Het belangrijkste onderdeel van de filtratie van een aquarium is wat er op microscopisch niveau gebeurt. Dit is zogenaamde biofiltratie. Het is de wereld van bacteriën en micro-organismen die met het blote oog niet te zien is. Deze biofiltratie is de sleutel tot een goede waterchemie, een goede visgezondheid en kristalhelder water.
We zullen dit onderwerp in lagen behandelen. De eenvoudigste verklaring is de eerste. Dan worden de dingen steeds uitgebreider herhaald.
Niveau 1; Biofiltratie vereenvoudigd
Filtratie moet vanuit een tabel worden bekeken.
| Water contaminant | Biofiltration | Mechanical filtration | Most chemical filtration | Ultraviolet |
|---|---|---|---|---|
| Ammonia and nitrite | Removes | |||
| Bad bacteria | Removes | Removes | ||
| Pathogens like ich | Removes | Removes | ||
| Dissolved organics | Removes | |||
| Feces, uneaten food | Removes | Removes | ||
| Floating algae | Removes | Removes | Removes | |
| Tannic acid, dyes, smells | Removes |
Biofiltratie is duidelijk gemakkelijk 80% van het geheel volgens deze tabel.
Autotrofen versus Heterotrofen
Er zijn twee soorten organismen die betrokken zijn bij biofiltratie: ‘autotroof’ en ‘heterotroof’. ‘Autotroof’ betekent ‘eet chemicaliën zoals ammoniak en kooldioxide’. ‘Heterotroof’ betekent ‘eet normaal voedsel zoals koolhydraten en eiwitten’.
Het belangrijkste aspect van biofiltratie is het verwijderen van giftige vissenplas uit het water in het aquarium. Kort gezegd is visplas een enigszins giftig materiaal (ammoniak, dat schoonmaakmiddel dat stinkt). Dit materiaal wordt in een gevestigd aquarium onschadelijk gemaakt door zeer langzaam groeiende “nuttige bacteriën” (autotrofe nitrificerende bacteriën) die groeien op het oppervlak van poreuze structuren zoals grind of spons, die doorgaans in het filter en het substraat worden aangetroffen.
Maar er is nog een ander type biofiltratie dat vaak over het hoofd wordt gezien. Dit is de verwijdering van opgeloste organische verbindingen (DOC’s) uit het water door heterotrofe bacteriën op het oppervlak van dezelfde biomedia. Door dit proces ontstaat bacterievrij, kristalhelder water, wat belangrijk is voor de gezondheid van vissen. En bovendien ‘eet’ een groot aantal heterotrofe micro-organismen in het filter letterlijk slechte bacteriën, ziekteverwekkers, uitwerpselen, niet opgegeten voedsel en algen.
Wat interessant is, is om het bovenstaande filterschema nog verder uit te splitsen:
| 🠗 Waterverontreinigende stof | Autotrofe biofiltratie | Heterotrofe biofiltratie |
|---|---|---|
| Ammoniak en Nitraat | Verwijdert | |
| Slechte bacteriën | Verwijdert | |
| Ziekteverwekkers zoals witte stip | Verwijdert | |
| Opgeloste organische stoffen | Verwijdert | |
| Uitwerpselen, niet opgegeten voedsel | Verwijdert | |
| Drijvende algen | Verwijdert | |
| Tanninezuur, kleurstoffen, geuren |
Dit geeft je een idee van hoe belangrijk heterotrofe organismen in het filter zijn. De rol van deze heterotrofe organismen wordt heel goed uitgelegd in een YouTube-video
Niveau 2; Twee soorten biofiltratie verder uitgewerkt
Het belangrijkste onderdeel van elk aquariumfilter is het biofiltratiegedeelte. De “biofiltratie” vindt plaats op het oppervlak van een substraat dat de “biomedia” wordt genoemd. Hoe groter het oppervlak van de biomedia is, des te meer biofiltratie kan worden uitgevoerd. Biofiltratie wordt gedaan door twee verschillende groepen bacteriën:
- Zeer langzaam groeiende autotrofe (“autotrofe” betekent dat het chemicaliën zoals ammoniak eet) bacteriën die op het oppervlak van de biomedia in het filter groeien, oxideren giftige ammoniak tot nitraat.
