Biochimica della filtrazione

Premessa

Il problema talvolta comune a molti acquariofili (soprattutto neofiti) che si avvicinano a questa passione, è non riuscire ad avere un idea chiara sulla molteplicità degli aspetti biochimici che dovranno tenere in considerazione per la riuscita della loro vasca, e soprattutto sull’equilibrio tra alcuni di questi aspetti. Il risultato è che molto spesso si crei un po’ di confusione e si finisca per utilizzare nell’acquario di tutto un po’, senza fare torto a nessuno, a volte senza comprenderne la reale funzione ed efficacia. I processi biologici e biochimici che interessano un acquario rivestono una notevole importanza nella scelta dei sistemi di filtrazione dell’acqua, quindi conduzione e allestimento dell’acquario stesso. Una attenta considerazione di tutti questi processi giustificherà dunque una corretta e razionale scelta dei componenti del filtraggio (schiumatoio, filtro biologico, filtro meccanico) e dell’allestimento stesso (Tradizionale, Berlinese, DSB, Jaubert, ecc …), in relazione alle specie e quantità di organismi che vi vogliamo ospitare.

I composti organici

I composti organici che interessano l’ecosistema del nostro acquario (es: marino), sono gli stessi che interessano ogni altro ecosistema; essenzialmente carboidrati, proteine e lipidi. Questi tre costituenti organici sono quelli che costituiscono la nostra fauna e flora acquatica e gli stessi di cui queste si nutrono. Ogni volta quindi che introduciamo i nostri amici ospiti, o ogni volta che introduciamo del cibo per loro, dobbiamo considerare che abbiamo partecipato ad incrementare la quota organica complessiva della vasca. Che fine fa tutta questa massa biologica? La maggior parte dei composti organici viene ossidata dal metabolismo stesso degli organismi presenti (batteri, pesci, piante, alghe, ecc) per produrre energia (glicolisi, ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa, ecc) trasformandoli in acqua e anidride carbonica, o in alternativa riutilizzati per il loro accrescimento. I carboidrati e lipidi vengono trasformati per intero in questi due composti finali, mentre le proteine per essere degradate completamente produrranno anche dei composti azotati di scarto derivati dalla loro deaminazione (es: [NH3]). I primi due composti (H2O e CO2) non costituiscono una grave forma di inquinamento e vengono eliminati facilmente dall’ecosistema (es: H2O per evaporazione e CO2 per diffusione nell’aria). L’ammoniaca invece, non avrà una altrettanto facile via di smaltimento dalla vasca e rischierà di accumularsi se non smaltita o trasformata in altra forma, meno tossica. Questo è il motivo per cui in acquariologia si parta tanto di questa e dei composti da essa derivati, di fatto la maggior parte dei sistemi filtranti si pone principalmente al loro smaltimento o trasformazione. Quali fonti di composti azotati ho nella vasca? Quanti composti azotati producono? Come posso eliminarli? Questi potrebbero essere i tre quesiti che si dovrebbe assolutamente porre un neofita prima di un allestimento, e quelli che un acquariofilo con esperienza avrebbe dovuto risolvere già.

Ciclo dei composti azotati

Uno dei più fondamentali degli equilibri da cui dipende la buona riuscita della vasca si basa proprio sul cosi detto ciclo dell’azoto o meglio, ciclo dei composti azotati. I composti azotati come dice il nome stesso sono quei composti di scarto che contengono azoto (ammoniaca, nitriti e nitrati), e che provengono dal catabolismo del secondo dei componenti organici già citati, le proteine. Le proteine vengono assorbite dagli organismi mediante la scissione digestiva di queste in aminoacidi, e questi a loro volta riutilizzati (in nuove proteine), o degradati per la produzione di energia. Questa degradazione produrrà come metabolita finale di scarto dei residui amminici, l’ammoniaca (tossica). Questa ammoniaca di origine biologica dovrà necessariamente essere smaltita dalla vasca mediante una sua riutilizzazione o ossidazione da parte della flora batterica. Il processo ossidativo è chiamato nitrificazione ed avviene in due passaggi biochimici distinti, grazie a delle colonie batteriche aerobie che si sviluppano nei substrati porosi della vasca o del filtro apposito. Il primo processo è quello di nitrosazione svolto ad esempio da batteri come i Nitrosomonas, questo trasformerà l’ammoniaca [NH3] in nitriti [NO2-], tossici ma in modo minore rispetto alla prima. L’altro processo è quello di nitrazione svolto dai Nitrobacter per esempio, in cui i nitriti [NO2-] verranno ossidati a nitrati [NO3-], scarsamente tossici se non in concentrazioni elevate. Il filtro biologico serve proprio a questo, cioè a creare quel substrato stabile in cui si creino queste condizioni (aerobie), e tali specie batteriche possano persistere e riprodursi. Benché meno tossici degli altri i nitrati però, e il loro accumulo, verrà considerato comunque uno dei principali problemi a lungo termine, perché una volta prodotti potranno seguire processi biologici che almeno in acquario non saranno scevri da complicazioni. Una forma di smaltimento dei nitrati sarà possibile grazie alla naturale riorganicazione di questi in piante ed alghe. In questo caso però gli organismi vegetali che potranno ritrasformare i nitrati in aminoacidi e proteine, tendenderanno però a proliferare e ad invadere il nostro ecosistema, i nitrati infatti avranno l’effetto di un potente fertilizzante, come succede anche in altri campi. La via alternativa che i nitrati potranno seguire sarà invece la riduzione batterica di questi ad azoto molecolare [N2], la denitrazione. Il problema qui, consisterà invece nella formazione delle condizioni anaerobiche di cui tali batteri necessiteranno, condizione difficile da raggiungere vista quella precedente di aerobiosi necessaria a quelli nitrificanti.

