Élet a porózus szűrőanyagokban
Az akvarisztikában, főleg az utóbbi évtizedben terjedtek el a hobbisták között a biológiai szűrőanyagoknak nevezett természetes vagy mesterséges eredetű médiák, melyek alapvető közös sajátsága, hogy rengeteg apró lyuk, barázda, járat alkotja magát az anyagot, és így külső felületét is.
Ezek a "felszíni formák" az anyagon, anyagban felelnek annak nagy literenkénti felületéért, és ez a nagy felület hivatott a baktériumok számára elképzelhetetlenül nagy élőhelyet biztosítani. A hobbisták nagy része úgy tartja, hogy a nagy felület körülményektől függetlenül hatalmas, baktériumok általi lebontó kapacitást biztosít, rendkívül szoros kapcsolatot feltételezve a két paraméter között(nagy felület = nagy lebontó kapacitás). Természetesen a kép árnyalva van annyiban, hogy a baktériumok fizikai méreteit figyelembe veszik ezen kijelentések során.
A hazai növényes akvarisztikai szakirodalmakban bár fellelhetőek SEM(pásztázó elektron mikroszkóp) felvételek a különböző márkájú szűrőanyagokról, de ezek a képek kivétel nélkül az anyagok "nyers" állapotát mutatják, amik véleményem szerint nem tükrözik kellően a lehetséges lebontási hatásfokot. Ezekből a képekből annyit tudunk meg, hogy valóban igen porózus anyagokról van szó, de csak nagyon korlátozott mértékben és felületes módon lehet ezek alapján bármi konkrétumot levonni abban a tekintetben, hogy a bakteriális életnek valójában mekkora életteret biztosítanak. Hiányoznak tehát a szakirodalomból azok a felvételek, amik az anyagot biológiailag beért állapotában mutatják, ami már közelebb visz minket ahhoz, hogy megértsük hogyan is működnek ezek.
A kutatásom során természetesen szakirodalom elemzést is végeztem, az így szerzett információkat pedig igyekeztem beépíteni a vizsgálatok során kialakult képbe.
A jelenlegi elképzelések ezekről a szűrőanyagokról
A jelenleni nézetek hazai szinten(de valószínűleg nemzetközileg is), nagyjából egységesen azt mondják ki, hogy ezek az anyagok, porózusságuknak köszönhetően literenként körülbelül 8-tól(Hydor Quartz) 1500 négyzetméterig(Seachem Matrix) terjedő felülettel rendelkeznek, és ismerve a baktériumok fizikai méretét, ezen a hatalmas felületen gigantikus méretű kolóniák képesek kialakulni. Gyakorlatilag e hatalmas felület miatt semmi más, nem ebben a tartományban értendő makroporózus(lávakő, biolabda, szivacs, gégecső stb) anyag még csak egy lapon sem említhető velük.
A Seachem nevű amerikai akvarisztikai cég által készült egy kutatás, amelyben 3 féle anyagot vizsgáltak, a saját anyagukat, ami a Seachem Matrix, és két szinterelt üveg alapú kerámiát, Eheim Substrat Pro-t, és JBL MicroMec-et(ezek két konkurens cég termékei).A cikkben közzéteszik, hogy a gázadszorpciós vizsgálat alapján a felületek között jelentős eltérés van a saját termékük javára. A cikkben továbbá található 3 grafikon, ami az egyes anyagok pórusméret-eloszlását mutatja be.
A Seachem nevű amerikai akvarisztikai cég által készült egy kutatás, amelyben 3 féle anyagot vizsgáltak, a saját anyagukat, ami a Seachem Matrix, és két szinterelt üveg alapú kerámiát, Eheim Substrat Pro-t, és JBL MicroMec-et(ezek két konkurens cég termékei).A cikkben közzéteszik, hogy a gázadszorpciós vizsgálat alapján a felületek között jelentős eltérés van a saját termékük javára. A cikkben továbbá található 3 grafikon, ami az egyes anyagok pórusméret-eloszlását mutatja be.
 |
| A Seachem Matrix póruseloszlása |
 |
| JBL MicroMec póruseloszlása |
Megállapították, hogy mivel a baktériumok mérete igen kicsiny(0,4-0,5 mikron), így a járatok mérete akkor a legmegfelelőbb, ha még éppen beférnek ezekbe, de ne legyen sokkal nagyobb, mert akkor a felület lesz kicsi, és nem tud elegendő számú baktérium megtelepedni az anyagon(anyagban?).A cikk konkulúziója a grafikonok tekintetében az, hogy a legnagyobb felülettel rendelkező természetes kőzet alapú a legjobb biológiai szűrőanyag, hisz a legtöbb pórus mérete az optimális sávba esik, kb.0,2-8 mikron közé, ami a baktériumok fizikai méretét tekintve ideális. A cikkben leírták, hogy a kapott hatalmas felületekből kivonták azt a részt, ami a baktériumok számára nem megfelelő, tehát 0,4 mikronnál kisebb pórusok által adott felületek nem vettek részt az utolsó fordulóban, ahol szintén fölényesen győzött a Seachem Matrix.
