Bitkiler, güneş enerjisinin yardımıyla birtakım inorganik bileşikler ve mineralleri ham madde olarak kullanıp ihtiyaç duyduklarında kendileri için enerji kaynağı görevini yapacak glikoz, üzüm şekeri gibi organik bileşikleri sentezlerler. Böylece güneş enerjisini bu organik bileşikler içinde depolamış olurlar. Bu arada karbondioksitteki karbonu (C) kullanıp suya oksijen verirler. Bitkilerin güneş enerjisini kullanarak gerçekleştirdikleri bu biyolojik dönüşüme fotosentez (asimilasyon) denir.

Bitkiler fotosentezle solunumda kullandıklarından daha çok oksijen üretirler.

Gündüzleri (ya da ışık açık olduğu sürece) fotosentez yapan bitkiler, besin maddelerinde depolanmış enerjiyi açığa çıkarabilmek için balıklar ve aerobik bakteriler gibi hem gece hem gündüz oksijenli solunum yaparlar. Solunumda fotosentezin tersine oksijen kullanılır ve karbondioksit açığa verilir. Normal şartlar altında akvaryum bitkilerinin fotosentezle suya verdikleri oksijen, kullandıklarından çok daha fazladır. Bu yüzden bitkiler akvaryumda önemli bir oksijen kaynağıdırlar.
Geceleri balıkların çoğu (nokturnal -gece aktif- türler hariç) uyur veya hareketsiz kalırlar ve daha az oksijen tüketirler. Bu yüzden bitkilerin geceleri oksijen üretmemeleri bir sakınca yaratmaz.
Bitkilerin besinlerini sentezleyebilmeleri için sudaki karbondioksite (CO2) ihtiyaçları vardır
Bitkilerin yeterince hızlı fotosentez yapabilmesi için gerekli besin maddeleri ve minerallerin yanında suda yeterince karbondioksit de olmalıdır. Sudaki karbondioksit konsantrasyonu düşükse fotosentez, dolayısıyla oksijen üretimi de yavaş olacaktır. Bir akvaryumdaki en önemli doğal karbondioksit kaynakları aerobik bakterilerin ve balıkların solunumları sonucu açığa çıkan karbondioksittir. Özellikle bitkilerinin iyi gelişmesini isteyenler için geliştirilmiş, suya karbondioksit veren sistemler geliştirilmiştir.

Akvaryumdaki canlılar dışında ışık ve su dolaşımı, karbondioksit-oksijen dengesini etkileyen iki önemli fiziksel unsurdur:
Işığın etkisi:
Bitkilerin özellikle hızlı büyüyen bazı bazı türlerini yaşatmak bir bakıma balıklardan daha zordur. Çoğu yetişkin balık, bir, hatta iki hafta açlığa dayanabilir. Bitkiler ise ihtiyaç duydukları çeşitli besin maddeleri ve minerallerden herhangi birinin dahi eksikliğinde hemen bozulup çürümeye başlarlar. Işık ne kadar güçlüyse fotosentez o kadar hızlı olur; dolayısıyla sudaki besin maddeleri de o derece hızla tükenir. Işıklandırması çok güçlü akvaryumlara bu yüzden daha sık bitki gübresi ve hatta karbondioksit eklemek gerekir. Çünkü güçlü ışıklandırmalı ve bol bitkili bir akvaryumda balık ve bakterilerin açığa çıkarttıkları karbondioksit çoğu zaman bitkiler için yeterli olmayacaktır. Daha doğal bir çözüm ise ışığı biraz daha zayıf ayarlayıp, balık ve bakterilerin karbondioksit üretimiyle bitkilerin tüketimi arasındaki dengeyi kurmaktır.
Akvaryumdaki su dolaşım (sirkülasyon) hızının etkisi
Oksijen akvaryuma iki yolla kazandırılır:
• Havadan suya difüzyon. (Bu difüzyon su yüzeyinin hareketiyle hızlanır.)
• Bitkilerin fotosentezi.
Balıklara oksijen, bitkilere karbondioksit
Balıkların sağlıklı yaşamaları için suda yeterince oksijen olmalıdır. Buna karşılık bitkiler de karbondioksite gereksinim duyarlar. Unutmayalım ki sudaki karbondioksit miktarı fotosentez hızını, dolayısıyla oksijen üretim hızını etkiler.

