Bij een biologisch filter worden in het water aanwezige deeltjes en stoffen door bacteriën gebonden en zo uit het water gehaald. In dit hoofdstuk zullen we wat dieper ingaan op het biologisch filteren. En dan beginnen we met de woonplaats van die bacteriën. De biofilm!
De Biofilm
Even een waarschuwing, het wordt wat taaie kost maar de conclusies zijn wel interessant, maar gelukkig lukt het zonder formules!
Bacteriën, die microscopisch kleine organismen leven echt overal! In de diepste oceanen onder gigantische drukken. Bij heetwaterbronnen bij temperaturen tegen en over de 100 C, ja zelfs in enorme aantallen op onze huid. Het is dan ook niet verwonderlijk dat ook in een aquarium bacteriën in enorme aantallen voorkomen. Niet alleen in het water zelf maar ook op de ruiten, planten, bodem, enzovoorts.
Bij het opstarten van een aquarium zijn de bacteriën er al. Nu zoeken de meeste bacteriën een goede plaats om zich te vestigen en in het begin wordt dan ook elk oppervlak aangegrepen. Dit kan in de opstartfase zelfs het wateroppervlak zijn. Er vormt zich dan een kaamlaagje. Zo’n kaamlaagje zijn dus geen dode bacteriën zoals wel vaak wordt gedacht. Hierbij maken de bacteriën gebruik van de oppervlaktespanning van het water om zich aan het wateroppervlak te vestigen. Zo’n kaamlaagje is op zich een goed zichtbaar voorbeeld van een biofilm in een aquarium. Zo’n zelfde biofilm vormt zich dus ook op stenen, planten, ruiten en soms bij ongunstige omstandigheden zelfs op onze vissen!
Hoe vormt zich een biofilm? Nou dit gebeurd in een aantal stappen
- Beginfase: Bacteriën bevinden zich voornamelijk nog in het water. Als hier voldoende voedingstoffen zijn dan kunnen ze goed in het water groeien en een waterbloei is het gevolg, vaak zichtbaar als een witte mist. De remedie is wachten tot de voedingstoffen zijn opgebruikt of water verversen met water waarin weinig voedingstoffen zitten.
- Migratiefase: De bacteriën zoeken een geschikt substraat waar voor hun de omstandigheden gunstig zijn. Dit substraat hoeft zich dus niet in een filter te bevinden maar kan ook de bodem, ruiten of planten zijn. Bij een hoge bacteriedruk zijn zelfs de vissen aan de beurt. Soms met dodelijke afloop.
- Koloniseringsfase: De bacteriën beginnen zich te delen en vormen kleine losse kolonies op het substraat. De bacteriën scheiden stoffen af die door andere bacteriën opgemerkt worden. Zodra die stoffen een bepaalde concentratie overschrijden (de kolonie bacteriën is dan groot genoeg) komt een genetisch mechanisme in werking dat er voor zorgt dat de bacteriën exopolysacchariden gaan uitscheiden.
- Biofilmvormingsfase: Als de kolonie groot genoeg is en de drempelconcentratie wordt overschreden worden dus exopolysacchariden uitgescheiden. En zo vormt zich een biofilm waarin de bacteriën de voor hun meest gunstige omstandigheden kunnen creëren.
Exopolysacchariden….wa’s dat??
