CHIMICA DELL’ACQUARIO

Il Ciclo dell’azoto 2.0: la teoria

Sul ciclo dell’azoto è stato scritto di tutto, qua è spiegato come si deve: http://www.mondodiscus.com/2007/09/il-ciclo-dellazoto-2/ Cerchiamo quindi di parlarne in maniera diversa dal solito.Come succede in tutti gli esseri viventi, le reazioni metaboliche nei batteri sono di sintesi, piccole molecole vengono utilizzate per la sintesi di grosse molecole, che necessitano di energia (anaboliche o endoergonomiche), o di demolizione, grosse molecole vengono demolite in altre di piccole dimensioni, che liberano energia (cataboliche o esoergonomiche).I batteri si possono dividere in due categorie:- Batteri eterotrofi che sfruttano il carbonio dei composti organici, fornito da altri organismi viventi, utilizzando l’energia liberata dalla demolizione delle stesse molecole organiche, svolgono ruoli ecologici dipendenti dagli altri viventi come il parassitismo, la simbiosi e il saprofitismo.- Batteri autotrofi che sono in grado di utilizzare fonti di carbonio inorganico per costruire le proprie strutture cellulari assieme ad un energia di tipo luminoso o derivante dalla demolizione di alcuni composti chimici, in base all’energia sfruttata vengono divise in ulteriori categorie:1) batteri fotosintetici: effettuano la fotosintesi in presenza di energia luminosa. 2) batteri chemiosintetici: sfruttano l’energia derivante da reazioni chimiche di tipo ossidoriduttivo a livello di alcuni composti presenti nel substrato, sono chiamati anche chemiolitotrofi poiché sfruttano composti inorganici come idrogeno, zolfo, ferro.Altre divisioni dei batteri, caratterizzate dalla presenza o assenza di ossigeno durante il metabolismo: - Batteri aerobi che vivono solo in presenza di ossigeno, utilizzato durante la respirazione aerobica come accettatore finale di elettroni. - Batteri anaerobi facoltativi, per essi non è necessaria la presenza di ossigeno, ma riescono a svilupparsi anche in suo presenza. -Batteri anaerobi obbligati, vivono solo in assenza di ossigeno, ottengono energia attraverso reazioni cataboliche come la fermentazione e la respirazione.Il metabolismo catabolico dei batteri avviene tramite fermentazione, respirazione aerobica o anaerobica. Le fermentazioni sono vie metaboliche alternative alla respirazione; l’acido piruvico, composto organico proveniente dalla demolizione iniziale del glucosio, non è del tutto demolito ed origina dei composti intermedi ricchi di energia, avente come accettatore finale di elettroni un composto organico, essendoci in questa reazione una parziale ossidazione delle molecole organiche iniziali e una parziale liberazione dell’energia in esse contenuta, l’energia disponibile è molto inferiore rispetto a quella della respirazione aerobica.La respirazione aerobica viene svolta da microrganismi aerobi e anaerobi facoltativi, è un processo attraverso il quale gli esseri viventi, utilizzando l’ossigeno dell’aria, riescono a demolire molecole organiche ricche di energia (zucchero), ossidandole e trasformandole in composti poveri di energia (acqua, anidride carbonica). L’accettatore finale di energia è l’ossigeno, la demolizione dei composti organici comporta la liberazione di un enorme quantità di energia.La respirazione anaerobica è compiuta da microrganismi che vivono in ambienti dove l’ossigeno scarseggia e che sono in grado di ridurre sostanze come il nitrato e il solfato, queste sostanze diventano gli accettatori di elettroni al posto dell’ossigeno.Alcuni batteri autotrofi possono compiere il processo fotosintetico e vengono chiamati foto autotrofi, si tratta però di una fotosintesi diversa da quella delle piante superiori e delle alghe, inoltre i batteri usano una clorofilla diversa, detta batterioclorofilla, che assorbe la luce nella regione dell’infrarosso tra i 680 e gli 870 nanometri e si trova in sistemi membranosi accollati alla membrana citoplasmatica. Un’altra differenza è la mancanza della fotolisi dell’acqua e quindi della produzione di ossigeno. La maggior parte di questi batteri infatti è di tipo anaerobico.Esistono batteri chemioautotrofi in grado di sfruttare l’energia prodotta dall’ossidazione di composti inorganici, senza l’intervento della luce e utilizzando l’anidride carbonica come fonte di carbonio.Tra i batteri chemiosintetici troviamo i batteri nitrificanti, fondamentali nel ciclo biogeochimico dell’azoto, alcuni ossidano l’ammoniaca a nitriti, altri i nitriti a nitrati, ed i solfo batteri che utilizzano come fonti energetiche composti inorganici dello zolfo come l’idrogeno solforato che viene ossidato a zolfo elementare. In due parole l’azoto organico biodegradabile è decomposto da batteri eterotrofi ad ammoniaca, alla loro morte la parte organica diviene a sua volta ammoniaca e queste due fonti, sommate all'ammoniaca già presente nell’acqua in entrata nel filtro, sono utilizzate per la crescita di nuovi organismi e convertite dai batteri autotrofi in nitrati.In acquario dobbiamo avere un sistema di depurazione diverso rispetto alla natura dato che la popolazione ittica è molto superiore, quindi anche la concentrazione degli inquinanti sarà molto maggiore, è necessario avere un efficace sistema di depurazione che trasformi le sostanze tossiche, prodotte dal metabolismo e dai residui di cibo, in