Redfield ja N:P(Typpi:Fosfori)-Suhde

Redfieldin ravinnesuhde on olennainen osa eri levälajien liikakasvua ja antaa myös akvaarioharrastajille tehokkaat keinot saada leväongelmat akvaariossa kuriin. 

Luonnon kiertokulku meressä: 
Hiilidioksidia tulee ilmasta veteen ja yhtälailla myös poistuu vedestä ilmaan. Kasviplanktonit käyttävät tätä hiilidioksidia yhteyttämiseen, yhdessä valon ja ravinteiden kanssa, samalla luoden elämää mahdollistavaa happea. Tärkeimmät ravinteet kasviplanktoneille ovat hiili, typpi, fosfaatti, rauta ja liuennut pii; piihappona Si(OH)₄ ja silikaattina SiOH₃^-. Typen muodoista ammonium on tärkein, koska planktonien solut pystyvät hyödyntämään sen helposti, kun taas nitraatti täytyy pelkistää rauta entsyymeillä. Eläinplanktonit syövät kasviplanktonia pinnan läheisyydessä ja hengittävät ulos hiilidioksidia. Osa eläinplanktonista puolestaan jää kalojen ruuaksi. Kasviplanktonin jäänne- ja ulostehiukkaset sisältävät hiiltä, jotka vajoavat meressä alemmas. Korkeintaan neljäsosa vajoaa satojen metrien syvyyksiin. Osa tästä hiilestä jää matkalle eläinplanktonien ruuaksi ja mikrobien hajotettavaksi ja osa palaa virtausten mukana pinnan tuntumaan. Noin prosentista muutamamiin prosentteihin hiilipitoisesta jäämistä päätyy lopulta meren pohjaan, jonka tuntumassa eläinplanktonit oleilevat päivisin ja yöksi ne nousevat pinnantuntumaan syömään. Pohjaan päässyt hiili ei enää palaa ilmakehään vaan jää pohjalle. 

Redfieldin ravinnesuhde: 
Redfieldin suhde on esitelty ensimmäisiä kertoja jo vuonna 1934 ja lyhyesti sanottuna se tarkoittaa kahden merkittävimmän vedessä ja pieneliöissä esiintyvien ravinteiden molekyylimäärien keskinäistä suhdetta. Lähinnä tämän vaikutuksessa on kyse fyto- eli kasviplanktoneista, jotka sisältävät useita levälajeja. Kun suhde on oikea, niin vallitsee tasapainotila eliöstön määrän, kasvun ja siten myös koko vedenalaisen elämän kiertokulun suhteen, eikä mikään levälaji pääse kasvamaan erityisen voimakkaasti muihin lajeihin nähden. Redfieldin tutkimustulokset kuitenkin perustuvat suolaisiin valtameriin ja niissäkin lähinnä kasviplanktoneihin, eivätkä anna absoluuttista totuutta kaikkiin maailman vesistöihin(lammikot, järvet, joet, suot jne.), puhumattakaan kaikista eliöistä. Sen sijaan tuloksia voidaan pitää suuntaa antavina ja hyvänä lähtökohtana oman akvaarion ravinnesuhteille. Suhdeluku pyritäänkin pitämään akvaario-oloissa yleensä välillä 10 - 22, jonka puolivälistä löytyy Redfieldin alkuperäinen 16:1. KYSEESSÄ EI OLE MASSA TAI TILAVUUS SUHDE, vaan moolisuhde. Typpi ei tarkoita pelkkää nitraattia, samoin kuin fosfori ei tarkoita pelkkää ortofosfaattia, vaan kaikkea typpeä ja kaikkea fosforia eri esiintymismuodoissaan. Suhteeessa TN:TP 16:1, 'T' tarkoittaa sanaa "total" eli puhutaan kokonaismoolimääristä. 

Redfield-Brzezinski ravinnesuhde: 
Brzezinskin versio Redfieldin ravinnesuhteesta käsittää lähinnä piilevän ravinnetarpeet. Piilevä kiinostaa tiedemiehiä siksi, että ne muodostavat enemmän happea maapallolla kuin mikään muu elollinen ja samalla ne myös sitovat eniten hiiltä hiilidioksina yhteyttäessään. Kaikista kasviplanktonlevälajeista piileviä on yli 50%. Piilevä tarvitsee soluseinien rakentamiseen biogeenista piitä, jota ne muodostavat piihapon avulla. Näin ollen Brzezinskin suhteessa on mukana piilevälle elintärkeä pii(Si) -> C:Si:N:P - 106:15:16:1.

Muunneltu Redfield ravinnesuhde: 
Koska on olemassa muitakin merkittäviä ravinteita, kuin vain typpi ja fosfori, niin Redfieldin suhdetta on laajennettu muotoon -> C:N:P:Fe 106:16:1:0.1-0.001. Näistä ravinteista ainakin fosfori ja rauta ovat tietyissä oloissa kasvua rajoittavina tekijöinä eli ne loppuvat ennen muita ravinteita.
Ravinnesuhteiden laskeminen: 
Moolisuhde saadaan muunnettua massasuhteeksi -> C:N:P:Fe - (41,100:7,235:1:0,002) mg/l, seuraavanlaisella tavalla. 