Exopolysacchariden (afgekort, EPS), ja doe maar 3x woordwaarde! Nou dit is eigenlijk een stof die door sommige bacteriën (niet alle) wordt uitgescheiden om een biofilm te vormen. Het is een organisch materiaal met gel-achtige eigenschappen. Het bestaat voor het grootste deel uit water (zo’n 95%). Omdat het voor zo’n groot deel uit water bestaat kunnen de voedingstoffen gemakkelijk in deze “gel” naar de bacteriën gebracht worden. De biofilm is ook geen vaste massa van gel waarin de bacteriën liggen. Nee, in deze EPS-gel bevinden zich vele open ruimten en kanalen en zo wordt een open structuur verkregen. De structuur van de biofilm is verder nog van verschillende factoren afhankelijk. Maar daar komen we nog op. Quorum sensing….hoe bakkies elkaar beïnvloeden. Het is al even aangehaald. Bacteriën scheiden bepaalde stoffen uit. Wanneer de concentratie van die stoffen groot genoeg is dan betekent dit dat een bacteriekolonie een bepaalde grootte heeft bereikt en gaan de bacteriën polysacchariden aanmaken en vormen een biofilm. Het systeem waarbij bacteriën elkaar informeren over hun omstandigheden en daarop actie ondernemen wordt ook wel ‘Quorum sensing’ genoemd. Op deze manier weten bacteriën niet alleen wanneer een biofilm gemaakt kan worden maar ook andere acties worden via Quorum sensing uitgevoerd. Bijvoorbeeld: Wanneer omstandigheden in de biofilm ongunstig worden dan wordt een stof afgescheiden waardoor bacteriën gevormd worden die de biofilm verlaten op zoek naar gunstiger omstandigheden. Wanneer er te weinig voedingstoffen zijn wordt een stof afgescheiden waardoor de stofwisseling van de bakkies wordt verminderd. Zijn er teveel giftige afvalproducten van de stofwisseling aanwezig zijn (nitriet bijvoorbeeld) wordt ook een stof afgescheiden die de stofwisseling van de bakkies terug schroeft.
Waarom maken die kleine microben nou een biofilm??
Nou de bacteriën hebben een groot aantal voordelen als ze met hun allen in een biofilm gaan zitten.
- De afgescheiden gel (Ook wel Glycocalyx genoemd) vormt een goede bevestiging van de bacteriënkolonie aan de ondergrond (steen, planten, plastic, etc.)
- Het vormt een bescherming tegen phagocyten, eencelligen die bacteriën eten.
- Het beschermt de bacteriën tegen stoffen die hun groei belemmeren. Zo blijkt bijvoorbeeld dat bacteriën in een biofilm aanzienlijk minder gevoelig zijn voor ontsmettingsmiddelen en antibiotica.
- De biofilm bindt bepaalde ionen en moleculen waardoor bacteriën een reservoir van voedingstoffen om zich heen hebben.
- Het fungeert als depot van afvalstoffen waardoor het metabolisme van de bacteriën minder wordt gehinderd.
Tot halverwege de jaren 90 werd nog gedacht dat een biofilm een platte 2-dimensionale structuur had met een constante dikte. Tegenwoordig, met de nieuwste onderzoekstechnieken weten we wel beter! Het plaatje hieronder laat een opbouw zien van zo’n biofilm.
Nou in het plaatje is het dus mooi te zien. Een biofilm heeft dus een 3-dimensionale structuur waarbij kanalen en holle ruimten in de biofilm aanwezig zijn. Voedingstoffen kunnen dan de bacteriën ook dieper in de biofilm bereiken via deze kanalen.
Oh ja, in het figuur zien we dat de langzaam groeiende cellen onderin de film zitten (blauwe cellen). Waar zullen dus onze nitrificerende bakkies zich waarschijnlijk bevinden? Juist ja, onderin, de zeer snel groeiende heterotrofe bacteriën groeien boven de nitrificerende kolonies. Welke consequenties dit heeft? Daar komen we nog op!
Dat een biofilm niet plat is maar een 3-d landschap kent heeft nog meer gevolgen. Namelijk op de wijze waarop de bacteriën hun voedsel krijgen. Lange tijd werd gedacht dat dit gebeurde door langsstromende voedingstoffen met de hoofdstroom. Maar in een 3-d model gaat dat niet meer op! In de hoofdstroom heerst een grote watersnelheid. Hoe dichter bij de biofilm des te lager de stroomsnelheid. En in de biofilm zelf is er eigenlijk al geen sprake meer van een watersnelheid. Het water staat er stil. Hoe krijgen dan onze bacteriën hun voedsel? Dit gebeurd door het verschijnsel diffusie. Hierbij zullen voedingstoffen door concentratieverschillen in de biofilm getransporteerd worden. Verrassend is dus eigenlijk dat de watersnelheid in bijvoorbeeld een filter maar weinig effect heeft op de voedingstofvoorziening. In het figuur hieronder is dit goed te zien.