A kutatás előtti főbb hipotéziseim
A fenti elméletek képviselői néhány fontos tényezőt nem vesznek számításba: a bakteriális fiziológiát, az áramlástant, és a porozitás és permeabilitás témaköreit. A baktériumoknak szükségük van folyamatos, elegendő mennyiségű oldott tápanyagokra, amik a vízzel fognak eljutni hozzájuk. Nyilvánvaló, hogy csak ott fognak megtelepedni, ahol ezek a felsorolt anyagok számukra megfelelő mértékben, felhasználható formában jelen vannak. Azt is könnyű belátni, hogy minél kisebbek egy anyag pórusai, a víz annál lassabban(vagy szinte egyáltalán nem) járja át.
Számos, porozitással és permeabilitással foglalkozó tudományos kísérletben látható, hogy a nagy szemű sóderen szinte átrohan a víz, az apró szemű homokon szinte már csak szivárog, az igen apró szemcseméretű agyagok pedig kvázi vízzáró réteget alkotnak. Ezt az egyszerű kísérletet akár otthon, házilag is el tudjuk végezni. A kísérlet során egy tölcsérbe szűrőpapírt, vagy a végébe vattadugót helyeznek, majd a tölcsért feltöltik bizonyos szemcseméretű anyaggal(sóder, homok, agyag). Majd meghatározott mennyiségű vizet öntenek a tölcsérbe, és mérik, mennyi idő alatt folyik le a víz a tölcsér alatt lévő főzőpohárba a különböző anyagok esetén.
Én úgy gondolom, hogy a porózus szűrőanyagok, minél kisebb pórusátmérőkkel rendelkeznek, tehát minél nagyobb a fajlagos felületük, a víz által annál kevésbé átjárhatóak, a fenti példához hasonlóan. Elméletben ebből az következik, hogy az anyag belsejében a biológiailag valóban aktív felület ezen törvényszerűségeket alapul véve éppen hogy fordítottan arányos a fajlagos felület nagyságával, mivel víz csak a jól átjárható pórusokban képes a baktériumokat ellátni kellő mennyiségű tápanyaggal.
Természetesen azt is a számításba kell venni, hogy a járatok alakja milyen, hisz attól is nagymértékben függhet a vízáteresztő képesség. De még ennél is tovább lehet árnyalni a témát, hisz léteznek anaerob(a teljesség igénye nélkül a nitrátbontó) baktériumok, viszont az akvarisztikában igen fontos nitrifikáció csak oxigénnel jól ellátott felületeken(és járatokban) képes hatékonyan végbemenni a baktériumok által, így önmagában kevés lehet az, hogy egy anyag valamennyire átjárt a víz által.
Természetesen azt is a számításba kell venni, hogy a járatok alakja milyen, hisz attól is nagymértékben függhet a vízáteresztő képesség. De még ennél is tovább lehet árnyalni a témát, hisz léteznek anaerob(a teljesség igénye nélkül a nitrátbontó) baktériumok, viszont az akvarisztikában igen fontos nitrifikáció csak oxigénnel jól ellátott felületeken(és járatokban) képes hatékonyan végbemenni a baktériumok által, így önmagában kevés lehet az, hogy egy anyag valamennyire átjárt a víz által.
Egy összefüggő pórusokkal rendelkező anyag tehát csak addig a mélységig lesz baktériumok által lakott, amíg megfelelő mértékű, az adott baktérium életéhez és szaporodásához szükséges anyagokat kap a vízáramlás által.
A jelenlegi elterjedt és népszerű elmélet teljes mértékben kihagyja a megállapításai során azt a tényt, hogy az akváriumban előforduló baktérium fajok legtöbbje kiválaszt maga köré bizonyos anyagokat (Extracellular Polymeric Substance, EPS) , gyakorlatilag egy zselét, amivel védik magukat a környezeti ártalmaktól, és stabil megtapadási lehetőséget is ad nekik. Ez az ún. biofilm pedig nagyságrendekkel nagyobb térfogatot képes kitölteni, mint a maguk a baktériumok tömegei. A források alapján, ha kellő mértékben megkapják a baktériumok a nekik szükséges tápanyagokat, a biofilm vastagsága akár több száz mikrométer(néhány tized mm) vastagságot is elérhet. Ez pedig, ha akváriumi szűrőanyagban is bekövetkezik, valószínűleg el fogja tömíteni az apró barázdákat, amik a szűrőanyagok nagy felületét adják. Továbbá az átjárható(nagy átmérőjű) csatornákkal rendelkező porózus anyagokban fejlődő biofilm fejlődésének csak első stádiumában található meg a mélyebbi rétegekben is biofilm, az idő előrehaladtával, ha a tápanyag ellátás nem szakad meg, a mélységi pórusokat elzárja a felszínen túlburjánzó EPS, ez után a mélyebben lévő kolóniák elpusztulnak, de legalább is csak azok a fajok élnek túl, amik anoxikus(oldott oxigén mentes) környezethez alkalmazkodtak.
