I Cannosint e il Biofilm

12 giugno 2013

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I Cannosint e il Biofilm

di Fabio Scarpa

 

 

Facciamo quattro chiacchiere sui cannosint e sul biofilm che li ricopre, scopriamo come utilizzarli al meglio sfruttando le potenzialità di entrambi.Capiamo cosa sono e come si possono ottimizzare le notevoli potenzialità dei cannolicchi sinterizzati, per brevità cannosint, cerchiamo di capire cosa sono e come sono stati costruiti.
I classici cannolicchi ceramici sono costruiti partendo dalla classica pasta ceramica estrusa, tagliata come i tortiglioni che mangiamo e cotta in forno ad alta temperatura, come i classici soprammobili, e non c’è niente da dire visto che li abbiamo utilizzati con ottimi risultati per decenni nei nostri filtri, ma anche ai loro tempi c’erano altri materiali più performanti e meno considerati come il lapillo lavico che necessità però di alcune precauzioni.

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I ceramici sono compatti e hanno una rugosità superficiale di pochi micron che permette l’instaurazione di uno strato di biofilm uniforme e praticamente liscio  di alcuni decimi di millimetro, e può arrivare tranquillamente a 0.9mm, per cui che si tratti di cannolicchi ceramici o di biopalle, alla fine dei risultati intesi come nitrificazione che è quella che interessa a noi, non cambia nulla.
Il salto di qualità c’è stato appunto con i sinterizzati; per capire meglio come funzionano, cerchiamo di capire come sono fatti.
Si tratta di granelli di vetro con dimensione standardizzata ed uniforme, che vengono inseriti dentro a singoli stampini, sono sottoposti a vibrazione per ottimizzare gli spazi e vengono pressati, il cilindro ottenuto viene tolto dallo stampo e cotto in forno alla minima temperatura di fusione che può variare in base alla tecnologia costruttiva, nel senso che ci possono essere delle sostanze inerti che vengono utilizzate con due funzioni, la prima per mantenere una distanza tra i granelli di vetro costante e la seconda per abbassare il punto di fusione, ma proprio per questa ultima caratteristica necessitano di particolari accorgimenti per evitare che una fusione eccessiva si trasformino in un blocco unico di vetro che li renderebbe uguali ai vecchi cannolicchi ceramici, queste sostanze vengono eliminate alla fine della sinterizzazione. Bisogna calibrare perfettamente la temperatura ed il tempo di fusione in modo che si fondano solo le superfici esterne dei granelli in maniera che si incollino tra di loro evitando che si fondano completamente, proprio questa operazione è la più importante ai fini della capacità filtrante, bisogna formare delle cavità aperte, cioè comunicanti tra di loro, che abbiano una certa dimensione in maniera da permettere l’insediamento del biofilm anche all’interno di queste cavità.

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Analizziamo adesso i risultati ottenuti con la sinterizzazione: le cavità interne sono comunicanti tra di loro e hanno una dimensione abbastanza costante, la rugosità superficiale è superiore a 0.1mm, contro i 20micron dei ceramici, e permette una adesione del biofilm tale da perdonare errori in fase di pulizia e lavaggio; infatti il biofilm presente nella parte più bassa ed interna della superficie rimane negli interstizi, a meno che non vengano sciacquati violentemente, così che la successiva ripopolazione della massa batterica dilavata avviene in tempi molti più brevi riducendo la possibilità di inquinamento da ammoniaca o nitriti a causa di una nitrificazione insufficiente dal punto di vista quantitativo.

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L’ottimizzazione dell’elevata superficie filtrante la possiamo ottenere solamente se le cavità non vengono otturate dal biofilm o dalla sporcizia, essendo le cavità di dimensioni di circa 0.2mm, per permettere all’acqua di attraversare lo spessore del cannosint bisogna che lo spessore di biofilm adeso alle superfici sia inferiore a 0.1mm altrimenti si forma un tappo. Dobbiamo tenere presente che una parte del biofilm si stacca continuamente a causa della morte dei batteri, dobbiamo quindi fare in maniera che ci sia sempre un flusso continuo di acqua in grado di trascinare via quella parte di biofilm che si stacca dai cannosint evitando nello stesso tempo che le cavità si occludano. Capite che se lo spazio libero tra un grano di vetro e l’altro è irrisorio, quando il biofilm morto si stacca può formare un tappo precludendo il transito all’acqua ossigenata.

