CHIMIE DE
L'EAU DE MER
LE TAUX D'ALCALINITE
par Jean-Jacques Eckert (d'après SEASCOPE - Fall 1988)
Sous ce terme barbare se profile une notion essentielle liée à
la qualité de l'eau d'un aquarium marin. L'alcalinité constitue
une donnée précieuse permettant l'équilibrage parfait
du pH d'un bac marin.
En ce qui concerne la qualité de l'eau d'un aquarium marin le
pH constitue l'un des paramètres le plus important. Jusqu'à
présent il est l'un des moins compris. Contrairement à la
salinité, la chaleur ou le taux d'azote, où, plus vous en
ajoutez, plus vous en aurez, vous ne pouvez pas ajouter de pH.
Le pH n'est pas une substance présente dans l'eau, car il s'agit
d'une échelle de mesure du nombre d'ions hydrogène présents
dans l'eau, ce qui nous indique l'acidité plus ou moins élevée
de la solution, des chiffres bas indiquant des conditions plus acides.
En utilisant de l'eau pure il est possible d'ajouter des acides pour abaisser
le pH ou des bases pour l'augmenter. Hélas, l'eau d'un aquarium,
plus particulièrement, l'eau de mer, n'est pas aussi simple car
elle contient des éléments tampon. Les éléments
tampon sont constitués par des substances qui réagissent
avec les acides ou les bases afin de prévenir des modifications
de pH jusqu'au moment où ces éléments seront épuisés.
Ainsi est il possible d'ajouter des quantités considérables
d'acide à un bac marin sans obtenir de grand changement, mais une
fois que les éléments tampon sont utilisés, même
un infime addition d'acide provoquera une chute drastique du pH. Dans
les bacs marins, l'élément tampon majeur est constitué
par le système bicarbonate-carbonate. Chaque aquarium, selon les
conditions, aura à la fois un pH réel et un pH "potentiel".
Le pH "potentiel" se réfère au chiffre que l'eau
nous indiquera lorsque tous les composants du système des éléments
tampon aura atteint son équilibre. Ceci implique la température,
l'équilibre des carbonates et, le plus important, le gaz carbonique
dissous. Idéalement, le pH réel et le pH "potentiel"
seront à égalité.
Il est particulièrement important de se rendre compte que le gaz
carbonique dissous dans l'eau doit être en équilibre avec
l'atmosphère avant que le pH "potentiel" puisse être
atteint. La raison de l'importance du gaz carbonique, lorsqu'il est dissous
dans l'eau, est constituée par le fait qu'il s'ionise pour former
de l'acide carbonique. Ainsi un surplus de gaz carbonique sera t'il la
cause d'une chute du pH vers le milieu acide. Un manque de gaz carbonique
va permettre au complexe des carbonates d'augmenter le pH au-dessus du
niveau désiré.
Afin d'illustrer cette affirmation considérons, en premier lieu,
le cas de l'eau de transport des poissons. Au départ les poissons
sont emballés dans des poches en plastique, remplies d'une petite
quantité d'eau puis gonflées à l'oxygène pur.
Le temps s'écoulant, le pH baisse réguièrement jusqu'à
ce que les poissons ayant été emballés dans une eau
affichant un pH de 8,2 vont finir par se trouver après 24 heures
dans une eau ayant un pH inférieur à 7, à cause du
gaz carbonique que les poissons auront émis. Toutefois si cette
eau est ensuite aérée afin de chasser le gaz carbonique,
le pH remontera vers 8,2. La chute du pH est due au gaz carbonique qui
excède les niveaux de l'équilibre atmosphérique.
Dans une deuxième alternative examinons le cas d'un aquarium pourvu
d'une vie végétale. Dans ce cas les plantes utilisent le
gaz carbonique durant la phase de la photosynthèse pour produire
de l'oxygène. Dans des aquariums ayant une capacité tampon
faible mais dotés d'une vie végétale excessive, le
pH peut monter durant le jour pour atteindre des seuils critiques. Lors
de cas extrêmes, des lectures de pH chiffrant de 9 à 10 ont
pu être relevées. Ceci est dû à l'absorption
du gaz carbonique ainsi qu'éventuellement des ions bicarbonates
par les plantes. Cette augmentation du pH est liée au taux de gaz
carbonique inférieur à celui de l'équilibre atmosphérique.