sostanze non tossiche. Da qui la necessità di concentrare dei microrganismi, i vari ceppi di batteri nitrificanti, in un contenitore, il filtro biologico che permette l’ossidazione aerobica di cataboliti azotati, come ammoniaca/ammonio e nitriti, fino a nitrati.Nel filtro avviene la nitrificazione, cioè l’ossidazione biologica dei composti inorganici dell’azoto grazie ai batteri nitrificanti, che non sono presenti solo nei filtri degli acquariofili, ma anche nei depuratori dei reflui industriali e civili, in ambienta sia dolce che marino e nel suolo.Batteri NitrosomasBatteri Nitrospira Batteri Nitrobacter Nel filtro si attua l’ossidazione dei composti inorganici dell’azoto tramite i batteri autotrofi chemiolitotrofi (che trasformano le sostanze inorganiche in materiale cellulare complesso utilizzando la CO2 per la sintesi) e traggono l’energia necessaria al loro metabolismo dall’ossidazione dell’ammoniaca prima e dei nitriti poi, usando l’ossigeno libero come accettare di elettroni, l’ammonio come fonte di azoto e di idrogeno, e bicarbonato di calcio e bicarbonato di potassio come fonte di carbonio, consumano 7.07 grammi di CaCO3 per ogni grammo di NH4+ ossidato.Sopratutto nelle vasche di nuova installazione succede che sul mangime avanzato si formi della muffa ed il mangime rimane integro per giorni, la formazione di muffa è causata dalla mancanza di fauna eterotrofa che inibisce anche lo sviluppo di altre specie batteriche, per cui aspettiamo invano il picco dell’ammoniaca che non arriva, questo succede perché deve ancora insediarsi la fauna eterotrofa che provvede alla degradazione delle proteine.La degradazione delle proteine e di altri composti organici azotati sono il risultato del metabolismo di un'ampia varietà di microrganismi, oltre a batteri anche di funghi e attinomiceti.Gli organismi come alcuni batteri, piante ed alghe che sono in grado di trasformare il carbonio inorganico (come i bicarbonati e la CO2) in composti organici, sono detti autotrofi (che si nutrono da soli), mentre gli organismi che non sono in grado di trasformare il carbonio inorganico in composti organici, sono detti eterotrofi (che non sono in grado di nutrirsi da soli).I nitrati derivano dalle proteine che di conseguenza sono la principale fonte di inquinamento dell’acquario, i carboidrati ed i lipidi invece vengono degradati in anidride carbonica ed acqua, non contribuendo quindi all’inquinamento del sistema acquario da composti azotati, ma esclusivamente da composti del carbonio come il DOC (Dissolved Organic Carbon). Gli eterotrofi tramite degli enzimi degradano le proteine in peptidi, poi in amminoacidi ed infine in ammoniaca/ammonio.Fra i batteri i più attivi sono alcuni clostridi, mentre un minor grado di attività si registra in specie dei generi Proteus e Pseudomonas. I clostridi si presentano come bastoncini, di solito mobili per mezzo di flagelli; talvolta immobili, formano endospore ovoidali, sono chemioorganotrofi ed alcune specie sono saccarolitiche, alcune proteolitiche, alcune sia saccarolitiche che proteolitiche, sono presenti comunemente nel suolo, nei sedimenti in ambiente di acqua dolce e marina e nel tratto intestinale di uomini e animali. Oltre alle proteine, una sorgente di azoto sono i rifiuti metabolici costituiti principalmente da composti azotati come l’urea, che tramite l’enzima ureasi viene trasformata in ammoniaca/ammonio.La reazione di ammonificazione è:H2NCONH2 + 2H2O → 2NH4⁺ + CO3⁻⁻ (urea + acqua → ammonio + carbonato)Il passaggio seguente è la nitrosazione, consiste nel passaggio da ammonio/ammoniaca a nitrito che si svolge in due fasi, il primo è la monossigenasi che prevede l’ossidazione da ammoniaca/ammonio allo stadio intermedio idrossilammina:NH4OH + 1/2 O2 → NH2OH + H2O (ammoniaca + ossigeno → idrossilammina + acqua)NH4⁺ + 1/2 O2 → NH2OH + H⁺ (ammonio + ossigeno → idrossilammina + ione idrogeno)La frazione di ammoniaca/ammonio dipende dal pH, in ambiente acido si forma lo ione ammonio che risulta molto meno tossico dell’ammoniaca.Il secondo passaggio è l’ossidazione dell’idrossilammina a nitrito grazie all’enzima citoplasmatico complesso idrossilamminadeidrogenasi, con il molibdeno come catalizzatore:NH2OH + O2 → HNO2 + H2O → H⁺ + NO2⁻ + H2O (idrossilammina + ossigeno → acido nitroso + acqua → ione idrogeno + ione nitrito + acqua).I principali ceppi batterici responsabili del passaggio appartengono ai generi Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosobulos, Nitrosospira. Questo primo processo esogeno di ossidazione produce quattro volte più energia rispetto al processo di ossidazione del nitrito, 84 kcalmol-1 contro 17.8 kcalmol-1, è irreversibile, consuma ossigeno e produce acidità. Una volta prodotto lo ione nitrito viene prodotto il substrato necessario per l’attività di un’altra classe di batteri finora inattivi, l’ultimo processo ossidativo del ciclo dell’azoto detto nitrazione è catalizzato dall’enzima nitro ossidasi e comporta l’ossidazione dell’azoto nitroso in azoto nitrico:NO2- + H2O → NO3- + 2H+I principali batteri responsabili del passaggio sono i Nitrospira, Nitrobacter, Nitrocystis, Nitrococcus. Anche questa reazione è possibile solamente in ambienti aerobici ed a differenza della precedente è reversibile in condizioni di anossia. L’azoto in forma