Akvaryumda fazla hızlı su dolaşımı
Su çok hızlı havalandırılır ya da filtre edilirse bitkiler için gerekli olan karbondioksit havaya uçar. Zamanla bozulup çürüyecek bitkilerin fotosentezi, bunun sonucu olarak da ve oksijen üretimi durur.
Akvaryumda uygun hızda su dolaşımı
Su uygun bir hızda filtre edilirse suda yeterli karbondioksit ve oksijen bulunacağından hem bitkiler, hem de balıklar sağlıkla yaşayabilecektir. Burada akvaryumdaki balık ve bitki miktarlarının dengesi de önemlidir.
Akvaryumda çok yavaş su dolaşımı
Su dolaşımı çok yavaşsa sıcaklık, oksijen ve çeşitli besin maddeleri akvaryumun her köşesine eşit dağılamayacaktır. Bu da hem balık hem de bitki sağlığını olumsuz etkileyecektir.
Dozaj sorunu gözünüzü korkutmasın!
Verilen bilgilerden anlaşılacağı gibi, ışık şiddeti kadar su dolaşımının da dozunu ayarlayabilmek akvaryumun biyolojik dengesi için önem taşır. Yalnız bu ayrıntılar gözünüzü korkutmasın. Uygun ışıklandırma ve filtrasyon çok hassas ayarları gerektirmez. Biraz tecrübe, okuma ve gözlemle bu zorlukların üstesinden gelebilirsiniz.

Azot zinciri
Biyolojik arınma: Başrolde bakteriler, yan rolde bitkiler
Kum, filtre malzemesi, bitki yaprakları gibi yüzeylere yerleşen aerobik (oksijenle soluyan) ve anaerobik (oksijensiz soluyan) bakteriler akvaryumdaki çeşitli biyolojik dönüşümleri gerçekleştirirler. Bu dönüşümler sırasında sudaki balık dışkısı ve üresi, artık yemler, çürüyen bitki yaprakları gibi organik artıklar en küçük yapı taşlarına kadar ayrıştırılırlar. Bu ayrışım ürünlerinin bir kısmı bitkiler tarafından besin maddesi olarak değerlendirilir (örneğin nitrat NO3 ), bir kısmı gaz
halinde havaya karışır (örneğin azot gazı N2 ), bir kısmı da suda birikir. Düzenli su değişimlerinin en önemli yararı bu biriken maddelerin konsantrasyonlarının belli sınırların altında tutulmasıdır.
Aerobik (oksijenli soluyan) ve anaerobik (oksijensiz soluyan) bakteriler
• Yeni kurulan bir akvaryumda ancak aerobik ve anaerobik bakteri gruplarının uyumlu çalışmaları sonucu zamanla biyolojik denge kurulur. Bu uyumu sağlayabilmek için filtre malzemelerinin çoğu hem aerobik hem de anaerobik bakteri kolonilerine uygun ortamlar sağlayacak şekilde üretilir. Kumda ya da filtre malzemesi içinde su dolaşımının hızlı olduğu bölgelerde yeterince oksijen bulunur ve buralarda anaerobik bakteriler yerleşir. Su dolaşımının yavaş olduğu bölgelerde ise oksijen azlığı nedeniyle daha çok anaerobik bakteriler kolonileşir.
• Bir akvaryumdaki en temel biyolojik dönüşümlerden biri azot zinciri adı verilen azotlu bileşiklerin bakterilerce ayrıştırılması sürecidir.
Etkin bir biyolojik filtrasyon için gerekenler:
• İyi havalandırma; suda yeterince oksijen bulunması. Oksijen sadece havalandırmadan değil bitkilerden de gelebilir.
• Akvaryumda ve filtre malzemelerinde aerobik arıtım bakterilerinin yerleşebileceği yeterince yüzey bulunması (geniş filtre hacmi, kum). Birim hacim başına geniş yüzeylere sahip seramik köpüğü, cam köpüğü gibi biyolojik filtre malzemeleri.
• Düzenli filtre temizliği