Lors de telle situation, lorsque le taux de gaz carbonique va revenir
à la normale durant la nuit, le pH chutera dans les mêmes
proportions.
Un autre processus, ayant une action sur le pH, doit également
être pris en compte. Il s'agit de l'effet à long terme induit
par le cycle de la nitrification. Etant donné que les déchets
émis par les animaux ainsi que ceux liés à la nourriture
sont transformés par le filtre biologique, de protéines
en ammoniac, puis nitrite, enfin en nitrate, il y a production d'acides.
Les acides réagissent directement avec les substances tampon bicarbonatées
en les éliminant lentement. Lorsque la substance tampon se trouve
quasiment épuisée le pH diminuera régulièrement.
Le but de la plupart des aquariophiles marins est de maintenir une bonne
qualité d'eau. Ceci suppose en règle générale
le maintien du pH à des valeurs comprises entre 8.2 et 8,3. Les
deux facteurs principaux qui vont empêcher d'atteindre des niveaux
optimaux du pH sont constitués par les taux en déséquilibre
du gaz carbonique ainsi que celui du complexe carbo
nates/bicarbonates. Tous deux peuvent être analysés et corrigés,
si nécessaire.
Le kit Seatest® Alkalinity a été conçu pour mesurer
la quantité des substances tampon présente ou autrement
dit l'alcalinité. L'alcalinité, occasionnellement rapportée
à la dureté carbonatée, ne devrait pas être
confondue avec les tests traditionnels de dureté qui eux mesurent
les taux de calcium et de magnésium.
Le taux d'alcalinité s'exprime normalement à l'aide d'une
unité appelée milliéquivalent par litre (meq./I.).
Cette unité (meq/I) représente la quantité d'un acide
simple (tel l'acide chlorhydrique) nécessaire pour neutraliser
tous les ions bicarbonates, carbonates et borates présents dans
un litre d'eau.
Le taux d'alcalinité des océans est généralement
inférieur à 2,6 meq/1. Spotte (1979 b) admet comme acceptable
un taux minimal de 2 meq/l, comme normal un taux de 2,1 à 2,5 meq/I
pour un aquarium, ce qui coincide avec des taux normalement trouvés
au niveau des eaux marines superficielles. Les mélanges d'eau de
mer synthétique, tel le sel marin Instant Ocean®, dépassent
en règle générale ce taux s'ils sont mélangés
en respectant les instructions données.
Occasionnellement d'autres unités de mesure peuvent être
rencontrées, faisant référence à des parts
par million (ppm), de carbonate de calcium, ou des degrés de dureté,
lesquels constituent des échelles qui changent de pays à
pays tels les degrés anglais, français ou allemands de dureté
carbonatée (DKH). Le rapport qui suit compare ces unités
d'alcalinité ou de dureté carbonatée et sera utile
lors de la lecture d'autres ouvrages:
1 meq/I = 50 ppm CaCO3 = 2,8° allemand = 3,5° anglais
= 5,0° français = 2,92 gallons/grains CaCO3.
EFFETS BIOLOGIQUES
DU DESEQUILIBRE EN GAZ CARBONIQUE
L'équilibre gaz carbonique/oxygène forme un ensemble capital
pour la santé des Poissons et des Invertébrés marins.
Les animaux consomment de l'oxygène puis produisent du gaz carbonique
comme résultat du métabolisme normal. Dans tout le corps
les cellules libèrent du gaz carbonique que le sang mène
vers les branchies par lesquelles il se mêle à l'eau. Cette
libération de gaz carbonique est es
sentielle dans la mesure où un surplus d'oxygène peut être
amassé pour être repris par les cellules d'un bout à
l'autre du corps.
Lorsque les gaz dissous dans l'eau, gaz carbonique et oxygène,
sont en équilibre par rapport à l'atmosphère, le
système fonctionne correctement. A cause des faibles quantités
de gaz carbonique contenues dans l'atmosphère, la quantité
normalement présente dans l'eau est inférieure à
celle présente dans le sang des poissons; ainsi, est il aisé
pour les poissons d'éliminer le gaz carbonique.
