Er zijn verschillende algemene soorten nuttige bacteriën die betrokken zijn bij de oxidatie van ammoniak tot relatief veilig nitraat in het zoetwater aquarium. Wetenschappers noemen deze organismen "nitrificerende" bacteriën en archaea. We zullen de term "heilzame bacteriën" gebruiken voor zowel de nitrificerende bacteriën als de nitrificerende archaea. Hieronder in dit artikel proberen we de complexe wetenschap van "heilzame bacteriën" uit te leggen.
Deze informatie is niet nodig voor het opzetten van nieuwe aquaria of het beheren van bestaande aquaria. Maar sommigen verdiepen zich graag in de wetenschap. Lees verder als je dat wilt. Wees alleen voorbereid op een saaie, langdradige verhandeling waar alleen echte nerds zoals de auteur in geïnteresseerd zullen zijn.
Heilzame bacteriën in meer detail
Vanuit een puur wetenschappelijk perspectief zijn er een hele reeks "heilzame bacteriën" en elk jaar worden er meer ontdekt.
De opeenvolgende stappen van dit ademhalingsproces worden uitgevoerd door verschillende microbiële groepen, waaronder ammoniakoxiderende bacteriën (AOB) en archaea (AOA), nitrietoxiderende bacteriën (NOB) en recent ontdekte leden van het genus Nitrospira die volledige ammoniakoxidatie (comammox) uitvoeren. Hoewel al deze nitrificeerders zijn geïdentificeerd in waterzuiveringssystemen, is hun relatieve bijdrage aan de stikstofcyclus slecht begrepen. Hoewel AOA bijdraagt aan nitrificatie in veel afvalwaterzuiveringsinstallaties, worden ze over het algemeen overtroffen door AOB. Daarentegen domineren AOA en comammox Nitrospira meestal omgevingen met relatief weinig ammoniak, zoals drinkwaterzuivering, tertiaire afvalwaterzuiveringssystemen en aquacultuur/aquariumfiltratie.
"Ammoniak-oxiderende archaea en complete ammoniak-oxiderende Nitrospira in waterzuiveringssystemen", Al-Ajeel 2022:
"Heilzame bacteriën" zijn verantwoordelijk voor wat bekend staat als de stikstofcyclus in een aquarium. Deze bacteriën groeien en vermenigvuldigen zich ALLEEN op oppervlakken, ze groeien en vermenigvuldigen zich NIET vrij zwevend in het aquariumwater (dat is een heel oude aquariummythe). Sommige van deze "heilzame bacteriën" oxideren ammoniak in twee stappen. De eerste stap is de oxidatie van ammoniak NH₃ tot nitriet NO₂ (AOB en AOA). Nitriet NO₂ wordt vervolgens geoxideerd tot nitraat NO₃ (NOB), dat veel minder giftig is dan ammoniak of nitriet. Sommige bacteriën doen deze oxidatie in één enkele stap (comammox Nitrospira).
Omdat deze chemische processen zeer energiezuinige reacties zijn, hebben deze bacteriën veel moleculen van alle chemicaliën nodig om te metaboliseren. Ze hebben iets nodig dat "turbulente waterstroming" wordt genoemd om de chemicaliën in grote hoeveelheden naar de bacteriële oppervlakken te krijgen. Alle "heilzame bacteriën" die betrokken zijn bij deze ammoniak oxidatie hebben hoeveelheden zuurstof (meer dan 80% water verzadiging), kooldioxide en ammoniak nodig om te gedijen. Ze hebben ook allemaal een oppervlak nodig om zich aan vast te houden, geen van hen kan zich vrij zwemmend voortplanten. Ze vermenigvuldigen zich allemaal erg langzaam, met GEEN uitzonderingen.
Deze "heilzame bacteriën" worden "obligatieve autotrofen" of "obligatieve chemotrofen" genoemd. Dit betekent dat deze bacteriën zich niet kunnen voeden met "normaal" voedsel, namelijk eiwitten en koolhydraten. Deze bacteriën MOETEN (let op de term MOETEN!) zich voeden met chemicaliën (dit is de term "chemotrofen"), namelijk drie dingen: ammoniakgas NH₃, carbonaat CO₃, en zuurstof O₂. Ze gebruiken deze chemicaliën om de eiwitten en ingrediënten in hun lichaam aan te maken.
Omdat deze bacteriën zich voeden met deze drie chemicaliën, zal alles wat de hoeveelheid van deze drie chemicaliën verhoogt, de snelheid waarmee de heilzame bacteriën zich vermenigvuldigen verhogen.
De benodigde indraai tijd van een aquarium kan dus theoretisch worden verminderd met:
- Meer ammoniak NH₃ toevoegen
- Meer carbonaten CO₃ toevoegen
- Meer zuurstof O₂ toevoegen
Maar het effect van het toevoegen van meer van deze bacteriën is veel minder dan de populaire "wetenschap" zegt. Het meeste onderzoek naar nuttige bacteriën is gebaseerd op rioolwaterzuivering. Rioolwaterzuivering is heel iets anders dan geoxideerde ammoniak in een aquarium. Velen wijzen bijvoorbeeld op de voordelen van biowielen op filters. Biowielen zijn gebaseerd op het gebruik van ronde beluchtingsschijven bij rioolwaterzuivering. De bewering is dat, omdat zuurstof belangrijk is bij de oxidatie van ammoniak, je een grote hoeveelheid zuurstof nodig hebt die een wiel levert.