Amonyum ve amonyak
Akvaryumda yaşayan balık, bitki ve diğer canlıların organik artıklarının parçalanması sonucu amonyum (NH4) ve amonyak (NH3) oluşur. Amonyak amonyuma göre çok daha zehirlidir. Sudaki amonyak konsantrasyonu 0.1 mg/litre 'nin üzerine çıkarsa akvaryum canlıları için tehlike çanları çalmaya başlar. Suyun pH değeri yükseldikçe, yani su alkalileştikçe, ve sıcaklık yükseldikçe amonyumun amonyağa göre oranı yükselir. Yani, akvaryumda pH ve sıcaklık yükseldikçe etkin bir biyolojik filtrasyon daha da önem kazanır. Örneğin pH derecesinin yüksek olduğu (yaklaşık 8.3) deniz akvaryumlarında, bir de deniz canlılarının tatlı su balıklarına kıyasla amonyağa karşı daha hassas oldukları göz önüne alınırsa, amonyum/amonyak bileşiklerinin düşük konsantrasyonda tutulmasına daha da büyük özen göstermek gerekir.

Nitrit ve nitrat
İkinci aşamada aerobik nitrosomonas bakterileri amonyum ve amonyağı nitrite (NO2) dönüştürürler. Üçüncü aşamada da yine oksijenli solunum yapan nitrobacter bakterileri nitriti nitrata (NO2) çevirirler. Fazla miktarları balık sağlığını ve gelişimini olumuz etkilemekle birlikte, nitrat, nitrite göre çok daha az zehirli bir bileşiktir. Ayrıca nitrat birçok akvaryum bitkisi tarafından besin maddesi olarak kullanılabilir. Yüksek nitrat konsantrasyonu balıklarda bağışıklık sisteminin zayıflamasına ve büyümenin durmasına neden olabilir. Bu yüzden, özellikle genç balıkların yetiştirildiği akvaryumlarda nitrat konsantrasyonunu düşük tutmak için bitki, etkin anaerobik biyolojik filtrasyon ve düzenli su değişimleri çok önemlidir. Anaerobik filtrasyon derken: Bazı biyolojik filtre malzemelerinin hem aerobik (oksijenle soluyan) hem de anaerobik (oksijensiz soluyan) bakteri kolonilerini barındırabilme özellikleri vardır. Genelde filtre malzemeleri arasında su dolaşımının hızlı olduğu oksijence zengin bölgelerde aerobik, su dolaşımının yavaş olduğu oksijence fakir olduğu bölgelerde ise anaerobik bakteriler kolonileşirler. Bu anaerobik bakteri gurupları nitratı da parçalayarak çoğu uçup havaya karışan azot gazına dönüştürürler. Son yıllarda su çıkışının özellikle çok yavaş ayarlandığı bazı nitrat filtreleri piyasaya çıkmıştır. Sudaki amonyak konsantrasyonu 0,1 mg/litre'yi aşarsa balıklarda olumsuz etkileri görülmeye başlanır. Nitrit konsantrasyonu 0,5 mg/litre'nin üzerine çıkarsa balıklar için zehirlidir. Nitrat ise 25 mg/litre'yi aşmamalıdır.

Akvaryum: Ekosistem
Biyolojik dengesi oturmuş bir akvaryum, balığı, bitkisi, bakterileri ve diğer mikrobik canlılarıyla birlikte, unsurları biribirleriyle uyum içinde çalışan tek bir organizma ya da ekosistem gibi düşünülebilir. Bu uyum bozulursa kötü sonuçları şaşılacak kadar çabuk görülür. Örneğin akvaryuma bilinçsizce atılan bir ilacın nitrobacter grubu bakterileri öldürdüğünü, böylece nitriti nitrata dönüştüren dönüşüm zincirinin kırıldığını varsayalım. Böyle bir durumda nitrit konsantrasyonu 6-12 saat içinde sıfırdan balıklar için zehirli olacak düzeylere (0.5 mg/litre üzeri) çıkabilir.
Biyolojik dengenin tam anlamıyla oturması zaman alır. Akvaryumda azot zincirinin dışında bir kısmı hala bilimsel olarak açıklanmamış birçok biyolojik dönüşüm süreci yer alır. Bitki köklerinin de karıştığı bu karmaşık dönüşümlerin yer aldığı akvaryum kumunda dengelerin tam anlamıyla kurulması 6 ay ile 1 yıl arası bir zaman alabilir.

