Redfield Calculator

De Redfield ratio, wie heeft er nu ondertussen in de Nederlandse aquaristiek niet van gehoord? In het februari (2004) nummer van "Het Aquarium" heeft een heel artikel over De Redfield Ratio gestaan. Maar ontwikkelingen gaan snel. Deze pagina is dan ook bedoeld om de huidige stand van zaken weer te geven. En daaruit blijkt dat er toch wel wat haken en ogen aan deze methode zitten.

Wat is de Redfield Ratio?

We gaan naar 1934. In die periode ontdekte de Amerikaan Alfred C. Redfield (1890-1983) dat de verhouding van koolstof (C), stikstof (N) en fosfor (P), in zooplankton EN water in alle oceanen telkens ongeveer het zelfde was. Deze verhouding C:N:P bleek telkens weer rond de 106:16:1 te liggen. Dus 106 delen koolstof op 16 delen Stikstof op 1 deel fosfor.

Afwijkingen in de verhoudingen waren altijd kleiner dan 20%. Die verhouding van 106:16:1 wordt nu nog steeds naar zijn ontdekker de Redfield Ratio genoemd. Afgekort RR-ratio.

Die verhouding kan wat preciezer worden geschreven als:
106C : 16N : 1P : 0,01 (Fe/Zn/Mn) : 0,001 (Cu, Mo, Co, enz.)

Zo zal zeewaterplankton ongeveer 16x zoveel stikstof (N) bevatten als fosfor (P)

Die verhouding van Koolstof (C) : Stikstof (N) : Fosfor (P) oftewel C:N:P wordt uitgedrukt in mol. De Redfield Ratio geeft dus een molaire verhouding aan.

Waarom de verhouding 106:16:1

Waarom precies deze molaire verhouding optreedt is nog steeds niet helemaal duidelijk. De reden waarom de Redfield ratio in oceanen zo constant is wordt verklaard door de stabiele watersamenstelling van oceanen en aan de voedselrijke groeicondities van zooplankton in de oceanen.

Alfred C. Redfield 6,5 kB

Redfield ratio en wij aquarianen

Wij aquarianen zouden normaliter nooit iets van de Redfield Ratio gemerkt hebben, wat moeten we toch met die wetenschap dat er een bepaalde vaste C:N:P verhouding in de oceanen voorkomt... Wij hebben toch immers zoetwater? en als ik in de lijst van voedseldieren kijk, dan zie ik voedseldieren met N:P ratios varieren van een lage 7,5:1 (veel fosfaat) tot 55:1 (veel stikstof) en alles wat er tussen inzit. Ok..wel redelijk veel beestjes zitten rond die 16...maar toch?

Nou die ratio van 16:1 van zeeplankton is op zich niet zo heel boeiend, maar wel dat uit een groot aantal onderzoeken is gebleken dat de cyanobacterien (blauwalgen) zelden voorkomen bij N:P ratio’s >29. Dus als er in verhouding veel stikstof en weinig fosfor is.

De theorie houdt in dat groene algen het bij hoge ratio’s beter doen. Ratio’s lager dan N:P/5:1 (weinig stikstof, veel fosfor) geven vaak een duidelijke tendens naar blauwalg te zien.

En juist van dit gegeven maakt de RR-theorie gebruik (waarbij wel even over het hoofd wordt gezien dat de N:P verhouding door aquarianen niet is te meten en dat er verschillende blauwalg varianten zijn).

De RR ratio gaat over verhoudingen

Volgens de theorie wordt gesteld dat algengroei niet alleen afhankelijk is van hoeveel voedingsstoffen zich in het water bevinden maar ook in welke verhoudingen die voedingsstoffen zich in het water bevinden.

Als er veel fosfaat in water aanwezig is en erg weinig nitraat dan kunnen planten en algen groeien totdat het nitraat op is. Er is dan nog genoeg fosfaat aanwezig maar omdat er gebrek is aan nitraat kunnen algen en planten niet verder groeien en dat fosfaat opnemen. Nitraat is dus een beperkende faktor geworden voor de groei.

Andersom kan het natuurlijk net zo goed. Als er veel nitraat en weinig fosfaat is dan zal het fosfaat de beperkende faktor worden. Hebben we nu de juiste balans van fosfaat en nitraat dan kunnen EN fosfaat EN nitraat beide door de planten en algen gebruikt worden totdat zowel fosfaat en nitraat opgebruikt zijn.