- Tegelijkertijd zullen snelgroeiende heterotrofe (“heterotrofe” betekent feitelijk “eet normaal voedsel”) bacteriën op het oppervlak van de biomedia in het filter de opgeloste organische koolstof (DOC) verbindingen (zoals koolhydraten en aminozuren uit afvalvoedsel) afbreken in het water in koolstofdioxide en ammoniak.
De tweede rol wordt vaak over het hoofd gezien omdat deze zeer snel plaatsvindt en deze heterotrofe bacteriën op de oppervlakken van het filter niet als “nuttige bacteriën” worden beschouwd. Ze moeten als nuttige bacteriën worden beschouwd, omdat dit deel van de biofiltratie erg belangrijk is voor de helderheid van het water en voor de gezondheid van vissen.
Wat hier gemist wordt, is dat het oppervlak dat nodig is voor deze heterotrofe biofiltratiefunctie om kristalhelder water en een optimale gezondheid van de vissen te verkrijgen, twintig maal het biofiltratie-oppervlak is dat de ammoniak-oxiderende bacteriën nodig hebben om succesvol te zijn.
Autotrofe biofiltratie
De meeste mensen denken bij biofiltratie in termen van ammoniakoxidatie. Ammoniakvergiftiging komt niet zo vaak voor als velen denken, maar het zou voor elke hobbyist een zorg moeten zijn. Ammoniak in zeer hoge concentraties veroorzaakt interne schade aan de hersenen, organen en het centrale zenuwstelsel. De vis begint intern en extern te bloeden en sterft uiteindelijk. Hobbyisten gebruiken de term ‘nuttige bacteriën’ om de bacteriën te beschrijven die giftige ammoniak omzetten in niet-giftige nitraat.
Dit “nuttige bacteriën” biofilter is idealiter een zeer zuurstofrijk filter met veel oppervlak en een redelijke hoeveelheid water die er doorheen stroomt. De oxidatie van ammoniak vindt plaats in twee stappen. De eerste fase is een afbraak van de ammoniak door nuttige bacteriën tot nitriet, een andere vorm van stikstof. Vervolgens breekt een andere reeks nuttige bacteriën in hetzelfde filter het nitriet af tot nitraat, een veel milder en niet-giftiger vorm van stikstof.
De nuttige ammoniakoxiderende bacteriën groeien alleen op oppervlakken, niet in open water. En deze bacteriën hebben een hoog zuurstofgehalte nodig voor hun watervoorziening (meer dan 80% verzadiging). Merk op dat deze nuttige bacteriën ook een pH boven 6,0, bij voorkeur boven 6,5, en een bron van kooldioxide en zuurstof nodig hebben om goed te kunnen functioneren.
Omdat deze bacteriën alleen op oppervlakken groeien, is er geen concurrentie tussen waterkolombacteriën en filtermediabacteriën. Het water kan dus tientallen of zelfs honderden keren door de media stromen voordat alle ammoniak is opgevangen en geoxideerd. Dit betekent dat het oppervlak dat nodig is voor ammoniakoxidatie veel kleiner is dan het oppervlak dat nodig is voor heterotrofe oxidatie.
Heterotrofe biofiltratie
Er is een soort nuttige bacterie die vaak over het hoofd wordt gezien. Dat zijn de heterotrofe (een term die betekent dat je ‘normaal voedsel’ eet, zoals koolhydraten, eiwitten en vetten) bacteriën. Er zal in elk aquarium “normaal voedsel” aanwezig zijn, bestaande uit niet opgegeten voedsel en uitwerpselen van vissen. Dit zal onvermijdelijk snelgroeiende heterotrofe bacteriën voeden. De vraag voor de hobbyist is: wil je dat dit in het filter gebeurt door de bacteriën in bruine smurrie of wil je dat het in de waterkolom gebeurt door bacteriën die het water vertroebelen en de vissen ziek maken. Het zal op de een of andere plek gebeuren.