Lorsque les gaz ne se trouvent pas en équilibre, comme dans le
cas d'une aération faible, d'une surpopulation ou des deux à
la fois, les poissons seront stressés. Si le gaz carbonique a la
possibilité de se former dans l'eau, il sera de plus en plus difficile
pour les poissons d'expulser eux mêmes ce déchet, créant
ainsi une situation appelée acidose. Les cellules sanguines ne
peuvent pas absorber correctement l'oxygène lorsque le taux de
gaz carbonique se situe au dessus de la normale. A l'extrême, il
est possible d'étouffer des poissons dans une eau saturée
en oxygène mais titrant un taux de gaz carbonique élevé.
La situation est encore plus compliquée du fait que les conditions
qui sont à l'origine de l'augmentation du taux de gaz carbonique
proviennent d'un taux d'oxygène mais titrant un taux de gaz carbonique
élevé. La situation est encore plus compliquée du
fait que les conditions qui sont à l'origine de l'augmentation
du taux de gaz carbonique proviennent d'un taux d'oxygène faible,
rendant la respiration difficile et créant des situations propices
au stress.
Des échanges gazeux insuffisants (aération faible) dans
les aquariums créeront la condition favorable à un stress
grave conduisant à une santé déficiente de la population.
Dans des conditions normales la plupart des poissons n'utilisent que 10
% de la surface branchiale pour la respiration. Toutefois, lorsque le
taux d'oxygène est faible et celui du gaz carbonique élevé,
il leur faut ouvrir leurs ouies plus largement afin de les ventiler plus
rapidement. Cette respiration difficile nécessite une dépense
accrue en énergie et fatigue le poisson qui est stressé
en permanence suite au taux d'oxygène faible. Cette fatigue affecte
la résistance des poissons aux maladies. Ainsi un pH bas dû
à des échanges gazeux insuffisants peut éventuellement mener
à la maladie.
Un échange gazeux insuffisant peut être identifié
lorsque le niveau du pH est égal ou inférieur à 7,8
et le taux d'alcalinité égal ou supérieur à
2,5 meq/1. Une confirmation ultérieure pourra être obtenue
en remplissant un récipient avec de l'eau provenant de l'aquarium
soupçonné, puis en l'aérant intensément durant
de nombreuses heures, tout en maintenant la même température.
Ensuite comparez les résultats de lecture du pH, pris simultanément,
à la fois dans l'aquarium et dans le récipient. Si l'eau
du récipient aéré affiche un chiffre supérieur
de 0,2 unités ou plus que le pH de l'eau de l'aquarium, des actes
de correction devront être pris.
Un dernier point concernant la relation entre un pH bas et le stress doit
être établi. Comme il a été dit, le pH constitue
le jaugeage de l'équilibre acide/base présent dans l'eau.
Trop ou pas assez de pH ne sont pas préjudiciables. Il s'agit du
déséquilibre des composants qui cause le mal, puisqu'en
même temps, il a un effet sur la lecture du pH. Par exemple un excès
d'acide carbonique (gaz carbonique dissous) donnant un pH de 6,0 amènerait
probablement la plupart des poissons à suffoquer. Cependant le
même poisson survivrait plus longtemps dans une eau traitée
avec un acide non respiratoire, tel 'l'acide chlorhydrique ou l'acide
sulfurique, ceci au même pH de 6,0. En fait on a pu observer des
poissons clowns (Amphiprion ocellaris) tolérer (avec stress) des
pH de 5,0 durant 48 heures, lorsque ce
dernier était dû à l'utilisation d'un acide non volatil.
Ainsi il apparait qu'une grande part du stress et des dégâts
associés à un pH bas sont dûs à un excès
de gaz carbonique.
CONTROLE DU TAUX D'ALCALINITE
Il existe deux facteurs principaux susceptibles de faire baisser la réserve
en substances tampon ou taux d'alcalinité dans un aquarium marin:
1) La nitrification de la nourriture ainsi que des déchets organiques.
2) La précipitation des carbonates par des matériaux de
filtration d'origine calcaire.