Nitrit konsantrasyonu; biyolojik dengenin bir göstergesi
Yeni kurulmuş bir akvaryumda çok az sayıda bakteri olduğu için biyolojik dönüşümler başlangıçta çok yavaş olur. Özellikle dengenin henüz kurulmamış olduğu bu kritik devrede akvaryum testleriyle suyun amonyak, nitrit ve nitrat değerlerini ölçmek yerinde olacaktır. Biyolojik dönüşüm zincirinin kurulup kurulmadığını anlamak için ölçülebilecek pratik bir indikatör (gösterge) sudaki nitrit konsantrasyonudur. Yeni kurulmuş bir akvaryumda ilk önce nitrit bir noktaya kadar artar, sonra nitriti nitrata dönüştüren nitrobacter bakterilerinin sayısı yeterli bir düzeye ulaştığı zaman düşmeye başlar; bir süre sonra da hemen hemen sıfıra iner.

Fotosentez :
Canlıların enerji elde etmek için izledikleri diğer bir yol ise fotosentezdir.Fotosentezin kimyası oldukça karışıktır.Fotosentezin ATP üretme sisteminin temeli, ışık enerjisinin klorofil molekülleri tarafından absorbe edilerek enerji isteyen kimyasal reaksiyonlarda kullanılması şeklindedir.Yani ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüşmektedir. Fotosentez denklemlerini " Işık tepkimesi " ve " Karanlık tepkimesi " olmak üzere en sade haliyle aşağıdaki şekildeki gibi özetleyebiliriz. Aydınlık devrede, klorofil tarafında absorbe edilen ışık enerjisi, ATP üretiminde kullanılır.ATP üretimi için gerekli H (+) iyonları ise su moleküllerinden karşılanır.Suyun özel enzimlerle parçalanmasıyla açığa çıkan oksijen gazı serbest kalırken H (+) iyonları ise NADPH ve ATP üretimi için reaksiyonlara katılır.

Karanlık devre, aydınlık devrede üretilen NADPH ve ATP moleküllerinin enerji gereksinimi için kullanıldığı devredir.Bu devrede ışık enerjisi rol oynamadığı için bu devreye karanlık devre denir.Yani karanlık devrede yanlızca kimyasal enerji iş görmektedir.ATP ve NADPH ların kullanımıyla elde edilen enerji, karbonhidrat ve glikoz sentezi için kullanılır (Glikozun kapalı formülü C6H12O6 dır). Fotosentez reaksiyonları " Kloroplast " adı verilen yeşil renkli pigmentler içerisinde gerçekleşir.Bu pigmentin içerisinde en önemli yeri " Klorofil " molekülü tutmaktadır.Klorofil, ortasında Mg (magnezyum) atomu bulunan karmaşık yapılı bir organik bileşiktir.Kloroplastın içerisinde lamelli yapılar, bu yapıların membranlarının içerisinde ise klorofil molekülü gruplar halinde bulunurlar.Bu kloforfil grupları, ışık enerjisini absorbe ettiği zaman elektron fırlatır ve asıl sentezleme işlemi bu noktadan sonra başlar.Bu karmaşık işlemlerin nasıl meydana geldiğini şekilerle görelim.
Kloroplast şekildeki gibi kanallı bir yapıya sahiptir.