Maar zelfs tijdens cycli, waarbij je misschien 2 ppm ammoniak per dag toevoegt, heb je maar 2×3,6 = 7 ppm zuurstof nodig om de ammoniak op één dag te oxideren. 7/24 = 0,3 ppm per uur. Elke fatsoenlijke beluchting voegt 1 tot 10 ppm zuurstof per uur toe aan een aquarium. In een aquarium is zuurstof dus GEEN beperkende factor en meer toevoegen met iets als een biowiel helpt niet veel. In een rioolwaterzuiveringsinstallatie kan de ammoniak 40 ppm zijn met een verblijftijd in uren, een veel andere situatie. Dat gezegd hebbende, adviseren we wel om ZEER zwaar te beluchten tijdens het cyclen.
Omdat heilzame bacteriën een hogere stroomsnelheid nodig hebben dan in de meeste aquaria wordt aangetroffen, hebben onderzoeken ("Temporal and Spatial Stability of Ammonia-Oxidizing Archaea and Bacteria in Aquarium Biofilters", Bagchi et. al., 2014) aangetoond dat 80% tot 84% van de nuttige bacteriën in een aquarium zich in het filtermedium bevindt. De substraat, de aquarium wanden en de ornamenten dragen slechts voor 16% tot 20% bij aan ammoniak oxidatie en helder water. En in een zeer goed gefilterd aquarium met kristalhelder water zal dit nog schever zijn, eerder 95% - 5%.
Maar vergeet niet dat moeder natuur heel flexibel is. Het is mogelijk om de substraat en de ornamenten in een aquarium te dwingen om de biofiltratie te doen. Als je bijvoorbeeld alleen sponsfilters in een aquarium gebruikt en die sponsfilters één keer per week goed uitspoelt onder stromend water, dwing je het substraat en de ornamenten om het biofilter te worden. Dit is een acceptabele manier. Maar probeer dit niet met een zware vis bezetting.
Mythes over nuttige bacteriën
Er zijn verschillende zeer sterke mythes over nuttige bacteriën die voortdurend in de sociale media worden rondgebazuind.
Dit zijn:
- #1 Heilzame bacteriën zijn de enige nuttige organismen in een filter
- #2 Heilzame bacteriën sterven snel zonder voedsel
- #3 Hoog nitriet niveaus remmen de groei
- #4 Hoge ammoniak niveaus remmen de groei
- #5 Er zijn speciale stammen van heilzame bacteriën
- #6 Nuttige bacteriën stoppen met reproduceren aan het einde van de cyclus
- #7 Het toevoegen van veel nieuwe vissen aan een lang bestaand filter zal een beperkte hoeveelheid heilzame bacteriën overweldigen.
- #8 "Bacterial blooms" zijn heilzame bacteriën
Al deze mythes zijn gewoon niet waar!
Hieronder gaan we dieper in op deze mythes.
Mythe #1: Heilzame bacteriën zijn de enige nuttige organismen in een filter
Goedbedoelende maar slecht geïnformeerde individuen op sociale media zeggen dat "nuttige bacteriën", d.w.z. nitrificerende bacteriën die ammoniak oxideren, de enige organismen van belang zijn in een biofilm. Ze zeggen dat je ALLEEN voldoende oppervlakte in een filter nodig hebt om de ammoniak uit het water te verwijderen. Maar er zijn veel meer nuttige organismen dan nuttige nitrificerende bacteriën in een aquarium.
Het bruine filterslib in een filter is voor het grootste deel levend en niet zomaar afval. Het verwijderen van deze modder doet meer kwaad dan goed. Het doel van het filtermedium is niet om deeltjes uit het water te filteren, zoals vaak wordt aangenomen. De media dienen als leefgebied voor een breed scala aan micro-organismen, waaronder bacteriën, archaea, wormen, ciliaten, flagellaten en vele andere. Deze micro-organismen leven in een gemeenschap die is gebaseerd op biofilms. De biofilms worden gemaakt door bacteriën die extracellulaire polymere substantie (EPS) afscheiden, wat 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 waterverversingen. Het kost veel tijd om deze "filtergemeenschap" op te zetten; daarom is het erg belangrijk om het niet te storen, tenzij absoluut noodzakelijk.
Swiss Tropicals
Dit is waarschijnlijk de meest intelligente uitspraak die een distributeur van aquariumproducten ooit heeft gedaan.
Zoals het Poret artikel al aangeeft, bevinden zich in de meeste biofilms in het aquariumfilter een heleboel nuttige organismen. Deze nuttige organismen blijven groeien en zich voortplanten lang nadat een filter voldoet aan de technische definitie van "gecycled".
Deze beweringen dat nitrificerende bacteriën de enige belangrijke organismen zijn, gaan voorbij aan het feit dat overfiltratie de sleutel is tot kristalhelder water en gezonde vissen, omdat het bacteriën en opgeloste organische verbindingen uit het water verwijdert. De heterotrofe bacteriën in de bruine smurrie in een filter verwijderen opgeloste organische verbindingen uit het water. Dit is erg belangrijk voor de gezondheid van de vissen.