Le premier processus, la nitrification de la nourriture et des déchets
organiques, constitue le travail principal du filtre biologique. La nourriture
est transformée par l'intermédiaire des poissons présents
dans l'aquarium. produisant de l'ammoniac toxique, lequel est éventuellement
réduit par le filtre en nitrate relativement non toxique. L'effet
secondaire de ce processus nécessaire a pour résultat la
production d'acide. Cet acide réagit avec les ions bicarbonate
en les éliminant au fur et à mesure. Ainsi le taux d'alcalinité
(ou la réserve en substances tampon, communément appelée
le pouvoir tampon) se trouve lentement dégradée et le pH
chute.
Le second processus est en rapport avec le type de substrat de filtration
utilisé. Des matériaux tels les rocs coralliens broyés,
de la pierre à chaux dolomitique (dolomite) et des coquilles d'huitres
concassées, particulièrement lorsqu'elles sont neuves, ont
tendance à attirer le carbonate de calcium (calcite) à leurs
surfaces. En conséquence ils sont capables de le retirer de l'eau
par précipitation. La vitesse de ce processus dépend du
type de matériaux, de leur âge et certainement, même
de leur origine.
A cause de matériaux très actifs, tels certains coraux broyés,
le taux d'alcalinité peut chuter de 50 % en quatre jours ou moins,
avec comme corollaire une chute du pH. Cet effet s'atténue avec
le temps car les surfaces de contact du substrat se recouvrent de cristaux
ainsi que de boues organiques. Si par la suite les substances tampon sont
remplacées, soit par un changement d'eau, soit par l'addition de
substances tampon, le taux d'alcalinité redeviendra plus stable.
Dans l'intervalle il y aura une chute significative du pH, même
avec peu ou point de poissons présents. (Pour de plus amples informations
concernant ce processus veuillez consulter les articles suivants: Bower,
et al. (1980). Adams et Spotte (1985), et Frakes et Mowka (1986).
TAUX RECOMMANDES
En ce qui concerne la maintenance générale des aquariums,
un taux s'échelonnant de 2,5 à 5 meq/l semble correct. Récemment.
en relation avec le regain d'intérêt pour les bacs récifaux,
un nombre élevé de recommandations a vu le jour. Pour la
discussion, les différentes opinions émises dans "Moderne
Meerwasseraquaristik" (Modern Marine Aquarist) publié par
Hanns Selzle et Jurgen Lemkemeyer (1986) présentent un intérêt
particulier. De même que plusieurs autres auteurs, ils suggèrent
différentes possibilités en ce qui concerne la maintenance
correcte d'aquariums récifaux. L'un préconise un taux de
7 meq/1 (20 DKH), l'autre de 5,5 meq/I (15 DKH). Toutefois, ultérieurement
Jurgen Lemkemeyer note qu'en dépit d'avis contraires, il maintient
ses bacs à
2,5 meq/I (7 DKH). John Burleson confirme cela. Après avoir testé
des taux élevés (15 à 20 DKH) où il a observé
l'inhibition des coraux durs, il maintient des taux de 2,5 à 3,5
meq/I (7 à 10 DKH) avec des résultats positifs. Il faut
également savoir que si l'on maintient des taux d'alcalinité
élevés (de 2 à 3 fois le taux de la mer) il est nécessaire
d'utiliser du gaz carbonique au moyen de systèmes d'injection.
sinon le pH va atteindre des taux supérieurs à ceux recommandés.
L'utilisation d'injecteurs de gaz carbonique a acquis sa popularité
en ce qui concerne les plantes en eau douce et les algues supérieures
en eau de mer, où des taux faibles de gaz carbonique constituent
un facteur limitant de croissance des plantes. Pour pouvoir injecter de
grandes quantités de gaz carbonique dans l'eau, le taux d'alcalinité
doit être augmenté en conséquence afin d'éviter
une modification du pH.
Ces systèmes sophistiqués n'ont d'intérêt que
pour les passionnés chevronnés, spécialisés
dans la culture d'algues supérieures ou de plantes.
