Biofilm ve filtru

biofilm ve filtračním médiu

Hnědou hmotu, která se tvoří v akvarijních filtrech, často nazýváme biofilm, což není přesné. Hmotu tvoří směs polysacharidů a proteinů s bakteriemi, prvoky, houbami a vodními plísněmi. Pro účely tohoto článku budeme tenký vnější povrch hnědé hmoty nazývat „biofilm“. Vnitřek má jinou bakteriální populaci než biofilm a budeme ho jednoduše nazývat „hmota“.

Prvně musíme zbořit dva velké mýty
  • Prvním mýtem je tvrzení, že prakticky všechny prospěšné bakterie ve filtračním médiu jsou pevně vázány na povrchu média, nikoli na hnědou hmotu, která se ve filtru tvoří.
  • Druhý mýtus, prosazovaný některými dodavateli filtračních médií, je ten, že většina bakterií žije uvnitř „porézních“ médií.

V obou případech je pravdou pravý opak. Povrch hnědé hmoty vytvořené na filtračním médiu a mezi médii obsahuje valnou většinu prospěšných bakterií. Vnější povrch filtračního média naopak hostí jen velmi malé množství prospěšných bakterií.  Uvnitř filtračních médií (např. keramické kroužky) nejsou ŽÁDNÉ prospěšné bakterie!

Co je tedy ta hnědá hmota

Všechna akvária tuto hmotu ve větší či menší míře obsahují. Někdy ji označujeme jako „odpad“, „detrit“, „mulm“, „kal“, „bahno“ atd… Nicméně jde o mnohem složitější látku, než si většina akvaristů uvědomuje.

Mnoho druhů bakterií a organismů, které v této hmotě žijí, vytváří uspořádanou strukturu s vrstvami a kanály, které jsou velmi účinné při detoxikaci a odstraňování amoniaku z vody. Tato struktura také účinně odstraňuje rozpuštěné organické sloučeniny. Malé otevřené kanálky zajišťují, že kyslík proniká velmi silnými vrstvami hmoty prostřednictvím Brownova pohybu a difúze. Takže ani velmi silné nánosy nejsou hypoxické (bez kyslíku). Hypoxické stavy poznáte jednoduše tak, že páchnou, a to hodně… Viděl jsem mnoho filtrů, kde je nahromadění hnědou hmotou obrovské, a byly zcela bez zápachu.

Hmota se nejlépe formuje v pórech otevřených filtračních médií (uretanová pěna) a na površích filtračních médií (keramické kroužky). NIKDY se NEnachází uvnitř keramických médií. Občas ji můžeme pozorovat ve formě volně plovoucích shluků, kterým říkáme mulm.

Ve zvětšení hnědá hmota vypadá takto:

struktura hnědé hmoty

Struktura se podobá uretanové pěně, je porézní a voda jí snadno proniká. Je to samozřejmě v mnohem menším měřítku než uretanová pěna. Oranžová a fialová tělíska jsou prospěšné bakterie (jak heterotrofní, tak autotrofní), stěny tvoří sliz, který tyto organismy produkují.

Níže je pohled z elektronového mikroskopu.

foto biofilmu

biofilm

Detailnější popis

Věda o této hmotě je poměrně složitá. Technicky se biofilmy netvoří pouze na povrchu média ve filtru. Tvoří se i v dutinách, kde vytváří rosolovité „kuličky“. Pokud je tok skrz mezery filtračního média příliš rychlý, hmota se nevytvoří. Pokud je průtok příliš pomalý, organické sloučeniny a amoniak, které prospěšné bakterie konzumují, se k bakteriím nedostanou, takže ty je nemohou odstranit/přeměnit. Ve skutečnosti je obtížné předvídat výkon média ve filtru, zejména při velkém množství ryb. Do toho všeho si ještě musíme zavést pojem biofilm. Jak již bylo zmíněno výše, za biofilm považujeme pouze tenkou vrstvu na povrchu hmoty. Je to proto, že tenká vnější vrstva má jinou bakteriální populaci než vnitřní vrstvy. Prospěšné nitrifikační bakterie se nacházejí na povrchu, takže v zavedených filtračních médiích se většina oxidace amoniaku odehrává právě zde.

Biofilm

Biofilm nalezený v rychlých proudech nebo tam, kde je málo živiny, je silný pouze jako lidský vlas. Je houževnatý a prakticky neodstranitelný. Zároveň se v těchto podmínkách netvoří žádná hnědá hmota. Ta se naopak tvoří v oblastech s nižším průtokem a na svém povrchu má biofilm o jiném složení.

Dobrým příkladem dvou typů biofilmů jsou biofilmy, které se tvoří na zubech:

  • Měkký hustý zrnitý biofilm se objeví na zubech, pokud si je několik dní nečistíte. Tvoří se rychle a lze jej snadno odstranit zubním kartáčkem.
  • Během několika měsíců se na zubech vytvoří tenký, hladký a tvrdý biofilm. Ten odstraníme jen ocelovými/ultrazvukovými nástroji u dentální hygienistky.

Totéž se děje se všemi filtračními médii. Měkký tlustý biofilm se rychle vytvoří během týdnů a tvrdý tenký biofilm se tvoří mnoho měsíců. Tenký biofilm se obvykle tvoří pod měkkým biofilmem, (podobně jako na zubech). OBĚ formy biofilmu jsou dokonale schopné oxidovat amoniak a absorbovat rozpuštěné organické sloučeniny.