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Un ridotto spessore di biofilm inoltre segue le cavità evitando che la superficie diventi piatta, ciò permette di mantenere elevato l’attrito superficiale dell’acqua instaurando un flusso turbolento e diminuendo l’effetto scia in maniera che l’acqua lambisce totalmente la superficie rugosa dei cannosint a tutto vantaggio della superficie filtrante che si riesce a sfruttare in quanto si eliminano le zone morte che a loro volta farebbero aumentare lo spessore del biofilm. E’ indispensabile quindi che l’acqua arrivi priva di sedimenti e che lo spessore del biofilm non sia elevato.
La prima condizione la otteniamo ottimizzando il prefiltro , mantenendolo sempre pulito ed evitando per quanto possibile la flocculazione dei fanghi, la seconda evitando l’insediamento di ceppi batterici antagonisti, che hanno una crescita incontrollata, tramite l’inoculo saltuario ma costante di ceppi batterici garantiti e utilizzando una velocità di transito dell’acqua nel filtro abbastanza elevata dato che lo spessore del biofilm è inversamente proporzionale alla velocità dell’acqua che lo lambisce.
Bisogna ricordare che un elevato spessore del biofilm può letteralmente staccarsi in seguito a brusche variazioni di velocità di transito dell’acqua causate da fermate volontarie durante le pulizie del filtro, o involontarie durante interruzioni di corrente; il biofilm si stacca fisicamente dai supporti biologici finendo in vasca con formazione di torbidità e picchi di ammoniaca dato che il biofilm non è più investito dall’acqua ma ne viene trasportato con conseguente drastica riduzione del potere nitrificante. Come detto prima, se le cavità si tappano, il nostro sinterizzato diventa come un ceramico, anzi le colonie batteriche insediate all’interno sono in condizioni di anaerobiosi e possono causare fenomeni di parziale denitrificazione con la formazione di composti azotati parzialmente ridotti come nitriti e ammoniaca, o anche la proliferazione di ceppi batterici antagonisti a discapito dei nitrosomas e dei nitrospira, bisogna evitare quindi che particelle solide arrivino fino ai cannosint. Evitare che ciò accada al 100% è impossibile a causa dei fenomeni di flocculazione che portano le micro particelle ad unirsi ed ai batteri morti, ma con un buon flusso di acqua possiamo trascinare il più possibile tali macro particelle attraverso i cannosint, e con un ottimo prefiltro possiamo evitare che queste o altre macro particelle ci arrivino.

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Per ottimizzare il prefiltro bisogna capire come funziona: all’inizio le macro particelle sospese si depositano sulla superficie, poi si incuneano negli interstizi del prefiltro che lentamente si intasano perché nel frattempo arrivano altri solidi, questo processo si chiama conglomerazione e porta alla formazione del tappeto filtrante che è molto più efficace di qualsiasi altro prefiltro per trattenere i solidi in sospensione, a questo punto inizia la vera filtrazione meccanica del prefiltro, come nella figura A. Questo tipo di filtrazione è molto efficace, ma allo stesso tempo può diventare pericoloso perché le macroparticelle trattenute nel tappeto filtrante sono in equilibrio con le forze idrauliche che tendono a staccarle ed a trasportarle in profondità nel cuore del filtro biologico, l’acqua tende a trovare strade preferenziali per attraversare il tappeto e dove filtra le velocità diventano elevate con il risultato che i meccanismi di sedimentazione, conglomerazione e filtrazione, che tengono i solidi in equilibrio, sono superati e le particelle si staccano spingendosi in profondità nel filtro intasandolo, figure B e C.
Se si aspetta troppo tempo prima di effettuare la pulizia del prefiltro, le particelle di sporco lo attraversano spingendosi in profondità nel filtro fino ai cannosint, i solidi vengono trattenuti saldamente nelle aree interstiziali nella profondità dei materiali filtranti stessi inquinandoli, a questo punto l’unica soluzione, purtroppo, è il lavaggio profondo che ridurrà notevolmente le capacità di filtrazione biologica del filtro.

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Il prefiltro meccanico bisogna quindi pulirlo frequentemente ma delicatamente, prima che si trasformi in biologico e prima che il tappeto filtrante si insinui nei supporti biologici sottostanti, rimuovendone lo strato in eccesso, e più si aspetta e peggio è, perché se il tappeto filtrante si spinge in profondità si rende necessario pulire i cannosint che è sempre un’operazione delicata dato che può danneggiare il biofilm. Inoltre se si insediano i batteri nitrificanti, quando laviamo il prefiltro eliminiamo i batteri presenti che stanno ossidando i composti azotati riducendo di conseguenza le capacità nitrificanti del filtro dato che i batteri si autoregolano come quantità, quindi tanti più ne abbiamo nel prefiltro, tanti meno ne abbiamo nei cannosint; non è che se mettiamo 20 litri di cannosint si instaurano più batteri ed il filtro funziona meglio, non dobbiamo avere un filtro grande, ma un grande filtro. Una soluzione è effettuare un ciclo di lavaggio in controcorrente rimuovendo le particelle dal supporto che le ha trattenute. Nella figura a sinistra il lavaggio in controcorrente è appena iniziato, nell’immagine in centro il lavaggio sta procedendo correttamente, mentre nell’immagine a destra si notano delle zone intasate dal tappeto che si è insediato in profondità, quest’ultimo caso è da evitare perché lavare il tappeto filtrante senza asportare i batteri risulta impossibile.

