Questions to the experts

Dans un bassin l'oxygène provient de l'air ambiant et des plantes grâce à la photosynthèse. Tous les êtres vivants du bassin (poissons et autres animaux mais aussi bactéries et plantes) respirent et donc consomment de l'oxygène.
L'absence de plantes ne veut pas forcément dire absence de photosynthèse. En effet, les algues vertes qui tapissent les parois sont photosynthétiques. L'oxygène de l'air se dissous dans l'eau par diffusion à l'interface. Plus la surface entre les deux milieux est importante, plus la diffusion est rapide. Les cascades, bulleurs, etc., aèrent l'eau en augmentant la surface d'échange. Les remous mélangent l'eau oxygéné de la surface avec celle plus pauvre en oxygène du fond. Tout cela accélère la diffusion de l'oxygène. Mais la concentration en oxygène dissous ne peut pas augmenter indéfiniment car il s'établit un équilibre avec la concentration dans l'air. Cette concentration à l'équilibre (appelée saturation) dépend de la pression atmosphérique et de la température ambiante. La saturation augmente avec la pression et diminue avec la température. Il est assez difficile de donner des explications plus détaillées sans entrer dans le détail des équations utilisées en physico-chimie.
Les besoins des poissons en oxygène dépendent des espèces. Les carpes et les poissons rouges sont des espèces très proches (des cyprinidés) qui tolèrent bien les faibles niveaux d'oxygène. Ce n'est pas le cas des truites par exemple, qui vivent dans des eaux froides et agitées, non pas parce qu'elles craignent le chaud mais parce qu'elles ont besoin d'une eau très oxygénée (au moins 11mg O2/litre, alors qu'une eau à 25 °C sature à 8 mg/l).
Comme nous, le poisson adapte sa "ventilation" à la concentration en oxygène. La fréquence des mouvements des opercules branchiaux augmente quand l'oxygène commence à faire défaut. Le cas échéant, il vient piper l'air en surface. Certains poissons adaptés aux eaux très pauvres en oxygène car surchauffées ont un organe spécial appelé labyrinthe dans lequel ils aspirent une bulle d'air. La grande surface du labyrinthe permet d'augmenter la surface d'échange et le temps de contact entre l'air et le sang. C'est le cas du combattant Betta splendens. Pour mesurer la concentration en oxygène de l'eau, il existe des kits simples est peu coûteux dans les magasins d'aquariophilie (attention à la date de péremption).

Bibliographie : L'eau des aquariums, étude et Analyse. H.-J. Krause (1989). Laboratoires Merk-Clévenot. Nogent sur Marne. (fascicule gratuit de 59 pp).

1) La surface d'une nappe d'eau est une zone de contact entre l'eau et l'atmosphère ou se produisent des échanges gazeux. Il y aura donc toujours de l'oxygène dissout dans la masse d'eau. En quantité plus ou moins importante selon certaines conditions (entre autres, l'importance de la surface de contact).
2) Tous les poissons n'ont pas les mêmes besoins en oxygène. Certains se contentent de peu et vivent très bien dans les bassins d'eau calme décrits dans la question. D'autres ne peuvent vivre qu'en milieu très oxygéné : dans la nature on les trouvera dans les zones de courant et ils ne pourraient pas survivre dans les mêmes conditions que les poissons rouges et les carpes.

La physique de la dissolution des gaz atmosphériques dans l'eau. Ces gaz sont l'azote (environ 78 %), l'oxygène (environ 21 %), la vapeur d'eau (très variable), le gaz carbonique (de l'ordre de 0,03 %) et divers autres gaz (argon, néon, krypton, etc.).

Considérons de l'eau pure qui a bouilli afin d'extraire les gaz dissous. Pendant qu'elle se refroidit (sa température finit par égaler celle ambiante), les gaz atmosphériques se dissolvent lentement dans l'eau jusqu'à ce que soit établi un équilibre entre les proportions des gaz dans l'air et des proportions à peu près semblables dans l'eau - mais pas tout à fait car le gaz carbonique réagit faiblement avec l'eau en formant un peu d'acide carbonique (acide très faible) qui se dissocie plus ou moins en ion hydrogène et en ion bicarbonate. Deux facteurs physiques sont à considérer: la température (plus elle est basse, plus l'eau liquide dissout les gaz cités) et la pression atmosphérique (un même volume d'eau dissout plus de gaz à basse qu'à haute altitude).
L'agitation de l'eau n'agit pas sur les valeurs de l'équilibre gazeux entre eau et atmosphère mais elle accélère le processus de dissolution quand l'équilibre n'est pas réalisé. C'est ce que fait le « bulleur » d'un aquarium.

2) Les gaz dissous et les êtres vivants aquatiques. Deux cas sont à considérer :

a) L'eau contient des organismes ne pouvant pas faire la photosynthèse (la plupart des bactéries, les moisissures, les animaux): l'oxygène est consommé par la respiration, du gaz carbonique est émis.
b) L'eau contient des algues (de taille moyenne, grande ou microscopique) et/ou des plantes: pendant la journée, il y a photosynthèse avec « consommation » de gaz carbonique et émission d'oxygène, mais respiration pendant la nuit, comme en (a).

3) Qu'en est-il des poissons ? Ceux-ci respirent grâce à l'oxygène dissous dans l'eau. En effet, ce gaz diffuse (processus physique) au travers de la paroi des branchies: il se déplace de l'eau jusqu'au sang du fait que celui-ci est plus pauvre en oxygène que l'eau. Dans le sang, l'oxygène se combine temporairement à l'hémoglobine des globules rouges; ceux-ci assurent le transfert de l'oxygène vers les tissus de l'animal où est produit du gaz carbonique. L'excès de gaz carbonique est éliminé dans l'autre sens (plus compliqué du fait que ce gaz est plus soluble dans l'eau et se combine à elle comme cela a été dit plus haut).

a) Si les poissons sont peu exigeants en oxygène (carpes, poissons rouges), ils peuvent vivre en se « contentant » de l'oxygène dissous dans l'eau immobile à condition qu'ils ne soient pas trop nombreux dans le même volume d'eau et que celle-ci ne soit pas trop chaude. Ils seront mieux s'ils vivent dans un bassin bien éclairé et qui contient des plantes et/ou des algues mais pas trop. En effet, celles-ci produiront de l'oxygène pendant le jour mais respireront pendant la nuit.

b) Si les poissons sont exigeants en oxygène (truites, saumons), il faut que l'eau soit froide (elle dissout plus d'oxygène dans un même volume). Si elle est agitée, cela vaut mieux car l'équilibre des concentrations en gaz entre atmosphère et eau est plus vite atteint.