Nou is het dus zo dat elke plantensoort en ook elke algensoort zijn eigen optimale verhouding heeft om elementen op te nemen. Blauwalgen kunnen de overlevingsstrijd met andere algen en planten het beste aan als er naar verhouding veel fosfor aanwezig is. Groene algen daarentegen doen het beter als er naar verhouding veel stikstof aanwezig is.

Blauwe algen doen het dus goed bij lage N:P verhoudingen. Groene algen doen het het beste bij hoge N:P verhoudingen. En daartussen ligt een overgangsgebied waarin onze planten het vooral goed doen. In de onderstaande grafiek is dat grafisch weergegeven.

Redfield ratio 9,2 kB
1,3 kB

Redfield Ratio,
Mol of gram?

De Redfield Ratio van C:N:P     106:16:1   is een verhouding in mol.
De verhouding bestaat uit 106 koolstof atomen op 16 stikstofatomen op 1 fosfor atoom

Dan kunnen we nu de Redfield Ratio ook in grammen weergeven:

Koolstof gewicht= 12 gr/mol
Stikstof gewicht= 14 gr/mol
Fosfor gewicht= 31 gr/mol

Molaire Redfield Ratio
C:N:P = 106:16:1

Redfield ratio in gram is:
106x12 : 16x14 : 1x31

We delen de verhoudingen allemaal door 31 en vinden dan de Redfield Ratio C:N:P in gram

41 : 7,2 : 1

Dus 41 gram koolstof op 7,2 gram stikstof.
En 1 gram fosfor op elke 7,2 gram stikstof.
De Redfield ratio van 16:1 is dus in grammen een verhouding van 7,2:1

Algen bestrijding met Redfield

Waarop is de methode om algen te bestrijden volgens de Redfield Ratio methode nu gebaseerd? Nou het basisprincipe is simpel. Zorg dat de omstandigheden voor de alg waar je last van hebt ongunstiger worden.

Heb je dus blauwe alg, dan is er naar verhouding veel fosfor en weinig stikstof aanwezig (lage N:P ratio) want in die omstandigheden doen ze het het beste. Als we nu zorgen voor minder fosfor en meer stikstof (hogere N:P ratio) dan worden de omstandigheden voor de blauwe alg ongunstiger om de concurrentiestrijd te winnen.

Hebben we nu groene alg, dan is het omgekeerd het geval. Die doen het het beste bij relatief veel stikstof en weinig fosfor Verschuiven we de omstandigheden zodanig dat we wat minder stikstof en meer fosfor krijgen dan zal de groei van de groene alg nadelig beinvloed worden.

De Redfield methode komt er dus op neer dat algen bestreden worden door met de verhoudingen waarin elementen voorkomen te gaan schuiven. Simpel principe nietwaar?. Voor blauwe en groene algen kunnen we dit doen door in de verhouding stikstof/fosfor (N:P) te gaan schuiven. Maar we kunnen natuurlijk ook met andere elementen hetzelfde trucje uithalen.

N:P ratio van oceanen v/d wereld op verschillende dieptes 14,7 kB

In de grafiek hierboven zijn voor alle grote wereldoceanen de N:P verhoudingen weergegeven.
Goed is te zien dat de verhouding telkens rond de 16:1/15:1 ligt.
De zwarte schuine lijn geeft de Redfield Ratio (RR) van 16:1 weer.
Het valt ook op dat hoe dieper je komt des te meer nitraat en fosfaat er wordt gemeten.
Maar de N:P verhouding blijft ook met toenemende diepte gelijk.

Redfield, alleen stikstof en fosfor?

Da's een wat lastige vraag. Het antwoord erop is nee, de Redfield methode geldt ook voor andere elementen. Zoals we konden zien beinvloeden we de groene en blauwe algen door te schuiven in de verhouding Stikstof : Fosfor Maar ook andere elementen hebben een invloed op algengroei!

Silicium
Bruine algen doen het bijvoorbeeld het beste als er naar verhouding veel Silicium aanwezig is en weinig fosfor. Dus bij een hoge Si:P ratio doen bruine algen het het beste. Dit vinden we meestal bij pas opstartende bakken waarbij het Silicium in de vorm van kiezelzuur in het water aanwezig is. Zodra het Silicium is verbruikt gaan de bruine algen op hun retour. Silicium wordt zeer traag aangevuld vanuit de bodem en de bruine algen komen niet meer terug.

IJzer
Grote concentraties ijzer in het water kunnen zorgdragen voor ongewenste algengroei. Vooral groene algen doen het goed bij hogere ijzerconcentraties.