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Tale lavaggio serve sia per pulire delicatamente il supporto biologico, sia per asportare parte del tappeto filtrante che a causa della nostra pigrizia si è formato in eccesso nel prefiltro  perchè togliendo le spugne si staccherebbe finendo nei cannosint inquinandoli. Per effettuare il lavaggio in controcorrente è sufficiente invertire il flusso dell’acqua con una pompa o con un sistema equivalente a quando sifoniamo il fondo dei nostri acquari, naturalmente la portata deve essere adeguata e sufficientemente elevata per staccare ed asportare il tappeto filtrante formatosi, usando un sifone auto costruito come quello nella foto possiamo aspirare anche con poca colonna di acqua come nei normali filtri esterni o nei percolatori.
Adesso due parole sulla composizione fisica del prefiltro.
Ci sono diverse correnti di pensiero, c’è chi usa poco prefiltro e lo pulisce tutto e spesso.

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Io preferisco un prefiltro più corposo composto da uno strato di lana di perlon all’inizio: trovo ottimi quei quadrati in cotone della Juwel che permettono di ottimizzare gli spazi dato che sono compatti e sottili, seguito da due o meglio tre strati di spugna fina.
La lana va sciacquata frequentemente e rimessa al suo posto, i primi due strati di spugna vanno sciacquati quando si nota la formazione del tappeto filtrante sul primo strato che va sciacquato per eliminarlo, il secondo strato di spugna va sciacquato delicatamente mentre il terzo non va sciacquato per mantenere il tappeto filtrante ed i batteri nitrificanti insediati.
Dopo il lavaggio l’ultimo strato di spugna va messo all’inizio affinché la spugna non lavata contenente un po’ di tappeto filtrante, che viene inserita all’inizio, possa ottimizzare da subito la filtrazione meccanica.
Per i filtri esterni si può usare uno dei tanti prefiltri esistenti sul mercato e riempirlo con lana e due o tre strati di spugna opportunamente sagomati, per la pulizia si procede come indicato per i filtri interni mettendo, dopo il lavaggio, l’ultimo strato di spugna all’inizio senza toccare il cuore del filtro biologico, in maniera da limitare la perdita di batteri nitrificanti.
Un prefiltro così costruito permette di utilizzare l’effetto “streamers” come nella figura, dove si nota che i nostri batteri tramite un effetto “stelle filanti” vanno a colonizzare le parti del filtro poste a valle, questo ci permette di avere sempre biofilm fresco e superficiale che rimpiazza quello che si stacca in seguito alla morte dei batteri o coperto da fanghi, e ci perdona errori come nel caso evidenziato nella micrografia dove il biofilm è coperto da un sottilissimo strato di argilla.

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Risulta evidente che i batteri non sono più in contatto con l’acqua da depurare, forse non sono nemmeno in condizioni aerobiche e di conseguenza non svolgono più la loro funzione nitrificante. Estremizzando molto, i pulitori sono deleteri per il filtraggio, il biofilm colonizza non solo i materiali del filtro, ma chiaramente anche il ghiaino del fondo, i sassi dell’arredamento ed i legni, ma  anche i vetri e le piante: queste ultime soprattutto di giorno alimentano il biofilm che si forma sulla superficie fogliare direttamente con l’ossigeno che producono, pensate un bel boschetto fluttuante e sempre coinvolto dal flusso di acqua ossigenata di Vallisnerie quanta superficie filtrante offre agli aerobi, che poi altro non è quello strato viscido che spero sentiate sulle foglie quando le toccate. Credo che nessuno di voi abbia mai calcolato la superficie filtrante di un tale boschetto, consideriamo un boschetto di 15x15cm=225cm², supponendo che ogni Vallisneria occupi circa 4x4cm=12cm², ci stanno una ventina di piante, calcolando che ogni pianta abbia 10 foglie lunghe 50cm e larghe 0.5cm, abbiamo la bellezza di 10.000cm², cioè 1m² di biofilm regalato perfettamente attivo e sempre in condizioni aerobiche, l’unico neo è che l’ossigeno prodotto dalle piante lo consuma il biofilm, ma chi se ne frega, noi ossigeniamo l’acqua ed il problema è risolto.
Spendiamo qualche parola sul biofilm, è stato ipotizzato nel XVII secolo da Van Leeuwenhoek esaminando la placca dentaria, nel 1976 fu osservato il coinvolgimento di sottilissime fibre extracellulari polimeriche, ma solo nel 1978 Costerton ha osservato che le comunità di batteri erano contenute in una matrice di glycocalyx.