Ennek logikáját könnyű megérteni, ha belegondolunk, hogy a szűrőanyag beljesébe tartó vízből útközben a baktériumok kiveszik a nekik szükséges anyagokat, főként oxigént, így a mélyebben lévő aerob(!) baktériumok éhezni fognak, aktivitásuk hanyatlik, akár el is pusztulnak idővel. Ez mellett, a pórusok bejáratánál lévő relatív tápanyagtöbblet(mindig friss víz) a felszíni biofilm vastagodását fogja eredményezni, ezáltal a mélyebbi rétegek vízellátását gátolja, vagy akár el is lehetetleníti.
Ennek a kérdésnek a végleges eldöntésére közvetlen, célzott vizsgálatokat nem végeztem, viszont a szakirodalmi eredmények, cikkek konklúzióinak áttekintése alapján mindenképpen említendő, fontos témakörnek gondolom.
Eszközök és módszerek
A szakirodalom-elemzésen kívül végeztettem gyakorlatilasabb vizsgálatokat is, konkrétan SEM felvételek készültek beért szűrőanyagokról. A minták egy részének beérlelését egy 18 literes akváriumban végeztem, ahol egy Atman HF-0600-as akasztós szűrő dolgozott. Ez ugyanaz az akvárium, ami a Magazin eggyel korábbi számában megjelent, Twinstar vizsgálatáról szóló cikkben is működött. Tehát, ez egy legalább fél éves, frissnek egyáltalán nem mondható akvárium volt a mintavétel időpontjában. A kísérlet második szakaszában pedig az anyagokat karbamid adagolásával is érleltem. Továbbá kaptam mintákat high-tech, "pörgetett"(külső szűrő, lágy víz, CO2 adagolás, erős LED fény, napi növénytápozás) akváriumból is, hogy többféle környezetből származó mintákat is láthassunk a felvételeken.
A low-tech-, és high-tech környezetből származó minták nem mutattak észrevehető különbséget a bakteriális kolonizáció tekintetében. Összesen 8 mintát adtam le fixálásra, és SEM-felvételek készítésére, az akváriumból való kikerülésük után 1-2 órán belül minden esetben megkezdődött a fixálási folyamat. Az vizsgált termékek, anyagok a következők:
A low-tech-, és high-tech környezetből származó minták nem mutattak észrevehető különbséget a bakteriális kolonizáció tekintetében. Összesen 8 mintát adtam le fixálásra, és SEM-felvételek készítésére, az akváriumból való kikerülésük után 1-2 órán belül minden esetben megkezdődött a fixálási folyamat. Az vizsgált termékek, anyagok a következők:
-Aqualine Matrix Trop , low-tech és high-tech akváriumból is, karbamiddal is érlelve a low-tech verzió esetén
-Hydor Quartz, high-tech akváriumból
-Sera Siporax mini, high-tech akváriumból
-Lávakő, low-tech akváriumból, karbamiddal is érlelve
-Sera Siporax gyűrű, low-tech akváriumból, karbamiddal is érlelve
-Aktív szén, low-tech akváriumból, karbamiddal is érlelve
-Eheim Substrat Pro, low-tech akváriumból, karbamiddal is érlelve
-Seachem Matrix, low-tech akváriumból
A 8 minta nem fedi le a teljes magyarországon beszerezhető szűrőanyag palettát, de közvélemény kutatásom alapján ezek bizonyultak a legnépszerűbbeknek, illetve egy tágabb kép kedvéért belevettem a vizsgálatba két, nem porózus biológiai szűrőanyagok közé tartozó anyagot is, az aktív szenet(kémiai szűrés, adszorpció), és a lávakövet("elavult", kis felület). (Megjegyzés: bár az aktív szén talán az összes anyag közül a legnagyobb felülettel bír, de túl apró pórusai miatt nem sorolandó a biológiai szűrőanyagok közé, mivel a baktériumok nem férnek be a járatokba)
Ezek mellett végeztem egy sokkal egyszerűbb vizsgálatot is az anyagok egy részén: Egyszerűen eltörtem őket, és a belső felületet is megvizsgáltam szemrevételezéssel (van-e bármi nyoma elszíneződésnek, ami az élet jelenlétére utalna). Ezzel az egyszerű metódussal is le lehetett vonni következtetéseket, összefüggéseket.
A minták fixálását, és az elektronmikroszkópos képek készítését Dr. Domonkos Ildikó biológus végezte, aki a Szegedi Biológiai Kutatóközpont kutatója. Ez mellett a készített képek kielemzésében is segítséget nyújtott, főként az élőlény / élettelen törmelék elkülönítése során.
