Der Stickstoffkreislauf in Klartext

Der Stickstoffkreislauf ist der Vorgang, bei dem Bakterien giftige Fischausscheidungen in einen vergleichsweise harmlosen Pflanzennährstoff umwandeln, in zwei Schritten: Ammonium → Nitrit → Nitrat. Eine Bakteriengruppe macht aus Ammonium Nitrit, eine zweite, langsamere aus Nitrit Nitrat; „eingefahren" ist ein Becken erst, wenn beide Kolonien Ammonium und Nitrit auf 0 mg/L halten. Dieser Aufbau dauert in der Regel vier bis sechs Wochen, und das am Ende übrige Nitrat ist recht gutmütig, bis etwa 25 mg/L in einem bepflanzten Gesellschaftsbecken unbedenklich.

Die meisten Aquarienbücher steigen mit dem Stickstoffkreislauf ein und enttäuschen einen dann auf zweierlei Weise. Die einen liefern die Chemie, ohne zu erklären, warum sie an deinem Becken überhaupt eine Rolle spielt. Die anderen geben dir beruhigende Bilder mit auf den Weg und sparen sich die Gleichungen, die erklären, wann Fische tatsächlich sterben. Ich will hier beides, so, wie ich es dir neben deinem Becken mit dem Testkoffer in der Hand erklären würde.

Hier also das Ganze in einem Satz. Ammonium wird zu Nitrit, Nitrit wird zu Nitrat. Jeder Schritt läuft über eigene Bakterien, jeder mit seinem eigenen Takt und seinen eigenen Schwachstellen. Und warum „eingefahren" ein Wort ist, das Beachtung verdient, hängt an einer stillen, fiesen Tatsache: Der zweite Schritt ist giftiger als der erste und braucht länger, bis er anspringt. Ein Becken mitten in der Einfahrphase kann gefährlicher sein als eines, das noch gar nicht angefangen hat.

Was wirklich im Wasser steckt

Fische, Garnelen, Schnecken, Futterreste und verrottende Pflanzenteile geben Stickstoff alle in derselben Ausgangsform ins Wasser ab: als Ammoniak. Einmal gelöst, teilt er sich auf zwei Varianten auf, die sich ständig ineinander umwandeln, das ungeladene NH₃ und das protonierte NH₄⁺, gehalten von einem Gleichgewicht, das der pH-Wert steuert:

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

Unterhalb von pH 7 liegt fast alles als NH₄⁺ vor. Diese Form ist vergleichsweise harmlos. Steigt der pH über 8, kippt das Gleichgewicht stark in Richtung NH₃, der ungeladenen Variante, die durch die Kiemenmembranen der Fische schlüpft und für das Sterben sorgt.

Derselbe Messwert bedeutet also in verschiedenen Becken etwas völlig anderes. „0,25 mg/L Gesamtammonium" in einem weichen, sauren Amazonas-Biotop fällt kaum ins Gewicht. Dieselbe Zahl in einem harten, alkalischen Malawibecken kann ein Todesurteil sein, weil so viel mehr von diesem Gesamtwert als giftiges NH₃ vorliegt. Dein Test kann die beiden Formen nicht für dich trennen. Er meldet die Summe, auch deshalb, weil sich die zwei Formen während der Messung selbst ineinander umwandeln. Den Wert richtig zu lesen, hängt also davon ab, dass du deinen pH kennst. Die NH₄-Referenzseite rechnet das für ein paar gängige pH-Werte durch.

In einem Becken ohne arbeitende biologische Filterung steigt Ammonium geradlinig mit dem Besatz. Nichts frisst es. Sobald ein Filter eingefahren ist, wird Ammonium schneller verbraucht, als die Fische es produzieren, und dein Messwert steht auf null. Um diese Null dreht sich alles.

Die erste Umwandlung

Der erste Schritt gehört überwiegend Bakterien der Gattung Nitrosomonas, unterstützt von ein paar ammoniakoxidierenden Archaeen. Sie fahren das hier:

NH₄⁺ + 1,5 O₂ → NO₂⁻ + H₂O + 2 H⁺

Liest man diese Reaktion genau, verrät sie das meiste, was man über ihre Steuerung wissen muss.

Sie ist hungrig nach Sauerstoff. Eine Kolonie, die in einer sauerstoffarmen Ecke feststeckt, arbeitet schlicht nicht. Tiefer, abgestorbener Bodengrund, eine zugesetzte Filterkammer, der stehende Winkel hinter einem großen Stein: Überall dort stockt die Ammoniakoxidation. Eine gute Durchströmung des Filters und das gelegentliche Stochern im Bodengrund sind keine Pingeligkeit, sie halten die Reaktion in Gang.

Sie produziert Säure. Zwei Wasserstoffionen für jedes verbrauchte Ammonium. Ein Molekül ist nichts, aber Monate eines vielbeschäftigten Filters sind ein echter, langsamer Aderlass an deinem Karbonatpuffer und ein großer Teil davon, warum ein Becken mit niedriger KH Richtung pH-Sturz driftet, wenn Wasserwechsel den Puffer nicht immer wieder auffüllen.