Als het filter veel snelgroeiende heterotrofe nuttige bacteriën bevat, kan het de heterotrofe bacteriën in de waterkolom verslaan en troebel, ongezond water voorkomen. Nu is ook de invloed van bacteriën die micro-organismen in dezelfde bruine smurrie in het filter eten belangrijk. Het hele argument komt neer op “bruine smurrie in het filter is goed” en geeft je kristalhelder water. De meeste troebele aquariums zijn aquariums waarin het filter veel te vaak wordt schoongemaakt, het filter slechte media bevat of het filter te klein is, zoals een hang-on-back filter.
De reden dat er voor dit type biofiltratie veel meer oppervlakte nodig is, is simpel. De heterotrofe bacteriën waar we het over hebben, kunnen zich in slechts vijftien minuten in tweeën delen. Dus om de heterotrofe bacteriën op het oppervlak van het filtermedium te laten concurreren met de heterotrofe bacteriën in het water van het aquarium, moeten de filtermediabacteriën hun werk doen in één doorgang van het water. Hiervoor is een zeer groot oppervlak nodig.
Biofilms en “Bruine Smurrie”
De nuttige bacteriën vormen een dunne biofilm over alle oppervlakken. In gebieden met een lage stroming verandert de biofilm na verloop van tijd in een dikke, slijmerige, poreuze bruine smurrie met miljarden kleine kanaaltjes er doorheen. Hoe dikker en ouder de “smurrie”, hoe donkerder de kleur en hoe slijmeriger het gevoel. Een donkerbruine slijmerige “smurrie” is goud voor ervaren aquarianen. Deze donkerbruine “smurrie” zal alle ammoniak snel omzetten in nitraat en kristalhelder, gezond water opleveren.
Een van de beste artikelen over dit onderwerp kwam van Swiss Tropicals, de leverancier van Poret Foam. Ze zeiden:
“Het bruine filterslib in een filter is voor het grootste deel levend en niet louter afval. Het verwijderen van deze smurrie doet meer kwaad dan goed. Het doel van de filtermedia is niet om deeltjes uit het water te filteren zoals vaak wordt aangenomen. De media dienen als habitat voor een breed scala aan micro-organismen, waaronder bacteriën, archaea, wormen, ciliaten, flagellaten en vele andere. Deze micro-organismen leven in een gemeenschap die gebaseerd is op biofilms. De biofilms worden gemaakt door bacteriën die extracellulaire polymere substantie (EPS) afscheiden, die vaak “slijm” wordt genoemd. De gemeenschap vormt een bioreactor die het afval verwerkt en omzet in voedsel en energie voor haar leden, en uiteindelijk in organische of anorganische producten die vervolgens door planten worden gebruikt, verdampen of worden verwijderd door waterverversing. Het kost een aanzienlijke hoeveelheid tijd om deze “filtergemeenschap” op te zetten; Daarom is het heel belangrijk om het niet te verstoren, tenzij het absoluut noodzakelijk is.”
Dit is het beste verslag dat een leverancier van aquariumproducten ooit heeft gemaakt. Het is 100% waar in al zijn beweringen.
Houd er rekening mee dat dit een zeer ingewikkeld, met elkaar verweven proces is. Bacteriën die niet opgegeten voedsel en uitwerpselen afbreken, bacteriën die ammoniak afbreken tot nitriet en bacteriën die nitriet afbreken tot nitraat werken zij aan zij in de biofilters.
Vaker is de biofilm aanwezig als bruine “smurrie” in de tussenruimten van het biofilter. Aquarianen maken hun biofilters vaak regelmatig schoon om de “bruine smurrie” te verwijderen waarvan zij denken dat deze “vies” en “slecht” is. Dit is precies het verkeerde om te doen. We gaan hier dieper op in via deze link:
6.8. Grondige reiniging
Mythen
Zoals met de meeste dingen in de aquariumhobby zijn er verschillende mythes over biofiltratie en nuttige bacteriën die simpelweg niet waar zijn.