CONTROLE DU pH
Comme débattu plus haut, le taux d'alcalinité peut être
modifié par deux facteurs principaux; pareillement le pH est régulé
en premier lieu par le taux d'alcalinité et la quantité
de gaz carbonique dissous dans l'eau. En admettant que le taux d'alcalinité
a été maintenu à un taux compris entre 2,5 et 5 meq/I,
notre préoccupation principale lors du contrôle du pH sera
constituée par l'équilibre du gaz carbonique. Toutefois,
un surplus de gaz carbonique, aboutira à un pH bas même si
le taux d'alcalinité est correct parce que le gaz carbonique va
ioniser dans l'eau sous forme d'acide carbonique. Afin d'augmenter un
pH bas, dû à cette cause, il faut rectifier le déséquilibre.
La principale source de gaz carbonique dans les aquariums est constituée
par la respiration des poissons, le filtre, les plantes, et le contexte
nocturne. Les principaux processus d'élimination du gaz carbonique
sont le fait de l'aération et, durant le jour, par la photosynthèse
effectuée par les plantes et les algues.
Pour atteindre le pH "potentiel", les mécanismes produisant
le gaz carbonique doivent être en équilibre avec les processus
qui l'éliminent. Ainsi, à la base le nombre d'animaux ainsi
que les quantités de nourriture qu'ils reçoivent doivent
être en équilibre avec la masse d'échange gazeux ainsi
que l'aération. Plus il y a d'animaux dans un aquarium, et plus
ils sont nourris, plus élevés seront les besoins en aération.
A titre d'exemple considérons un aquarium peuplé de quatre
poissons et doté d'un diffuseur; admettons que ce diffuseur soit
juste apte à échanger le gaz carbonique produit par les
poissons en le remplaçant par l'oxygène qu'ils ont utilisé:
1) Si on ajoutait un seul poisson, le taux de gaz carbonique augmenterait
proportionnellement pour aboutir à la chute du pH. Si d'autres
poissons étaient ajoutés, le taux de gaz carbonique continuerait
à augmenter pour atteindre des taux élevés critiques,
un pH bas, et un manque d'oxygène avec comme effet la mort des
poissons.
2) Si le diffuseur se bouche, réduisant de moitié le débit
et les échanges gazeux, le taux de gaz carbonique augmentera. A
nouveau le pH et le taux d'oxygène dissous chuteront. Il est possible
d'y remédier soit en nettoyant ou en changeant le diffuseur, soit
en réduisant de moitié la population de poissons.
3) Lorsque le diffuseur est remplacé par une pompe de circulation,
la situation n'est pas claire. En principe la capacité d'échange
gazeux d'une pompe de circulation, ayant un débit semblable à
celui provoqué par de l'air, serait inférieure. Toutefois
de nombreuses pompes sont équipées d'un aérateur,
ainsi le débit d'air de la pompe de circulation sera considérablement
plus élevé que celui de la pompe à air originelle.
Cependant il n'est pas fréquent d'assister à une chute du
pH dans cette situation, due à un taux de gaz carbonique en augmentation.
La solution consiste soit à réduire la charge animale soit
à augmenter l'échange gazeux par l'utilisation d'un aérateur,
soit à augmenter la turbulence en surface.
4) Si le matériel d'origine n'est pas changé, un déséquilibre
subtil se produira en liaison avec la croissance des poissons. Ainsi,
après plusieurs mois sans problèmes, le pH pourra diminuer
petit à petit à cause de l'augmentation de la taille des
poissons qui simule la situation où plus de poissons ont été
ajoutés. La solution, bien sûr, consiste à augmenter
les échanges gazeux dans le système, à réduire
le nombre de poissons ou à acquérir un aquarium plus grand.
L'introduction de la technologie des filtres alimentés par aspersion
(filtres du type semi-humide) a amélioré cette situation
en ce qui concerne les grands bacs. Les filtres semi-humides, si correctement
fabriqués, sont très efficaces pour l'élimination
de l'excédent de gaz carbonique sans l'inconvénient de la
projection de sel liée à la technique de l'aération
ainsi que sans le bruit de la pompe à air. Mais, seule réserve,
le prix de ce matériel peut être élevé.
AJOUT DE MATERIAUX TAMPONS
Les substances tampon les plus souvent utilisées en eau de mer
sont constituées par le bicarbonate et le carbonate de sodium.
Ces composants sont ajoutés pour augmenter le taux d'alcalinité
de l'eau ainsi que le pH.
