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1. Ein Aquarium aus biologischer Sicht

Wenig im Verständnis der Biologie eines Aquariums ist so interessant, aber auch umstritten wie die Filterung. Hier kollidieren Lehrmeinungen unserer aquaristischen Vorfahren mit moderneren Erkenntnissen über Ökosysteme und "Biotope" hinter Glas, es kollidieren klassische Filtertechniken mit alternativen Denkansätzen. Es widersprechen sich teilweise die Aussagen in den Printmedien, was ein Filter zu leisten hat und leistet mit den vor allem in den aquaristischen Internet-Diskussionsplattformen diskutierten und auch vielfach ausprobierten Filtermethoden. Dies geht so weit, daß manche effiziente Filtertechniken wie die Mattenfilterung bis heute nicht in den Printmedien berücksichtigt werden oder daß sich Anhänger unterschiedlicher Filtertechniken heftigst widersprechen.

Wir wollen hier an dieser Stelle daher nicht eine Aufstellung über verschiedene übliche Filterarten (mechanisch, biologisch, chemisch-adsorptiv) und Filtertechniken (z.B. Außen- oder Innenfilter) bringen, sondern uns auf die wesentlichen Abläufe der biologischen Filterung konzentrieren. Ohne eine funktionierende Mikrobiologie funktioniert kein Bach, kein Fluß, kein See und auch kein Aquarium. In allen dieses aquatischen Systemen gibt es einen Grundkonsens, was an mikrobiologischen Prozessen zwingend erforderlich ist, damit höheres Leben, sowohl Pflanzen, als auch die gesamte Tierwelt eine Lebensgrundlage finden.

Um es gleich vorweg zu nehmen. Wir wissen bis heute nicht genau, was in einem Filter wie abläuft, wie die Organismenbesiedlung eines Filters oder Nichtfilters tatsächlich aussieht und von welchen Rahmenbedingungen sie abhängig sind. Sollte es gesicherte Erkenntnisse geben, so sind sie entweder nicht oder an nicht gut zugänglichen Stellen publiziert. Dennoch funktionieren Aquarien, wie sich täglich vieltausendfach beobachten läßt. Diesen offensichtlich bestehenden Grundkonsens aller Aquarien herauszuarbeiten oder zumindest erste Denkansätze zu liefern, ist die Intention dieses Artikels.

Ein Aquarium aus biologischer Sicht

In ein Aquarium gehören Sand, Wasser, Pflanze, Fisch, gelegentlich Schnecken und Garnelen, ab und an etwas Futter und sonst nichts.

Ein Widerspruch zum Untertitel dieses Abschnittes ? Eher nicht, daher sollte auf diese einfache, stark reduzierte und provokante Formulierung als erstes ein Blick geworfen werden. Man nehme ein Aquarium und fülle dieses nur mit Leitungswasser und wartet dann einige Wochen ab. Geschehen wird sichtbar nichts, dennoch läßt sich leicht feststellen, wenn man über die Innenseiten des Aquariums mit den Fingern streicht, daß nach einiger Zeit sich dort ein dünner filmartiger Belag bildet, ein sogenannter Biofilm, der aus zahlreichen verschiedenen Bakterien besteht. Bei längerer oder langer Standzeit bildet sich sogar in kahlen, nur mit Wasser gefüllten Aquarien "Mulm", eine bräunliche Flockenstruktur, die auf den ersten Blick wie Unrat aussieht, aber auch dieser Mulm ist je nach Alter voll von diversen Bakterien. Diese Bakterien sind nichts schlimmes, sondern für eine Funktionieren eines Aquariums von unabdingbarer Voraussetzung, auch wenn die biologischen Wissenschaften bis heute nicht genau wissen, wie Biofilme sich zusammensetzen und man auch beim Mulm mit Ausnahmen in der Klärwerkstechnik recht wenig Informationen über seine Zusammensetzung hat.