Calcium
Calcium is ook een belangrijk element. Sommige algen hebben meer Calcium nodig voor hun celwanden. Die doen het dus beter in hard water dan in zacht water. Een aantal rode algensoorten kunnen we in deze kalkminnende categorie indelen. Bestrijdingsmethode?...zacht water toepassen. Ook sommige groene draadalgen behoren tot de kalkminnende soorten. Die groene draden zijn dan vooral te vinden op de bladeren van planten bij biogene ontkalking. Het op de bladeren gevormde calciumcarbonaat kunnen ze immers goed gebruiken.

Ook in een zeewateraquarium kennen we ze wel, de paarsrode kalkminnende algen.

Organische afvalstoffen
Het wordt nog ingewikkelder....
Tot nu toe spreken we over elementen als stikstof (N), fosfor (P), IJzer (Fe), Calcium (Ca), enz. Maar er zitten natuurlijk nog meer stoffen in het water als deze elementen. Ook hele moleculen, waaronder veel organische, zijn in het water opgelost en er zijn bepaalde algen die uitstekend in staat zijn om van die stoffen gebruik te maken. Vooral baardalgen en penseelalgen bijvoorbeeld zijn goed in staat om organische stoffen (suikers, esters) voor de groei te gebruiken. Als er dus naar verhouding veel van dergelijke stoffen aanwezig zijn dan zullen die algen oprukken.

Baardalgen bijvoorbeeld, zien we dan ook vooral als de planten aan een bepaald element gebrek hebben. Hun fotosynthese gaat gewoon door als de TL's branden, die kunnen ze niet stopzetten. Maar ze kunnen het assimilatie proces niet geheel afronden door gebrek aan elementen. De planten rest dan geen andere mogelijkheid om deze organische deelprodukten te lozen. De baardalgen op hun beurt kunnen die organische deelprodukten goed inpassen en groeien goed op of in de nabijheid van de betroffen plant. Door het elementengebrek bij de plant te verhelpen worden de omstandigheden voor de baardalg ongunstiger en zal deze teruglopen of zelfs weer verdwijnen. Een bak met een lage organische belasting (lage C:N ratio) zal dus minder gauw last van deze algen hebben dan een bak met een hoge organische belasting. En dit verklaard ook meteen waarom dit soort algen vaak op dood organisch materiaal te vinden is (kienhout).

Redfield en C:N ratio

We zagen het in het begin al. Bij de Redfield Ratio spreken we niet alleen over een N:P verhouding maar ook over de C:N:P verhouding. De logische volgende vraag is dan, heeft de aanwezige koolstof (C) ook invloed op de algengroei?

Nou, ja dus... Een hoge C:N ratio (> 15) blijkt bij veel natuurlijke wateren op een gebrek aan stikstof te duiden en die wateren hebben eerder de neiging naar blauwe alg te gaan ook al is de N:P verhouding daar toch ongunstig voor blauwalg vorming!

Dat betekent een hoge organische belasting, veel mulm in de bak, dan een grotere kans op blauwalg. Hier hebben we dus te doen met de blauwalg variant die opduikt bij zwaar belaste bakken. Ook dit is dus toch iets ingewikkelder als de Redfield theorie had gedacht.

Eigenlijk moeten we de bij de kans op blauwalg dan ook rekening houden met de C:N ratio.....probleem hierbij is dat die C:N ratio door ons hobbyisten niet gemeten kan worden. We kunnen wel inschatten of de C:N ratio hoog of laag is. Een bodem die vanzelf schoon blijft duidt meestal op een lage C:N ratio (goede mineralisatie) Een bodem die snel mulm verzamelt duidt op een lage mineralisatie, dus een hoge C:N ratio. De organische afvalstoffen blijven liggen. Die organische afvalstoffen binden al snel fosfaten en ter plekke van de mulm krijgen we zo een lagere N:P ratio dan het omringende water. Zo kunnen we dus bij het testen van het water een gunstige Redfield Ratio hebben maar toch gewoon echt last hebben van blauwalg op de bodem. De hoge C:N ratio kan hierbij dus als een van de faktoren gezien worden.

