7,8, et le groupe Nitrobacter préférant un pH de 7,2 à 8,2. Cependant, le pH cible pour l’aquaponie est de 6-7, ce qui constitue un compromis entre tous les organismes de cet écosystème. Les bactéries nitrifiantes fonctionnent adéquatement dans cette plage, et toute diminution de l’activité bactérienne peut être compensée par un biofiltre plus grand.
Température de l’eau
La plage de température optimale pour les bactéries nitrifiantes est de 17 à 34 °C, ce qui favorise la croissance et la productivité. Si la température de l’eau descend en dessous de cette plage, la productivité de la bactérie aura tendance à diminuer. En particulier, le groupe Nitrobacter est moins tolérant que le groupe Nitrosomonas et, en tant que tel, pendant les périodes plus froides, le nitrite devrait être surveillé plus attentivement pour éviter les accumulations nocives.
Oxygène dissous
Les bactéries nitrifiantes ont besoin de niveaux adéquats d’OD dans l’eau en tout temps pour se développer sainement et maintenir des niveaux élevés de productivité. La nitrification est une réaction de réduction/oxydation (redox), où les bactéries tirent l’énergie nécessaire pour vivre lorsque l’oxygène est combiné à l’azote. Les concentrations optimales d’OD sont de 4 à 8 mg/litre, ce qui est également le niveau requis pour les poissons et les plantes. La nitrification ne se produit pas si la concentration d’OD descend en dessous de 2 mg/litre. Assurer une biofiltration adéquate en consacrant l’aération au biofiltre, soit par des cycles d’inondation et de vidange dans les lits de média, des pierres d’air dans les biofiltres externes, soit par la mise en cascade de conduites de retour d’eau vers les canaux et les réservoirs de puisard.
Lumière UV
Les bactéries nitrifiantes sont photosensibles jusqu’à ce qu’elles établissent complètement une colonie, et la lumière du soleil peut causer des dommages considérables au biofiltre. Les lits médiatiques protègent déjà les bactéries de la lumière du soleil ; mais si vous utilisez un biofiltre externe, assurez-vous de la garder à l’ombre de la lumière directe du soleil.
Surveillance de l’activité bactérienne
Si tous ces cinq paramètres sont respectés, il est sûr de supposer que les bactéries sont présentes et fonctionnent correctement. Cela dit, les bactéries sont si importantes pour l’aquaponie qu’il vaut la peine de connaître la santé globale des bactéries à tout moment. Cependant, les bactéries sont des organismes microscopiques, et il est impossible de les voir sans un microscope. Il existe une méthode simple pour surveiller la fonction bactérienne ; les tests de dépistage de l’ammoniac, du nitrite et du nitrate fournissent des informations sur la santé de la colonie bactérienne. L’ammoniac et le nitrite doivent toujours être de 0 à 1 mg/litre dans une unité aquaponique fonctionnelle et équilibrée. Si l’un ou l’autre est détectable, cela indique un problème avec la bactérie nitrifiante. Il y a deux raisons communes possibles pour que cela se produise. Tout d’abord, le biofiltre est trop petit pour la quantité de poissons et d’aliments pour poissons. Par conséquent, il y a un déséquilibre et il y a trop de poissons. Pour rectifier, soit augmenter la taille du biofiltre, soit réduire le nombre de poissons, soit le régime d’alimentation du poisson. Parfois, ce problème peut se produire lorsque le système a commencé à être équilibré lorsque les poissons étaient plus petits, mais il est progressivement déséquilibré au fur et à mesure que les poissons grandissent et ont été nourris davantage avec le biofiltre de même taille. Deuxièmement, si le système est équilibré en taille, alors les bactéries elles-mêmes peuvent ne pas fonctionner correctement. Cela pourrait indiquer un problème avec la qualité de l’eau, et chaque paramètre énuméré ci-dessus devrait être vérifié. Souvent, cela peut se produire pendant les saisons hivernales lorsque la température de l’eau commence à baisser et que l’activité bactérienne ralentit.
*Source : Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus et Alessandro Lovatelli, production alimentaire aquaponique à petite échelle, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduit avec la permission. *