ammoniacale e nitrosa è tossico, oltre che per i pesci, anche per i batteri nitrificanti (Sakairi 1996), la soglia di tossicità dell’ammoniaca non dissociata per i Nitrosomonas è 10 ppm, mentre per i Nitrobacter è di 0.1 ppm, quella dell’azoto nitroso NO2 è di 1 ppm (Saroglia 2001).Complessivamente le reazioni di ossidazione dell’ammoniaca a nitrati sono:NH4+ + 2O2 → 2H+ + NO3- + H2OConsiderando che parte dell’azoto è anche richiesto per la sintesi batterica sia dei ceppi Nitrosomas, che dei ceppi Nitrospira, siccome anche il carbonio utilizzato dai ceppi batterici per la sintesi della biomassa, le reazioni stechiometriche su basi teoriche e sperimentali che tengono conto di tutto sono:NH4+ + 1.83O2 + 1.98HCO3 → 0.021C5H7O2N + 0.98NO3- + 1.041H2O + 1.88H2CO3(ammoniaca + ossigeno + bicarbonati → biomassa cellulare + nitrati + acqua + acido carbonico)NH4+ + 1.90O2 + 2HCO3 → NO3- + 1.90CO2 + 0.10CH2O(ammoniaca + ossigeno + bicarbonati → nitrati + anidride carbonica + cellulee per poter avvenire sono necessari i seguenti equilibri stechiometrici calcolati per l’ossidazione completa di 1 grammo di azoto ammoniacale rispetto la precedente equazione a:Consumato                           ProdottoO2 = 4.18gr                             H+ = 1.98gralcalinità = 7.14gr            biomassa cellulare 0.17gr                                                      NO3- = 4.34gr                                                      H2O = 1.34gr                                                      H2CO3 (acido carbonico) = 8.59gre secondo la precedente equazione b:Consumato                           ProdottoO2 = 4.33gr                             H+ = 1.98gralcalinità = 7.14gr            biomassa cellulare 0.21gr                                                      NO3- = 4.43gr                                                      H2O = 3.73gr                                                      CO2 = 5.97grL’ossidazione dell’azoto ammoniacale come si nota determina una riduzione dell’alcalinità carbonatica con produzione di protoni, cellule batteriche, nitrato, acqua ed acido carbonico.Considerando la prima reazione si consumano 4.18gr di ossigeno per ossidare 1 gr di azoto ammoniacale, si ha una diminuzione di alcalinità corrispondente a 8.63gr di HCO3-, che equivale a 7.07gr di CaCO3, e nello stesso tempo si producono ioni H+ acidi, conseguentemente si ha una tendenza all’abbassamento del pH quando l’alcalinità iniziale dell’acqua, intesa nel nostro caso come KH, non è sufficientemente elevata da tamponare l’acidità prodotta durante la nitrificazione.Il pH e l’alcalinità carbonatica sono tra i parametri che influenzano maggiormente l’efficienza dei batteri nitrificanti. Relativamente al primo fattore, il range di tolleranza è compreso tra 6÷9, ma possono resistere a valori di pH sia inferiori che maggiori (5÷10); il campo ottimale è in ambiente neutro/alcalino (7-8) (Kumar e Nicholas, 1983). L’efficienza si riduce proporzionalmente quando il pH scende sotto 7.Il pH del sistema si abbassa in seguito alla produzione di protoni, e se non viene regolarmente controllato si porterà su valori incompatibili con la buona attività del biofiltro (Summerfelt e Sharrer, 2004).Il tempo medio di generazione dei batteri nitrificanti è di circa 10/12 ore ed è in relazione con la concentrazione del substrato disponibile nel sistema (Saroglia, 2001) , le attività nitrificanti sono esaltate dalle alte temperature mentre le basse temperature, sebbene non arrestino il processo, ne determinano un rallentamento, il range termico ottimale allo sviluppo dei nitrificanti è tra 25÷35°C, una diminuzione di 6°C dimezza la velocità di crescita massima della biomassa batterica.A parità di condizioni generali, il rendimento delle specie batteriche presenti nei biofiltri sarà maggiore quindi in condizioni termofile piuttosto che a basse temperature.E’ stato dimostrato inoltre che in condizioni di portata e carico organico stabile, l’efficienza della nitrificazione è maggiore, è chiaro che “esperimenti” di modifica della portata del filtro e cambi d’acqua frequenti vanno a discapito della nitrificazione e devono essere eseguite nel maniera meno invasiva possibile.Essendo la nitrificazione un processo aerobico, l’ossigeno disciolto è un fattore limitante per fortuna facilmente controllabile, una buona attività nitrificante è garantita con una concentrazione di 5/6ppm, mentre è inibita a sotto le 2ppm.Un fattore poco importante è la concentrazione salina, direttamente collegata alla conduttività dell’acqua, concentrazioni fino a 5gr/l non creano problemi all’efficienza batterica.Per avere un’idea della concentrazione salina, e per possibili conversioni tra le varie scale di durezza:1° tedesco di durezza (1° d)          = 10mg/l CaO1° inglese di durezza (1° e)           = 14.3 mg/l CaCO31° francese di durezza (1° f)          = 10mg/l CaCO3fattori di conversione 1° d = 1.25° e = 1.78° f = 0.178mmol/lUn fattore trascurato invece è l’illuminazione, nei filtri biologici bisogna evitare che la luce, ossidando il citocromo-C batterico, inibisca lo sviluppo dei batteri nitrificanti, principalmente dei nitrosanti, bisogna di conseguenza provvedere ad oscurare il settore del filtro che contiene i supporti biologici.I supporti biologici vengono definiti a bassa