A képeken a biofilm főként vékony szálakból álló bevonatként jelenik meg, amiben felfedezhetőek a baktériumok is, de előfordulnak letapadt baktériumok biofilm nélkül is. Ez mellett láthatunk még kovamoszatokat is nagy számban, a baktériumok mellett ezek az élőlények is adják a szűrőanyag barna színét. A képeken, ahol a nagyítás ezt lehetővé tette, piros nyíllal jelöltem a baktériumokat, és kék nyíllal a kovamoszatokat. Ez a két élőlény típus alkotta a biomassza fő tömegét.
A vizsgálati eredmények
Seachem Matrix
Ez volt az a szűrőanyag, amitől a legtöbbet vártam, hisz az akvaristák, és a terméket forgalmazók többsége szerint is ez a szűrőanyagok egyik legjobbja. A szerkezete alapján a Matrix valószínűleg egy vulkáni tufa, ezzel magyarázható a porózus szerkezete. Tehát ez a szűrőanyag tekinthető jelenleg a legnépszerűbbnek hazai körökben a növényes akvarisztikán belül, rengeteg pozitív tapasztalat kering a fórumokon róla. A kiemelkedő hatásfok a nagy felületével van indokolva, ami a legfrissebb értesüléseim szerint 1500 négyzetméter / liter-nek volt mérve gázadszorpciós vizsgálattal a Seachem Laboratórium által(ez a teljes mérhető felület).
Az akvarisztikai szakirodalom szerint a nagy felületet a baktériumok kolonizálják, és végső soron ez felel azért a hatásért, amit az akváriumban figyelhetünk meg használatakor. Itt felmerülhet az olvasóban egy kérdés, hogy vajon ez a nagy felület csak a kőzetdarab látható külső felületére, és a felszínről csak bizonyos mélységig leágazó járatokra értendő, vagy a mélységi kapilláris járatokra is, az anyag egész térfogatában? A gázadszorpciós vizsgálatból megállapított felület nagyságára gondolva erős a gyanú, hogy az anyag térfogatának jelentős része összefüggő kapilláris járatokkal átszőtt. Ebben a témában is készítettem egy közvélemény kutatást, és az akvaristák jelentős része úgy képzelte el a fellelhető információk, és szakmai diskurzusok alapján, hogy az anyag egész térfogata átjárható, és baktériumok által lakott.
Az akvarisztikai szakirodalom szerint a nagy felületet a baktériumok kolonizálják, és végső soron ez felel azért a hatásért, amit az akváriumban figyelhetünk meg használatakor. Itt felmerülhet az olvasóban egy kérdés, hogy vajon ez a nagy felület csak a kőzetdarab látható külső felületére, és a felszínről csak bizonyos mélységig leágazó járatokra értendő, vagy a mélységi kapilláris járatokra is, az anyag egész térfogatában? A gázadszorpciós vizsgálatból megállapított felület nagyságára gondolva erős a gyanú, hogy az anyag térfogatának jelentős része összefüggő kapilláris járatokkal átszőtt. Ebben a témában is készítettem egy közvélemény kutatást, és az akvaristák jelentős része úgy képzelte el a fellelhető információk, és szakmai diskurzusok alapján, hogy az anyag egész térfogata átjárható, és baktériumok által lakott.
 |
| Seachem Matrix low-tech akváriumból (kis terhelés) |
A képen azt látjuk, hogy az anyagot széttörve belül nem láthatunk barnás elszíneződést, ami az életre utalhatna. A külső felszínen viszont kétségkívül életre utaló nyomokat látunk. A két kép, amin az anyag széttörve látható, low-tech-, illetve high-tech akváriumból származik. A high-tech környezetből származó képet köszönöm Pócsi Barnabásnak.
 |
A Seachem Matrix belső szerkezete (kis nagyítás) |
 |
| A Seachem Matrix belső szerkezete |
 |
| A Seachem Matrix külső szerkezete |
Az anyagba mikroszkóppal belenézve nagyjából az a kép tárul elénk, amit szabad szemmel is láthatunk. Az anyag külső felületén megfigyelhetjük a baktériumokat és egyéb élőlényeket, és az általuk kiválasztott EPS-t(biofilmet). Az anyag belseje pedig gyakorlatilag "steril" kőzet. Faj szinten ilyen módszerrel nehéz(tudományos szinten és értelemben lehetetlen) a meghatározás, de univerzális értelemben életre utaló nyomokat találhatunk ezáltal.
