Schlamm im Aquarium - Eigenschaften und Bedeutung

Der folgende Text gibt Beobachtungen und Erkenntnisse über Aquarienfilterschlamm wieder. Sie stammen aus einer Anlage mit Mattenfiltern. Nicht alle Beobachtungen und Erkenntnisse sind auf Aquarien mit Saugfilter übertragbar. Während Mattenfilter mit 1-10 cm/Min. laminar durchströmt werden, erreicht die Strömungsgeschwindigkeit in einem Saugfilter 50-200 cm/min. Dabei treten Turbulenzen, Verstopfungen und Kanalbildung auf. Ein Saugfilter muß in kurzen Zeitabständen gereinigt werden, ein Mattenfilter normalerweise nicht.
Durch die Reinigungsintervalle des Saugfilters kommt es nicht zu einer Optimierung der Bakterienflora. Das wiederum kann sich auf die Qualität des bakteriellen Abbaus negativ auswirken.

Parallelen zur Kläranlage

Das ganze Aquarium, insbesondere der Filter, stellt eine kleine Kläranlage dar. Abgesehen von der unterschiedlichen Größe gibt es sowohl Parallelen als auch Unterschiede. Viele Erkenntnisse über die Funktionen von Aquarienschlamm habe ich erst durch intensive berufliche Tätigkeit auf Kläranlagen, Befragen des Personals und Durcharbeiten von Kläranlagenliteratur gewonnen.

In einer großen kommunalen Kläranlage gibt es verschiedene Abschnitte mit verschiedenen Aufgaben und verschiedenen Schlämmen, z. B. aus der Vorklärung oder der Nachklärung. Die Vorklärung ist eine mechanische Abscheidung wie im Aquarium. Die Belebungstufe ist eine Veratmung gelöster organischer Substanz, kombiniert mit einer Nitrifikation.
In Aquariengibt es eine Nitrifikation, aber in den meisten im Gegensatz zu den meisten Kläranlagen keine Denitrifikation. 1)

In einem Aquarium sitzt die Bakterienflora überwiegend auf einer festen Matrix, in der modernen Kläranlage werden die Schlämme bewegt. Bei der Kläranlage ist die Belastung pro Volumeneinheit wesentlich höher, dagegen geht im Aquarium die Reinigungsleistung wesentlich weiter. Im Auslauf des Aquarienfilters schwimmen anspruchsvolle Fische, im Auslauf von Kläranlagen kommt das bislang noch selten vor. Im Prinzip ist der Überschussschlamm aus der Belebung einer Kläranlage zur Beimpfung neuer Aquarien geeignet. Die Zusammensetzung der Schlämme und das Artenspektrum von Flora und Fauna sind ähnlich. Kläranlagen mit niedriger Belastung und hoher Reinigungsleistung sind noch selten.

Unterschiede zwischen Mulm und Schlamm

Als Mulm wird die Vorstufe des Schlammes verstanden, der den Boden des Aquariums oder Teile desselben bedeckt. Er wird durch gründelnde Fische, Krebstiere und Schnecken ständig durchgearbeitet und bewegt. Er ist gröber als der Schlamm strukturiert und kann auch abgestorbene Pflanzenteile enthalten. Aus dem Durcharbeiten des Mulms entstehende Trübstoffe gelangen in den Filter und werden dort zu Filterschlamm. Unter Schlamm wird der ausspülbare Inhalt eines Filters verstanden, unabhängig von dessen Bauart. Ebenso wird das, was an Mulm in den Bodengrund eindringt, als Schlamm verstanden.

Zusammensetzung von Schlamm

Schlamm wird durch suspendierte Partikel und ausgeflockte Substanzen gebildet, die sich auf und in dem Filter ablagern. Er besteht hauptsächlich aus totem organischen, mehr oder weniger zerkleinerten, mehr oder weniger mikrobiologisch abgebauten Material, aus anorganischem Material, z. B. Ton, Feinsand, ausgefällten Stoffen, wie Calciumphosphaten, Gips, Carbonaten und Hydroxiden von Schwermetallen (z. B. Eisenoxidhydrat aus Aquariendünger), aus lebenden Bakterien und Pilzen und aus einer Mikrofauna, die sich hauptsächlich von Bakterien ernährt. Unter den einzelligen Tieren (Protozoen) dieser Fauna sind die Pantoffeltierchen und Glockentierchen am bekanntesten. Außerdem kommen noch Würmer, Rädertierchen und eventuell Hüpferlinge und kleine Schnecken vor.