densità quelli che hanno uno sviluppo superficiale da 100÷400 m2/m3, e ad alta densità quelli con uno sviluppo superficiale 400÷2000 m2/m3 (Saroglia 2001).I sinterizzati sono un gruppo a parte perché lo sviluppo superficiale varia enormemente a seconda delle porosità aperte, per chi volesse approfondire questo argomento ci sono due articoli specifici nel portale.In letteratura è nota (Ramadori R. e Tandoi V.) anche una nitrificazione eterotrofa, cioè realizzata da microrganismi che necessitano di carbonio organico per la crescita (Arthrobacter, Pseudomonasaeruginosa, Hansenula mrakii, Aspergillus flavus), che però avviene con una cinetica di due, tre ordini di grandezza inferiore a quella chemolitotrofa, di conseguenza è quasi ininfluente.leggi la seconda parte:L' Influenza del Carbonio 


Il Ciclo dell’azoto 2.0: l’influenza del Carbonio

La nitrificazione é fortemente inibita dalla presenza di sostanza organica e della flora batterica eterotrofa in competizione con i batteri nitrificanti per l’ossigeno e per lo spazio.Negli impianti d’acquacoltura in sistema chiuso le concentrazioni di sostanza organica (sia disciolta che particellata) e di ammoniaca sono strettamente dipendenti dalle caratteristiche zootecniche (biomassa allevata, indice di conversione dell’alimento, tasso di alimentazione e tipologia di alimento, fisiologia della specie allevata, efficienza della filtrazione meccanica, ecc.). Ciò porta ad avere un rapporto C/N (carbonio organico/azoto inorganico) stabile e relativamente ben definito, che può essere controllato e gestito.Di seguito i risultati di una ricerca per studiare e quantificare l’influenza del rapporto C/N (carbonio/azoto) del substrato in ingresso nei biofiltri sia sull’efficienza della filtrazione biologica, sia sull’abbondanza dei batteri eterotrofi nei filtri biologici usati in acquacoltura.L’esperimento è stato condotto utilizzando quattro filtri biologici pilota identici, riempiti con un supporto filtrante microporoso chimicamente inerte. Il supporto è stato esposto per due mesi ad un flusso continuo di acqua arricchita di ammoniaca al fine di favorire colonizzazione da parte di un biofilm multispecifico nitrificante.Ai sistemi sono stati imposti diversi livelli di C/N agendo sulle concentrazioni di sostanza organica e ammoniaca.Le analisi chimiche dell’acqua per i nutrienti (ammoniaca, nitriti e nitrati) sono state condotte come descritto da Treguer e La Corre (1974). L’efficienza di filtrazione è stata valutata come TAN (Total Ammonia Nitrogen) removal rate utilizzando la seguente formula: TAN removal rate (g/m3 giorno) = in – out × Q / V dove in e out rappresentano la concentrazione dell’ammoniaca e dello ione ammonio in entrata ed in uscita del filtro (N-NH4 g/m3), Q il flusso dell’acqua (m3/giorno) e V il volume del supporto filtrante (m3). La densità batterica eterotrofa è stata valutata tramite CFU (Colony Forming Units).I risultati di questo studio preliminare hanno dimostrato una perdita nell’efficienza di filtrazione (TAN removal rate) del 58% quando il rapporto C/N passa da 0 a 0,5. Benché la diminuzione dell’efficienza risulti meno evidente all’aumentare del rapporto C/N (Fig. 1) i risultati sono significativamente differenti fra tutti i C/N testati (P=0,01). La diminuzione del TAN removal rate viene ulteriormente evidenziata dalla diminuzione della produzione di nitrati.L’incremento del rapporto C/N porta ad un aumento della flora batterica eterotrofa fissata sul supporto filtrante che passa da 4,9×102 CFU/grammo di supporto filtrante (C/N 0) a 4,4×104 CFU/grammo di supporto filtrante (C/N 2), mentre i batteri rilasciati dal filtro passano da 4,9×102 CFU/ml a 3×105 CFU/ml (P = 0,014)Esiste, dunque, una relazione lineare fra la biomassa fissata sul supporto filtrante e quella che si libera dai filtri.Risulta interessante notare come il filtro, quando sottoposto ad un arricchimento con un C/N 0, si comporti anche da filtro meccanico trattenendo batteri e solidi sospesi, mentre quando il C/N aumenta i filtri diventano produttori di biomassa batterica.ConclusioniL’efficienza di filtrazione dei filtri biologici pilota si è rivelata, nel complesso, paragonabile a quella di filtri biologici di dimensioni maggiori utilizzati negli allevamenti, in cui in rapporto C/N è mediamente di 0,8. L’effetto inibitore della sostanza organica, messo in evidenza da Zhu e Chen (1999, 2001) utilizzando il saccarosio, è stato confermato in questo lavoro anche per quanto riguarda la sostanza organica, particellata.Il processo di nitrificazione risulta sicuramente inibito dall’aumento della biomassa batterica eterotrofa che compete con i batteri nitrificanti, per lo spazio e per l’ossigeno, ma anche per l’ammoniaca (nitrificazione eterotrofa).I batteri eterotrofi moltiplicandosi migliaia di volte più velocemente di quelli nitrificanti, se supportati da una adeguata quantità di carbonio, possono svilupparsi nelle parti superficiali del biofilm, rendendo difficile la diffusione dei soluti attraverso la matrice esopolisaccaridica verso gli strati inferiori, dove si trovano ibatteri nitrificanti.I risultati ottenuti in questo lavoro preliminare hanno permesso di aumentare i dati disponibili riguardo gli effetti della sostanza organica nei filtri biologici e, dunque, di integrare tali informazioni per il dimensionamento dei filtri biologici negli allevamenti.Inoltre, i dati di densità batterica sono stati inseriti in un modello di funzionamento del compartimento batterico nei RAS, attualmente in fase di sviluppo.Michaud, A. Lo Giudice, V. Bruni, J.P. BlanchetonDipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di MessinaLeggi anche:Il Ciclo dell'azoto 2.0: in pratica