Ihr Produkt ist übler als ihr Ausgangsstoff. Nitrit geht ins Blut über und bindet das Hämoglobin, sodass es keinen Sauerstoff mehr durch den Körper tragen kann. Bei etwa 0,5 mg/L zeigt ein empfindlicher Süßwasserfisch in der Regel deutlichen Stress; jenseits von 1 mg/L können Todesfälle innerhalb von Stunden folgen, früher in weichem Wasser, wo kaum Chlorid an der Kieme dagegenhält.

Hier tappen Einsteiger in die Falle. Die erste Kolonie etabliert sich fast immer schneller als die zweite, und das öffnet ein Zeitfenster, in dem das Becken munter Ammonium umsetzt (NH₄ steht auf null), während Nitrit still anschwillt (NO₂ steigt). Sieht man Ammonium auf null fallen, würde man schwören, das Becken hätte die Kurve gekriegt, dabei ist das Wasser jetzt giftiger als zu Beginn. Genau diese Phase tötet beim Einfahren mit Besatz die Fische. In dieser Strecke behältst du die NO₂-Seite im Auge, denn sie sagt noch die Wahrheit, wenn NH₄ längst verstummt ist.

Die zweite Umwandlung

Den zweiten Schritt erledigt im Süßwasser hauptsächlich Nitrospira. Ältere Bücher schreiben ihn Nitrobacter zu, und der Name geistert überall weiter herum, aber im Süßwasser ist es Nitrospira. Die Reaktion ist simpel:

NO₂⁻ + 0,5 O₂ → NO₃⁻

Das ist der Schritt, der den Kreis zu etwas Harmlosem schließt, und zugleich der langsame, launische. Nitrospira wächst träger als Nitrosomonas, startet von einer kleineren Ausgangspopulation und nimmt schneller Schaden, wenn sich die Bedingungen verschieben. Bei einer fischlosen Ammonium-Einfahrphase hinkt diese zweite Kolonie der ersten meist um etwa zwei Wochen hinterher. Diese zwei Wochen Verzug sind genau das gefährliche Fenster von oben, so weit gedehnt, dass es ins Gewicht fällt.

Der Lohn ist Nitrat, das vergleichsweise gutmütig ist. Pflanzen nehmen es direkt als Makronährstoff auf, in einem bepflanzten Becken ist es also weniger Abfallprodukt als Dünger, den du nicht kaufen musstest. Die NO₃-Seite behandelt, wie hoch und niedrig aussehen, sobald ein Becken besetzt ist.

Eine weitere Gruppe lohnt sich zu kennen, auch wenn das Zweistufenmodell aus den Lehrbüchern sie unterschlägt. 2015 beschrieben Forscher Comammox-Bakterien (complete ammonia oxidisers), einzelne Organismen aus der Nitrospira-Linie, die beide Schritte in einer einzigen Zelle erledigen, von Ammoniak glatt durch bis zum Nitrat. In manchen Süßwassersystemen stellen sie die wichtigsten Nitrifizierer. An deiner Beckenpflege ändert das nichts. Die sichtbare Chemie läuft weiter NH₄ → NO₂ → NO₃ nach ungefähr demselben Fahrplan, aber es erklärt, warum eine Einfahrphase gelegentlich schneller fertig ist, als die saubere Geschichte mit den zwei Kolonien vermuten lässt.

Wo die Bakterien tatsächlich leben

Man sagt, die Bakterien lebten im Filtermaterial, was stimmt und zugleich nur die halbe Wahrheit ist. Sie besiedeln alles, was Strömung, Sauerstoff und eine Oberfläche zum Festhalten bietet: Filterschwämme, den Biofilm auf Steinen und Scheiben, den Bodengrund, Pflanzenblätter, sogar das Innere des Heizergehäuses.

Der Filter gewinnt wegen der Oberfläche, und der Abstand ist gewaltig. Ein Außenfilter, vollgepackt mit Keramikmaterial oder Bioballs, bringt grob zehn Quadratmeter besiedelbare Oberfläche in einen Ein-Liter-Topf. Alle anderen Oberflächen im Becken zusammen liefern vielleicht noch einen weiteren Quadratmeter. Dieses Verhältnis ist der Grund, warum es so teuer zu stehen kommt, einen Schwamm unter dem Wasserhahn auszuspülen: gechlortes Wasser tötet die Bakterien darauf, und du hast den Großteil deiner Kolonie in einem einzigen Waschgang ausgelöscht. Was auf Steinen und Scheiben übrig bleibt, kann den Besatz nicht allein tragen.

Es ist auch der Grund, warum eine Handvoll eingefahrenes Filtermaterial aus einem laufenden Becken jedes Flaschenpräparat als Starthilfe für die Einfahrphase schlägt. Du überträgst damit nicht ein paar versprengte Bakterien, sondern eine vollständig besiedelte Oberfläche, deren Aufbau Monate gedauert hat, einsatzbereit ab dem Tag, an dem sie ins neue Becken kommt.

