Conferenza sul Filtro Anossico Dr. Franco Prati

Benvenuti a tutti a questa conferenza sul filtro anossico. Mi presento: il mio nome è Lio Fornellino ed in una vita parallela faccio il medico.

Oggi sono qui a parlarvi del Filtro Anossico ed insieme cercheremo di capire se esso rappresenti una “vera rivoluzione” nel campo dell’acquariologia ed in particolare per quegli hobbisti che possiedono un laghetto ornamentale nel quale allevano le Koi.

Conferenza sul Filtro Anossico

Il sogno di tutti gli appassionati, che desiderano avere un laghetto, è di riuscire a mentenerne uno nelle condizioni in cui ci appare il primo giorno dopo averlo riempito di acqua.
La visione dei pesci del laghetto necessita di una acqua limpida affinchè i colori e le forme dei nostri pesci possano risaltare pienamente.

Tuttavia presto ci troviamo a fare i conti con una spiacevole evenienza: le alghe.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

LE ALGHE

Queste possono essere lunghi filamenti vegetali (string algae) che partono dal bordo o dagli arredi del laghetto arrivando a misurare anche un metro. Esse vanno ad occupare spazio limitandolo ai pesci.

Le alghe possono anche essere unicellulari, come quelle mostrate in figura n.5, le quali, dotate di misure fisiche non valutabili ad occhio nudo, e di una capacità di replicazione molto rapida, possono compromettere in tempi brevi la capacità di visione dei nostri pesci, per intorbidimento dell’acqua.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

Non sono strettamente tossiche per i pesci, ma bisogna considerare che in un laghetto con tanti pesci e molte alghe durante le notti estive si rischiano pericolosi abbassamenti dei valori dell’ossigeno disciolto in acqua fino ad arrivare anche a soglie non tollerate dai pesci.

Queste alghe trovano la loro linfa vitale in due sostanze nutritive, i nitrati ed i fosfati, ed una forma di energia fotosintetica rappresentata dalla luce solare.

EFFETTI DEL FILTRO ANOSSICO

Gli effetti del Filtro Anossico sono proprio quelli di ridurre a valori minimi i nitrati e i fosfati attraverso un processo di elaborazione dell’ammoniaca semplificato rispetto al sistema di detossificazione operato dai filtri nitrificanti tradizionali.

Esito di questo processo è l’ottenimento di una acqua limpida e priva di alghe, per sottrazione diretta di due dei suoi nutrienti principali (nitrati e fosfati) che, proprio per questo fatto, riducono la necessità dei cambi d’acqua (generalmente fatti per allontanarne i prodotti finale della trasformazione dell’ammoniaca).Conferenza sul Filtro Anossico

Studi scientifici inoltre hanno dimostrato che la stessa carica batterica del laghetto subisce una modifica a vantaggio di batteri utili all’ecosistema, con grande riduzione di quelli pericolosi (ad esempio l’Escherichia Coli) sia alla vita dei pesci che all’integrità delle persone che vengono in contatto con l’acqua del laghetto.Conferenza sul Filtro Anossico

Le proprietà di questo filtro sono state scoperte dal Dr. Kevin Novak.

Il Dr. Novak è un ittiologo che ha specializzazioni in limnologia e microbiologia acquatica; la limnologia si occupa di studiare le caratteristiche chimiche, fisiche e biologiche delle acque ferme o con moto inapprezzabile (i cosiddetti “ambienti lentici”: laghi, paludi stagni, ecc.), sia delle acque dolci che di quelle salate.
Egli ha scoperto come ricreare l’ambiente idoneo allo sviluppo di un gruppo eterogeneo di batteri ubiquitari denominati FACOLTATIVI ANAEROBI.

A seguito di questa scoperta il Dr. Novak ha messo, interamente e gratuitamente, a disposizione di chiunque tramite un suo CD-BOOK

Nelle due successive figure possiamo vedere l’effetto diretto dell’ applicazione del Filtro Anossico nel laghetto dell’inventore stesso e funzionante da oltre 20 anni.