Il Ciclo dell’Azoto 2.0 : in pratica

Le reazioni di nitrificazione sono effettuate da vari ceppi di batteri nitrificanti che sono batteri chemiosintetici, autotrofi obbligati strettamente aerobi, usano direttamente CO2 come sorgente di carbonio, mentre le sostanze organiche sono per loro generalmente tossiche. Vivono nel suolo e nelle acque, prediligendo i luoghi calcarei e non acidi, a pH molto acidi vengono fortemente inibiti o addirittura bloccati, il pH deve essere pH>5,5, la temperatura ideale è 25÷30°C. Ossidano NH3 a NO2- (nitrosazione), e NO2- a NO3- (nitrazione) ricavandone energia sufficiente per la sintesi di composti organici. I due processi di nitrosazione e di nitrazione vengono denominati nel loro insieme nitrificazione. I batteri nitrificanti si dividono in due gruppi: un gruppo ossida NH3 a NO2- passando per l'intermedio idrossilammina NH2OH (batteri nitrosi, tra i quali quelli dei generi Nitrosomonas e Nitrosocystis), un altro ossida NO2- a NO3- (batteri nitrici tra i quali quelli dei generi Nitrospira, Nitrobacter e Nitrococcus).Il filtro biologico deve poi essere preparato adeguatamente come popolazione batterica prima dell’immissione dei pesci, ci sono diverse tecniche più o meno affidabili, dall’inserimento del classico pizzico di mangime, al cucchiaio di latte, dal metodo molto usato in Francia di mettere in vasca una cozza, alla preparazione più affidabile in assoluto, cioè aggiungendo aceto o vodka, ammoniaca o cloruro di ammonio e nitrito di sodio o di potassio; c’è anche il metodo di mettere un bicchiere di urina nell’acquario, il metodo è assolutamente affidabile, anche se il rapporto C/N è elevato, ma le controindicazioni etico ambientali sono evidenti, il partner moglie/marito potrebbe avere delle comprensibili obiezioni e non essere d’accordo con tale metodo di avvio.Il pizzico di mangime o il cucchiaio di latte va bene per acquari da 40 litri dove andranno inseriti 4 guppy, 5 neon e 2 Corydoras, tale infatti è il mangime necessario giornalmente a questi pochi e piccoli pesci; ma se si prevede di inserire un branco di discus con una ventina di Petitella o di cardinali, due M. ramirezi ed un gruppo di Cory, e se si trattasse di un acquario di Ciclidi del Malawi adulti, di un branco di scalari, ma perché no anche di un laghetto con Koi, il discorso evidentemente cambia completamente, il carico di rifiuti metabolici azotati emessi giornalmente da questa popolazione ittica è enormemente maggiore del carico di composti azotati emessi dai pochi pesci della vasca da 40 litri, bisogna prevedere in anticipo quale sarà il carico di composti azotati che il filtro dovrà smaltire giornalmente per prepararlo adeguatamente, pena le classiche tragedie che si leggono poi sul web tipo “aiuto, nitriti”, o “il filtro non funziona”, oppure “nitriti, cosa devo fare”, quante volte lo abbiamo letto? Troppe, e purtroppo lo si legge ancora.Nemmeno il tempo da solo è sufficiente per preparare il filtro come serve, aspettare i canonici 40 giorni senza fornire ai batteri nitrificanti il “nutrimento” necessario è solamente una perdita di tempo, i batteri sono autoliminati in base al carico di composti azotati che hanno a disposizione, se non si fornisce loro il “nutrimento” necessario non si sviluppano nella quantità necessaria.Se avviamo il filtro con il pizzico di mangime, nel filtro ci saranno solamente i batteri nitrificanti in grado di svolgere il ciclo dell’azoto e smaltire il carico di composti azotati derivanti da quel pizzico, che sarà mezzo grammo e che corrisponde alla quantità di cibo necessaria ai 4 guppy, 5 neon e 2 Cory, ma un branco di discus, o di Ciclidi del Malawi, o le Koi per fare degli esempi, necessitano di 10/20 grammi di granulato al giorno, che è 20 o 40 volte tanto rispetto al pizzico, e tutto quel mangime in più si trasforma in ammoniaca ed in nitriti che il filtro non può smaltire perché non ci sono i batteri necessari a completare il ciclo dell’azoto.Da tenere presente che la tossicità a lungo termine dell’ammoniaca nell’acqua, sia dolce che salata, è di 0.0011 mg/l, ciò significa che a pH=7.0 c’è lo 0.55% di ammoniaca ed il 99.45% di ammonio, con 0.3 mg/l di ammoniaca letta con i test abbiamo 0.0017 mg/l di ammoniaca, basta poco per raggiungere la soglia di tossicità.A pH=6.0 invece servono dieci volte tanto di ammoniaca letta al test perché solo lo 0.05% è sotto forma di ammoniaca, ma a pH=8.0 bastano 0.03 mg/l di ammoniaca letta al test per avere 0.002 mg/l di ammoniaca dato che il 5.21% è sotto la forma più tossica ed il 94.79% è sotto forma di ammonio.La tossicità letale CL50 96h è di 0.89 mg/l, cioè con 0.89ppm di ammoniaca il 50% dei pesci muore entro 96 ore, quindi in normale acqua di rubinetto che mediamente ha pH di circa 8.0, con 15 mg/l di ammoniaca letta al test i pesci muoiono in 4 giorni.Per i nitriti il limite di tossicità a lungo termine in acqua dolce