Heute schon gefiltert...? Die verschiedenen Filtersysteme und deren Wirkungsweise

Transkript

1 Heute schon gefiltert...? Die verschiedenen Filtersysteme und deren Wirkungsweise Jens Kallmeyer Max Planck Institut für marine Mikrobiologie Geoforschungszentrum Potsdam

2 Gliederung Nährstoffkreisläufe im Aquarium Nährstoffkreisläufe allgemein Stickstoff Die verschiedenen Filtersysteme Abschäumer Nitratfilter Alkoholfilter und Schwefelfilter Zeolithfilter Sedimentfilter Zusammenfassung

3 Nährstoffkreisläufe In unseren Aquarien laufen verschiedene Kreisläufe ab Die meisten Kreisläufe sind miteinander verknüpft Filter greifen in diese Kreisläufe ein Ohne Kenntnis der Kreisläufe kann ein Filter nicht optimal eingesetzt werden

4 Der Stickstoffkreislauf,wer spielt mit? Ammonium NH 4 + Ammoniak NH 3 Nitrat NO 3 Nitrit NO 2 Stickstoff N 2 Partikuläres und gelöstes organisches Material (POM, DOM)

5 Stickstoffkreislauf,, was passiert? Ammonifizierung Ammoniumoxidation aerob und anaerob Assimilierung Denitrifikation Nitritoxidation Nitrifikation Nitritreduktion Stickstofffixierung Das ist alles recht kompliziert

6 Wie kommt Stickstoff ins Aquarium? Füttern Ausscheiden Sterben POM Molekulargewicht Proteine (Eiweiße) > Peptide Aminosäuren ~100 Organische Säuren ~ 50 + Ammonium (NH 4+ ) 18 Es geht auch anders, dazu später mehr...

7 Wie geht s weiter? Stickstoff Gas (N 2 ) Cyanobakterien POM Nitrit (NO 2 ) Algen/Korallen Proteine Peptide Aminosäuren Ammonium (NH 4+ ) Nitrat (NO 3 ) Nitrit (NO 2 ) Ammoniak (NH 3 )

8 Abschäumer Entfernt Proteine aus dem Wasser ABER keine anderen Stickstoffverbindungen Aber ein paar andere Sachen, dazu später mehr

9 Wo greift der Abschäumer ein? Stickstoff Gas (N 2 ) Cyanobakterien POM Nitrit (NO 2 ) Algen/Korallen Proteine Peptide Aminosäuren Ammonium (NH 4+ ) Nitrat (NO 3 ) Nitrit (NO 2 )

10 Ein paar Fragen... Warum gibt es Becken mit riesigem Abschäumer und Nitrat? Die Proteine müssen den Abschäumer auch erreichen Kann man zu viel abschäumen? Das ist eine Glaubensfrage Braucht man wirklich einen Abschäumer? Es kommt auf das Aquarium an

11 Abschäumer Sind technisch ausgereift, einfach zu bedienen Brauchen wenig Aufmerksamkeit und Wartung Holen viele gute Sachen aus dem Wasser raus Schreddern Plankton

12 Nitratfilter Es gibt 2 grundsätzlich verschiedene Typen von Nitratfiltern Auf Kohlenstoff basierende Systeme Schwefelfilter

13 Ein kleiner Exkurs Im Kohlenstoff Filter leben heterotrophe Organismen. -Energiegewinn: Oxidation von organischem Material mit verschiedenen Stoffen, z.b. Sauerstoff, Nitrat, etc. -Heterotrophe Organismen sind NICHT in der Lage, selber organisches Material aus anorganischen Verbindungen (CO 2 ) herzustellen

14 Ein kleiner Exkurs, Teil 2 Im Schwefelfilter leben autotrophe Organismen. Energiegewinn: Oxididation von anorganischem Material (z.b. Schwefel, Sulfid) mit verschiedenen Stoffen, z.b. Sauerstoff, Nitrat etc. Autotrophe Organismen können selber organisches Material aus anorganischem herstellen.

15 Kohlenstoff-Nitratfilter Durch Zugabe von organischem Kohlenstoff kommt es zur starken Vermehrung von heterotrophen Bakterien im Filter Die Bakterien verbrauchen Sauerstoff Wenn der Sauerstoff aufgebraucht ist nehmen sie Nitrat Und wenn Nitrat aufgebraucht ist...? Dann stinkts!