Was „eingefahren" wirklich heißt

Ein Becken ist eingefahren, wenn beide Kolonien groß genug sind, um den vorhandenen Besatz schneller zu verarbeiten, als er Ammonium produziert. Das bestätigst du mit einem Test:

1. Dosiere Ammonium auf etwa 2 mg/L (oder gib eine gleichwertige Ammoniumquelle).
2. Warte 24 Stunden.
3. Teste NH₄ und NO₂.
4. Beide sollten null anzeigen.

Steht NH₄ wieder auf null, NO₂ aber nicht, dann arbeitet die erste Kolonie und die zweite ist noch nicht nachgekommen. Liegen beide über null, ist noch keine der Kolonien auf den Besatz gewachsen, und du wartest. Das ist der Kontrollpunkt, auf den der Leitfaden „Die ersten 30 Tage" hinarbeitet. Es lohnt sich, ihn auch an einem laufenden Becken zu wiederholen, vor allem bevor du ordentlich neuen Besatz dazusetzt, einfach um zu bestätigen, dass der Filter noch die Reserve hat, die du ihm zutraust. Wenn du den Verlauf lieber über einen Kalender aufgetragen sehen willst, skizziert die Zeitachse zum Stickstoffkreislauf die erwartete Form jeder Kurve, damit du erkennst, ob deine im Plan liegt oder festhängt.

Wie ein eingefahrener Kreislauf zusammenbricht

Eingefahrene Becken verlieren ihren Kreislauf öfter, als man denkt, und die Wege dorthin sind absehbar. Die meisten sind Pflegegewohnheiten, aufgeschnappt aus Ratschlägen, die stillschweigend voraussetzten, das Becken sei bereits stabil.

• Den Filter unter dem Leitungshahn ausspülen. Chlor und Chloramin wirken mit Absicht antibakteriell, genau deshalb stecken sie im Trinkwasser. Ein Spülgang unter dem Hahn streift den Großteil der Kolonie ab. Wasch Filtermaterial stattdessen im alten Beckenwasser aus, das du beim Wasserwechsel abgesaugt hast.
• Antibiotika im Schaubecken. Alles Antibakterielle gegen Fischkrankheiten (Furan-2, Maracyn, Methylenblau in Behandlungsdosis) kann einen Krankheitserreger nicht von deinen Filterbakterien unterscheiden. Rechne nach Behandlungsende rund zwei Wochen lang mit einer Mini-Einfahrphase und teste in dieser Zeit täglich. Besser, du behandelst kranke Fische in einem separaten Quarantänebecken und lässt die Biologie des Schaubeckens in Ruhe.
• Eine Grundreinigung des Bodengrunds. Ein gehöriger Teil deiner Kolonie lebt im Biofilm des Bodengrunds. Eine komplette Mulmglocken-Aktion, die die unteren Schichten aufwühlt, richtet zweierlei Schaden auf einmal an: Sie setzt einen Schwall eingeschlossenen Ammoniums frei und entfernt einen Brocken der Bakterien, die ihn verarbeitet hätten. Oberflächliches Absaugen ist in Ordnung. Tiefes Graben nicht.
• Ein plötzlicher Besatzsprung. Setz zehn Fische in ein Becken mit sechs, und du hast die Ammoniumproduktion über Nacht ungefähr verdoppelt. Die Kolonie kann sich nicht im selben Tempo verdoppeln. Bis sie über ein paar Tage nachgezogen ist, kriecht Ammonium von null weg nach oben, und das Becken ist kurzzeitig unterfiltert. Setz neuen Besatz lieber häppchenweise ein, etwa ein Viertel auf einmal mit einer Woche Pause zwischen den Schüben.
• Ein pH-Sturz. Fällt die KH so weit, dass die tägliche CO₂-Schwankung nicht mehr abgepuffert wird, kann der pH unter 6,0 rutschen. Das liegt unterhalb des Bereichs, in dem nitrifizierende Bakterien gut arbeiten. Der Kreislauf stirbt weniger ab, als dass er erlahmt, und Ammonium beginnt nach oben zu kriechen, ohne dass sich sonst sichtbar etwas verändert hätte.

Jeder dieser Punkte führt auf denselben blinden Fleck zurück. Dein Filter leistet weit mehr biologische Arbeit, als sein stilles Erscheinungsbild vermuten lässt, und mit einer dünneren Sicherheitsreserve, als ein eingespieltes Becken durchblicken lässt. Schwächst du die Kolonie, ob absichtlich durch Reinigen oder Medikamentieren oder versehentlich, indem du die Chemie schleifen lässt, dann handelst du dir ein paar Tage Erholungszeit ein. Die Kunst ist, damit zu rechnen, statt sich davon überraschen zu lassen.

Sobald du aufhörst, NH₄, NO₂ und NO₃ als drei zusammenhanglose Zahlen zu lesen, und anfängst, sie als einen Bogen mit Richtung zu sehen, weicht die meiste Neubecken-Panik der Geduld. Geduld ist nun mal Manfreds ganze Persönlichkeit, und ein Kreislauf belohnt sie wie kaum etwas anderes, was du tun kannst.