CONFIGURAZIONE DI UN SISTEMA FILTRANTE

Ma facciamo un passo indietro.
Cosa occorre per depurare o detossificare un laghetto che ospita dei pesci?
Due cose! Un FILTRO MECCANICO ed un FILTRO BIOLOGICO

Il filtro meccanico intercetta le particelle di sporco di varia dimensione da un flusso di acqua genereato da una pompa posta sul fondo del laghetto. Foglie e detrito vengono aspirati dalla pompa e indirizzati verso dei setacci di varia porosità costituiti da lana di perlon, spugna, matala, spazzole, elementi in acciaio, atti a trattenere le particelle presenti nel laghetto.

Minore è la porosità del mezzo e maggiore è la quantità di detrito che si riesce a fermare.

Lo stadio successivo di un filtro è rappresentato dal filtro biologico, un luogo in cui l’acqua contaminata da sostanze in essa disciolte viene detossificata attraverso reazioni biologiche operate da batteri. Questi batteri vengono fatti aderire alla superficie di materiali appositi e l’acqua che scorre attraverso questi viene a mano a mano liberata dalle sostanze tossiche.
E’ così che l’ammoniaca prodotta dai pesci viene dapprima converita a nitrito e poi a nitrato il quale, non potendo subire ulteriori trasformazioni, si accumula nel laghetto.

Questa serie di reazioni viene definita NITRIFICAZIONE

Questa descritta non è l’unica serie di reazioni biochimiche che avviene all’interno di un filtro biologico.

Infatti oltre alla nitrificazione esiste una DENITRIFICAZIONE che è definita come il processo inverso della nitrificazione e parte dai nitrati per trasformarli in nitriti, poi in ammoniaca e da qui in azoto bimolecolare N₂ che, per sua natura, è un gas e quindi si libera dall’acqua sotto forma di bollicine nell’atmosfera terrestre.

CICLO DELL’AZOTO

Questi due processi ora descritti fanno a loro volta parte di una serie di reazioni che avvengono in natura, definendo un circuito in cui una sostanza viene incorporata in altre per poi ritornare dopo varie tappe alla condizione di partenza.
Questo processo è definito CICLO DELL’AZOTO.
Come potete vedere dalle figure 16 e 17, il ciclo dell’azoto inizia con l’azoto atmosferico del quale vi è larga presenza nell’aria che respiriamo (circa 78%).Questo viene “fissato” nel terreno ad opera di batteri azotofissatori (nel laghetto l’azoto è apportato dal cibo che viene fornito ai pesci).Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

Il passaggio successivo del ciclo vede il formarsi dell’ammoniaca, in un processo chiamato ammonificazione, ad opera di funghi e batteri decompositori che agiscono sull’azoto organico trasformandolo in ammoniaca.
A questo punto subentrano i batteri della NITRIFICAZIONE (Nitrosomonas e Nitrobacter) che presiedono, i primi la trasformazione dell’ammoniaca in nitrto, ed i secondi a quella del nitrito in nitrato.
Il nitrato, non potendo in altro modo venire smaltito che dalle piante che se ne nutrono, si accumula nell’acqua del laghetto.

L’alternativa al consumo dei nitrati operato dalle piante può venire da un processo chimico denominato DENITRIFICAZIONE. Questa, con reazioni specularmete opposte a quelle della nitrificazione riduce il nitrato ad ammoniaca e quindi ad azoto molecolare che si libera nell’atmosfera chiudendo il ciclo. Questo procedimento vede implicati i BATTERI ANAEROBI FACOLTATIVI o i BATTERI ANAEROBI OBBLIGATI.

Quindi la detossificazione efficace e completa di un laghetto comporta l’accoppiamento coordinato di due meccanismi biologici che necessitano di specifici batteri per ogni singola trasformazione.