In het midden van een buis of bak of opening in een filtermateriaal is de watersnelheid het grootst (midden stromingsprofiel). Gaan we naar links, richting de biofilm dan zien we dat de snelheid drastisch terugloopt! (De biofilm begint bij 200 um) In het rechterfiguur is het snelheidsverloop over de biofilm nog wat vergroot weergegeven. We zien dat het dan niet echt veel meer uit maakt of de snelheid in de buis nu groot was of niet. Best wel grappig eigenlijk! Want wat leert ons dit? Iedereen klaagt over de hoge watersnelheden in de potfilters en dat die daardoor nooit goed kunnen werken. Nou hierbij moge duidelijk zijn dat ze ondanks die hoge watersnelheden wel degelijk kunnen werken! Eheim is niet gek……Zo, weer een mythe de wereld uit. Potfilters kunnen wel goed werken!. De werking van de bakkies in een biofilm is maar beperkt afhankelijk van de watersnelheid. Het wordt nog fraaier, nog even geduld.
Bacteriën in de biofilm krijgen dus hun voedsel voornamelijk via diffusie. Nou is in water diffusie al een traag proces. Hoe zit het in een biofilm? Nou gelukkig valt het mee. Voor kleinere moleculen en ionen met een moleculair gewicht kleiner als 1000 (zoals zuurstof, nitraat, ammonium) gaat diffusie in de biofilm net zo snel als in gewoon water. Voor grotere moleculen (>240.000 moleculair gewicht) dan gaat de biofilm pas een hindernis vormen en wordt de diffusie van zulke grote moleculen belemmerd. De diffusiesnelheid is dan nog ca. 60% van die in water.
Omdat diffusie een relatief traag proces is zien we dat in een biofilm de concentraties sterk kunnen variëren. Ook al is de biofilm maar erg dun! Dit is goed te zien in de onderstaande grafiek:
Het voorbeeld hier boven laat een voorbeeld zien van een denitrificerende biofilm. Het zuurstofgehalte daalt al voordat de biofilm oppervlakte is bereikt (diepte=0), evenals het nitraatgehalte. In de biofilm zien we in de bovenste laag het nitriet stijgen. Dan zien we het teruglopen en omdat ondertussen het zuurstofgehalte naar nul is gelopen zien we dat zich in de diepere lagen H2S begint te vormen. Een goed voorbeeld dat denitrificatie onder anoxische omstandigheden voorkomt (bij anoxisch is er nog een heel klein beetje zuurstof). H2S vormt zich pas onder echt zuurstofloze omstandigheden.
Nog een dan, omdat ik het zo mooi vind, dit keer een nitrificerende biofilm. We zien hier dat het zuurstofgehalte al daalt voordat de biofilm is bereikt. Al na 0,1 mm is de biofilm al zuurstofloos! Het nitrietgehalte loopt in de biofilm langzaam op. De moraal van het verhaal?? dikke biofilmen worden snel zuurstofloos en er treedt al snel denitrificatie op. Veel sneller dan iedereen zou verwachten! Dus kamp je met een tekort aan nitraat?? maak je filter eens schoon!
Even een eigen ervaring. Toen ik mijn mattenfilter eindelijk eens grondig schoon maakte ging het nitraatgehalte geleidelijk omhoog van 2,5 naar 7,5 mg/ltr. Het werkt dus. Bij de N:P verhouding (Redfield ratio) speelt een filter dus een belangrijke en vergeten rol. Bij mij op de vereniging kampte iemand met blauwalg. Bleek dus z’n filter lange tijd niet schoongemaakt te hebben. Dus mijn advies zal duidelijk zijn. Filter schoonmaken, weg blauwalg. Nou hoeft dit niet elke keer zo te zijn. een schoon filter en blauwalg kan ook. Maar dan moet je het in een andere hoek zoeken.