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Il glycocalyx è un polimero polisaccaride composto da carboidrati, glicoproteine e polimeri contenenti zuccheri come glucosio, galattosio, mannosio, fruttosio, ramnosio, N-acetilglucosamina e altri che si trova appena all’esterno della parete cellulare dei batteri, permette di aderire gli uni agli altri e costituisce l’85% del biofilm, in seguito è stata promulgata la teoria che la maggior parte dei batteri si sviluppano in ecosistemi acquatici su una superficie che ne permette l’adesione, la nostra concezione di biofilm.

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Una volta capito come è composto il biofilm, vediamo come si forma: si inizia con una adesione non stabile, da questo punto in pochi minuti si attaccano altri batteri che iniziano a crescere e riprodursi finché il polimero di polisaccaridi e glicoproteine permette la costruzione del biofilm vero e proprio, il tutto è influenzato dalle cariche elettriche dei singoli batteri, dalle pur deboli attrazioni intermolecolari di Van Der Waals che aumentano con la distanza tra le molecole mantenendole vicine ma non attaccate e per attrazione elettrostatica, ma l’insieme di tutto questo è ancora oggetto di studi. La matrice di glycocalyx che tiene unito il biofilm, essendo adesiva permette l’adesione sulla superficie anche di sostanze come l’argilla o fanghi che ne limitano la funzionalità, ecco perché il prefiltro deve funzionare perfettamente.

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Approfondiamo un attimo il discorso sulla morfologia del biofilm con altri immagini, in seguito alla colonizzazione e all’adsorbimento ad una superficie segue la produzione della matrice con la conseguente cessione di batteri all’ambiente circostante tramite l’effetto “stelle filanti” visto prima, e lo sviluppo di canali di acqua che attraversano il biofilm,questo grazie anche alle forze di Van Der Waals che fanno avvicinare le molecole senza compattarle.

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Si capisce adesso come possiamo sfruttare la permeabilità del biofilm affinché l’acqua fresca attraversandolo possa fornire continuamente l’ossigeno necessario alla vita dei batteri aerobi. E’ stato scoperto che i batteri formano il biofilm preferenzialmente dove le forze di taglio sono maggiori, cioè su substrati rugosi con un flusso di acqua elevato i batteri riescono ad aderire meglio alle superfici ed avviano la produzione di nuovo biofilm con l’effetto “stelle filanti”, quindi con elevati numeri di Reynolds otteniamo molti vantaggi come la formazione di uno spessore non elevato, una continua ossigenazione della superficie esterna a tutto vantaggio dei batteri aerobi, una migliore adesione dei batteri a causa di probabili interferenze con cellule platoniche che generando biofilm altamente viscoelastico con un carico di rottura maggiore che si stacca più difficilmente dalle superfici.

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E adesso alcune immagini straordinarie di biofilm che credo in pochi abbiano avuto il privilegio di vedere.
Ecco una foto al SEM microscopio elettronico a scansione di un frammento di biofilm, dove nonostante il vuoto necessario allo strumento per lavorare, si vede molto bene la morfologia del biofilm. Osservate quanto è ingrandito 1 micron nel marker in basso: il vuoto purtroppo ha compresso la cella di biofilm perché le sostanze polimeriche extracellulari sono composte per il 95% di acqua che deve essere eliminata, ma si vede molto bene che la struttura non è compatta.

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Con il microscopio cofocale laser a scansione CLSM invece si lavora a minori ingrandimenti ma non è necessario il vuoto, così dopo aver colorato in rosso i batteri possiamo osservare i canali di acqua che lo attraversano.

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Micro al SEM di biofilm sottoposto sperimentalmente ad un flusso notevole, circa 1m/sec e nutrito con zuccheri e carbonio inorganico

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Micrografia a 2340 dello stesso biofilm precedente, si nota benissimo l’effetto “stelle filanti”

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Quante volte si è detto di stabulare l’acqua per eliminare i composti a base di cloro, in questa serie di micro al microscopio a fluorescenza eseguite su sezioni sottili con spessore di circa 5 micron ci renderemo conto visivamente del perché.
Questa è una sezione sottile dove si osserva il biofilm vivo colorato in rosso con un reagente che mette in risalto la respirazione attiva.

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In questa micro il biofilm è stato sottoposto a 4ppm di cloramina per 30 minuti, le parti verde scuro sono batteri che non respirano, quindi morti

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La cloramina è rimasta a contatto con il biofilm per 60 minuti, vediamo che la maggior parte dei batteri ha smesso di respirare, continuano a respirare solo quelli situati più in profondità.

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Dopo 90 minuti tutto il biofilm ha smesso di respirare, e noi abbiamo annientato il filtro.

                                                                                        di Fabio Scarpa
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