Le bicarbonate de sodium est le plus sûr des deux. Le traitement
classique d'une cuillerée à thé par jour et pour
40 litres d'eau, augmentera lentement le taux d'alcalinité ainsi
que le pH, sans à coup de ce dernier. Toutefois, immédiatement
après l'ajout, le pH chutera provisoirement de 0,1 à 0,2
unités. A l'aide d'une aération correcte l'équilibre
sera atteint en quelques heures.
Le carbonate de sodium doit être utilisé avec beaucoup de
précautions. En premier lieu il est plus alcalin que le bicarbonate
de sodium, ainsi il en faut moins pour augmenter le taux alcalin (environ
5/5 d'une cuillerée à thé pour 40 litres d'eau).
Deuxièmement, même avec cette quantité il sera la
cause d'une hausse temporaire mais importante. Ainsi le dosage journalier
doit être administré par très petites quantités,
afin d'éviter des bonds du pH.
Les formes liquides du carbonate de sodium ne peuvent pas procurer assez
de réserve tampon pour modifier de manière significative
le taux d'alcalinité. Au dosage d'une goutte pour quatre litres
une hausse temporaire du pH pourra être remarquée. Toutefois,
sans une modification significative du taux d'alcalinité, le pH
reviendra à son niveau originel.
Une troisième solution consiste à utiliser un produit tampon
commercial, tel le SeaBuffer® qui constitue un produit équilibré,
où une simple dose augmente le taux d'alcalinité tout en
produisant une augmentation lente du pH de 0,1 à 0,2 unités
et ce immédiatement. Le mélange spécial de bicarbonate,
de carbonate et de borate rend le SeaBuffer, la plus sûre et la
plus aisée des méthodes pour contrôler un taux d'alcalinité
faible.
Le tableau suivant donne les résultats comparatifs de ces ajouts
de substances tampon mélangées à l'eau d'un aquarium
marin.
Les dosages sont identiques par rapport au taux d'alcalinité
En conclusion, le pH d'un aquarium marin peut être contrôlé
en maintenant un taux d'alcalinité correct et en prévoyant
des échanges gazeux adéquats.
Comparaison de différentes substances tampon: Effets sur le pH et le taux
d'alcalinité
|
Initial
|
5
minutes
|
48
heures
|
||||
|
pH
|
TA
m/I*
|
pH
|
TA
m/I*
|
pH
|
TA
m/I*
|
|
| SeaBuffer |
7,85
|
1,75
|
8,07
|
3,0
|
8,14
|
3,0
|
| Bicarbonate de sodium |
7,86
|
1,75
|
7,7
|
3,0
|
8,15
|
3,0
|
| Carbonate de sodium |
7,89
|
1,75
|
8,95
|
3,0
|
8,16
|
3,0
|
| Produit tampon liquide |
7,86
|
1,75
|
8,02
|
2,0
|
7,94
|
2,0
|
| Double dose d'une solution saturée de carbonate de sodium | ||||||
| (2 gouttes/4 litres) | ||||||
Bibliographie conseillée
Riley, J. P. and R. Chester, 1971. Introduction to Marine Chemistry. Academic
Press. New York, 465 p.
Harvey, H. W., 1966. The Chemistry and Fertility of Sea Waters. Cambridge
Univ. Press, London, 240 p.
Spotte, Stephen, 1979 a. Fish and Invertebrate Culture: Water Management
in Closed Systems. 2nd Ed. Wiley Inter-science, New York, 179 p.
Spotte, Stephen, 1979 b. Sea Water Aquarium: The captive Environment.
Wiley Interscience, New York, 413 p.
Todd, D. K., 1970. The Water Encyclopedia. Water Information Center, Port
Washington, New York.
Frakes, T. A. and E. Mowka, Jr., 1986. Effects of Filter Materials on
pH, Seascope, Vol. 3 (2) Spring.
Bower, C. E. and D. Turner, S. Spotte, 1981. "pH maintenance in enclosed
seawater culture systems: limitations of calcacereous filtrants",
Aquaculture, 23: 211-217.
Adams, Gary and Spotte, 1985. "Carbonate minera) filtrants with new
surfaces reduce alkalinity in sea water and artificial seawater: preliminary
findings", Aquacultural Engineering, 4: 305-311.
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