Aqualine Matrix Trop
 |
| Az Aqualine Matrix Trop széttörve (low-tech környezet) |
A Matrix trop nem csak nevében hasonlít a Seachem termékéhez, legalább is az elektronmikroszkópos képek sem mutatnak nagy különbségeket közöttük. Az anyagot mind low-tech-, mind high-tech környezetben érlelt állapotában széttörve nagyjából ugyanazt látjuk, mint a másik Matrix elnevezésű anyagnál: felszíni biofilm, de közvetlenül alatta már a kőzet natúr színe látszódik. A high-tech környezetből származó mintát köszönöm Nagy Zsolt-nak.
 | |
|
Az elektronmikroszkópos képek, mind low-tech, mind high-tech környezetben ugyanazt mutatják: Kívül megtelepedett az élet, belül gyakorlatilag üres.
Hydor Quartz
 |
| A Hydor Quartz széttörve |
 |
| A Hydor Quartz széttörve |
 |
| Élet a Hydor Quartz felszínén (egyedi megtapadt baktériumok) |
A gyártó oldalát felkeresve, adatok után nyomozva meglepődhetünk, hogy ilyen kis felületű anyagot biológiai szűrőanyagként forgalmaznak. A gyártó adatai alapján a felülete "mindössze" 8,25 négyzetméter / liter, ez talán a kategórián belül a legalsó tartomány. Beért állapotában(high-tech akvárium) széttörve érdekes kép tárult a szemem elé: nem csak a külső, hanem a belső része is barna színű volt, bár élőben nem volt olyan sötét, mint a Matrix nevű anyagok. (a fotókon a barna szín telítettsége nem mindig egyezett 100%-osan azzal, amit a valóságban láttam). Ami igazán érdekes, hogy nem volt látható a felszínen a kocentrált barna szín, hanem az egész anyag, nagyjából teljesen homogén módon színeződött el. Ez egyetlen másik szűrőanyagnál sem volt látható.
Az szűrőanyagot nagy nagyításban, elektronmikroszkópban vizsgálva érdekes szerkezetet láthatunk, főként "hatalmas" járatok és nagy, nyitott terek vannak az anyagban. A hazai szakirodalom ezt a fajta szerkezetet általában leminősíti, biológiai szűrésre alkalmatlannak tartja, mivel az összfelület kicsi. Viszont, ebben az anyagban az elektronmikroszkópos képek is arról tanúskodnak, hogy az anyag mélyebb rétegeiben is meg tud telepedni az élet, gyakorlatilag elszórtan, de mindenhol láttunk életre utaló nyomokat. Feltételezhető, hogy az a mennyiségű baktérium és egyéb élőlény, ami például a Seachem Matrix esetén a felszínére koncentrálódott, itt ugyanaz sokkal elszórtabban helyezkedik el az anyagban, a belső felületén is.
Sera Siporax Mini
 |
| A Sera Siporax mini széttörve |
 |
| A Sera Siporax szerkezete |
 |
| A Sera Siporax belsőbb részeinek képe(üres) |
 |
| A Sera Siporax külsőbb rétegeiben lévő baktériumok |
A Sera cég ezt a termékét főleg olyan helyekre ajánlja, ahol nincs túl sok hely a nagyobb térfogatú gyűrű forma számára, főleg belső szűrőkbe, és 100 liter alatti akváriumokba. Anyaga ugyanaz, mint a gyűrű formáé, így a fajlagos felülete is valószínűleg egyezik vele. Széttörve azt láttam, hogy az anyag külső felülete erősebben barnás színű, a belseje viszont halványabb. A SEM képeken a felszínhez közelebbi részeken nagyobb volt az életre utaló nyomok sűrűsége, de elszórt módon, szigetszerűen kicsit bentebbi részeken is találtunk főként baktériumokat. A Hydor szűrőanyagával összehasonlítva bár hasonlóan, kicsit mélyebben is volt élet, de nem volt annyira homogén jellegű, inkább a felszínhez közelebbi részeken koncentrálódott.
Lávakő
 |
| Lávakő széttörve |
 |
| Lávakő szerkezete |
 |
| Lávakő felszíne |
 |
| Lávakő felszíne |
Bár nincs "igazi" biológiai szűrőanyagnak minősítve, de bevettem a listába, mert az egészen más szerkezete miatt jó összehasonlítási alap lehet a többi szűrőanyag mellett. A felszínén találtunk életre utaló masszát, de ez más jellegű volt, mint a többi szűrőanyag esetében. A "másság" okait a kép alapján meghatározni nem lehetett.
Azt fontos megjegyezni, hogy mivel az anyag alapvetően barna színű, a barnás elszíneződés nem tudta segíteni a munkánkat annak a kérdésnek az eldöntésében, hogy az adott töredék melyik felülete az eredeti szemcse melyik részéből származik. A SEM vizsgálat során igen apró darabokra lettek törve az anyagok, és fénymikroszkóppal lettek "beirányozva", hogy melyik a külseje, és melyik a belseje. Ennél az anyagnál ez nem volt egyszerű feladat.
