La filtrazione biologica, 1^ Parte
Questo post ha essenzialmente lo scopo di discutere in modo approfondito la filtrazione in acquario.
Inizio col dire che quello che segue non è farina del mio sacco, ma è la traduzione di una serie di articoli originali scritti da Adriaan Briene su un sito olandese. Gli stessi articoli sono stati tradotti e pubblicati su un sito di acquariologia americano. Mi sono appoggiato a quest'ultima traduzione per comprendere meglio quello che il traduttore di google produceva nella traduzione dall'olandese all'italiano.
http://www.vdheuvel.org/adriaan/startpag.html
In ogni acquario il filtro è uno degli elementi principali. Crediamo che valga la pena dedicare un po' di attenzione a ciò che avviene all'interno di esso.
La filtrazione si divide in tre fasi:
- Filtrazione Meccanica
- Filtrazione Chimica
- Filtrazione Biologica
Nella filtrazione meccanica le particelle sospese nell'acqua vengono catturate. In questa fase non avviene nessun processo chimico o biologico.
Con la filtrazione chimica le particelle e le sostanze vengono chimicamente legate al substrato del filtro.
Nella filtrazione biologica le particelle e le sostanze sono elaborate dai batteri. I prodotti di questa trasformazione vengono poi rilasciati in acqua. In questa prima parte daremo uno sguardo più attento alla filtrazione biologica partendo dall'ambiente in cui i batteri vivono: il biofilm.
Solo un avvertimento: se pensate che quello che segue possa risultare noioso, smettete di leggere e non commentate. Ma se resistete, vi garantisco che troverete delle conclusioni molto interessanti e senza nessuna formula o alchimia incomprensibile!!
I batteri si trovano ovunque sul nostro pianete e quindi, in gran numero, anche nei vostri acquari. Non solo nel vostro filtro, ma sui vetri, nel substrato, nell'acqua, sulle piante, ovunque!
I batteri sono già presenti nel momento che si avvia un acquario. La maggior parte di essi è alla ricerca di un posto dove stabilirsi e questo può essere ovunque, anche sulla superficie dell'acqua.
Ecco cos'è quella “patina oleosa” che spesso trovate nelle vostre vasche! Quella patina non sono batteri morti e chissà cos'altro, ma batteri vivi alla ricerca di una luogo dove stabilirsi. I batteri usano la tensione superficiale dell'acqua per stabilirsi e aderire. Quella patina è il primo segno altamente visibile di un biofilm. Una biofilm simile si forma sulle rocce, piante, vetri, e talvolta se le condizioni sono favorevoli per i batteri (ma non per voi) anche sui vostri pesci!
Come si forma questo biofilm? Beh, con una serie di passaggi.
Prima fase: I batteri sono principalmente in acqua. Se ci sono abbastanza sostanze nutritive, essi possono crescere e riprodursi. Spesso ciò si manifesta come una nebbia biancastra. Il rimedio è aspettare fino a quando le sostanze sostanze nutritive sono esaurite o effettuare cambi d'acqua con acqua con meno sostanze nutritive.
Fase di migrazione: I batteri migrano per trovare un luogo “substrato batterico” adatto, che sia favorevole alla loro esistenza. Questo luogo non necessariamente deve essere all'interno del filtro, ma può essere anche nel substrato della vasca, sui vetri, sulle piante o addirittura sui pesci. (Questa è un'altra ragione oltre alla presenza di nitriti, per non inserire pesci in vasca in fase di avvio di un acquario)
Fase di colonizzazione: I batteri iniziano a dividersi e formare piccole colonie che si distaccano dal substrato batterico. I batteri secernono sostanze che vengono notati da altri batteri. Una volta che queste sostanze superano una certa concentrazione, la colonia di cellule batteriche è abbastanza grande ed inizia a secernere esopolisaccaridi.
Formazione del biofilm: L'Esopolisaccaride è una sostanza simile ad un gel costituita al 95% da acqua ed è formata da molti spazi aperti e canali. Questo biofilm è il luogo dove i batteri vivono, si muovono e si nutrono.
Perché quei piccoli esseri producono un biofilm?