è di 0.0054 mg/l e CL50 96h è 0.09 mg/l per la trota iridea, che è sicuramente meno resistente dei normali pesci per acquario, ma per dare un’idea della pericolosità di un avvio del filtro fatto male.Per accelerare la maturazione del filtro, ma soprattutto per farla adeguata al branco di pesci che andrà immesso in vasca nello stesso momento, il metodo ormai usato da noi di MD da parecchi anni, ci sono articoli del 2012 che ne parlano, è quello di inserire ammoniaca non profumata e senza detergenti, e se possibile anche nitrito di sodio, spieghiamo quanto e come.Consideriamo che un discus del diametro del corpo di 12/13 cm (circa 15 cm con la coda) pesa circa 150 gr, necessita giornalmente di 1.5 gr di granulato, ma siccome i pesci appena immessi non mangiano a pieno regime, consideriamo la dose al 50%, quindi 0.75 gr di granulato, che equivalgono a circa 2 cc di ammoniaca al 5%, che è quella maggiormente reperibile in commercio, oppure 0.35 cc di ammoniaca concentrata al 32/33% reperibile in farmacia.Si aggiunge gradatamente ammoniaca (NH4OH nella forma idrata acquistabile in bottiglia) fino ad arrivare alla concentrazione in vasca di circa 3÷5 mg/l, indicativamente servono circa 16 cc di ammoniaca al 5%, o circa 2.4 cc di ammoniaca concentrata al 32/33% ogni 100 litri di acqua dell’acquario, la quantità è indicativa perché l’ammoniaca NH3 è un gas, che assorbito in acqua diventa NH4OH, ma la concentrazione difficilmente è sempre corrispondente a quella dichiarata.Per il nitrito di sodio NaNO2 lo si recupera sotto forma di polvere in farmacia, o da un produttore di salumi dato che è il conservante anti botulino (Clostridium botulinum) per gli insaccati, si sciolgono in un pò di acqua circa 600 mg di nitrito di sodio ogni 100 litri di acqua dell’acquario e si versa in vasca, la concentrazione sarà di circa 4 mg/l.E’ poi utile aggiungere anche una fonte di carbonio organico per gli eterotrofi, bastano 2/3 cucchiai di aceto bianco, meglio se di mele, ogni 100 litri.Per rendere bene l’idea di come funziona il metodo, sotto ci sono tre grafici relativi ai vari metodi di avvio, il primo è relativo al vecchio ed inaffidabile con il pizzico di mangime, o con il cucchiaio di latte, la quantità di batteri che si insediano nel filtro è irrisoria:La differenza tra il secondo ed il terzo metodo, quindi con ammoniaca o con ammoniaca e nitrito di sodio, è solamente il tempo necessario, nel metodo di avvio “completo” tutti i ceppi batterici cominciano ad avviarsi contemporaneamente e da subito.Dopo la prima immissione di ammoniaca, e possibilmente anche di nitrito, si aspetta finche l’ammoniaca comincia a calare, a quel punto basta mantenere costante la concentrazione di ammoniaca a circa 1÷2 mg/l con aggiunte giornaliere di ammoniaca per fornire ai batteri nitrosanti il carico di azoto ammoniacale necessario al loro mantenimento.Quando successivamente anche i nitriti saranno azzerati significa che anche i ceppi dei batteri nitratanti si sono insediati nel filtro, a quel punto in base ai pesci che andranno immessi bisogna calcolare la quantità di ammoniaca necessaria per lo sviluppo dei ceppi nitrosanti e nitratanti che ci servono per concludere l’attivazione del filtro.Esempio: se si prevede di mettere un branco di 10 discus da 12/13 cm il filtro dovrà smaltire 10 x 2 cc = 20 cc di ammoniaca al 5% al giorno, se per mantenere la concentrazione di 1÷2 mg/l servivano 10 cc al giorno, si aumenta gradatamente la dose giornaliera di ammoniaca del 20% fino ad arrivare ai 20 cc necessari, quindi il giorno dopo che anche i nitriti sono azzerati si aggiungono 12 cc di ammoniaca, il giorno dopo 14 cc, poi 16 cc e così via fino ad arrivare ai 20 cc che ci servono, o per meglio dire che serviranno al filtro per non fare intossicare i pesci.Naturalmente se oltre ai 10 discus ci saranno anche 30 cardinali, 10 Cory e una coppia di M. ramirezi servirà un po’ di più di ammoniaca, altri 4 cc in questo caso, quindi l’avvio sarà terminato quando il filtro smaltirà 24 cc di ammoniaca al 5% al giorno.Le aggiunte di ammoniaca vanno fatte fino al giorno prima dell’immissione dei pesci, e naturalmente uno o due giorni prima dell’immissione va fatto anche un sostanzioso cambio di acqua con acqua stabulata ed alla stessa temperatura per abbassare i nitrati che inevitabilmente ci saranno.Dopo che il filtro è pronto i pesci vanno inseriti tutti assieme, o perlomeno va inserito il gruppo di pesci più grandi e più numeroso, non si possono inserire i 30 cardinali e dopo una settimana i 10 discus o gli scalari altrimenti il filtro soffre perché il carico di composti azotati emesso dai pochi pesci presenti in quella settimana non è in grado di supportare tutti i batteri nitrificanti che erano attivi nel filtro al termine dell’avvio, e se i batteri muoiono è come se l’avvio non fosse stato fatto. Adesso che il filtro è pronto, bisogna mantenerlo attivo al massimo delle sue potenzialità.La fauna eterotrofa è in competizione con i batteri nitrificanti, in caso di carico organico definito come BOD (acronimo di domanda biochimica di ossigeno o Biochemical Oxygen Demand) molto elevato rispetto ai composti azotati non ossidati (definito come TKN in onore del suo scopritore Johan Kjeldahl, acronimo di azoto totale di Kjeldahl o Total Kjeldahl