We zien dus dat de N:P ratio EN de C:N ratio beide van invloed zijn op het voorkomen van blauwalg. Wat is dan het effekt van het toedienen van extra stikstof aan een aquarium om die blauwalg te bestrijden? Het maakt niet uit of dit nu in de vorm van stikstofrijk voer, kaliumnitraat of ammoniumnitraat gebeurd. Wat gebeurd er dan allemaal? Nou, de verhouding N:P veranderd ten ongunste voor de cyano's (blauwalgen). De N:P verhouding wordt hoger door het toedienen van de stikstof. Maar er gebeurd meer...Ook de C:N verhouding veranderd door het toedienen van stikstof. Die C:N ratio wordt lager. Hierdoor krijgen we een betere mineralisatie. Een betere nitrificerende werking, er komen meer sporenelementen beschikbaar voor de planten die het hierdoor ook beter gaan doen en een grotere concurrentie voor de algen gaan vormen. En zie de hele bak fleurt op. Waardoor wordt dan de blauwalg bestreden? Door de veranderende N:P? of de veranderende C:N faktor?. De waarheid zal ergens in het midden liggen.

Kan er net als een fosfaat of stikstofgebrek dan ook gebrek optreden aan koolstof? Ja dat kan, maar in de natuur komt dit zeer zelden voor en ook in ons aquarium, zeker bij bakken met CO2 erop, zal dit niet optreden.

Geen Redfield, wel twee blauwalg condities

We konden een blauwalg variant onderscheiden die het vooral goed doet in laag belaste bakken, de schoon water variant met vooral een zeer lage nitraat waarden. En we konden een blauwalg variant onderscheiden die het vooral goed doet bij hoge C:N waarden, dus een hoge organische belasting, of er dan nu veel of weinig nitraat en/of fosfaat aanwezig is.

Redfield en concurrentie

We konden het al lezen, door te schuiven met concentraties en verhoudingen van elementen als Stikstof, Fosfor, Silicium, Calcium, IJzer, enz. kunnen we de algen aardig onder de knie krijgen. We geven de ongewenste algen ongunstige leefcondities waardoor ze het op moeten geven. Aan de andere kant creeeren we dan condities die andere organismen weer positief beinvloeden waardoor die het weer beter gaan doen.

Als we schone variant van blauwe alg gaan bestrijden door meer stikstof in het aquarium in te brengen dan kan bij overdosering de blauwe alg plaats maken voor groene alg. Dan hebben we nog niets bereikt. Alleen een andere soort alg gekregen. Voegen we de juiste hoeveelheid stikstof toe dan krijgen de blauwalgen toch ongunstiger omstandigheden maar worden de omstandigheden voor de planten gunstiger. De groene alg krijgt geen kans omdat de planten te weinig stikstof over laten. Op deze manier concurreren de planten de algen weg.

Maar wat als we nu geen planten hebben om de alg weg te concurreren?
Ehhh, dan hebben we nog een medestander in de algenstrijd, en geen onbelangrijke ook!! Bacterien!

Bacterien als concurrent van algen

Het is namelijk zo dat niet alleen planten en algen voedingstoffen nodig hebben maar bacterien net zo goed! Vooral voor een goede groei zijn veel voedingstoffen nodig. En in snel groeien daarin moeten zowel de planten als de algen het afleggen tegen bacterien.

Vooral de heterotrofe bacterien. Deze kunnen zich elke 20 minuten verdubbelen. Vooral fosfaat wordt door een groeiende bacterie kolonie veel opgenomen! Als de groei zich stabiliseerd neemt ook de fosfaatopname af. Door als een bacteriekolonie op peil is deze uit te dunnen (lees regelmatig verschonen filter) is er sprake van een continue groeiproces en wordt langzaam maar zeker overtollig fosfaat verwijderd. Op een zelfde principe gaat men ook bij een rioolwaterzuivering te werk om het fosfaat te verwijderen uit het influent.

Op deze wijze zien we dus dat bacterien door het opnemen van fosfaat er voor kunnen zorgen dat de N:P (Redfield) ratio hoger wordt.

Denitrificatie en de N:P ratio

Door die heterotrofe bacterien wordt de Redfield ratio hoger hebben we gezien.
Andersom kan natuurlijk ook. Door denitrificerende bacterien wordt nitraat (NO3-) omgezet naar stikstof (N2). Dit N2 is gasvormig en zal uit het aquarium ontwijken. Hoe meer denitrificatie des te meer nitraat wordt uit de kringloop genomen en we zien dus dat de N:P ratio lager wordt. Zo blijkt dus dat ook een filter en de wijze waarop we deze schoonmaken (of juist niet) van invloed kan zijn op de N:P ratio van een aquarium. Daarom is een filter ook een faktor van betekenis in het bestrijden van algen cq juist een oorzaak van een algenplaag.

Redfield Ratio, meten is weten...