Sera Siporax gyűrű
 |
| A Sera Siporax frissen széttörve |
 |
| A Sera Siporax külsőbb felszínén lévő élet |
A Matrix mellett a másik legnépszerűbb szűrőanyag. A gyűrű forma az áramlás, és a biofilm vízellátottsága miatt is előnyösnek tekinthető. Viszont nem mutatott jelentős különbséget a Mini verzióhoz képest, a belsőbb járataiban erősen megritkultak a baktériumkolóniák(erről korábban már látható, ismétlő SEM kép nem készült).
Aktív szén
 |
| Az Atman szűrőből származó aktív szén szerkezete |
Az aktív szén meglepetés volt, de nem pozitív értelemben. Ez konkrétan az Atman akasztós szűrővel kapott, ami nem hasonlít az interneten látható SEM képek többségére. Életet nem találtunk rajta, de a szerkezete sem meggyőző adszorpció tekintetében.
Eheim Substrat Pro
 |
| Az Eheim Substrat Pro széttörve |
 |
| Az Eheim Substrat Pro belső, üres felszíne |
 |
| A 20-30 mikrométer átmérőjű pórusok keresztbe átszövése (Eheim Substrat Pro) |
Bár szinterelt üveg alapú kerámiaként szerepel a szakirodalomban, de a szerkezete kevéssé hasonít például a Sera Siporaxra. Már szabad szemmel is észrevehető, hogy ez egy többféle anyagból álló keverék. Szerkezete-, és felületének nagysága alapján sem sorolják a legjobb szűrőanyagok közé, viszont a gyakorlatban körülbelül ugyanazt a képet mutatja, mint a Matrix elnevezésű anyagok: Az anyag mélyebbi részei teljesen üresek, a felszínen viszont igen gazdag életet fedezhetünk fel. A képek készítése során próbáltunk "benézni" a nagyobb gödrökbe, járatokba, de az ottani jelszegény környezet miatt nem lehetett már kellő részletességű elemzést végezni. Annyit viszont sikerült megállapítanunk, hogy a felszínen a leggazdagabb az élet, és már az anyag belsejébe mutató nagyobb barázdák is sokkal kevésbé kolonizáltak, mint a legkülső felszíne. Ez mellett pedig látható, hogy a nagyobb, akár 20-30 mikron átmérőjű árkok felszínét a baktériumok sok helyen nem követték le, hanem a felszínnel párhuzamosan "átszőtték" keresztbe.
Összefoglalás, konklúziók
A szakmai közösségekben néhányan olyan véleményem vannak, hogy ezen anyagoknál eleve nem lehet gondolkozni a teljes belső felület kolonizálásában, mivel valószínűleg a járatok nem alkotnak összefüggő rendszert. Ezt például a Sera honlapján olvasható termékleírás is cáfolja, hisz kiemelik, hogy a Siporax pórusrendszere kapcsolódik egymással, összefüggő rendszert alkot("interconnected system"). A Seachem honlapján található leírás is külső és belső pórusrendszerről is, ami véleményem szerint nem lehet csak a felső(külső) néhány száz mikronig értendő, hanem az anyag jelentős térfogatára. Meglátásom szerint a pontos értelmezéshez meglehetősen ködösek ezek a termékleírások. A nagy felület, mint alaptétellel való érvelés okán a konklúziók megállapításakor azt vettem alapul, hogy az összes anyagban láthatónak kell(ene) lennie a széttörésük során a felszínre kerülő belső struktúra bakteriális kolonizálása, ahogy volt is rá példa a minták között.
A hipotéziseim tesztelése során nagy részük beigazolódott, egy részük nem. Azt látni az egész képet nézve, azon a vízterhelési szinten, amiben érlelve lettek az anyagok, nagymértékű bakteriális burjánzást csak azon anyagok legkülső felszínén láthatunk, ahol a mélyebbi részek nagymértékben üresek voltak(Seachem Matrix, Aqualine Matrix Trop, Eheim Substrat Pro). Az anyag teljes térfogatában, homogén módon talán egyedül a Hydor Quartz mutatta "jelentősebb" mennyiségű élet nyomait, de nem olyan tömegben, ami feltételezné, hogy ez a felület valóban egy elkerülhetetlenül szükséges dolog lett volna az adott akvárium szempontjából. A vizsgálódás végén arra jutottam, hogy hiába a gigantikus, a baktériumok méretéhez képest óriási felület, ha nem kolonizálják be érdemlegesen, így megállapításom szerint egy szűrőanyag gázadszorpciós vizsgálattal kapott felületének nagysága nem hordoz érdemi információt annak hatásfokáról, akvarisztikai körülmények között. Ez a kijelentés persze feltételezi, hogy ezek a típusú anyagok vízzel kellően átjártak a nagyszámú baktérium letelepedéséhez.