Prospěšné bakterie se nacházejí pouze v horních 0,05 mm jakéhokoli biofilmu. Důvodem je energie produkovaná oxidovaným amoniakem na dusičnany. Jde totiž o reakci s velmi nízkou energií. Každá prospěšná bakterie tedy potřebuje kontaktovat a adsorbovat miliony molekul amoniaku. K tomuto kontaktu může dojít pouze při rychlém turbulentním proudění vody. Prospěšným bakteriím se tedy daří dobře na povrchu struktur (nikoliv uvnitř), kolem kterých je dobrý průtok vody.

Co je dobré si uvědomit: Starý hrubý a nepravidelný biofilm má mnohem větší povrch (2-10x), než nový rovný biofilm, takže schopnosti biofilmu se zlepšují ruku v ruce s tím, jak stárne.

Ilustrace vše vysvětlí

To lze nejlépe ilustrovat na průřezu jedné uretanové pěnové buňky o průměru zhruba (30 ppi) v typickém akvarijním filtru v průběhu času:

průtok vody filtračním médiem

Ilustrace výše ukazuje, jak se zvyšuje biologická aktivita prospěšných bakterií. Červené čáry (biofilm) jsou JEDINÉ oblasti, kde je prospěšná nitrifikační bakteriální aktivita. Není to objem hmoty, ale její povrch, který je důležitý. Hmota je v optimu v pátém měsíci. Po 6 měsících získá hmota dostatečný objem, aby začala zastavovat průtok a tím snižovat biofiltraci. Toto šestiměsíční období je typické pro dobře filtrovaná a silně zarybněná akvária a filtrační pěnu s póry 30 ppi. Pokud se množství uretanové pěny sníží, doba se zkrátí. Malé množství pěny v malých filtrech ve velkých akváriích se může za dva týdny ucpat. U silně filtrovaných akvárií s velkým množstvím filtrační pěny se naopak pěna nikdy neucpe.

Ne všechna hnědá „hmota“ je dobrá

Rychle vytvořená hnědá hmota má více heterotrofních bakterií a méně autotrofních nitrifikačních prospěšných bakterií. To znamená, že obsahuje méně prospěšných mikroskopických organismů. Takže čím rychleji tato hmota vzniká, tím méně žádoucí je (navíc rychle zpomaluje průtok vody filtrem). Naopak čím pomaleji se tvoří, tím lépe udržuje vodu v akváriu křišťálově čistou a bez bakterií.

Dalším faktorem je síla vytvořené hmoty/biofilmu. Pokud se hmota vytvoří rychle, například za dva týdny, bude velmi slabá a snadno se rozbije. Rychle cyklovanému houbovému filtru, který se vyjme z jedné nádrže a vloží do jiné, bude trvat dny nebo dokonce týdny, než znovu získá jakoukoli schopnost oxidovat čpavek. Pouhý akt pohybu zničí strukturu biofilmu. Hmota/biofilm, který se tvořil pomalu, po dobu několika měsíců, je mnohem silnější. Houbový filtr, který byl v provozu několik měsíců, lze obvykle přesunout z jedné nádrže do druhé s malým nebo žádným dopadem na jeho schopnost oxidovat čpavek.

rychlost vzniku hmoty

Čištění hnědé hmoty

V akvaristice je hluboce zakořeněný koncept „čistoty“. Cokoli „špinavého“ se hned snažíme odstraňovat, což často není ku prospěchu věci. Jeden dobře míněný, ale nepřesný výrok tvrdí: „Pokud se hlavní biologické médium zašpiní nebo pokryje slizem, biologická aktivita se výrazně sníží.“ Opak je pravdou! „Sliz“, o kterém se tu mluví, je tlustá vrstva biofilmu s velkým povrchem osídlený prospěšnými bakteriemi. To je přesně to, co ve svém biologickém médiu chcete.

Vliv krmení

V akváriích existuje zajímavý vztah. Množství prospěšných nitrifikačních bakterií, hnědé hmoty a dusičnanů produkovaných ve filtračním médiu závisí na poměru uhlíku k dusíku v krmivu. S vyšším poměrem uhlíku k dusíku se produkuje méně prospěšných nitrifikačních bakterií, více hnědé hmoty obsahující dusík a méně dusičnanů. Je tedy žádoucí používat krmivo s vysokým obsahem bílkovin (nízký poměr uhlíku k dusíku) a zvýšenou produkci dusičnanů kompenzovat častější výměnou vody. Hodně hnědé hmoty s malým množstvím prospěšných bakterií je k ničemu. Zanáší filtraci a vše zpomaluje.

Složení krmiva hraje významnější roli, než by se na první pohled mohlo zdát. Krmivo s obsahem bílkovin 50% bude mít poměr uhlíku k dusíku zhruba 5,4:1, krmivo s obsahem bílkovin 35% má poměr uhlíku k dusíku zhruba na 13,5:1, tedy téměř dvaapůlkrát více. Co to znamená?

  • 35% bílkovin = velké množství hnědé hmoty, která se rychle hromadí. Nízké množství prospěšných nitrifikačních bakterií a časté výkyvy amoniaku.
  • 50% bílkovin = málo hnědé hmoty, mnoho prospěšných nitrifikačních bakterií, křišťálově čistá voda a žádné výkyvy amoniaku.

Pozor! Krmivo s obsahem alespoň 50% bílkovin vyžaduje dvojnásobnou výměnu vody než krmivo s 35% bílkovin.