Nou hebben we het wel mooi over een N:P ratio en dat er bij een lage N:P grote kans is op blauwe alg en bij een hoge N:P grote kans is op groene alg. Maar hoe meten we nou zo'n N:P ratio?

Nou, in principe is het best wel simpel. We meten het aantal mol stikstof in het water, we meten het aantal mol fosfor in het water en delen dat op elkaar. Dus 8 mol stikstof op 0,5 mol fosfor geeft een N:P ratio van 8/0,5 = 16

Het probleem is nou dat we niet direkt met een testsetje het aantal mol stikstof of het aantal mol fosfor kunnen aflezen. Dat moeten we eerst even omrekenen.

Welke testsetjes hebben we dan nodig om de stikstof en het fosfor te kunnen bepalen?
In principe zijn dat vier testsetjes namelijk:

  • Ammonium/Ammoniak
  • Nitriet
  • Nitraat
  • Fosfaat

Gelukkig zijn in een aquarium de concentraties Ammonium/Ammoniak en Nitriet zo laag dat ze weinig invloed hebben op de berekening. Voor de berekening hebben we dus alleen maar een testsetje voor nitraat en voor fosfaat nodig.

Voorbeeld N:P berekening

Stel we hebben nitraat, NO3- met het testsetje gemeten en we lezen 10 mg/ltr af.
Met het fosfaat, PO42- testsetje meten we 0,5 mg/ltr

Wat voor N:P (Redfield) ratio hebben we dan?

Bepaling aantal mol stikstof

Uit het periodiek systeem der elementen:
1 mol Stikstof (N) = 14 gram
1 mol Zuurstof (O) = 16 gram
1 mol NO3- heeft 1 mol stikstof en 3 mol zuurstof

Het aandeel stikstof in nitraat is dan:
N/(N + 3xO) = 14/(14+3x16)= 0,226 >> 22,6%

Als we dus 10 mg/ltr nitraat hebben dan zit daar
10x0,226 = 2,260 mg/ltr stikstof in.

1 millimol stikstof weegt 14 milligram.
Dan is er dus 2,260/14 = 0,161 mmol stikstof.

Bepaling aantal mol fosfor (P)

Uit het periodiek systeem der elementen:
1 mol Fosfor (P) = 31 gram
1 mol Zuurstof (O) = 16 gram
1 mol PO42- heeft 1 mol Fosfor en 4 mol zuurstof

Het aandeel Fosfor in Fosfaat is dan:
P/(P + 4xO) = 31/(31+4x16)= 0,326 >> 32,6%

Als we dus 0,5 mg/ltr fosfaat hebben dan zit daar
0,5x0,326 = 0,163 mg/ltr fosfor in.

1 millimol fosfor is 31 milligram.
Dan is er dus 0,163/31 = 0,005 mmol fosfor per liter.

Berekening N:P (Redfield Ratio)

We hebben:
0,161 mmol Stikstof
0,005 mmol Fosfor

De N:P ratio is dan: 0,161/0,005 = 32,2

Nou ja, om telkens zo'n rekenpartij voor een meting uit te voeren....Da's nogal veel werk natuurlijk. Daarom kunnen we een simpele formule opstellen en die luidt als volgt:

Simpele formule voor de Redfield Ratio:

(Nitraatgehalte x 1,5)/Fosfaatgehalte

Voorbeeld
We meten:
Fosfaat 0,1 mg/ltr
Nitraat 5,0 mg/ltr

De N:P ratio is dan: (5,0 x 1,5)/0,1 = 75

Een snelle controle:

Je weet dat je goed zit als je nitraatgehalte ongeveer 10x je fosfaatgehalte is.
Meet je dus een fosfaatgehalte van 0,5 mg/ltr.
Dan zit je goed als je een nitraatgehalte van 10 x 0,5 = 5 mg/ltr hebt.

Die formule is al een stuk simpeler als die hele mol-berekening. Maar het kan nog simpeler. Daarvoor kun je in de tabel hieronder kijken.

Tabel N:P ratio 9,7 kB

Nou ja, vooruit dan maar, een Redfield calculator kan er ook nog wel af nu ik toch eenmaal bezig ben.

Simpele Redfield Calculator

Nitraat gehalte mg/ltr       Fosfaat gehalte mg/ltr

N:P ratio is:    

 
Een uitgebreidere calculator vind je hier  De bovenstaande tabel kijkt voor de Stikstof alleen naar het aanwezige nitraat. Het programma op de volgende pagina houdt eveneens rekening met de aanwezige nitriet en ammonia(k).
Copyright Aquariumhobby Nijverdal 2009