A SEM vizsgálat előtti fixálás során a baktériumok bár elhaltak, de azok, amik le voltak kellően tapadva a felszínre, azokat az eljárás nem tudta kimosni az anyagból. Erre a legkézenfekvőbb bizonyíték az az, hogy van, ahol a nagy számú baktérium, és nagy tömegű biofilm az anyagon maradt, és látható a képeken. Ha kolonizálnák a baktériumok a belsőbb rétegeket is, akkor ott is ugyanúgy láthatnánk azt a mennyiségű élet-eredetű maradványt, de a képeken nem ez mutatkozik meg.
Elképzelhető, hogy más körülmények között érlelt szűrőanyagok esetén egy kicsit másként viselkednének az anyagok, például egy sügeres akváriumban, gyér növényzettel lehetséges, hogy nagyobb terhelést kapva például a Hydor Quartz nagyobb baktériumkolóniák kialakulását teszi lehetővé a belsőbb rétegekben. Erre még elméletben a siporax lehetne képes, mivel relatíve nagy átmérőjű járatai vannak, de a jelenlegi kísérletekben leginkább a felszínhez közelebbi részeken láttunk erre példát. Viszont a Hydor és a Sera anyagai jóval mélyebben lakottak voltak, mint a Matrixok, vagy a Substrat Pro. A SEM felvételek alapján tehát a Matrix és a Substrat Pro nevű anyagok belsőbb járataiban a bakteriális élet nem tud kialakulni, mivel szabad szemmel is látható módon sem színeződött el, és a mikroszkóp által sem lehetett felfedezni életet bent. A legkülső felszíni réteg viszont életben gazdag, ez a tény viszont nem támasztja alá azt az elméletet, ami azt mondja ki, hogy a 0,4 mikronnál kicsit nagyobb pórusok által adott felület hatékony biológiai lebontást jelenthetne.
Összegezve a tapasztalatokat, számomra egy olyan kép bontakozik ki, miszerint a bakteriális élet számára leginkább a nagyobb méretű járattokkal rendelkező(legalább 80-100 mikron) szűrőanyagok felelnek meg, ha a szűrőanyag közel teljes térfogatától elvárjuk a bakteriális élet számára élhető körülmények biztosítását. Láthattuk, hogy 20-40 mikrométer átmérőjű járatok még nem feltétlenül jelentik azt, hogy abba mélyebben is beköltözik az élet, van hogy egyszerűen keresztbe átszövik a biofilmmel, és nem mennek bele. Az említett méretű járatok(80-100 mikron) által adott összfelület még mindig lehet említésre méltó, viszont a kialakult "felület-versenyben" az ilyen nagyméretű pórusokkal rendelkező anyagok jelentősen alulmaradnak. A kivételesen nagy felületű anyagokban a bakteriális élet számára nem belakható méretű járatok adják a legnagyobb részt, lakható felület a teljesnek csupán a töredéke.
Valószínűsíthető, hogy a felület kolonizálásához relatíve nagy és stabil terhelés szükséges, hisz túl alacsony tápanyag ellátottság esetén a baktériumoknak nincs elég "okuk" benépesíteni az adott anyag pórusait. Extrém mértékű terhelés esetén pedig kérdéses, hogy a szűrőanyag pórusaiba "beleakadó" nagy mennyiségű szerves szennyeződés, és a növekvő biofilm vajon el fogja-e már tömíteni, vagy jelentősen leszűkíteni a járatokat.
Tekintve, hogy még a legkisebb felületű biológiai szűrőanyagnak minősített termék(Hydor Quartz – 8,25 nm/l) teljes felszínének is csak a töredéke volt kolonizált a vizsgálataim során(homogén volt, de nem voltak sűrűn a baktériumok), nem tartom észszerű megoldásnak a biológiai szűrőanyag választásakor a felületet, mint leginkább hangsúlyozott paramétert ilyen súllyal számításba venni. Ebből gyakorlatilag logikusan következik, hogy a kisebb felület, és nagyobb, víz által valószínűleg jobban ellátott szűrőanyagok nagyobb felület-kihasználást eredményezhetnek a biológiai szűrőkapacitás tekintetében. Már ha egyáltalán szükség van egy akvárium terhelési szintjén több száz-több ezer négyzetméter felületre.
A Deep Bed Filtration (DBF)
Az interneten, forráskeresés közben belebotlottam a pumice nevű kőzet egyik érdekes felhasználási módjába. Egészen pontosan a tanulmány a fizikai szűrőképességét méltatta igen pozitívan, a hagyományos homokszűrőkhöz képest.