Es entwickelt sich also auch in kahlen, nur mit Wasser gefüllten Aquarien eine Art Biologie. Wo kommen diese Bakterien her, wenn das Aquarium vor der Befüllung sauber war und das Leitungswasser bakterienfrei ist ? Zum einen ist es außer bei einer Desinfektion der Innenwände kaum möglich, das Aquariums keimfrei zu bekommen, zum anderen gibt es über Staub und andere Luftpartikel immer einen Eintrag von diversen Bakterien in dieses Aquarium, die zum Teil sich dort ansiedeln können. Dieser Prozeß ist nur bei vollständiger Desinfektion des Beckens und des Wassers und bei hermetischer Abriegelung des Aquariums von der Umwelt verhinderbar, ansonsten sind Ansiedlungen von Bakterien unvermeidbar und unumgänglich.

In ein solches kahles Aquarium kann ich noch einigen Wochen auch ohne jede weitere Technik durchaus einige, allerdings recht wenige Tiere halten. Wir setzen also in ein solches, kahles Aquarium einige wenige Fische. Was geschieht als nächstes ? Die Fische haben einen eigenen Stoffwechsel, sie nehmen Sauerstoff aus dem Wasser auf, geben auf der anderen Seite Kohlendioxid, Ammonium und je nach Art auch eine gewisse Menge an Salzen ab, sie werden in das Wasser Kot abgeben. Alleine schon aus Mitleid mit den Tieren wird der Aquarianer sie ab und an füttern, wobei es erstmal zweitrangig ist, welches Futter er ihnen reicht. Zusammenfassend bedeutet das, daß die biologische Belastung dieses kahlen Aquariums steigt. Unter biologischer Belastung sind alle Stoffwechselprodukte, die die Tiere abgeben gefaßt, insbesondere also Kot, Ammonium und Kohlendioxid als wichtige zu nennende Komponenten.

Gäbe es nun nicht in der Mikrobenwelt des Aquariums Organismen, die auf die Weiterverwertung dieser Abbauprodukte spezialisiert wären, würden die wenigen eingesetzten Fische schnell an Vergiftungen sterben, wobei als erstes Ammoniun und seine erste Abbaustufe, Nitrit zu erwähnen ist. Die genaueren Zusammenhänge des Stickstoffkreislaufes finden sich im Abschnitt der Nitritpeak auf dieser Webpräsenz. In der Konsequenz folgt daraus, daß die Bakterien-Biofilme sich der steigenden Belastung des Wassers durch die Fische anpassen und ihre Abbauleistungen darauf einstellen. Konkret heißt das, die in den Biofilmen beteiligten Bakterien organisieren sich nach Art und Menge entsprechend der Belastung mit Abbauprodukten um und übernehmen die biologische Reinigung des Wasser. Dabei entstehen ungiftige "Endprodukte" wie beispielsweise das Nitrat, welches sich im Wasser anhäuft. Zum Stickstoffkreislauf wird in Kürze ein eigener Artikel folgen.

Kohlendioxid ist meist vernachlässigbar, weil es in Kontakt zum Luft-Kohlendioxid steht und bei Überschuß aus dem Wasser ausgast. Hier sind jedoch Einschränkungen notwendig, da es entscheidend für das Überleben der Fische auf das Verhältnis Sauerstoff/Kohlendioxid im Wasser, der Sauerstoffnachlieferung aus der Luft und der Kohlendioxidabgabe an die Luft ankommt, ob die Tiere im Aquarium überleben können.

Wenn das alles so einfach ist, dann könnte ich ja den Fischbesatz selbst in einem kahlen, ungefilterten Aquarium mit der Zeit immer und immer weiter steigern, weil sich die Biofilme ja auf die Wasserbelastung einstellen. Täte ich das, würde ich dennoch bald feststellen, daß die Tiere im Aquarium sterben würden. Offensichtlich ist dem nicht so.