En er zijn een heleboel rotiferen en ciliaten die de bacteriën in de waterkolom opeten terwijl de bacteriën uit het aquarium over hen heen stromen. Deze vermindering van bacteriën in de waterkolom zorgt voor kristalhelder water en, nog belangrijker, zeer gezonde vissen. Voor kristalhelder water is ruwweg twintig keer zoveel oppervlakte nodig als voor ammoniakoxidatie.
Hier is een interessante grafiek:
| Waterverontreiniging | Biofiltratie | Mechanische filtratie | De meeste chemische filtratie | Ultraviolet |
|---|---|---|---|---|
| Ammoniak en nitriet | Verwijdert | |||
| Slechte bacteriën | Verwijdert | Verwijdert | ||
| Ziekteverwekkers zoals witte stip | Verwijdert | Verwijdert | ||
| Opgeloste organische stoffen | Verwijdert | |||
| Uitwerpselen, niet opgegeten voedsel | Verwijdert | Verwijdert | ||
| Drijvende algen | Verwijdert | Verwijdert | Verwijdert | |
| Looizuur, kleurstoffen, geuren | Verwijdert |
Biofiltratie is duidelijk gemakkelijk 80% van het spel volgens deze tabel.
Zoals hierboven vermeld zijn "nuttige bacteriën" of "nitrificerende bacteriën" autotrofe organismen die zich voeden met chemische stoffen zoals ammoniak en nitriet. De andere grote categorie organismen zijn heterotrofe organismen, die zich voeden met koolhydraten, eiwitten, plantaardig en dierlijk materiaal. Het is interessant om bovenstaande grafiek nog verder uit te splitsen:
| Waterverontreiniging | Autotrofe biofiltratie | Heterotrofe biofiltratie |
|---|---|---|
| Ammoniak en nitriet | Verwijdert | |
| Slechte bacteriën | Verwijdert | |
| Ziekteverwekkers zoals witte stip | Verwijdert | |
| Opgeloste organische stoffen | Verwijdert | |
| Uitwerpselen, niet opgegeten voedsel | Verwijdert | |
| Drijvende algen | Verwijdert | |
| Looizuur, kleurstoffen, geuren |
Dit geeft een idee van hoe belangrijk heterotrofe organismen in het filter zijn.
Mythe #2 Nuttige bacteriën sterven snel zonder voedsel
Er is een mythe die door veel goedbedoelende maar slecht geïnformeerde mensen op sociale media wordt verspreid dat de "nuttige bacteriën" doodgaan als ze niet minstens één keer per dag voedsel krijgen. Dit is niet waar, de "nuttige bacteriën" leven maanden tot jaren zonder voedsel. Referentie "Strategies of Aerobic ammonia-oxidizing Bacteria for Coping with Nutrient and Oxygen Fluctuations", Geets et. al. 2006:
Nitrosomonas europaea-cellen die weken, maanden of zelfs bijna een jaar van ammonium waren uitgehongerd, waren in staat om binnen enkele minuten hun ammoniakoxiderende activiteit terug te krijgen in batch- en retentostat-experimenten.
Wilhelm et al., 1998; Tappe et al., 1999; Laanbroek & Bär-Gilissen, 2002:
In het boek "The Isolation and Study of Nitrifying Bacteria" ontdekte W. Gibbs in 1919 dat BB of nuttige bacteriën (wetenschappelijk gezien zijn dit "aerobe nitrificerende bacteriën") hun potentie verzegeld in een fles met lucht en vocht erin zeven jaar lang behielden. BB is een zeer primitief, aëroob organisme met een laag metabolisme. BB sterft niet na maanden of jaren zonder voedsel. Ze hoeven alleen maar nat en open voor de lucht te worden gehouden.
Het is belangrijk om op te merken dat Gibbs vochtige, niet-organische grond in een fles met veel lucht deed. De hoeveelheid lucht ten opzichte van de hoeveelheid organisch materiaal is belangrijk. Als er een kleine hoeveelheid lucht was en een grote hoeveelheid organisch materiaal, zou het zuurstofgehalte gedaald zijn tot onder het niveau waarop de nuttige bacteriën kunnen overleven. In Gibbs fles zouden ze in dat geval zijn omgekomen.
Hoewel het drogen van nuttige bacteriën hun effectiviteit lijkt te verminderen, is er anekdotisch bewijs dat drogen de nuttige bacteriën niet doodt. Velen hebben melding gemaakt van zeer snelle cyclustijden wanneer ornamenten of grind dat maanden niet nat is geweest, worden gebruikt in een nieuw aquarium.
Als de stroming van een canisterfilter wordt gestopt, kan deze in sommige gevallen binnen enkele uren tot enkele dagen "bederven" (de slechte geur van bedorven voedsel) door uitputting van de zuurstof in het water door grote hoeveelheden organisch materiaal. Gifstoffen die door bacteriën worden gemaakt bij lage zuurstofniveaus zullen nuttige bacteriën doden. Daarom moeten bussen worden geopend en aan lucht worden blootgesteld als ze moeten worden afgesloten.
Mythe #3: Hoog nitriet remt de groei
Een andere mythe over nuttige bacteriën is dat hun groei wordt geremd door nitrietgehaltes boven de 9 ppm. Deze mythe is ontstaan door een verkeerd begrip van de term "conserveermiddel". Aan sommige voedingsmiddelen (zoals salami en pepperoni) wordt natriumnitriet toegevoegd als "conserveermiddel" met een concentratie van 9 ppm. Iemand in een ver verleden zag dit en nam aan dat het natriumnitriet de groei van bacteriën tegenhield. Daarom zou 9 ppm nitriet in een aquarium de groei van nuttige bacteriën stoppen.