16 Und wieder Chemie.. Oxische Respiration - 479kJ/mol CH 2 O + O 2 = CO 2 + H 2 O Denitrifikation kj/mol 5CH 2 O + 4 NO 3 = 4 HCO 3- + CO 2 + 3H N 2 Sulfatreduktion 2CH 2 O + SO 4 2- = H 2 S + 2 HCO kj/mol

17 Was passiert im Filter? Fließstrecke im Filter - Konzentration + O 2 NO 3 H 2 S SO 4 Das Wasser kommt Nitrat- und Sauerstofffrei aus dem Filter! Arbeitsbereich

18 Kohlenstoff Nitratfilter Die Nahrung und das Frischwasser müssen möglichst gleichmäßig zugeführt werden, beides muß aufeinander abgestimmt sein Es sollte eine belüftete Reaktionskammer nachgeschaltet sein, in der evtl. entstandenes Sulfid oder nicht verbrauchter Kohlenstoff abgebaut werden kann

19 Schwefelfilter - In diesem Filter werden autotrophe Bakterien gezielt angereichtert. - Die Nahrungsquelle braucht nicht extra zugeführt werden - Anstelle von organischem Kohlenstoff oxidieren sie Schwefel mit Sauerstoff oder Nitrat - Was passiert wenn kein Sauerstoff oder Nitrat mehr da ist...? - Dann stinkts!

20 Und schon wieder Chemie... S + NO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 + N 2 Es wird Schwefelsäure frei, die durch Kalk abgepuffert wird H 2 SO 4 + H 2 O = HSO 4- + H 3 O + ph H 3 O + + CaCO 3 = Ca 2+ + HCO 3 -

21 So weit die Theorie... Wenn kein Nitrat mehr da ist? 5S + 4H 2 O = 2H 2 S + SO 4 Und was kann noch passieren? 2S + CH 2 O + H 2 O = 2H 2 S + CO 2

22 Schwefelfilter Weniger Aufwand, da nur Wasserzufluß kontrolliert werden muß Erhöht den Kalkgehalt Erzeugt eine Ionenverschiebung! Es sollte keine belüftete Reaktionskammer nachgeschaltet sein, in der evtl. entstandenes Sulfid reagieren kann, da sonst der Kalk ausfällt

23 Wo greifen Nitratfilter ein? Stickstoff Gas (N 2 ) Cyanobakterien POM Nitrit (NO 2 ) Algen/Korallen Proteine Peptide Aminosäuren Ammonium (NH 4+ ) Nitrat (NO 3 ) Nitrit (NO 2 )

24 Zeolith Filter Was sind Zeolithe? Was machen sie, und warum? Was haben sie im Aquarium zu suchen?

25 Zeolithe Zeolithe sind Minerale Es gibt sehr viele verschiedene natürliche und synthetische Zeolite Zeolithe tauschen Moleküle mit denen sie beladen sind gegen andere aus Je nach Art des Zeoliths bevorzugen sie bestimmte Moleküle

26 Stuktur von Zeolithen Aluminium- und Siliziumatome bilden ein Gerüst, in dem andere Atome oder Moleküle eingeschlossen werden können

27 Zeolithe Zeolithe sind extrem porös und besitzen winzige Poren (Durchmesser 1-10 µm) In diesen Poren siedeln sich Bakterien an Der Nährstoffabbau funktioniert in zwei Stufen: 1. Ammoniumabsorption 2. Ammoniumoxidation/Denitrifizierung

28 Wer absorbiert was? Clinoptilolith Cs + > NH 4+ > Pb 2+ > K + > Na + > Ca 2+ > Mg 2+ > Ba 2+ > Cu 2+ > Zn 2+ Herschelith Ba 2+ >Sr 2+ >Ca 2+ >Li + >Tl + >Cs + >K + >Ag + > Rb + >NH 4+ >Pb 2+ >Na +

29 Ammoniumabsorption Autotrophe Bakterien besiedeln die Overfläche des Zeoliths und oxidieren das absorbierte Ammonium mit Sauerstoff zu Nitrat 2NH 4 + 5O 2 = 2NO 3 + 4H 2 O Tiefer im Mineral wird das Nitrat von heterotrophen Bakterien zu Stickstoff abgebaut 5CH 2 O + 4 NO 3 = 4 HCO 3- + CO 2 + 3H N 2