Dynamik des Schlammvolumens

Das Füttern der Fische, das Absterben von Pflanzenteilen führt zu mehr Schlamm, Filterreinigung und Mineralisation der organischen Substanz führen zur Reduktion des Schlammvolumens. Bei gleichmäßigem Betrieb des Aquariums ohne Beseitigung des Schlammes kommt es zu einem Gleichgewichtsvolumen. Wird der entstehende Schlamm nicht durch Strömung, Fische oder andere Organismen aufgewirbelt, so bildet sich eine Mulmschicht. Bei reichlicher Fütterung kommt es zum Wachstum von Schlamm und Mulm, bei geringer Fütterung zur Reduktion. Wird ein Becken wochenlang nicht befüttert, so schrumpft das Schlammvolumen, weil die vorhandene Flora sich nicht in dem Maße vermehrt, wie sie von der bakterienfressenden Mikrofauna reduziert wird.

Aussehen von Schlamm

Saugt man einen Mattenfilter ab und passiert die dunkelbraune Brühe durch einen Fischkescher, so flocken aus dieser Brühe graubraune Flocken, die sich mit etwas Geduld durch Abgießen des überstehenden Wassers zu einem konzentrierten Schlamm anreichern lassen. Dieser Schlamm wurde von mir untersucht und anschließend zur Beimpfung eines Mattenfilters in einem neuen Aquarium benutzt. Eine Probe wurde unter einer Stereolupe bei 40-facher Vergrößerung betrachtet. Im Schlamm waren verschiedene Wurmarten, Pantoffeltierchen und kugelige Wimpertierchen zu beobachten, Teile einer Mikrofauna, die sich vornehmlich von Bakterien ernährt.

Schlamm als Puffer

Seit Jahren untersuche ich Altwasseraquarien mit Mattenfiltern (Hamburger Filter), niedrigem pH (5-6) und viel Mulm auf die Ursachen ihrer Stabilität. Seit Jahren bemerke ich, daß der an sich niedrige pH-Wert meiner Aquarien unmittelbar nach Wasserwechsel in erwarteter Weise ansteigt, wie man das auch aus KH und CO2-Konzentration der Teilvolumina errechnen kann, in den nächsten Stunden aber wieder absinkt.

Das geht soweit, daß nach Teilwasserwechsel innerhalb von einigen Stunden die eingebrachte KH völlig verschwindet, und sich der (niedrige) Anfangs-pH wieder einstellt. Parallel dazu nahmen die GH und der Leitwert ab. Bei einem isolierten Schlamm mit dem Anfangs-pH 7,4 brauchte ich 16 ml einmolarer Salzsäure pro Liter Schlamm, um den pH 5 zu erreichen. Davon wurde nur 1 ml HCl (= 3,6%) für die Neutralisation der KH des überstehenden Wassers benötigt. Der Rest wurde vom Schlamm verbraucht. In der überstehenden Lösung fanden sich Härtebildner.

Beide Phänomene werden verständlich, wenn man unterstellt, daß der Filterschlamm die Eigenschaft eines schwach sauren Kationentauschers hat, der teilweise in der H-Form vorliegt, teilweise mit Härtebildnern beladen ist. Seine Kapazität liegt in meinem Falle bei etwa 15 mmol/l. Handelsübliche Katinentauscher haben 700-1000, Torf rund 100 mmol/l Ionenaustauschkapazität.

Bei Wasserwechsel mit höherer KH wird die errechnete pH-Erhöhung abgepuffert, bei Zugabe von entsalztem oder entkarbonisiertem Wasser oder bei Zugabe von Mineralsäuren wird die pH-Erniedrigung abgepuffert. Im ersten Fall werden durch die Huminstoffe des Schlammes Ca- und Mg-Ionen absorbiert, im zweiten Falle desorbiert. Die Effekte wurden bei pH-Werten zwischen 4,5 und 7,4 gefunden

Schlamm und Mineralstoffe

Huminstoffe und andere Inhaltsstoffe des Schlammes chelatisieren Kationen, hauptsächlich die Härtebildner, aber auch Schwermetalle wie z. B. Eisen und Kupfer. Säuert man einen isolierten Schlamm an, so lassen sich in der überstehenden Lösung diese Stoffe nachweisen. Bei der Mineralisation organischer Stoffe des Schlammes werden die daran gebundenen Mineralstoffe, wie Kohlenstoff als Kohlendioxid, Stickstoff als Ammonium, Nitrit und Nitrat, Phosphor als Phosphat, Schwefel als Sulfat, Magnesium , Kalium oder Spurenelemente in Ionenform freigesetzt. Bakterien akkumulieren Schwermetalle weit über den Eigenbedarf hinaus. Z. B. finden sich 95-99% der in eine Kläranlage gelangenden Schwermetalle im Klärschlamm wieder. Seine Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen stellt deswegen ein Problem dar.