Het natriumnitriet "conserveermiddel" in gezouten vlees is er om de kleur te "behouden". Het doet niets met de bacteriën. Nitriet combineert met de hemoglobine in het bloed van het vlees en vormt een stabiele rode kleur. Het gezouten vlees wordt dus niet grijs.
In werkelijkheid is het optimale nitrietniveau ongeveer 200 ppm voor het kweken van nuttige bacteriën volgens Gibbs 1919, Lewis 1958, Olah 1993, Tappe 1996, Willke 1996, Du 2003, Grzesiak 2017 en Kasmurik 2018.
Mythe #4 Hoge ammoniakniveaus remmen de groei
Ammoniak heeft een soortgelijke mythe. Een webbron zei:
Nogmaals, let op het ammoniakgehalte. Niveaus boven de 5 ppm kunnen de nitrietoxidatiebacteriën vergiftigen. Het vernietigen van deze bacteriekolonie zal het cyclische proces verlengen.
Deze goedbedoelde webbron had het gewoon mis. In werkelijkheid is het optimale ammoniakniveau ongeveer 400 ppm voor het kweken van alle stammen van nuttige bacteriën per Gibbs 1919, Lewis 1958, Olah 1993, Tappe 1996, Willke 1996, Du 2003, Grzesiak 2017 en Kasmurik 2018.
De meeste nitrificerende bacteriestammen groeien optimaal bij substraatconcentraties van 1- 25 mM.
"De familie Nitrobacteraceae", Watson et. al. 1981:
1- 25 mM ammoniak is 16 tot 400 ppm, de optimale ammoniakconcentratie per Watson.
Dr. Tim zegt dat je de 5 ppm ammoniak niet mag overschrijden omdat dat de groei van nuttige bacteriën zal remmen. Dr. Tim baseert deze bewering op een "paper" waar hij aan meeschreef en waarin verschillende stammen van nuttige bacteriën werden geïdentificeerd die beter gedijden bij lage ammoniakconcentraties dan bij hoge ammoniakconcentraties. ("Identification of Bacteria Responsible for Ammonia Oxidation in Freshwater Aquaria", Timothy A. Hovanec, et. al. 2001). Volgens dit artikel gaven bioreactoren die nuttige bacteriën kweekten bij een concentratie van 5 tot 10 ppm een ander soortprofiel van bacteriën dan reactoren die bij 40 tot 60 ppm ammoniak werden gehouden.
Het "rapport" was opgesteld door een particulier bedrijf met winstoogmerk (dit is voor mij ALTIJD een waarschuwing!) en had veel duidelijke tekortkomingen. Het artikel testte met name GEEN tussenliggende niveaus (d.w.z. 10 tot 40). Er werd ook niet getest of de 40 tot 60 nuttige bacteriën niet succesvol waren in het oxideren van ammoniak in het bereik van 0 tot 5 ppm. Dus het gebruik van dit artikel als basis voor de uitspraak "5 ppm ammoniak remt de groei van nuttige bacteriën" is simpelweg onjuist.
Remming van nitrificatie door ammoniak of nitriet is over het algemeen geen probleem bij de behandeling van huishoudelijk afvalwater.
"Remming van nitrificatie door ammoniak en distikstofoxide", Anthonisen et. al., 1976:
Als je bedenkt dat de ammoniakconcentraties in huishoudelijk afvalwater oplopen tot 40 ppm en de nitrietconcentraties tot 80 ppm, veel hoger dan in het aquarium, dan zullen de ammoniak- of nitrietconcentraties in het aquarium de nitrificatie niet remmen.
Om deze bewering van Dr. Tim over ammoniak te testen is er een test gedaan. Dit is de test:
Abstract
Er is een test gedaan om te zien welke ammoniak toevoegingen het beste zijn voor het cyclisch houden van een aquarium. De test toonde één ding aan:
- Uit de test bleek dat het gebruik van Dr. Tim's methode om alleen ammoniak toe te voegen als het niveau 0,5 is, de tijd tot de cyclus met 11 dagen verlengt ten opzichte van het toevoegen van ammoniak met 2 ppm per dag.
Merk op dat deze test met opzet heel eenvoudig is gehouden, zodat iedereen hem gemakkelijk kan namaken als hij dat wil. Een strenge wetenschappelijke test onder laboratoriumomstandigheden kan door geen enkele hobbyist worden gerepliceerd, dus dat is niet gedaan. Deze test was niet bedoeld om gepubliceerd te worden in wetenschappelijke tijdschriften. Maar het enorme verschil in de testresultaten maakt de conclusies onmiskenbaar en zeer valide, ook al is de wetenschap niet zo rigoureus als sommigen zouden willen.
Test apparatuur:
- Home Depot 20 liter emmers
- 100 gram BASF-ammoniumchloride opgelost in 3,785 liter gedestilleerd water
- luchtpompen en luchtvaartmaatschappijen
- mini sponsfilters
Test procedure:
Er werden 6 emmers opgezet met omgekeerd osmosewater. Aan elke emmer werd een snufje kaliumfosfaat toegevoegd, omdat eerdere tests hadden aangetoond dat deze toevoeging nodig is als je alleen ammoniak toevoegt. Het water was van nature ongeveer 6,8 in pH 0 KH nadat het een week had gelegen om te stabiliseren.