 |
| A Pumice kő (nem saját kép) |
Látható, hogy a Pumice nevű szűrőanyag szerkezete igen hasonló a "Matrix" márkanevű anyagokhoz. Ha ezek alapján, kőzet-, és anyagtudományi elemzés nélkül nem is jelenthető ki, hogy a három anyag egy és ugyanaz, de a képek alapján valószínűsíthető, hogy hasonló tulajdonságokkal rendelkezhetnek. Az anyagot a Deep Bed Filtration nevű szűrési módszerben használják, amiben a legelterjedtebb szűrőanyag a finom szemű homok. Ennek a szűrésmódszernek az a lényege, hogy egy vastag rétegű szemcsés jellegű anyagon átvezetve a vizet, a benne lévő, kisebb méretű(néhány tíz – néhány száz mikronos) darabos szennyeződéseket eltávolítsa, és erre az általam olvasott tanulmány a pumice nevű kőzetet sokkal alkalmasabbnak véli. Ezt úgy indokolja, hogy a pumice is tudja azt, amit a homok, de még többet is, mivel a durva, porózus felszíne sokkal könnyebben csapdába ejti a kis méretű szennyeződéseket, mint a sima felszínű homok. Ezáltal a fizikai szűrőkapacitás jelentősen megnövekszik. A pumice ezen előnyeit Takashi Amano akvakertész mester is említette egyik cikkében.
Továbbá az ilyen szűrőrendszerek szemcséi között a bakteriális élet is ki tud alakulni, és a Pumice esetében megállapításra került, hogy a durva felszín nagy bioaktív felületet, és védett környezetet kínál. A cikkben látható korábbi képek alapján viszont már tudjuk, hogy ez a nagy felület nem úgy értendő, ahogy a BET vizsgálatok által megállapított hatalmas felületek sugallják.
A Deeb Bed Filtration módszere véleményem szerint akváriumban is kialakítható, megfelelő mennyiségű szűrőanyag használatával, mely során nem kizárt, hogy megfelelő szűrőkialakítás esetén az eredmény szabad szemmel is látható lesz a fizikai tisztítási képesség által. A hivatkozott taulmány kiemeli, hogy egészen a szuszpendált részecskék méretéig hatásos a pumice, olyan méretű szennyeződések is fennakadnak benne, amik a homokágyon egyszerűen áthaladnak. Ha megnézzük a pumice, vagy valamelyik Matrix felületét, akkor ez nem valószínűtleg dolog, hisz a fésűszerű felszínen áthaladva a vízben lévő kisebb méretű szennyeződések könnyen magakadhatnak. Ha ez a szennyeződés szerves eredetű, akkor a szennyeződésre tapadt baktérium kolónia ezt helyben képes lehet lebontani, így tisztán tartva az anyagot. Ez a szűréstechnológia viszont valószínűleg csak olyan körülmények esetén lehet annyira hatásos, hogy szemmel látható eredményt produkáljon, ahol nem engedjük, hogy a szűrőanyag (külső, vagy teljesen átjárható anyag esetén belső) felszínét teljesen kolonizálják a baktériumok, vagy nagyobb méretű fizikai szennyeződések eltömítsék. Ezt megfelelő fizikai és biológiai előszűréssel érhetjük el, illetve kis vízterheléssel. Ezeket végiggondolva, és rávetítve a használatos "biológiai" szűrőanyagokra, elképzelhető, hogy néhány népszerűbb pórusos anyag képes lehet a fizikai mikroszűrésre különböző mértékben, ameddig a felületük be nem rakódik teljesen biofilmmel és szennyeződésekkel. Véleményem szerint ezzel az elmélettel sokkal logikusabban magyarázható az, amit a hobbisták egy része tapasztal a porózus szűrőanyagok használata során.
Végszóként, lehet hogy bár a vízzel jól ellátott felszín "él" ezekben az anyagokban, anyagokon, de azok az elméletek, amik szerint a biológiai szűrőkapacitást az anyag apró pórusai által adott felület(kivonva azt belőle, amibe nem férnek bele a baktériumok) nagysága határozza meg, nem kellően alátámasztottak.
Források:
Catherine R.Armbruster, and Matthew R. Parsek: New insight into the early stages of biofilm formation, 2018.
I. D. Akhidime and M. J. Dempsey, Influence of biofilm thickness on ammonia oxidation rate of bioparticles from
expanded bed process for tertiary nitrification, 2009
Priyank Jaiswal et al., Mechanistic models of biofilm growth in porous media, 2014
Maryam Shafahi , Biofilm Growth Within Porous Media , 2010
George E. Kapellos et al, Hierarchical Hybrid Simulation of Biofilm Growth Dynamics in 3D Porous Media, 2011
Pumice as a Filtration Media, Knowledge brief
G. Keir and V. Jegatheesan et al. DEEP BED FILTRATION: MODELLING THEORY AND PRACTICE,
George L. Batten Jr., Ph.D, Gmerice K. Lafayette, M.P.H. A Study of Specific Surface Area for Matrix, Eheim Substrat Pro, and JBL MicroMec, Seachem Laboratories
Frederik Hammes et al. Biotreatment of Drinking Water, 2011
Takashi Amano cikke:
http://www.tfhmagazine.com/details/articles/filtration-in-the-nature-aquarium.htm