Il biofilm protegge i batteri dai fagociti e protozoi che si nutrono di essi , dalle sostanze che ostacolano la loro crescita (ad esempio antibiotici o prodotti come excel) e serve anche come magazzino per il loro cibo.
Fino alla metà degli anni '90 si pensava che un biofilm aveva una struttura bidimensionale piana con spessore costante. Oggi, con le più recenti tecniche di ricerca, si è provato che questo ha una struttura 3-dimensionale! La figura sotto mostra una struttura di un biofilm.
Questo disegno è bellissimo, non trovate? Quindi, un biofilm ha una struttura 3-dimensionale in cui sono presenti canali e spazi vuoti. Attraverso questi canali le sostanze nutritive raggiungono i batteri all'interno del biofilm.
Si possono vedere in blu (langzaam groeiende cel) i batteri a crescita lenta ed in bianco (snel groeiende cel) i batteri a crescita veloce (state imparando un po' di olandese?). I batteri nitrificanti sono a crescita lenta mentre i batteri eterotrofi sono quelli a crescita veloce e si trovano sopra le colonie di nitrificazione. Se volete conoscere quali sono le conseguenze di tutto ciò dovete continuare la lettura.
La struttura 3-dimensionale ha altre conseguenze. Ad esempio il modo in cui i batteri ricevono il loro nutrimento.
Per molto tempo si è pensato che fosse la velocità con cui l'acqua attraversa il filtro a regolare la quantità di cibo disponibile per i batteri. Si è visto invece che all'interno dei canali del biofilm l'acqua è praticamente stagnante ed i batteri prelevano il loro cibo attraverso il fenomeno della diffusione (ricordate qualcosa dai libri di fisica? In alternativa, Google!) Quindi il flusso dell'acqua attraverso un filtro ha poca influenze sull'apporto nutritivo per i batteri. Prima conclusione: non aumentate la velocità del filtro, ma aumentate la supeficie ( o maggior materiale oppure materiale con maggiore superficie). Tutto ciò è riportato nei nei grafici qui sotto.
Non vi spaventate! Con un minimo di attenzione e pazienza diventeranno molto chiari e forniranno interessanti informazioni.
Innanzitutto il grafico B (a destra) è l'ingrandimento del grafico A (a sinistra). Il grafico A mostra la variazione di velocità all'interno di uno spazio in un materiale filtrante. Mano mano che ci avviciniamo alla superficie del materiale (cioè ci spostiamo nel grafico verso a sinistra) la velocità diminuisce. In prossimità del biofilm (il biofilm inizia a 200 um), vediamo che la velocità cala drammaticamente! Nella grafico a destra, viene visualizzata la variazione della velocità in prossimità della superficie del biofilm (200um) ed al suo interno. Notiamo che in realtà non importa molto se la velocità con cui l'acqua attraversava il materiale filtrante era elevata o meno.
Non trovate questo interessante?
Cosa ci insegna tutto ciò? Che non è necessario avere un filtro con elevata portata, ma allo stesso tempo un tale filtro non crea problemi alla vita dei batteri. D'altra parte quelli della Eheim non sono mica dei pazzi......
Questo significa che la vita dei vostri batteri è indipendente dalla portata del filtro.
I batteri recuperano le sostanze di cui necessitano attraverso la diffusione.
La diffusione è un fenomeno piuttosto lento, ma fortunatamente, le piccole molecole e gli ioni (come ossigeno, nitrato, ammonio) attraversano il biofilm senza problemi. Inoltre, la concentrazione di differenti sostanze può variare molto all'interno di un biofilm.
Questo grafico mostra le concentrazioni di alcune sostanze in un biofilm denitrificante. Il grafico è suddiviso in due parti separate dalla linea a livello zero che è il livello della superficie di contatto tra il biofilm e l'acqua. La parte inferiore mostra le concentrazioni ai vari livelli del biofilm.
Si osserva che il livello di ossigeno inizia a calare ancor prima che è raggiunta la superficie del biofilm (profondità = 0), come pure il contenuto di nitrati. Vediamo invece un incremento elevato dei nitriti nello strato superiore per poi ritornare a zero perché nel frattempo il tenore di ossigeno si approssima allo zero. Da ciò si capisce che la denitrificazione avviene in condizioni anossiche (cioè in assenza di ossigeno). Negli strati più profondi si forma di H2S (acido solfidrico) ma solo in condizioni veramente anossiche.