Het biofilmverhaal wordt nog gekker
Misschien heb je mijn verhaal over demineralisatie en over de N:P ratio van voedsel wel gelezen. Moet je zeker eens doen!
Die C:N ratio blijkt namelijk bij het nitrificatie proces zeer belangrijk te wezen!
Bij hoge C:N ratio’s dus veel koolstof en weinig stikstof blijkt namelijk het nitrificatieproces helemaal plat te gaan!
Het is namelijk zo dat heterotrofe bacterien wanneer er veel organische koolstof aanwezig is de nitrificerende bacterien verdringen. Bij voldoende organisch materiaal worden de nitrificerende bakkies uit de biofilm weg geconcurreerd. Op zich ook wel te verklaren want die heterotrofe bacterien groeien veel en veel sneller dan de nitrificerende. Als dus de omstandigheden voor die heterotrofe bacterien gunstig zijn is het met onze nitrificerende bakkies al snel gebeurd.
Daarom is wat je voert ook van groot belang op de goede werking van een filter!
Voeren met een lage C:N ratio houdt de omvang van de heterotrofe bakkies beperkt. De biofilm blijft kleiner en platter (daarom blijft de bodem van een bak ook mooi schoon als je met een lage C:N ratio voert).
Ach, nog even een grafiekje om het effect te laten zien:
Zo, hierboven is het duidelijk te zien. Als we organische koolstof in de vorm van suiker (glucose) toevoegen dan zien we de nitrificatie teruglopen. Het toevoegen van een aftreksel van de suikeresdoorn (Acer saccharum) geeft een zelfde effect. De nitrificatie loopt terug als je meer organische koolstoffen inbrengt. Maar eigenlijk, eigenlijk kennen wij aquarianen dit effect al wel een beetje. Denk maar aan turf, dat heeft antibacteriele eigenschappen. Turf kent ook een hoge C:N ratio. Dus veel koolstof en weinig stikstof. En zo zal het toevoegen van turf de nitrificatie vertragen. Ook met toevoegen van thee voeg je extra organische koolwaterstoffen toe. Zelfde effect, minder nitrificatie.
Het gunstige effect van turf en thee op planten is hiermee deels verklaard. Minder nitrificatie betekend immers ook dat er meer NH4+ voor de planten overblijft. Verder daalt de pH wat en worden daardoor voedingsstoffen beter opgenomen (Zie spoorelementen). Hou de pH wel tussen 6,5-7,2 voor optimale plantengroei, dus teveel turf is ook niet goed. Afijn, de puzzelstukjes vallen langzaam ineen.
Eigenlijk is ook deze pagina te lang geworden, ik moet maar eens een tweede pagina maken waarin we dit verhaal over biofilms eens toe gaan passen op de opbouw van een filter, en is een filter eigenlijk wel nodig?? We zullen zien!
Even resumerend, wat hebben we nu ‘ontdekt’:
- Een biofilm is drie dimensionaal en niet plat.
- Nitrificerende bakkies zitten vaak onderin een biofilm.
- De watersnelheid zakt in de buurt van een biofilm snel in elkaar.
- De watersnelheid in een biofilm is erg laag. Diffusie is het voornaamste proces.
- Potfilters kennen wel degelijk een biologische werking.
- Het zuurstofgehalte in een biofilm zakt erg snel met de dikte van de film.
- In een biofilm treedt al sneller dan verwacht denitrifikatie op.
- Bij een hoge C:N ratio verdringen heterotrofe bacteriën de nitrificerende.
- De C:N ratio is van grote invloed op de nitrificatie.
- Turf en thee werken negatief op nitrificatie en positief op plantengroei.