- Aan drie emmers werd niets gedaan (de "controles") met dagelijks 2 ppm ammoniak toegevoegd. De emmers bevatten 14, 18 en 20 ppm ammoniak, getest met verdunningstechnieken.
- Drie emmers hadden een pH van 6,8 en ammoniak werd toegevoegd volgens de aanwijzingen van Dr. Tim, d.w.z. alleen ammoniak toevoegen tot het niveau van 2 ppm wanneer het ammoniakniveau daalt tot 0,5 of lager.
De emmers werden vervolgens gerecycled. De emmers werden vervolgens elke dag getest op ammoniak en nitriet.
Resultaten:
Door nul (technisch gezien is het minder dan of gelijk aan 0,25 ppm) ammoniak en nitriet gedurende twee dagen (twee metingen) te definiëren als cyclisch, werden de volgende resultaten verkregen:
| Behandeling | Gemiddeld | Tank 1 | Tank 2 | Tank 3 |
|---|---|---|---|---|
| 2 ppm ammoniak per dag | 25 | 32 | 20 | 24 |
| Ammoniak wanneer 0,25 is bereikt (Dr. Tim's) | 36 | 40 | 33 | 36 |
Uit deze test bleek dat Dr. Tim's schema van ammoniaktoevoegingen een cyclustijd opleverde die gemiddeld 11 dagen langer was dan wanneer dagelijks 2 ppm ammoniak werd toegevoegd. Dit is niet verrassend. Nuttige bacteriën planten zich, net als alle primitieve organismen, voort met een snelheid die recht evenredig is met het voedselaanbod. Het schema van Dr. Tim betekent dat er gemiddeld ongeveer 1,1 ppm ammoniak in de bak zit, terwijl het 2 ppm schema zorgt voor gemiddeld ongeveer 6 tot 8 ppm in de bak. Het 2 ppm regime gaat dus sneller.
Mythe #5 Er zijn speciale stammen van nuttige bacteriën
Zoals gewoonlijk zullen sommigen vraagtekens zetten bij deze acht onderzoeksartikelen van acht PhD's over de maximale hoeveelheden ammoniak en nitriet die in een aquarium zouden moeten zijn tijdens het cyclen. Ze zullen zeggen dat deze onderzoekers geen gebruik hebben gemaakt van de soort nuttige bacteriën die in het aquarium voorkomen. Dat de aquariumsoorten nuttige bacteriën lagere concentraties nodig hebben.
Ten eerste zijn alle soorten vrijwel overal te vinden. Dezelfde soorten worden aangetroffen in aquaria, vijvers, grond en rioolwaterzuiveringsinstallaties. De exacte mix van soorten varieert per ammoniakconcentratie en waterchemie, maar er zijn altijd veel soorten die ammoniak kunnen oxideren.
Ten tweede is het inoculant voor de media in vrijwel al deze universitaire studies aarde. Grond bevat slechts zeer kleine hoeveelheden ammoniak en nitriet, ver onder de 1 ppm. Dus de nuttige bacteriën die door de universiteiten worden gekweekt, zijn de bacteriën die leven en zich voortplanten bij zeer lage concentraties ammoniak.
En veel van de fabrikanten van "bacteriën-in-een-fles" beweren dat ze "speciale stammen" van nitrificerende bacteriën hebben gekweekt. Dit is gewoon onzin. Het is heel moeilijk om één stam of meerdere stammen van een bepaalde nitrificerende bacterie te kweken. Je kunt kleine hoeveelheden gevriesdroogde pure culturen van nitrificerende bacteriën kopen voor $200 tot $400. Deze pure culturen zitten niet in een fles bacteriën van $15.
Mythe #6, Nuttige bacteriën stoppen op een gegeven moment met voortplanten
Een andere mythe voor nuttige bacteriën is het concept dat nuttige bacteriën stoppen met groeien wanneer ze een bepaalde hoeveelheid voedsel bereiken. Een goedbedoelende maar slecht geïnformeerde commentator op sociale media deed de volgende uitspraak die op het eerste gezicht logisch lijkt:
Te veel filtratie is eigenlijk verspilling. De nitrificerende bacteriën, ook wel "BB" of nuttige bacteriekolonie genoemd, zullen alleen groeien tot de grootte die past bij hun voedselbron, namelijk de biobelasting... De biobelasting is natuurlijk afkomstig van het visafval en al het extra voedsel dat niet wordt opgegeten (en dat zou er niet moeten zijn als je je vissen op de juiste manier voedt). De BB kolonie zal alleen groot genoeg worden om de hoeveelheid geproduceerd afval te consumeren. Niet meer en niet minder. Overfiltratie is dus technisch niet mogelijk.
Deze uitleg gaat de verkeerde kant op omdat er een fundamenteel misverstand in zit over hoe bacteriën leven en zich vermenigvuldigen. Zie het zo. Nuttige bacteriën nemen voedsel op en vermenigvuldigen zich door zich in tweeën te delen. Dus met een grote hoeveelheid ammoniak tijdens de cycli zullen de bacteriën zich bijvoorbeeld eens per 24 uur vermenigvuldigen. Ze zullen zich elke 24 uur vermenigvuldigen tot ze aan het einde van de cyclus van een aquarium een niveau bereiken van zeg 1 miljard, wanneer het ammoniakniveau zeg 100 delen per miljard is (d.w.z. niet detecteerbaar op de API-test).