Exkurs: Die Biofilme

Was ist eigentlich genau ein Biofilm. Letztlich wissen es die Mikrobiologen bis heute nicht genau, weil die Biofilme einer genauen Analyse aus technischen und biologischen Gründen nur schwer zugänglich sind. Im Prinzip ist jede, nicht hermetisch abgeriegelte und sterilisierte Fläche von einem Biofilm überzogen, das gilt für fast alle Medien, egal ob sie unter Wasser oder über Wasser vorkommen. Diese nur Mikrometer dicken Biofilme setzen sich aus Ansammlungen verschiedenster Bakterienarten zusammen und sie bilden eine eigenständige Lebensgemeinschaft. Wichtiges gemeinsames Merkmal aller Biofilme ist, daß sie in ihrer Zusammensetzung genau auf die Nahrungsversorgung ihres Mediums angepaßt sind, d.h. es gibt nicht den Biofilm als solchen, sondern es gibt Tausende bis Millionen verschiedener Ausprägungen. Eine weitere wichtige Gemeinsamkeit ist ihre sehr schnelle Reaktionsfähigkeit, was ihre Untersuchungen in mikrobiologischen Labors so erschwert. Nehme ich eine Probe eines Biofilmes beispielsweise von einem Türschild oder einem Aquarium, übertrage diesen auf Standardwuchsmedien, so verändert sich alleine schon durch die Entnahme der Biofilm in seiner Zusammensetzung. Gitterbildende Arten sterben ab, andere fangen sofort auf die geänderte Nährstoffversorgung mit Wachstum zu reagieren, aufgebracht auf einem Nährmedium in einem mikrobiologischen Labor, erhalte ich zwar schöne Bakterienkulturen, die ich weiter trennen und analysieren kann, doch sind die dann erhaltenen Ergebnisse nicht mehr auf den ursprünglichen Biofilm übertragbar, weil zwischenzeitlich verschiedene Rahmenbedingungen sich grundlegend geändert haben (bei genauer Betrachtung mehrfach).

S.a. Auszüge aus anderen Webseiten zum Thema Biofilm. Jeweils mit Quellenangabe. Diese Seite ist nur temporär online und dient als Quellensammlung für die weitere Bearbeitung des Artikels zur Filterung.

Entscheidend für unsere Aquarien ist daher nicht unbedingt die Kenntnis der Zusammensetzung eines Biofilmes, sondern die Kenntnis seiner Leistungsfähigkeiten und seiner Lebenserfordernisse. Die Leistungsfähigkeit eines Biofilmes hängt nur und ausschließlich von folgenden Faktoren ab.

  • Siedlungsfläche
  • Anströmungsgeschwindigkeit
  • Nährstoffversorgung
  • Temperatur
  • Fangen wir mit der Temperatur an. Die Temperatur bestimmt die Geschwindigkeit aller Stoffwechselvorgänge. Mit steigender Geschwindigkeit nimmt diese grundsätzlich zu, allerdings nur bis zur Denaturierungsgrenze der Eiweiße, die im Schnitt bei etwa 42 C liegt. Bei im Wasser lebenden Organismen ist des weiteren zu berücksichtigen, daß mit steigender Temperatur der Sauerstoffgehalt des Wassers sinkt. Für auf Sauerstoff angewiesene Organismen gibt es also einen gegenläufigen, den Stoffwechsel begrenzenden Faktor, die Sauerstoffsättigung.

    Unter der Nährstoffversorgung versteht man in der Mikrobiologie die Gesamtheit aller von den Bakterien benötigten Stoffe, die vorhanden sein müssen, damit sie gedeihen. So allgemein und einfach sich diese Aussage anhört, so kompliziert ist es im Detail, da es unter den Bakterien verschiedenste Formen mit unterschiedlichen Nährstoffansprüchen gibt. Als Beispiele seien die bei Aquarianern bekannteren nitrifizierenden Bakterien der Gattungen Nitrosomonas und Nitrobacter genannt, die entweder Ammonium oder Nitrit, grundsätzlich jedoch auch Sauerstoff für die Aufrechterhaltung ihres Stoffwechsels benötigen. Den Gegenpart übernehmen die denitrifizierenden Bakterien, die für ihr Wachstum Nitrat als Sauerstoffquelle nutzen, zusätzlich aber zwingend eine Kohlenstoffquelle benötigen, daß kann Ethanol (Alkohol) als auch Paraffin oder Zellulose aus Holz sein. Sie wachsen nur in Abwesenheit von Sauerstoff.
    Aus Sicht der Ökologie versteht man vereinfacht unter Nährstoffversorgung die Nährstoffbelastung. Je höher die Belastung eines Wassers in unserem Fall, umso mehr Bakterienfilme können und werden sich entwickeln. Bei geringer Belastung entwickeln sie sich entsprechend zurück. Es handelt sich also bei den Biofilmen um ein Fließgleichgewicht des Filmes selbst mit seiner Umgebung. Manche Autoren nehmen jedoch an, daß die Biofilme bei Nährstoffunterversorgung in eine Art Hungerzustand verfallen und weitgehend inaktiv sind. Ich denke eher, es kommen beide Aspekte in Biotopen mit schwankender Nährstoffbelastung vor, sowohl Hungerstadien als auch Anpassung der Gesamtheit der Biofilme an die jeweilige Belastungssituation.