Bu kanallar aslında kloroplastın çift katlı zarının iç tarafındakinin katlanmalarıyla meydana gelmiştir.Bu yassı keseciklere " Lamel ", lamellerin üst üste gelerek grup oluşturmuş haline ise " Grana " adı verilir.Fotosentezin reaksiyonları, ince lamel (tilakoid) zarının içerisinde meydana gelir.
Klorofil molekülleri lamel zarları içerisinde birbirinden bağımsız olarak konumlanmazlar.Klorofil molekülleri 200 - 300 er gruplar halinde kümelenirler ki bu kümelere " Kuantozom " adı verilir.
Kuantozom yani klorofil molekül grupları, ışık enerjini absorbe ederek molekül grubunun ortasında bulunan ve " P680 " olarak adlandırılan bir çeşit moleküle kadar iletir.Bu molekül klorofil molekülleri tarafından kendisine iletilen ışık enerjisinin etkisiyle elektron fırlatır. Stroma bölgesi kloroplastın iç bölgesidir.Tilakod zar, lamelin etrafını saran zar olup lamelin iç tarafına ise " Lümen " denir.Işık fotonları sol tarafta görülen 1.kuantozoma çarpınca (Bu kuantozom fotosistem 2 dir.), klorofil molekülleri (yeşil noktalar) molekülleri ışık enerjisini absorbe ederek merkezdeki P680 molekülüne (kırmızı renkli) kadar iletirler.P680, suyun parçalanması ile serbest kalan 2 elektronu, henüz keşfedilememiş bir aracı moleküle iletir. Elektronlar bu molekül üzerinden " Plastokinon (PQH) " ' a gelir.Plastokinon kendini redükte etmek için stromadan yani tilakoid membranının dış tarafından yada diğer bir deyimiyle kloroplastın iç tarafından H (+) iyonunu alır.Elektronlar plastokinondan çıktıktan sonra Sitokrom - f ' ye giderken ATP senezine katılır.Sitokfom - f ye gelen elektron ardından merkezinde P700 molekülü bulunan diğer kuantozoma gelir (Bu kuantozomda fotosistem 1 dir).Fotosistem 1 e ulaşan elektronlar buradan, yapısında demir ve sülfür bulunduran protein kompleksine gelir.Elektronların buradan sonra izleyebileceği iki yol vardır.
Ya Sitokrom - b6 üzerinden plastokinona geri döner, yada ferredoksin molekülüne giderek NADPH sentezini gerçekleştirir.

P680 molekülü P700 molekülüne göre daha kısa dalga boyuna sahip ışınları absorbe eder.Eğer P680 sistemi çalışmaz ise su parçalanamayacağı için H (+) iyonu serbest kalamayacak ve NADP redüklenemeyecektir. Dolayısıyla P700 sistemi elektronunu demir sülfürlü protein üzerinden sitokrom - b6 ya fırlatarak bir döngü oluşmasını sağlar.İşte bu şekilde bir elektron döngüsüyle ATP sentezlenmesi olayına " Devresel fotofosforilasyon " denir. Eğer P680 sistemi aktif ise, suyun parçalanmasıyla serbest kalan 2 elektronu kazandığı gibi plastokinona ve oradanda P700 sistemine gönderir.P700 den fırlatılan elektronlar, demir sülfürlü protein üzerinden " Ferredoksin " ' e ulaşır ve ortamdaki serbest H (+) iyonlarını kullanılarak NADPH sentezini gerçekleştirilir.P680 tarafından verilen elektronlar molekülün bulunduğu kuantozoma bir daha dönmediği için bu şekilde NADPH sentezlenmesi olayına ise " Devresel olmayan fotofosforilasyon " adı verilir. Stromadan plastokinon (PQH) ' a gelen hidrojen, yine plastokinon üzerinden lümene geçer.Plastokinon burada H (+) iyonunu ileten bir mekik görevi üstlenmiştir.H (+) iyonları lümene geçtikten sonra aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi ATP sentezlenir. Bu mükemmel sistem sayesinde bitki kendi bünyesi için ATP üretip enerji sağlarken, aynı zamanda yaşamımız için gerekli olan oksijenide atmosfere serbest bırakmış olur. Doğada atmosfere serbest bırakılan oksijenin % 80 ' i deniz bitkileri ve fotosentez yapan mikroorganizmalar tarafından üretilir.Geriye kalan % 20 lik kısım ise kara bitkileri tarafından üretilir.Bitkiler ürettikleri ATP enerjisini kullanarak glikoz ve karbonhidrat moleküllerini sentezlemektedir.Üretilen bu maddelerin yanlızca % 10 luk kısmı besin kaynağı olarak doğaya sunulurken, % 90 lık kısmını ise bitki, kendi yapısal organizasyonunu kurmak için kullanır.Mesela gövdenin odunlaşması gibi.