Questo grafico invece si riferisce ad un biofilm nitrificante. Notate la differenza dello spessore del biofilm: nel precedente grafico era di circa 1mm, in questo di 0.3mm!
Di nuovo i livelli di ossigeno iniziano a diminuire prima di raggiungere la superficie del biofilm. Dopo soli 0,1 millimetri, il biofilm è già anossico ed il contenuto dei nitriti aumenta lentamente.
Qual'è la morale della storia? Che biofilm spessi producono maggiori nitriti in tempi rapidi. Molto più rapidi di quanto ci si aspetterebbe! Ciò significa che un biofilm spesso non è la cosa migliore E' quindi il caso pulire il filtro più spesso.
Solo una esperienza personale (dell'autore Adriaan Brienes). Dopo che ho pulito il mio filtro, ho notato un aumento graduale dei dei nitrati da 2,5 a 7,5 mg / l.
Quindi nel rapporto Redfield tra N e P, il filtro svolge un ruolo molto importante e trascurato. Se si hanno problemi con i cianobatteri (BGA), pulire il filtro può aiutare perchè aumenta la concentrazione dei nitrati in vasca, spostando il rapporto N:P (Redfield Ratio) verso l'azoto (N) e rendendo l'ambiente meno adatto ai cianobatteri.
A questo punto la storia sul biofilm diventa ancora più folle!
Anche il rapporto C: N tra carbonio e azoto risulta essere molto importante per la nitrificazione! Con rapporti a vantaggio del carbonio (alte quantità di carbonio e basse di azoto) carbonio e basso contenuto di azoto, il processo di nitrificazione rallenta!
Questo è dovuto al fatto che, in presenza di molto carbonio, i batteri eterotrofici (che sono a crescita veloce) prendono il sopravvento sui batteri nitrificanti.
Alimentare i pesci con cibo con basso rapporto C: N, limita la crescita dei batteri eterotrofici, il biofilm non aumenta di spessore ed il substrato batterico resta costituito maggiormente da batteri nitrificanti.
L'ultimo grafico per rendere tutto ciò più chiaro. (Nota: ' Koolstof' significa carbonio).
Anche questo grafico è facile da leggere. Se aggiungiamo carbonio organico sotto forma di zucchero (glucosio), vediamo il declino della nitrificazione. L'aggiunta di zucchero da acero (Acer saccharum) dà un effetto simile. Pensate anche alla torba, che ha anche proprietà anti-batteriche ed un elevato rapporto C:N, tanto carbonio poco azoto. L'aggiunta della torba, oltre ad abbassare il ph, rallenta il processo di nitrificazione ed è quindi spiegato l'effetto favorevole della torba (e de tè) .
Meno nitrificazione significa più Ammoniaca (NH4+) in acqua e quest' ultima viene assorbita più facilmente dalle piante. (ma attenzione, l'ammoniaca è dannosa per i pesci!)
Si conclude qui la prima parte. Un breve riassunto di ciò che abbiamo "scoperto" fino ad ora:
- Un biofilm è tridimensionale e non piatto.
- I batteri nitrificanti spesso si trovano negli strati più bassi del biofilm.
- La velocità dell'acqua in prossimità di un biofilm diminuisce rapidamente.
- La velocità dell'acqua all'interno del biofilm è molto bassa. La diffusione è il processo principale con cui i batteri traggono il loro cibo.
- Il contenuto di ossigeno in un biofilm spesso diminuisce molto rapidamente ed inizia il processo di denitrificazione.
- Un alto rapporto C:N non è buono perchè favorisce lo sviluppo dei batteri eterotrofi a svantaggio di quelli nitrificanti.
- Torba e tè hanno effetti negativi sul processo di nitrificazione (e per i vostri pesci) ma positivi sulla crescita delle piante.
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Questa è solo la prima parte di una serie di articoli. Se pensate che tutto ciò possa essere interessante, aggiungerò anche le altri parti nelle quali vengono affrontate questioni, a mio avviso, altrettanto interessanti e affascinanti come ad esempio capire se e quando abbiamo bisogno di un filtro.
La filtrazione biologica
Modalità lineare