Sauerstoffverbrauch

Schlamm verbraucht aufgrund seiner bakteriellen Oxydationsvorgänge Sauerstoff. Die Veratmung gelöster und fester organischer Substanz benötigt ihn, ebenso die Nitrifikation.
In einer mehrere Stunden alten Schlammprobe wurden 0,0 mg O2/l gemessen, sowie 0 mg NO3/l im überstehenden Wasser, ein Zeichen, daß im Schlamm Atmung und Nitratatmung stattfanden. Mit einem Sauerstoffmessgerät gelang mir die Messung der Sauerstoffzehrung an einem Mattenfilter. Die O2-Konzentration im Aquarium betrug 5,0 mg O2/l, in der Filterkammer 4,0 mg O2/l.
Die Strömung betrug ein Beckenvolumen pro Stunde, die Verweilzeit im Filter 4 min.. Der Filter in diesem 80 l-Becken verbrauchte also etwa 2 g O2/Tag! Der O2-Verbrauch könnte durch regelmäßiges Reinigen des Filters drastisch gesenkt werden, allerdings auf Kosten der Optimierung der Bakterienflora.

Entstehung von Schlamm

Fische werden gefüttert und scheiden verschiedene Stoffe aus, z. B. CO2 und NH3 über die Kiemen, unverdaute Partikel über den Darm. Die Partikel wandern entweder in den Mulm oder den Filterschlamm. Das gelöste NH3 wird in NH4 verwandelt und entweder von den Pflanzen verbraucht oder durch nitrifizierende Bakterien in NO2 und anschließend in NO3 verwandelt. Bei richtiger Auslegung des Filters siedelt sich die Nitrifikationsflora im Filter an und bildet dort einen Teil des Schlammes. Größere Partikel, z. B. Fischleichen, Futterbrocken oder Pflanzenblätter, werden als Bestandteile des Mulms durch Fische, Schnecken oder Bakterien weiter zerkleinert und gelangen als kleine Partikel in den Filterschlamm. Dort werden sie durch die Bakterienflora des Filters weiter mineralisiert. Als Zwischenprodukte entstehen schwer abbaubare Huminstoffe, welche als schwach saure Kationentauscher wirken.

Abscheidungsvorgänge

Das Absieben von Partikeln durch die Poren des Filters spielt eine untergeordnete Rolle. Ein größerer Teil der Partikel ist kleiner als der mittlere Porendurchmesser und wird durch Adsorptionsvorgänge abgeschieden. Auch die Flockung spielt eine Rolle, wie man durch Zugabe von einigen Tropfen Eisen(III) -chloridlösung in ein trübes Aquarium sehr schön zeigen kann. Nach wenigen Stunden ist es glasklar. In der Flocke, zwischen den Partikeln und auf der inneren Filteroberfläche wirken auch elektrostatische Kräfte.

Eine weitere Abscheidungsart ist die Aufnahme gelöster Stoffe durch die im Filter wohnende Bakterienflora. Es wurden z. B. in einem Aquarium mit einer Filterströmung von einem Beckenvolumen pro Stunde (etwa 1,25 cm/min.) im freien Wasser 0,1 - 0,2 mg NH4/l gefunden, im Filterauslauf 0,0 mg NH4/l und 0,0 mg NO2-/l. Die mittlere Verweilzeit des Wassers im Filter betrug dabei 4 min. Während dieser Zeit fand die vollständige Nitrifikation statt! Bei höheren Filtriergeschwindigkeiten reichte die Auflösung der Tropftests nicht mehr aus, weil die effektiven Konzentrationen zu niedrig wurden.

Bakterielle Besiedlung eines Filters

Das Aquarienwasser enthält gelöste und suspendierte Stoffe, die zum Teil von den gefütterten Fischen ausgeschieden werden, zum Teil von abgestorbenem Pflanzenmaterial oder überschüssigem Futter stammen. Diese Stoffe können Bakterien zur Nahrung dienen. Die zunächst wenigen vorhandenen Bakterien veratmen diese Stoffe, um daraus ihren Energiebedarf zu decken. Dabei vermehren sie sich und besiedeln außer dem freien Wasser auch angeströmte Oberflächen, z. B. Pflanzen, Scheiben oder das Innere des Filters.
Bestimmte Bakterienarten besiedeln die Oberflächen von Partikeln, um diese zu mineralisieren. Die Arten, die eine Nahrungsgrundlage haben, vermehren sich solange, is sie beginnen zu hungern. Dann wird die Größe der Bakterienpopulation durch Nahrungsangebot und Fressdruck der Mikrofauna reguliert. Die Zellzahl einer Art bleibt dann in etwa konstant.