Als de toevoer van ammoniak aan het einde van de cyclus koud zou stoppen, zouden de nuttige bacteriën zich niet meer kunnen voortplanten. Maar de ammoniakvoeding stopt niet aan het einde van de cyclus, de vissen blijven ammoniak toevoegen. Dus de nuttige bacteriën blijven zich voortplanten, alleen in een langzamer tempo. De 1 miljard kan dan in twee weken tijd 2 miljard worden, in acht weken 4 miljard, in twintig weken 8 miljard enz. Dus in twintig weken, zonder de bioload te verhogen, zal de capaciteit van het biofilter achtvoudig toenemen, ervan uitgaande dat men het filter niet schoonmaakt. Dit is natuurlijk geïdealiseerd en erg 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 bijvoorbeeld 0,4 ppm ammoniak per dag van vissen krijgt, kan zich heel goed elke dag (24 uur) in tweeën splitsen. Bij 0,25 ppm zegt de aquariaan dat zijn aquarium nu gefietst en klaar is voor gebruik. Maar de vissen blijven ammoniak uitstoten en de bacteriën blijven zich voeden. Bij 0,1 ppm ammoniak zouden de autotrofe bacteriën zich om de 4 dagen kunnen splitsen. Bij 0,05 ppm kan het zich elke 8 dagen splitsen. En bij 0,025 ppm kan het zich 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 een ammoniakniveau van minder dan 0,25 ppm te bereiken. Hoe lager de hoeveelheid voedsel, hoe langzamer de bacteriën zich voortplanten, maar ze stoppen niet helemaal met voortplanten totdat het ammoniakniveau echt nul is. Omdat vissen voortdurend ammoniak uitscheiden, kan dit ammoniakniveau in geen enkel aquarium het echte nulpunt bereiken.
Dus een goed ingeburgerd aquarium (meer dan vier maanden oud zonder reiniging van filtermedia) kan het aantal vissen in het aquarium verdubbelen of zelfs verviervoudigen zonder een piek in ammoniak te zien. Aangezien de reproductiesnelheid exponentieel wordt verminderd en er organismen zijn die de nuttige bacteriën in de filtermedia opeten, is er een praktische limiet aan de groei, maar deze is waarschijnlijk in de orde van grootte van vijf tot tien keer het aantal bacteriën dat nodig is om de ammoniak te verkrijgen. niveau onder 0,25 ppm.
Mythe #7 Het toevoegen van veel nieuwe vissen aan een al lang bestaand filter zal een beperkte hoeveelheid nuttige bacteriën overweldigen.
Dus een goed gevestigd aquarium (ouder dan vier maanden zonder reiniging van het filtermedium) kan het aantal vissen in het aquarium verdubbelen of zelfs verviervoudigen zonder dat er een ammoniakpiek optreedt. Omdat de voortplantingssnelheid een logaritmische curve is en de organismen de nuttige bacteriën in de filtermedia opeten, is er een praktische limiet aan de groei, maar die ligt waarschijnlijk in de orde van drie tot tien keer het aantal bacteriën dat nodig is om het ammoniakniveau onder de 0,25 ppm te krijgen.
Mythe #8 "Bacteriebloei" zijn nuttige bacteriën
Net als de auteur denkt dat hij alle mythes heeft gehoord, duikt er weer een op. Onlangs verscheen er een YouTube-video waarin de presentator "veel onderzoek" had gedaan en "verrassend genoeg" had ontdekt dat nuttige bacteriën zich zouden kunnen vermenigvuldigen en in overvloed zouden kunnen leven in aquariumwater. Zogenaamd, volgens deze goedbedoelende presentator, is een "bacteriële bloei" een bloei van nuttige nitrificerende bacteriën.
Kan het niet mooier maken dan het is. De presentator heeft het gewoon mis. Zoals hierboven beschreven, kunnen nuttige bacteriën alleen genoeg ammoniak en nitriet vangen om zich voort te planten als ze op een oppervlak zitten. Een "bacteriële bloei" is een bloei van een heleboel kleine beestjes die "infusoria" worden genoemd. Deze "infusoria" (paramecium, rotiferen, stentors, etc.) voeden zich met iets dat "heterotrofe" bacteriën worden genoemd, die zich op hun beurt voeden met opgelost voedsel en uitwerpselen in de waterkolom.
"Heterotroof" is gewoon een groot woord dat "eet normaal voedsel" betekent. "Nuttige" bacteriën zijn "obligatieve chemotrofen", wat betekent dat ze de chemische stoffen ammoniak en nitriet eten en ALLEEN de chemische stoffen ammoniak en nitriet. Heterotrofe bacteriën kunnen zich elk kwartier voortplanten, terwijl autotrofe bacteriën er 24 uur over kunnen doen om zich voort te planten. Dus in een periode van een paar dagen kun je miljarden heterotrofe bacteriën hebben en slechts een paar duizend autotrofe bacteriën. Dus zelfs als nuttige bacteriën op de een of andere manier in het water zouden kunnen groeien, zouden het er niet veel zijn in vergelijking met heterotrofe bacteriën.