Nitrogen) abbiamo una sensibile diminuzione dei nitrificanti.Capita che in vecchi acquari funzionanti egregiamente da anni, l’acqua diventa lattiginosa e nei casi peggiori può emanare un cattivo odore, se il carico organico aumenta considerevolmente gli etrotrofi prendono il sopravvento sui nitrificanti e data la maggiore velocità di crescita degli eterotrofi rispetto ai nitrificanti, può diventare un problema serio.Il biofilm è stratificato, lo strato esterno soffre di meno delle limitazioni diffusionali ma è più esposto al distacco, sopravvivono le specie eterotrofiche che crescono più rapidamente, gli autotrofi nitrificanti crescono più lentamente e si ritrovano più in profondità dove sono più protetti dal distacco, le limitazioni diffusionali dei vari ceppi batterici ed il consumo di O2 per l’ossidazione del BOD possono rendere limitante l’ossigeno per i nitrificanti e diminuisce l’efficacia del filtro.Tanto maggiore è lo spessore del biofilm, e maggiore sarà la sua possibilità di distacco, quindi il flusso attraverso il filtro va calcolato adeguatamente per impedirne l’inspessimento, cosa già discussa in un altro articolo.Bisogna sapere poi che il biofilm non è eterno, mediamente ha una vita di 10÷15 giorni, poi si rinnova, ma deve essere in grado di poterlo fare, come si nota dal grafico della crescita della popolazione batterica nella curva batteri/tempo si distinguono quattro fasi, ciascuna caratterizzata da una certa velocità di rinnovo della popolazione.Nel tratto A-B di latenza all’inizio la velocità di crescita è quasi zero, nella fase esponenziale B-C (fase logaritmica) la velocità di crescita raggiunge il valore massimo, poi c’è la fase stazionaria C-D dove sostanzialmente la crescita è uguale a zero, ed infine la fase di letalità (fase endogena) nella quale la crescita ha un valore negativo.Nella crescita della popolazione batterica non sempre esiste una fase di latenza e la sua durata è molto variabile, quando le sostanze nutritive non vengono rinnovate, la crescita esponenziale continua solo per un certo tempo, la sua diminuzione è legata all’accumulo di prodotti metabolici tossici od al progressivo esaurirsi dei composti azotati necessari al nutrimento batterico, a qual punto subentra la fase stazionaria e successivamente la letalità, motivo per cui l’ammoniaca deve essere aggiunta fino al giorno prima dell’arrivo dei pesci.Durante la fase di crescita logaritmica le sostanze nutritive vengono consumate rapidamente, compresa la sostanza organica biodegradabile BOD per cui i batteri cominciano ad utilizzare il polisaccaride glycocalyx che costituisce il biofilm causandone quindi il distacco, quando il biofilm è sufficientemente ridotto i batteri presenti che nel frattempo sono accresciuti come numero, risultano più strettamente associati generando una positiva diminuzione dello spessore del biofilm stesso (cosa spiegata in un altro articolo) , ma gli effetti negativi del distacco e della disgregazione del biofilm superano gli effetti positivi.Un inoculo saltuario con prodotti seri che contengano davvero ceppi batterici nitrificanti attivi è quindi sicuramente positivo, si provvede ad un ricambio continuo dei batteri nitrificanti evitando sia la fase di letalità, sia che gli eterotrofi prendano il sopravvento.Anche l’effetto del pH sul processo di ossidazione biologica è importante per l’influenza che ha sulle reazioni enzimatiche, in un sistema eterogeneo si cerca di mantenere il pH nel campo 6.5÷8.5 in modo da ottimizzare queste reazioni, un rapido cambio del pH fa diminuire in maniera importante l’attività biochimica delle colonie batteriche.Il pH ha poi un effetto selettivo nei confronti dei microrganismi, man mano che si scende nel campo acido i funghi competono fino a prendere progressivamente il sopravvento con pH<5.0÷5.5.I funghi sono organismi multicellulari strettamente aerobici di tipo eterotrofo che per svilupparsi hanno bisogno di un substrato organico, non sono in grado di compiere la fotosintesi e devono nutrirsi di sostanze elaborate da altri organismi, il corpo vegetativo è costituito da un intreccio di filamenti ramificati detto ife che costituiscono il micelio, secernono vari enzimi che penetrano nel substrato organico e lo digeriscono, i prodotti della digestione vengono poi assorbiti dalle ife, non hanno bisogno di luce, non richiedono molto ossigeno , sopravvivono anche a pH molto acidi e sono in grado di attaccare e degradare sostanze organiche come la cellulosa.Quelli che interessano maggiormente nella depurazione delle acque sono funghi di dimensioni microscopiche dell’ordine di 2÷4 µm, contrariamente ai batteri hanno la capacità di resistere anche in condizioni di scarsa umidità, si sviluppano per spore e quindi riescono a resistere anche per lunghi periodi in ambienti non adatti, per poi riprendere la loro vitalità una volta ristabilite le condizioni ambientali a loro favorevoli.I funghi partecipano ai processi depurativi aerobici e sono presenti soprattutto nel biofilm.Da tenere presente che alcuni di questi funghi possono essere patogeni nei confronti di pesci deboli.E’ importante anche l’influenza del pH sulla denaturazione delle proteine a valori inferiori a 5.0, basta pensare che le cellule batteriche hanno una composizione prevalentemente proteica si