Questo meccanismo viene oggi sfruttato ampiamente nel trattamento delle acque provenienti dagli scarichi municipali ed è definito come NITRIFICAZIONE E DENITRIFICAZIONE IN SIMULTANEA

(vedi http://ita.arpalombardia.it/ita/console/files/download/1/collivignarelli.pdf)

L’intervento dei batteri anaerobi obbligati è in grado di trasformare l’azoto nitroso solo in ammoniaca eludendo l’ultimo importante passaggio che chiude il ciclo dell’azoto.Conferenza sul Filtro AnossicoConferenza sul Filtro Anossico

Sono invece i batteri anaerobi facoltativi quelli in grado di operare la completa trasformazione in quanto capaci di agire direttamente sulla ammoniaca oltre che sugli altri stadi nella trasformazione nitrificante.
In un laghetto che presenti una ripartizione proprorzionata tra reazioni di nitrificazione e reazioni di denitrificazione si crea quello che la natura solitamente non fa, e cioè una ridondanza di reazioni biologiche.
Un filtro per laghetto che svolga un lavoro ideale sarebbe quello che con il minor quantitativo di passaggi possibile riesca a detossificare, deazotandola, l’acqua.
Tutte le reazioni che avvengono per opera di batteri differenti, in una direzione ed in quella opposta, compiono un lavoro pari a zero, quindi del tutto superfluo nel contesto di un laghetto che voglia mantenere limitate le dimensioni del suo filtro depurante.

La figura successiva mostra le reazioni a catena che si susseguono durante la nitrificazione e la denitrificazione. Queste 2 reazioni, in un laghetto con filtro convenzionale, avvengono necessariamene in compartimenti completamente diversi in quanto i batteri nitrificanti sono per loro natura aerobi, mentre quelli denitrificanti lavorano in campleta assenza di ossigeno. Inoltre nei laghetti non esistono reattori specifici per la denitrificazione come invece si usano nell’acquariologia (soprattutto marina). Le zone anossiche prodotte dalla totale mancanza di ossigeno in alcuni punti del laghetto sono, come poi vedremo, più pericolose che utili.

Se da questa equazione eliminiamo le reazioni ridondanti, la formula si semplifica notevolmente. Per cui il ciclo dell’azoto diventa: azotofissazione da azoto atmosferico che arriva come cibo ai pesci dopo un processo in incorporazione di questo in sostanze organiche (vegetali e animali) –> che i pesci trasformano in ammoniaca –> che viene trasformata direttamente e nuovamente in azoto gassoso dai batteri.

Ebbene gli unici batteri che sono in grado di compiere una reazione semplificata di questo tipo sono proprio i Batteri Anaerobi Facoltativi che si selezionano spontaneamente (senza inoculo dall’esterno) nel Filtro Anossico.

COME LAVORA UN FILTRO NITRIFICANTE

La figura 23 mostra uno schema semplificato della porosità di un media per la colonizzazione dei batteri nitrificanti. Questi batteri sono strettamente aerobi e si dispongono sia sulla superficie esterna del media che all’interno delle porosità, se il flusso dell’acqua è in grado di apportare costantemente acqua ricca di ossigeno.
Le parti più profonde del media tuttavia finiscono inevitabilmente per avere scarsi scambi gassosi a causa della loro facilità ad ostruirsi dei detriti portati dall’acqua.
I media dei filtri nitrificanti infatti sono disposti a formare una barriera fitta occupata dalle varie unità del media (bio-balls, pietra lavica, corrugati plastici, tufo, matala, ecc.). Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

Le fini particelle scappate alla filtrazione meccanica finiscono inevitabilmente contro queste barriere organizzate in quel modo per consentire che la maggior quantità di acqua possibile possa venire a contatto con i batteri adesi ad essa e quindi consenta la trasformazione detossificante dell’acqua.
Viene da sè, ma per questo è sufficiente avere avuto una volta un filtro biologico di questo tipo, che entro breve, queste microporosità si otturino e poi si arrivi anche al fenomeno definito dagli anglosassoni CHANNELING per il quale l’acqua passa preferenzialmente dove trova meno resistenza bypassando il contatto con i media.
Se col tempo il filtro biologico si ottura per i motivi detti sopra, l’acqua sarà costretta a passare nei punti di minore resistenza eludendo quella necessità che essa venga in contatto con la maggior parte dei media possibili.

La congestione dei media può arrivare a creare pericolose zone prive di ossigeno, sede naturale della produzione di acido solfidrico, qualora queste queste risultino impenetrabili ai nitrati per diffusione.
Le zone anossiche (da non fraintendere con il termine “anossico” del Filtro Anossico), sono tali per mancanza di scambi di acqua e soluti, ed i batteri anaerobi obbligati che si formano all’interno utilizzano i solfati quando i nitrati non sono più disponibili. La presenza di queste zone è evidenziata nei media da un colore nero (vedi figura successiva) e da un odore di uovo marcio al suo interno.