1. Kerrotaan aineiden atomimassat eli moolimassat moolisuhteilla 106:16:1:0,001 eli C:(12,012 x 106 =)1273,018, N: (14,006 x 16 =)224,103, P: (30,974 x 1 =)30,974 ja Fe: (55,845 x 0,001 =)0,056. Atomimassat löytyvät esim. taulukkokirjoista eli ovat vakioarvoja
2. Tämän jälkeen verrataan muita alkuaineita suhteessa fosforiin C: (1273,018 / 13,974 =) 41,100, N: (224,103 / 30,974 =) 7,235, P: (30,974 / 30,974 =) 1, Fe: (0,056 / 30,974 =) 0,002. Nyt meillä on massasuhde, joka esiteltiin ylempänä.

Jos halutaan selvittää esim. millainen moolisuhde tulee, kun ollaan mitattu tietyt pitoisuudet nitraattia ja fosfaattia akvaariossa vesitestien avulla, jolloin yksikkönä on yleensä mg/l, niin toimitaan seuraavalla tavalla. Oletetaan, että nitraattia oli 5 mg/l ja fosfaattia 0,5 mg/l.

1.  Nitraatin määrä mg/l jaetaan nitraatin moolimassoilla: NO₃^-: 5 g / (N: 14,01 + (O: 15,999 x 3) g/mol= 0,081 mol.
2.  Fosfaatin määrä mg/l jaetaan fosfaatin moolimassoilla: PO₄^3- 0,5 mg/l / (P: 30,974 + (O: 15,999 x 4) g/mol = 0,005 mol
3. Lopuksi nämä kaksi moolimäärää jaetaan keskenään ja saadaan näiden moolisuhde: 0,005 mol / 0,081 mol = 16,200 eli 16,2:1 (vastaus vaihtelee 16 molemmin puolin sen mukaan miten paljon arvoja on pyöristetty) jolloin ollaan ihanteellisella alueella Redfieldin ravinnesuhteiden mukaan (tosin tässä esimerkissä ei huomioitu muita typen ja fosforin muotoja lainkaan). Alla on taulukko johon on laskettu valmiiksi nitraatin ja fosfaatin suhteet.

Nitraatin massasuhde fosfaattiin [mg/l]. Vihreällä pohjalla ovat hyvät lukemat ja keltaisella välttävät.

Jos halutaan huomioida kaikki typen muodot, niin typen kokonaismäärä saadaan suurinpiirtein laskemalla yhteen ammoniumin + nitraatin määrät (nitriitin ja ammoniakin osuus on mitätön, eikä niitä voida hyödyntää juurikaan ravinteina) jotka voidaan ilmoittaa esim. muodossa mg/l. Hiilen likimääräinen kokonaismäärä saadaan laskemalla yhteen karbonaatit + bikarbonaatit + hiilidioksidi eli mittaamalla KH-arvo ja CO₂-arvo.Yksi aste eli 1 dH° = 17.858 mg/l, joten esim KH: 2 dH° on ~ 36 mg/l. Fosforin likimääriseen kokonaismäärän arviointiin voidaan tyytyä mittaamaan fosfaatti-pitoisuus vesitesteillä, samoin kuin raudan kohdalla. Kaikkia edellä mainittuja alkuaineita esiintyy akvaariossa myös monissa muissa muodoissa, mutta kaikkea ei voida vedestä edes mitata ja laskennallinen lopputulos on muutoinkin enemmän suuntaa antava, kuin millitarkasti tulkittava lukema.

Ei pelkästään ravinteiden keskinäisiä määriä:

Ravinnepitoisuuden muutos: Levän kasvu ei pelkästään liity ravinteiden keskinäiseen määrään vaan myös ravinteiden määrän muutokseen. Leväongelmia (erityisesti sinilevä) saattaa ilmetä vaikka suhde pysyy ihanteellisena, mutta sekä typen, että fosforin määrä muuttuu paljon ja nopeasti, koska tällöin levät pystyvät mukautumaan ravinteiden määriin kasveja selkeästi nopeammin. Tästä syystä leväongelmia ei pidä yrittää korjata tekemällä suuria muutoksia kerrallaan ravinteiden määrissä. 
Muut vaikuttavat tekijät: Toisaalta leväongelmia aiheuttavat ravinteiden lisäksi epäedulliset pH-arvot, lämpötilat ja vääränlainen valaisu. Näin ollen pelkästään pyrkimällä oikeisiin ravinnesuhteisiin, ei vielä päästä pysyvästi levästä eroon.
Ravinteiden absoluuttinen määrä: Sen lisäksi, että ravinteet ovat oikeassa suhteessa toisiinsa, olisi ravinteiden määrät myös syytä pitää vedessä niin alhaisina, että akvaarioon valitut kasvit vielä kasvavat niille ominaisella tavalla ja nopeudella. Näin muunmuassa siksi, että leväongelmia tulee jo pelkkien ylisuurien määrien vuoksi ja ne aiheuttavat akvaariossa monen tyyppisiä ongelmia, sekä kaloille, että kasveille. Esimerkiksi yhden ravinteen liian suuri pitoisuus voi estää muiden ravinteiden imeytymisen tai yksinkertaisesti myrkyttää kaloja ja kasveja. Lue lisää näistä vaaroista esim. nitraatti ja fosfaatti.

Sinilevät Vs. viherlevät:

Korkea N:P suhde 22 - 50:1 aiheuttaa kasviplankton heimon levien eli viherlevien räjähdysmäisen kasvun (esim. piilevä Skeletonema Costatum), kun taas puolestaan alhainen N:P massasuhde 5 - 10:1 aiheuttaa sinilevän räjähdysmäisen kasvun. Näin ollen turvallinen alue on 10 - 22, jonka sisään Redfieldin suhde 16:1 osuukin noin puoliväliin. Myös Daphnia suvun vesikirppujen on todettu viihtyvän, kun fosfaattia on suhteellisen paljon.