Bovengrenzen voor nitriet en ammoniak
Wat zijn de bovengrenzen voor nitrificerende bacteriën voor nitriet en ammoniak? Een referentie is op zijn plaats:
De ammoniak- en nitrietoxiderende consortia die hier zijn ontwikkeld, zijn unieke systemen die ammoniak en nitriet oxideren en die nog niet eerder elders zijn ontwikkeld. Voor de massaproductie van nitrificerende consortia in een fermentor en ook om het hoogste activiteitsniveau in bioreactoren te verkrijgen, werden de optimale groeiomstandigheden zoals substraatconcentratie, pH, temperatuur en luchtstroomsnelheid bepaald. Dienovereenkomstig is er totale remming van nitrificatie bij meer dan 2,75 gram per liter NH₄ en 7,5 gram per liter NO₂ in de testmedia 1 en 2.
"Optimale groeibehoeften van nitrificerende consortia", Ramachandran & Singh, 2004:
Dit betekent dat de bovengrens voor ammoniak 2.750 ppm is en de bovengrens voor nitriet 7.500 ppm. De kans is klein dat dit in een aquarium wordt bereikt.
pH en nuttige bacteriën
De pH van het water is ook belangrijk om de groei van nuttige bacteriën te optimaliseren.
"De meeste stammen van nitrificerende bacteriën groeien optimaal bij substraatconcentraties van 1- 25 mM, een pH tussen 7,5 en 8,0 en een temperatuur van 25-30°C. Veel omgevingen met suboptimale omstandigheden ondersteunen echter nog steeds de groei van nitrificerende bacteriën. Nitrificerende bacteriën zijn bijvoorbeeld strikte aëroben, maar toch kunnen ze geïsoleerd worden uit rioolwaterzuiveringsaquaria met een extreem laag zuurstofgehalte. Ze kunnen ook geïsoleerd worden uit bodems met een pH van 4, maar kunnen niet groeien bij een pH lager dan 6."
"De familie Nitrobacteraceae", Watson et. al. 1981:
Nitrificerende bacteriën, oftewel nuttige bacteriën, groeien het beste bij een pH van 7,5 tot 8,0. Ze groeien niet bij een pH van 6,0. Het werk van Ramachandran & Singh 2004 bevestigde deze pH-eis.
Zo is de nitrificatie en vooral de ammoniakoxidatie in de bodem significant lager in zure bodems (de Boer en Kowalchuk, 2001), en significante batchgroei van pure culturen van ammoniakoxiderende bacteriën in vloeibare groeimedia treedt niet op onder pH 7 (de Boer en Laanbroek, 1989; Allison en Prosser, 1991; Jiang en Bakken, 1999). De algemeen geaccepteerde verklaring voor verminderde groei en activiteit van ammoniakoxiderende bacteriën bij lage pH is de exponentiële afname van de beschikbaarheid van NH₃ bij afnemende pH, door ionisatie tot NH₄+ (Frijlink et al., 1992), waardoor de NH₃ diffusie afneemt en de behoefte aan energieafhankelijk transport van NH₄+ toeneemt.
The Influence of Soil pH on the Diversity, Abundance and Transcriptional Activity of Ammonia Oxidizing Archaea and Bacteria", Nicol et al, 2008:
Haug en McCarty (1972) zagen een dramatische afname van nitrificatie in een systeem met een vaste film onder pH 6 en stopzetting van nitrificatie bij pH 5,5. Grady en Lim 1980 vonden de volgende relaties:
Deze grafiek maakt duidelijk dat nuttige bacteriën niet meer werken onder 6,5 pH en boven 8,7 pH.
Een andere referentie is:
Onder een pH van 6,8 worden de nitrificerende bacteriën geremd en verwijderen ze geen giftig stikstofafval.
"Recirculerende Aquacultuur Tankproductiesystemen", Masser et. al. Southern Regional Aquaculture Center, maart 1992:
De reden voor deze pH-eis is eenvoudig. Nitrificerende bacteriën voeden zich met gasvormig ammoniak, d.w.z. NH₃. Ammonium, d.w.z. NH₄, kan door nuttige bacteriën niet als voedsel worden gebruikt. Als de pH van een ammonium-ammoniakoplossing daalt, neemt de hoeveelheid gasvormige ammoniak radicaal af. Het is vrijwel onbestaande onder 6 °C. Onder 6,0 pH is er vrijwel geen ammoniak meer. De nuttige bacteriën hebben dus geen voedsel meer beschikbaar en stoppen met reproduceren.
Nitrificerende bacteriën voeden zich ook met koolstofdioxidegas. Bij hogere pH's is er weinig kooldioxidegas. Dus pH's boven 8,6 kunnen de cycli ook aanzienlijk belemmeren.
Test samenvatting:
Er is een test gedaan om te zien welk type water en welke ammoniak toevoegingen het beste zijn voor het cyclisch houden van een aquarium. De test toonde één ding aan:
- De test toonde aan dat een pH van 6,0 het fietsen koud stopte.
Merk op dat deze test met opzet heel eenvoudig is gehouden, zodat iedereen hem gemakkelijk kan namaken als hij dat wil. Een strenge wetenschappelijke test onder laboratoriumomstandigheden kan door geen enkele hobbyist worden gerepliceerd, dus dat is niet gedaan. Deze test was niet bedoeld om gepubliceerd te worden in wetenschappelijke tijdschriften. Maar het enorme verschil in de testresultaten maakt de conclusies onmiskenbaar en zeer valide, ook al is de wetenschap niet zo rigoureus als sommigen zouden willen.