30 Wo greifen Zeolithfilter ein? Stickstoff Gas (N 2 ) Cyanobakterien POM Nitrit (NO 2 ) Algen/Korallen Proteine Peptide Aminosäuren Ammonium (NH 4+ ) Nitrat (NO 3 ) Nitrit (NO 2 )

31 Warum läuft ein Zeolith Filter nicht ewig? Die Poren verstopfen Die Austauscherwirkung ist erschöpft

32 Zeolith Filter Zeolithe sind recht einfach in der Anwendung Zeolithe können Phosphat binden und u.u. auch biologisch abbauen Zeolithe können u.u. extrem schnell und effektiv in Nährstoffkreisläufe eingreifen, das kann positive oder negative Effekte haben

33 Sedimentfilter Filtertechnik mit der längsten Geschichte Verschiedene Systeme sind im Gebrauch, unterscheiden sich nur graduell Jaubert, Deep Sand Bed, Miracle Mud

34 Jaubert Bodengrund wird als Filter genutzt Feiner Kies/Sand Gaze Feiner Kies/Sand Rasterplatte Plenum mit Auslauf S. Mülder

35 Deep Sand Bed (DSB) Bodengrund wird als Filter genutzt Feiner Kies/Sand R. Shimek

36 Miracle Mud (MM) Sediment ist in eigenem Becken 24 h Beleuchtung Caulerpa Miracle Mud

37 Gemeinsamkeiten der Systeme Das Sediment bietet Bakterien eine große Oberfläche zum Besiedeln Alle benötigten Nährstoffe (bzw. zu entfernenden Stoffe) gelangen durch Advektion ins Sediment Systeme regulieren sich selber

38 Was ist Advektion? Advektion ist der GERICHTETE Transport von gelösten Stoffen durch Strömung Advektiver Transport von Stoffen in Sedimenten wird mit zunehmender Sedimenttiefe langsamer weil: Der zurückzulegende Weg immer länger wird Reibungsverluste die Strömung bremsen

39 Was ist Advektion? Wie tief advektiver Transport ins Sediment eindringt hängt von 2 Faktoren ab : Strömungsgeschwindigkeit und Korngröße 0 4 cm/s 0 Schlamm Tiefe (mm) cm/s Tiefe (mm) µm 20 20

40 Was passiert im Sediment? O 2 Sauerstoffverbrauch NO 3 Nitratabbau H 2 S SO 4 Sulfatreduktion = Sulfidproduktion

41 Und wie sieht so was aus? E. Precht & U. Franke

42 Und noch einer E. Precht & U. Franke

43 Die große Angst: Sulfid In tiefen Sedimentschichten kann es zur Produktion von Sulfid kommen Sulfid kann von autotrophen Bakterien mit Nitrat oder Sauerstoff oxidert werden 3 H 2 S + 5 NO 3 = 3 H 2 O + 3 SO 4 + 2,5 N 2 2 H 2 S + 5 O 2 = 2 H 2 O + 2 SO 4

44 Die große Angst: Sulfid Sulfid kann sehr schnell in Sedimenten entstehen Es wird von Bakterien als Energiequelle genutzt Eine Freisetzung ins Aquarium ist nur unter ungünstigen Bedingungen möglich (sehr viel organisches Material an einer Stelle, wenig Strömung etc.)

45 Sulfid als Nahrungsgrundlage Bo Barker Jørgensen

46 Eigenschaften der Systeme - Jaubert - Durch Plenum gute Kontrollmöglichkeit - Unterer Bereich des Sediments nicht zugänglich für grabende Tiere - Deep Sand Bed - Extrem einfach einzurichten - Sehr robust, aber schwer zu kontrollieren - Miracle Mud: - Entfernt Phosphat durch Caulerpa - Caulerpa muß regelmäßig geschnitten werden - Gutes Biotop für kleine Krebse etc. - Sehr starke Strömung in der Filterkammer

47 Zusammenfassung Die Systeme arbeiten auf unterschiedliche Weise und greifen an verschiedenen Stellen in den Nährstoffkreislauf ein Mit jedem System oder Kombinationen daraus können Aquarien betrieben werden Ohne ein Verständnis über die Funktionsweise eines Filters kann man mit jedem Filter jedes Aquarium ruinieren

48 Zusammenfassung Ein paar Gedanken sollte man sich vor einem Systemwechsel machen: Was will ich bzw. was brauche ich? Was können die einzelnen Systeme können und was können sie nicht?