Fotosentezin hızı ise çeşitli faktörlere bağlıdır.Bu faktörler arasında ortamın CO2 konsantrasyonu, sıcaklık, bitkinin topraktan çektiği su miktarı, nemlilik ve yaprak yapısı bu faktörlerin başında gelir.
Fotosentezde yukarıda anlattığımız sisteme alternatif olarak değişik yollarda vardır.Bitkiler normalde gündüzleri yaprak stomalarını açarak CO2 yi absorbe eder ve aynı anda güneş ışığıyla birlikte fotosentez reaksiyonlarını gerçekleştirir.Fakat çöl bitkilerinde durum böyle değildir.
Çöllerde sıcaklık yüksek olduğu için bitki, stomalarını gündüz vakitlerinde kapalı tutar.Çünki açık tutması halinde bitki aşırı miktarda su kaybedecek ve ölecektir.Fakat stomalar açılmadan atmosferden CO2 absorbe etmekte mümkün değildir. İnsanoğlu olarak kolay kolay çözüm bulamayacağımız bu büyük problemi, bitki kendisine verilen mükemmel enzimler sayesinde rahatlıkla çözmekte ve tıpkı diğer bitkiler gibi fotosentez yapıp ATP gereksinimini karşılamaktadır.
Sistem şu şekilde çalışır ; Bitkinin yaprakları gündüzleri kapalı olmasına karşın geceleri açıktır.Geceleri atmosferden absorbe ettiği CO2 gazını PEP (Fosfoenol pirüvik asit) ile reaksiyona sokarak " Malik asit " üretmektedir.Ürettiği malik asidi hücrelerindeki vakuollerde biriktirip depo eder. Gündüzleri ise stomaları kapar ve bu nedenle artık hücrelere CO2 girişi durur.Fakat bitki CO2 gazını malik asiti parçalayarak elde eder.NADP, malik asiti dekarboksile eder ve NADPH ' a dönüşür.

Malik asit dekarboksile olurken hem yapısındaki CO2 yi serbest bırakır hemde pirüvik asite dönüşür.Pirüvik asit (3 karbonlu) daha sonra kalvin çemberi adı verilen reaksiyon basamakları ile 6 karbonlu şekerlere dönüştürülerek, geceleri tekrar PEP i vermek için reaksiyonlara katılır.
Özet olarak ; Bitki geceleri absorbe ettiği karbondioksiti PEP yardımıyla malik asite çevirmekte, gündüzleri ise stomalarını kapayarak malik asiti parçalayıp karbondioksit gazını tekrar elde etmektedir.Bitkinin bu şekilde asit sentezleyip bu asiti gerektiği zaman yıkması olayına " Crassulacean asit metabolizması (CAM) " adı verilir.

Buraya kadar anlatılan kimyasal reaksiyonlar bitki ve hayvan organizmalarındaki karmaşayı gözler önüne sermektedir.Hücrenin kendi içerisinde bile olağan üstü karmaşa içerisinde metabolik olaylar cereyan etmektdir.Milyarlarca trilyonlarca hücrenin birbirleriyle anlaşarak eşi benzeri olmayan kimyasal fabrikalar gibi çalışması, canlıların yapısal organizasyonlarının kusursuz bir şekilde tasarlandığını ortaya koymaktadır.

Bugün teknolojisi, canlıların içerisinde yürüyen metabolik faaliyetlerin bir benzerini değil yapmak yanından bile geçememektedir.Buraya kadar anlatmaya çalıştığımız onlarca metabolik faaliyetler, hücre içinde yürüyen kimyasal reaksiyonların yanında çöldeki kum tanesi kadar kalmaktadır.