intuisce che la condizioni di elevata acidità portano alla loro morte.Una cosa molto importante quanto semplice, e che spesso viene considerata in maniera sbagliata a causa di vecchie leggende metropolitane, l'ossigeno. La saturazione dell'ossigeno serve per fare funzionare ottimamente tutto il sistema acquario, i pesci sopravvivono con 4ppm di ossigeno, vivono con 6ppm, stanno alla grande con 7÷8ppm, stesso discorso per il classico filtro ossidante, i batteri ossidano i composti azotati fino a nitrati solo in presenza di ossigeno, in una vasca popolata con pesci e piante, le piante non sono assolutamente in grado di mantenere elevata la saturazione di ossigeno, il tubo di mandata del filtro posto sotto il livello dell'acqua non è in grado di apportare l'ossigeno necessario al sistema acquario, oltre tutto in una vasca normo popolata dopo un pò spesso si forma la classica pellicola biancastra oleosa sulla superficie formata da batteri in una matrice di polisaccaridi che rallenta ulteriormente lo scambio gassoso tra l'acqua e l'aria. Quindi diamo ossigeno al nostro sistema acquario, più c'è n'è, e meglio è. Passiamo adesso a calcolare quanta superficie filtrante ci serve.Non dimentichiamo che le proteine sono composte per il 16% da azoto, 1 gr di mangime al 40% di proteine contiene 64 mg di azoto, per cui si generano 78 mg di ammoniaca e/o 283 mg di nitrati, quindi 10 mg di qual mangime al giorno in una vasca da 400 litri corrispondono a 50 mg/l di nitrati alla settimana.Tutto questo non considerando il valore biologico VB dell’azoto e delle proteine, che andrebbe calcolato in base all’azoto inserito, derivante dalla proteina grezza, e calcolando l’azoto assorbito e l’azoto trattenuto al netto di quelli eliminati sotto forma di azoto fecale ed azoto urinario, si calcola:VB = N ingerito – ( N fecale + N urinario) / N ingerito - N fecaleLa formula in realtà esprime un Valore Biologico Apparente in quanto andrebbe depurato da 2 fonti di azoto endogene che non hanno direttamente a che fare con la quota digerita e con la quota assorbita dell’azoto alimentare, l’azoto fecale metabolico (N.F.M.) e l’azoto urinario endogeno (N.U.E.), quindi:Bilancio dell’azoto = ( proteine ingerite / 6.25 ) – ( N urinario – X )dove 6.25 è il rapporto considerando il 16% di azoto nelle proteine, ed X sono le perdite di azoto sommando l'azoto urinario, l'azoto fecale e le perdite di azoto da altre vie (squame, muco, ecc).La quantità di proteine assunte con la dieta dipende dal bilancio dell'azoto, l'equilibrio nel bilancio dell'azoto significa che l'azoto assunto giornalmente con la dieta bilancia quello perso, nel pesce sano il bilancio è nullo, in caso di malattia o denutrizione diventa negativo a causa del catabolismo proteico causato da sostanze note come citochine infiammatorie, durante la crescita il bilancio tende ad essere positivo.Per semplicità calcoliamo il bilancio dell’azoto partendo dalla quantità di azoto presente nelle proteine che come detto è del 16%.Per pesci giovani in accrescimento la quantità di cibo giornaliera è il 2% della massa corporea, mentre per i pesci adulti la quantità viene dimezzata al 1% della massa, i dati per i filtri a letto mobile tipo percolatori umidi indicano 10 m2 come superficie di biofilm necessaria alla nitrificazione di 50 gr di mangime al 40% di proteine.Questo dato è valido solo per filtri percolatori in condizioni ottimali utilizzati in impianti di ittiocoltura per pesci destinati ad uso alimentare.Nei filtri per acquari l’efficienza viene dimezzata, quindi per 25 gr di granulato servono 10 m2 di biofilm, naturalmente in condizioni ottimali, e una tale superficie dipende dal materiale filtrante utilizzato e dalla gestione del biofilm, i cannosint per esempio teoricamente dispongono di una superficie elevatissima, circa 37 m2/l, ma solo se lo spessore del biofilm è ridotto altrimenti il rendimento è di poco superiore ai vecchi cannolicchi ceramici che hanno una superficie di 1.26 m2/l; usando male i cannosint possiamo comunque ottenere circa 2 m2/l , quindi per 2,5 kg di pesci adulti che mangiano 25 gr al giorno di granulato al 40% di proteine servono 5 litri di cannosint.Il dato è incredibilmente più basso rispetto ai mega filtri che vengono utilizzati dagli acquariofili in genere, ma come dico spesso serve un grande filtro, non un filtro grande, perché se il rapporto C/N è elevato, se il pH è acido, se l’ossigeno non è sufficiente, se il flusso è basso ed il biofilm si inspessisce, se i cannosint sono coperti da sporco o da fanghi, se gli eterotrofi hanno sostituito parte dei nitrificanti, se la durezza temporanea non è sufficiente, se il filtro è illuminato, cambia tutto ed allora si che serve un filtro grande.Per rendersi conto della cosa basta una semplice osservazione, il volume dei filtri esterni e la capacità dichiarata dal produttore, un filtro esterno per vasche da 800 litri viene utilizzato per vasche da 400 litri, anzi ne vengono utilizzati due per sicurezza, quadruplicando di conseguenza la capacità filtrante, quindi o gli acquariofili in genere utilizzano dei margini di sicurezza elevati (diciamo così), o tutti gli ingegneri che progettano i filtri esterni sono degli incompetenti (difficile da credere).


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