    In Zusammenhang mit der Nährstoffversorgung steht die Anströmgeschwindigkeit. Sie bestimmt nichts anderes als die Menge der den Bakterien in einer definierten Zeiteinheit zugeführten Nährstoffe. Ist sie höher, bedeutet dies mehr Nährstoffverorgung, ist sie geringer entsprechend weniger. Allerdings sei angemerkt, daß neben der reinen Anströmgeschwindigkeit auch die Verweildauer der Nährstoffe am Biofilm für den Austausch und den Stoffwechsel ein bestimmender Faktor. Viel Pumpenleistung heißt nicht automatisch viel Filterleistung.

    Der letzte wichtige Faktor ist die Siedlungsfläche. Fast alle für das Funktionieren eines Aquariums wichtigen Bakterienarten lebt auf Substraten, d.h. sie benötigen einen Raum, auf dem sie seßhaft werden können. Dabei spielt es keinerlei Rolle, wo sich dieser Raum im Aquarium befindet. Im Zusammenhang mit den anderen Faktoren entscheidet sich, wo auf welchem Substrat sich welche Mikroorganismen zusammen finden und dort eine Lebensgemeinschaft aufbauen.

    Was hat das Ganze nun mit Filtern zu tun ?

    Aus dem zuvor geschilderten geht hervor, daß der Filter im herkömmlichen Sinne nichts anderes darstellt als einen Raum mit definiertem Siedlungssubstrat, einer erhöhten Anströmgeschwindigkeit und damit einer kontinuierlichen Nährstoffversorgung. Er ist nicht mehr und nicht weniger, unabhängig von der Bauart. Große Filter an wenig belasteten Aquarien sind daher nicht stärker von Bakterien besiedelt als dem Becken angepaßte Filtervolumina. Zu kleine Filter an übersetzten Becken bedeuten auf der anderen Seite nicht zwangsläufig, daß diese Aquarien biologisch instabil werden, es also zu Fischsterben kommt. Solange der Sauerstoffgehalt für die Tiere ausreicht, bilden sich Biofilme auch außerhalb des Filters in größeren Mengen. Erkennbar wird dies unter anderem am sogenannten Mulm, der an einem mineralischen Kern anhaftende Biofilme von Bakterien darstellt. Man könnte daher schlußfolgern: Ein Filter ist nichts anderes als eine Mulmfalle. Und so falsch ist diese Schlußfolgerung nicht. Allerdings ist Mulm nicht gleich Mulm. Mulm verändert sich im Laufe der Zeit und er ist auch von seinen Herkünften unterschiedlich aufgebaut.

    Diese langen Ausführungen haben nur das Ziel, die oftmals übertriebene Bedeutung des Filters zu relativieren. Der Filter ist nur ein möglicher Siedlungsraum für die Bakterien-Biofilme unter vielen. Letztlich ist das ganze Aquarium mit allen seinen Komponenten der Filter. Die wichtigste Eigenschaft eines handelsüblichen Filters unabhängig von seiner Bauart, ist eher die der kontinuierlichen Wasserbewegung und damit vor allem des Sauerstoffeintrages in das Aquariumwasser.

    Copyright:

    Dr. Ralf Rombach - 2004.

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