Die Vermehrung geschieht durch Zellteilung. Die meisten Arten teilen sich bei optimaler Ernährung alle 20 min. einmal, die nitrifizierenden Arten nur einmal pro Tag. Die schnellen Arten benötigen nur einen Tag, um im Aquarium eine effiziente Population aufzubauen, die nitrifizierenden Arten ohne massive Impfung aber 2-3 Wochen. Man kann den Aufbau der Nitrifikationsflora durch Messung von NH4 und NO2 verfolgen. Bei zu geringer Filtriergeschwindigkeit verlagert sich die Bakterienpopulation vom Filter ins freie Wasser oder auf die Dekoration. Bei zu hoher Filtriergeschwindigkeit kann der Bakterienrasen von der inneren Filteroberfläche abgeschwemmt werden. Filtergeometrie, Filterstrom und organische Belastung müssen also in einem ausgewogenen Verhältnis stehen.

Frühere Altwasser-Experimente

Der erste Altwasserversuch fand in einem 15 Liter-Becken statt. Ein Büschel Wasserstern, eine Gruppe Moderlieschen, ein Brillantfilter mit zwei Schaumstoffpatronen und Luftantrieb, sowie eine starke Beleuchtung waren die Ausstattung. Die Fische bekamen täglich Lebendfutter. Auf dem Boden bildete sich eine dicke Mulmschicht. Die Filterpatronen verstopften gelegentlich und wurden durch Drücken wieder gängig gemacht. Das verdunstete Wasser wurde durch Leitungswasser ersetzt. Der Wasserstern bildete eine dicke Schicht an der Oberfläche und stagnierte dann. Er wurde nicht geerntet! Wöchentlich wurden pH und Härte gemessen. Der pH sank in 3 Monaten von 7,5 auf 6, stieg nach weiteren 3 Monaten auf 7,0 und blieb dort bis zum Abbruch des Versuchs. Die Härte stieg in 6 Monaten von 10°dH bis auf 20°dH und blieb dann konstant. Nach gut einem Jahr wurde der Versuch abgebrochen, weil sich einfach keiner der Parameter mehr änderte.

Weitere Altwasser-Experimente folgten, ohne zunächst verwertbare Erkenntnisse zu bringen. Schließlich fand ich die Lösung meines Rätsels, nämlich die Ursache der rätselhaften Stabilität, ganz woanders, und zwar auf Kläranlagen. Es war nicht das Altwasser, sondern die Eigenschaften des Schlammes!

Konkurrenz der Bakterienarten

An der Reinigung des Aquarienwassers ist eine große Zahl von Bakterienarten beteiligt. Sie konkurrieren zum Teil miteinander, die meisten aber ergänzen sich. Die verschiedenen Arten bearbeiten verschiedene Teilschritte eines Abbauvorgangs nacheinander. So sind z. B. an der Oxidation des Ammoniums zum Nitrit andere Arten beteiligt als an der darauf folgenden Oxidation des Nitrits zum Nitrat. Sessile Bakterien einer Art konkurrieren mit freilebenden der gleichen Art. Bei geringem Nahrungsangebot, d. h. bei einer reifen hungrigen Population werden die freilebenden wahrscheinlich durch den Fressdruck der Mikrofauna reduziert. Das Wasser wird klar.

Eigenschaften des alten Schlammes

Frischer Schlamm besteht fast ausschließlich aus Bakterien vieler verschiedener Arten. Älterer Schlamm reichert allmählich verschiedene Stoffe an, z. B. Cellulose, Lignin, Chitin, Rohfaser, Huminstoffe, Eisenoxidhydrat, Eisenphosphate, Calciumphosphate, Schwermetalle aller Art. Bei meinen Altwasserversuchen fiel mir auf, daß die Konzentration von Phosphat nie über 6 Milligramm pro Liter stieg. Dafür fand sich inzwischen eine einfache Erklärung: Phosphat bildet mit Schwermetallen wie Eisen sowie mit Calcium schwerlösliche Salze. Diese Salze fallen aus und gelangen in den Filterschlamm. Das erklärt auch zwanglos die Stagnation der Härte.