Test apparatuur:
- Home Depot 20 liter emmers
- 100 gram BASF-ammoniumchloride opgelost in 3,785 liter gedestilleerd water
- luchtpomp en luchtvaartmaatschappijen
- mini sponsfilters
Test procedure:
Zes emmers werden gevuld met omgekeerde osmose water. Aan elke emmer werd een snufje kaliumfosfaat toegevoegd omdat eerdere testen aangaven dat dit belangrijk was als er alleen met ammoniak werd gewerkt. Het water was van nature ongeveer 6,8 in pH 0 KH nadat het een week had gelegen om te stabiliseren.
- Aan drie emmers werd niets gedaan (de "controles") met dagelijks 2 ppm ammoniak toegevoegd.
- Drie emmers werden in pH verlaagd tot 6,0 met zoutzuur waaraan dagelijks 2 ppm ammoniak werd toegevoegd.
De emmers werden vervolgens gerecycled. De emmers werden vervolgens elke dag getest op ammoniak en nitriet.
Resultaten:
Door nul (technisch gezien is het minder dan of gelijk aan 0,25 ppm) ammoniak en nitriet gedurende twee dagen (twee metingen) te definiëren als cyclisch, werden de volgende resultaten verkregen:
| Behandeling | Gemiddeld | Tank 1 | Tank 2 | Tank 3 |
|---|---|---|---|---|
| 6,8 pH, 0 KH | 25 | 32 | 20 | 24 |
| 6,0 pH 0KH | >70 | >70 | >70 | >70 |
Deze test laat duidelijk zien dat een lage pH de cyclus koud stopt.
Er is een type nitrificerend organisme dat archaea heet en dat kan werken bij een zeer lage pH. Het probleem is dat deze organismen zogenaamde obligatieve acidofielen zijn. Dat wil zeggen dat ze ALLEEN bij lage pH werken. Deze organismen groeien ook erg langzaam. Een nitrificerende bacterie kan onder optimale omstandigheden elke 24 uur in populatie verdubbelen. Archaea zullen onder optimale omstandigheden elke tien dagen in populatie verdubbelen.
Aangezien dit een logaritmische relatie is, is dit een enorm verschil. En er is geen goede manier om de snelheid waarmee ze groeien te verhogen. Een zuur aquarium heeft dus vier tot vierentwintig maanden nodig om te "fietsen".
Dus als je een zuur aquarium hebt met water met een lage pH, kun je gewoon een cyclus van vier tot vierentwintig maanden uitvoeren en dan zal het aquarium ammoniak gaan cyclen, net als een aquarium met een pH-waarde van meer dan 6,5.
Nuttige bacteriën hebben carbonaat nodig
Carbonaathardheid (KH) is belangrijk voor nitrificerende bacteriën in het aquarium. Nitrificerende bacteriën in rioolwaterzuiveringsinstallaties hebben toevoegingen van calciumcarbonaat (kalksteen) nodig. Deze bacteriën gebruiken het carbonaat om te voorkomen dat het rioolwater zuur wordt, waardoor de nitrificatie koud zou stoppen. De bacteriën voeden zich ook met het carbonaat en gebruiken het als een gedeeltelijke koolstofbron. Voor elke tien ppm ammoniak die wordt omgezet in nitraat wordt ruwweg 1 KH (18 ppm of dKH) carbonaat verbruikt.
4NH₃ + 4CaCO₃ + 7O₂ + 4CO₂ -> 4Ca(HCO₃)2 + 4HNO₃
Tijdens de nitrificatie wordt 7,14 mg alkaliteit als CaCO₃ vernietigd voor elke milligram geoxideerde ammoniumionen. Een tekort aan carbonaatalkaliteit zal de nitrificatie stoppen. Bovendien is nitrificatie pH-gevoelig en zal de nitrificatiesnelheid aanzienlijk afnemen bij pH-waarden lager dan 6,8. Daarom is het belangrijk om voldoende alkaliteit in de beluchtingstank te hebben om de pH stabiel te houden en ook om anorganische koolstof voor nitrificeerders te leveren.
"Hoe alkaliteit de nitrificatie beïnvloedt", Barillo, 2015:
Dit betekent dat je tijdens het cyclen een aanzienlijke hoeveelheid alkaliteit aan het aquariumwater moet toevoegen. Het is het beste om elke dag natriumcarbonaat toe te voegen totdat de pH 7,4 of hoger is bij fishless cycling. Dit betekent dat je voor elke gram ammoniakzout (meestal ongeveer 1/4 gram ammonium) die je toevoegt, ruwweg twee gram natriumcarbonaat toevoegt.
Verdere gegevens
Dan is er nog de wetenschap achter nuttige bacteriën en indraaien voor wie nieuwsgierig is. Deze wetenschap wordt besproken in de volgende links:
2.11. Inoculeren voor indaaien
De onderwerpen biofiltratie, nuttige bacteriën en indraaien zijn nauw met elkaar verbonden. Dus als je geïnteresseerd bent om je te verdiepen in de wetenschap en de berekeningen achter alle aspecten van biofiltratie, dan is het volgende relevant:
English 
Dutch