Il filtro nitrificante classico necessita quindi di continui rimaneggiamenti e manutenzioni onde scongiurare il formarsi di tali aree.

Il modo per evitare tutto questo si chiama appunto Filtro Anossico.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico
Nelle immagini successive possiamo osservare che la sua unità filtrante è contenuta in un comune cesto traforato per piantumazione di piante acquatiche.
Questi cesti vanno disposti nella camera biologica del filtro uno accanto all’altro, disposti anche su più file sovrapposte.

I MATERIALI DEL FILTRO ANOSSICO

Il Filtro Anossico è piuttosto semplice nella sua realizzazione e prevede l’uso di 2 materie principali: l’argilla (cotta, quella delle lettiere per gatti), e la laterite (un minerale che deriva da formazioni superficiali tropicali e umide, ricche di ferro e alluminio).

Queste vanno disposte come mostrato nella slide successiva. Il cesto va colmato con la lettiera e va praticata al centro una depressione con le mani nella quale verrà posizionata poi la laterite.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

DINAMICA DEL CESTO BIOCENOSICO

La laterite e la lettiera sono cariche negativamente ed al centro del cesto si viene via via formando un gradiente elettrochimico che attrae, con un effetto molto simile a quello di una calamita, le sostanze cariche positivamente di cui il laghetto è colmo.

Sopra al cesto, come ultimo strato, vanno posizionati dei semplici ciotoli di cava per mantenere compatta l’argilla che altrimenti, data la sua porosità e quindi leggerezza, tenderebbe a fuoriuscire dal cesto con le normali operazioni di manutenzione.

L’ultimo passaggio prevede il suo posizionamento nel filtro del laghetto a colmare completamente la camera biologica. Provvederà la pompa a muovere l’acqua che lambendo i cesti porterà l’ammoniaca ad entrare nel cesto per la forza magnetica che prima accennavo.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

PIANTUMAZIONE DEL FILTRO ANOSSICO
Il Filtro Anossico può ospitare forme vegetali per la fitodepurazione contenute direttamente nei cesti. Queste possono essere qualsiasi tipo di pianta acquatica; dalla Ninfea al Fior di Loto, dalla Tipha all’Iris, ma anche piante galleggianti come la Eichornia crassipes e la Pistia stratiotes, e molte altre. Ma attenzione a non scambiare questo filtro per un “Veggie Filter” (filtro unicamente fitodepurante) in quanto questo filtro può tranquillamente essere ospitato all’interno di un edificio o in uno scantinato buio.

La crescita delle piante risulterà rigogliosa grazie ai nutrimenti minerali contenuti nella lettiera del cesto ma soprattutto per opera del ferro minerale contenuto nella laterite.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

TIPOLOGIE DI BATTERI

Finora abbiamo nominato varie tipologie di batteri, ma ora ne vediamo insieme una panoramica più dettagliata per meglio comprendere quello che per tutti i laghetti è il centro operativo della trasformazione detossificante.

I Batteri Aerobi Obbligati sono i batteri coinvolti nella nitrificazione tradizionale che trasforma l’ammoniaca in nitrito e poi in nitrato. Essi sono rappresentati dai gruppi dei Nitrosomonas, Nitrobacter, Nitrospira e Nitrosospira. Questi bateri vivono in stretta correlazione alla presenza di ossigeno in quanto necessitano di quet’ultimo come accettore di elettroni per produrre energia.Conferenza sul Filtro Anossico Conferenza sul Filtro Anossico

I Batteri Aerobi Facoltativi possono vivere anche in assenza di ossigeno, ma lo preferiscono. A questo grupppo appartengono gli Stafilococchi, gli Streptococchi, gli Enterococchi, la Klebsiella, ecc.

I Batteri Anaerobi Obbligati sono il Clostridium ed i batteri solfato riduttori e sono batteri strettamente anaerobi, che mancano del’enzima superossido dismutasi e della catalasi, in grado di proteggerli dallo stress ossidativo generato dall’ossigeno.