Einen Tag nach einem Wasserwechsel war bei meinem Aquarium die Phosphatkonzentration wieder so hoch wie zuvor, eine Folge der Rücklösung des Phosphats aus dem Schlamm. Das gleiche auch beim pH, wie schon berichtet. Andererseits werden die schwer abbaubaren organischen Stoffe, wenn auch langsam, aber stetig mineralisiert. Die dazu nötigen Bakterien siedeln sich erst in älterem Schlamm an. In jüngerem sind sie noch nicht in nennenswerten Mengen enthalten.

Der Gelbstich eines Altwassers besteht nicht etwa aus dem Urin der Fische, sondern aus wasserlöslichen Fulvosäuren, die beim Abbau von Huminstoffen entstehen und weiter abgebaut werden. Es sind übrigens schwache Komplexbildner (Chelatoren), die Spurenelemente wie Eisen und Kupfer in sehr kleiner Konzentration in Lösung halten.

Gelöste Schwermetalle werden absorbiert oder als unlösliche Phosphate, Hydroxide oder Carbonate festgehalten. Andererseits werden stets bei der bakteriellen Mineralisierung kleine Konzentrationen im Mikrogramm-pro-Liter-Bereich freigesetzt, die zur Versorgung der Pflanzen meistens ausreichen.

Pharmazeutika werden sehr schnell absorbiert, sodaß ihre erwünschte Wirkung unter Umständen nicht eintritt. Dosiert man stärker, so schädigt man einen Teil der Bakterienflora.

Cellulose

Die festen organischen Stoffe werden von spezialisierten Bakterien besiedelt und sehr langsam mineralisiert. Beim Abbau der Cellulose handelt es sich um Arten, die das Enzym Cellulase besitzen. Dieses Enzym wird durch die Zellwand ausgeschieden und die Produkte dieses Abbaus durch die Zellwand aufgenommen.

Schlamm als Futter

Für Hobbyzüchter hat der alte Schlamm in der Schaumstoffmatte noch interessante Nebeneffekte. Zahlreiche Arten von Fischen, wie viele Lebendgebärende oder Saugwelse, ernähren sich zumindest teilweise von der Mikrofauna des Schlammes, indem sie die Matte abweiden. Der Filter stößt ständig einen Teil seiner Mikrofauna mit dem Filtrat aus, was für Fischlarven ein ideales feines Lebendfutter darstellt.

Hungernde Bakterien

Hungernde Bakterien sind in der Lage, aus dem umgebenden Wasser gelöste Stoffe in sehr geringer Konzentration aufzunehmen und in der Zelle anzureichern. Sie verfügen dafür über verschiedene Aufnahmemechanismen. Das erklärt, warum sie so reines Wasser erzeugen können. Immerhin werden auch bei der Trinkwasserreinigung Bakterien eingesetzt, z. B. zur Beseitigung von Ammonium oder von Nitrat.

Über die Größe eines Mattenfilters

Es ist üblich, die Matte vor eine Seitenscheibe zu stellen. Häufig wird ein feinporiger Typ mit 5 cm Dicke verwandt. Daraus ergibt sich je nach Beckenlänge ein relatives Filtervolumen von 5-20%. Partikel sammeln sich an der Oberfläche, während die Bakterien auch in der Tiefe des Filters siedeln. Bei sehr hoher Belastung des Aquariums mit Futter füllen sich die gesamten Poren der Matte, auch die Filterkammer, mit Schlamm. Der Strömungswiderstand steigt, und die Matte muß gereinigt werden. Dazu wird nur die Oberfläche abgesaugt, weiter nichts. Nach einigen Jahren Standzeit gibt es Fraßschäden durch Bakterien oder Saugwelse. Dann muß die gesamte Matte erneuert werden. Bei Überlastung des Aquariums muß die tägliche Futtermenge drastisch reduziert werden. Vermutlich ist die Belastbarkeit eines Mattenfilters in weiten Grenzen variabel.

Was lehrt uns das?

Auf die Beschäftigung mit dem Schlamm stieß ich, weil ich herausfinden wollte, warum meine Altwasserbecken langzeitlich so sehr stabil waren. Heute weiß ich, daß der Schlamm die Stabilität bringt und nicht das Altwasser. Ich bin davon überzeugt, daß ein ungereinigter Mattenfilter zur Stabilität eines Auariums wesentlich beiträgt.

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