- Hoge ammoniak- of nitrietniveaus stoppen de groei van nuttige bacteriën
- Nuttige bacteriën sterven zonder voedsel
- Nuttige bacteriën stoppen met reproduceren op een bepaald punt
Mythe #1: Hoge ammoniak- of nitrietniveaus stoppen de groei van nuttige bacteriën
Er bestaat één mythe over nuttige bacteriën die weerlegt moet worden. Ammoniak- en nitrietpieken tot 5, 10 of zelfs 20 ppm zullen de groei van nuttige bacteriën niet remmen. Maar liefst acht universitaire onderzoekers die nuttige bacteriën bestuderen (Lewis 1958, Olah 1993, Tappe 1996, Willke 1996, Du 2003, Gibbs 1919, Grzesiak 2017, Kasmurik 2018) gebruikten 400 tot 600 ppm ammoniak en 200 tot 400 ppm nitriet om krijg de snelste groei van nuttige bacteriën die normaal gesproken groeien in minder dan 1 ppm ammoniak en nitriet.
Mythe nr. 2: Gunstige bacteriën sterven zonder voedsel
Er is nog een mythe die moet worden weggenomen. Nuttige bacteriën gaan niet dood als ze langere tijd zonder voedsel blijven. In het boek “The Isolation and Study of Nitrifying Bacteria”, W. Gibbs, 1919, ontdekte hij dat NB of nuttige bacteriën (wetenschappelijk gezien zijn dit “aërobe nitrificerende bacteriën”) hun kracht zeven jaar lang behouden in een fles met wat lucht. Veel onderzoekers hebben bevestigd dat NB minstens 7 maanden zonder voedsel leven (Geets et al. 2006; Wilhelm et al., 1998; Tappe et al., 1999; Laanbroek & Bär-Gilissen, 2002). NB zijn zeer primitieve, aerobe organismen met een laag metabolisme. NB sterven niet binnen maanden of jaren zonder voedsel. Ze hoeven alleen nat en open aan de lucht te worden gehouden.
Nuttige bacteriën in aquaria worden ineffectief als ze uitdrogen. Dit komt omdat de meeste nuttige bacteriën de vorm hebben van poreuze zachte gels. Wanneer deze gels uitdrogen, verliezen ze hun porositeit. Dus als ze weer nat zijn, kan het water de nuttige bacteriën niet bereiken, zodat de nuttige bacteriën, terwijl ze nog leven, hun werk niet kunnen doen.
Mythe nr. 3: Gunstige bacteriën stoppen met reproduceren op een bepaald punt
Een andere mythe over nuttige bacteriën is het concept dat nuttige bacteriën stoppen met groeien wanneer ze een bepaalde voedselbelasting bereiken. Een goedbedoeld maar slecht geïnformeerde commentator op sociale media deed de volgende verklaring die op het eerste gezicht misschien logisch lijkt:
“Te veel filtratie is eigenlijk zonde. De nitrificerende bacteriën, gewoonlijk “NB” of nuttige bacteriënkolonie genoemd, zullen alleen uitgroeien tot de grootte die overeenkomt met de voedselbron, namelijk de biolading… De biolading komt uiteraard uit het visafval en al het reguliere extra voedsel dat niet wordt opgegeten (wat er niet zou moeten zijn als je je vissen op de juiste manier voert). De BB-kolonie zal alleen groot genoeg worden om de hoeveelheid geproduceerd afval te consumeren. Niet meer niet minder. Overfiltratie is dus technisch niet mogelijk.”
Deze verklaring gaat mank omdat er een fundamenteel misverstand in schuilt over hoe bacteriën leven en zich vermenigvuldigen. Denk er zo over na. Gunstige bacteriën nemen voedsel op en vermenigvuldigen zich door zich in tweeën te delen. Dus bij een grote toevoer van ammoniak tijdens het indraaien zullen de bacteriën zich bijvoorbeeld eens in de 24 uur vermenigvuldigen. Ze zullen zich elke 24 uur vermenigvuldigen totdat ze een niveau van bijvoorbeeld 1 miljard bereiken aan het einde van de cyclus van een aquarium, wanneer het ammoniakniveau bijvoorbeeld 250 delen per miljard bedraagt (dat wil zeggen niet detecteerbaar met de API-test).