Conclusioni

Si può affrontare il problema in diversi modi, ma cercando generalmente di ridurre comunque al minimo indispensabile la quantità organica introdotta, sia viva come organismi ospite e che comunque potrebbero non sopravvivere, sia come nutrienti destinati a questi. Un altro fronte sarà invece eliminare i composti organici superflui, in particolare quelli del ciclo dell’azoto magari prima che vengano degradati e nitrificati. Un sistema è eliminare questi prodotti già quando si trovano sotto forma di materia organica solida (tessuti, detriti, cibo) mediante filtrazione meccanica. Il filtro meccanico eliminerà dunque i composti organici avanzati prima ancora che questi vengano degradati da batteri. Benché non se ne senta mai molto parlare resta sempre uno dei sistemi indispensabili a scaricare dal lavoro inutile tutti gli altri, grazie alla rimozione dei composti organici (in particolare se proteine) come cibo avanzato, piante, alghe, e organismi in putrefazione, ecc … Un’altra tecnica sarà cercare di far in modo che si accumuli il minimo possibile di detriti organici nella vasca. Se i detriti organici potranno annidarsi nel fondo o in altri scomparti dell’acquario, questi saranno anche destinati a degradazione e poi nitrificazione. La degradazione produrrà quindi un carico organico (e azotato) superfluo, che dunque si sarebbe potuto eliminare prima più rapidamente e facilmente con il filtro meccanico. Esisteranno diversi accorgimenti per evitare ciò, uno di questi sarà per esempio l’uso di un fondo che sfavorisca l’accumulo dei detriti (es: uso di sabbia fine), o un altro invece una buona e strategica circolazione dell’acqua nella vasca, che garantisca un sufficiente trasporto verso il filtro meccanico della maggior parte possibile dei residui corpuscolati e verso lo schiumatoio delle proteine e macromolecole organiche. Un altra tecnica ancora sarà cercare di intercettare il più possibile carico in forma di macromolecole organiche (proteiche soprattutto), prima che degradi e diventi carico azotato per il filtro biologico. A tale smaltimento ci potrà essere utile uno schiumatoio (su questo principio si basano sistemi come quello Berlinese), mediante l’eliminazione a monte delle proteine e delle altre macromolecole organiche. Anche con questo sistema sarà quindi possibile scaricare dal lavoro inutile il filtro biologico, quantomeno da quelle fonti organiche non ancora degradate completamente provenienti dal cibo e dalla macerazione putrefattiva degli organismi stessi, e che il filtro meccanico non sarà riuscito ad eliminare prima. A questo punto, anche se gli accorgimenti in precedenza avranno ottenuto una buona efficacia, un carico azotato residuo proveniente dai composti organici in macerazione sebbene minimo sarà comunque inevitabile. Un’altra quota sarà invece quella proveniente direttamente dalla digestione e nutrizione dei pesci e degli altri organismi, che viceversa produrrà già direttamente ammoniaca senza possibilità di poter essere intercettata prima. Dunque, una forma di filtrazione biologica con tutte le sue complicazioni rimarrà però comunque indispensabile, permettendo quantomeno la rapida conversione dei composti più tossici presenti in ogni caso, in quelli meno tossici. La filtrazione biologica sarà l’anima e il cruccio di ogni sistema di filtrazione, che purché indispensabile dovrà però rivestire il ruolo più ridotto possibile nello smaltimento organico. Sconsigliabili sono quei sistemi basati esclusivamente su questa, adottando ad esempio una filtrazione sotto-sabbia la totalità della massa organica finirà prima o poi per essere nitrificata nel fondo e produrre quantità elevatissime di nitrati. Un altro punto sarà comunque stabilire quale sarà la via terminale dello smaltimento (a lungo termine) dei nitrati, visto che esisteranno tecniche ed allestimenti per marginare questi. L’uso di Refugium per esempio permetterà lo sviluppo di un sistema isolato per la riorganicazione evitando l’invasione vegetale in vasca, o alternativamente allestimenti particolari (DSB, Jaubert) e accessori appositi (filtri denitratori) permetteranno invece lo sviluppo in un ambiente separato per la flora batterica denitrificante anaerobia.