Infine i Batteri Anaerobi Facoltativi. Questi sono una eterogenea classe di batteri rappresentata dagli Pseudomonas, il Micrococcus, il Bacillus, ecc., che vive senza difficoltà in ambiente saturo di ossigeno ma che in presenza di condizioni anossiche riesce ad utilizzare il nitrato, il nitrito e l’ammoniaca come accettori di elettroni nelle reazioni che determinano la produzione di energia necessaria al loro sostentamento.

Di tutti questi gli Anaerobi Obbligati, per quanto detto prima sono assolutamente da evitare in un laghetto, poichè causa della produzione di sostanze altamente tossiche come l’acido cloridrico.

I Batteri Aerobi Facoltativi sono classi di batteri che hanno maggiore attinenza alla specie umana come causa di una svariata quantità di infezioni.

I primi elencati, gli Aerobi Obbligati, non sono dannosi per un laghetto, ma la loro azione necessita di essere ridotta al massimo per evitare quei meccanismi di ridondanza biologica per la detossificazione del laghetto.
Questa amplificazione “inutile” e “dispersiva” delle reazioni biologiche di un laghetto finisce per rendere troppo lungo il lavoro fatto da altri batteri (in questo caso gli anaerobi facoltativi) con la logica conseguenza di dover ampliare volumetricamente il Filtro Anossico, aumentandone il numero dei cesti, per sopperire alla trasformazione che in condizioni ottimali può essere svolta da un minor numero di essi.Conferenza sul Filtro Anossico

DIFFERENZE TRA BATTERI AEROBI OBBLIGATI (BAO) E BATTERI ANAEROBI FACOLTATIVI (BAF).

Una decisione definitiva di quale filtro sia nel complesso più performante, può essere dato anche da uno studio comparativo delle caratteristiche di questi due gruppi di batteri.
Analizziamo qui le differenze rispetto ad ogni singolo fattore posto in tabella.

	BAO	BAF
PH	7,3-7,5 7,8-8,0	7,0-9,0
O2	>80%	non importante
Temperatura	25-30°C ottimali inattivi sotto i 10-12°C	20-33°C ottimali inattivi sotto i 5°C
Shock osmotici	sensibili	non sensibili
Replicazione	24-36 ore	15 – 30 minuti
Luce solare	sensibili	non sensibili
Adesione substrato	si	no
Necessario reinoculo	si	no

CONCLUSIONI

Il cesto anossico, unità primaria e fondamentale del Filtro Anossico è in grado di operare la trasformazione dell’ammoniaca direttamente ad azoto gassoso attraverso la selezione di una particolare tipologia di batteri (Anaerobi Facoltativi) i quali, grazie alla ultraporosità e alla permeabilità dei piccoli granuli di laterite è in grado di rallentare il flusso dell’acqua fino al suo interno. Questo dà la possibilità ai batteri nitrificanti, disposti sulla sua superficie esterna del cesto, di utilizzare l’ossigeno contenuto nell’acqua fino ad arrivare al centro del cesto dove la concentrazione di questo non supera gli 1-3 mg/l.
I minerali della lettiera e soprattutto della laterite sono parte indispensabile al sostentamento di questi batteri per ottenerne una automatica a quindi gratuita riproduzione.
Questa riproduzione è anche facilitata dagli ampi limiti dei valori ottimali dei parametri acquatici nei quali si trovano a vivere i batteri.
I bassi valori di fosfati riscontrabili dopo l’attivazione di questo tipo di filtro, in questa sede non trattati, meritano un approfondimento specifico in uno dei prossimi articoli del Blog.

Il filtro necessita di bassa manutenzione sia per il fatto che la disposizione dei cesti lascia piccoli canali per lo scorrimento laterale dell’acqua che rende impossibile da ostruire questo tipo di filtro, sia perchè la denitrificazione totale rende superflui i cambi d’acqua parziali, lasciando a questi il compito, un paio di volta all’anno, di ricomporre il mosaico di minerali, consumati dalle reazioni del filtro necessari per una sana crescita delle koi.

Vi ringrazio per la cortese attenzione.