Als de toevoer van ammoniak aan het einde van de cyclus geheel zou stoppen, zouden de nuttige bacteriën zich niet meer voortplanten. Maar het ammoniakvoer stopt niet aan het einde van de cyclus, de vissen blijven ammoniak toevoegen. De nuttige bacteriën blijven zich dus reproduceren, alleen in een langzamer tempo. De 1 miljard zou dan binnen twee weken 2 miljard kunnen worden, 4 miljard na acht weken, 8 miljard na twintig weken, enz. Dus zonder verhoging van de bioload zal de capaciteit van het biofilter over twintig weken met een factor acht toenemen, ervan uitgaande dat men het filter niet schoonmaakt. Dit is natuurlijk geïdealiseerd en zeer vereenvoudigd.
Organismen van lagere orde, zoals bacteriën, hebben geen bepaalde hoeveelheid voedsel per dag nodig om te overleven of zich voort te planten. Een autotrofe bacterie die 0,4 ppm ammoniak per dag uit vis krijgt, kan bijvoorbeeld elke dag (24 uur) in tweeën splitsen. Bij 0,25 ppm zegt de aquariaan dat zijn aquarium nu klaar is voor gebruik. Maar de vissen blijven ammoniak uitstoten en de bacteriën blijven zich voeden. Bij 0,1 ppm ammoniak kunnen de autotrofe bacteriën zich elke vier dagen splitsen. Bij 0,05 ppm kan het elke 8 dagen splitsen. En bij 0,025 ppm kan het elke 16 dagen in tweeën splitsen.
Het AANTAL bacteriën in een systeem kan dus blijven stijgen tot ver voorbij het punt dat nodig is om ammoniakniveaus onder de 0,25 ppm te produceren. Hoe lager de hoeveelheid voedsel, hoe langzamer de bacteriën zich voortplanten, maar ze stoppen niet volledig met reproduceren totdat het ammoniakniveau het werkelijke nulpunt bereikt. Omdat vissen voortdurend ammoniak uitscheiden, kan dit ammoniakniveau in geen enkel aquarium het echte nulpunt bereiken.
Een goed ontwikkeld aquarium (ouder dan vier maanden oud zonder filtermediareiniging) kan dus het aantal vissen in het aquarium verdubbelen of zelfs verviervoudigen zonder een piek in ammoniak te zien. Omdat de reproductiesnelheid exponentieel afneemt en er organismen zijn die de nuttige bacteriën in de filtermedia opeten, is er een praktische limiet aan de groei, maar deze ligt waarschijnlijk in de orde van vijf tot tien keer het aantal bacteriën dat nodig is om de ammoniak lager dan 0.25 ppm te krijgen.
Ook wordt er in het commentaar van uitgegaan dat “nuttige bacteriën”, d.w.z. nitrificerende bacteriën die ammoniak oxideren, de enige organismen zijn die van belang zijn in een biofilm. Zoals het artikel van Poret zinspeelt, zitten er in de meeste biofilms in het aquarium een hele reeks ‘nuttige beestjes’.
De wetenschap van filtratie in meer detail
Er zijn enkele aquariumhobbyisten die geïnteresseerd zijn om diep in de wetenschap en de berekeningen achter alle aspecten van filtratie te duiken. Voor degenen die daartoe geneigd zijn, is het volgende relevant:
6.2.1. Detritus uitgelegd
6.2.2. Bruine smurrie in het filter
6.2.3. Troebel water
Dan is er de wetenschap achter indraaien voor degenen die nieuwsgierig zijn. Deze wetenschap wordt beoordeeld in de volgende links:
2.10. De stikstofcyclus
2.11. Inoculeren voor indraaien
2.12. Nuttige Bacteriën
2.14. “Volwassen” aquarium
Startpagina Aquariumscience
Bron: Aquariumscience.org – David Bogert
