Een topic over Fresh Water Deep Sand Bed

[OlliePindakaas]

In mijn zoektocht om een speciaal aquarium op te zetten, die (uiteindelijk) enigszins zelfstandig draait, heb ik uiteraard wat gelezen van Diana Walstad en Tom Barr. Toch ben ik verder gaan duiken in Limnologie (studie van zoete wateren) en ecosystemen. Daarbij kwam ik oa de werken tegen van Ron Shimek (link) en Jens Kallmeyer (link). Zij zijn duidelijk voorstanders van een diepe zandbodem (Deep Sand Bed, DSB) voor zoutwater aquarium (SW). De zoetwater hobbyiste Dierdre Kylie heeft het idee achter de SW DSB toegepast in haar zoetwater DSB (link1, link2) met goede resultaten. Zo heeft zij zelfs eens een dooie gourami in haar FW DSB gestopt, zonder enige vorm van problemen (link). Omdat ik het FW DSB idee beduidend interessant vind, heb ik mij hierin verder verdiept.

Eenvoudig komt het allemaal hier op neer:
Door bewust een dikkere zandbodem van +10cm/4,5inch (achteraf) te plaatsen, kun je (groten)deels leunen op de filterfunctie van deze DSB. Door bewust drie 'lagen' te creëren in de bodem, vindt er naast nitrificatie, ook de-nitrificatie plaats. Een natuurlijk proces om mulm/vuil zodanig uit elkaar te halen, zodat er enkel voedingsstoffen en Co2 overblijven. Jeb, No3 wordt dus uiteindelijk omgezet naar Carbon, welke weer Co2 wordt. Hierbij moet de bodem wél zo min mogelijk worden gestort door de mensen.

Uitgebreider werkt een DSB als volgt:
Het vuil komt als mulm-laag op de DSB te liggen. Door slakken, wormen en andere bodemorganismes, zakt de mulm dieper de DSB in. De bovenste laag wordt volop van zuurstof voorzien, door alle bodemorganismes. Deze laag is daarom de aerobe laag. De mulm zakt verder en komt in de middelste laag met minder zuurstof. Omdat daar deze organismes tot niet komen, zijn het vooral de wortels die deze laag van zuurstof voorzien. Deze laag is daarom de anaerobe laag. De mulm zakt nog verder en komt zo in de onderste laag, waar vrijwel tot geen zuurstof is, zodat daar het nodige wordt gefermenteerd. Deze laag is daarom de anoxische laag. Het is ideaal als elke laag minstens 3cm/1,5inch is. Bij woelende vissen is de bovenste/aerobe laag beduidend dikker.
Naarmate de mulm dus dieper zakt, nuttigen steeds zuurstoflozere bacteriën eraan. (Eigenlijk nuttigen diepere bacteriën andere energie-bronnen, dan zuurstof; maar dan wordt het wat te chemisch.)

Om het volks te houden, er wordt dus bewust bodemrot gestimuleerd in de onderste bodemlaag, de anoxische laag. Deze hydrogene sulfide (HS2) stijgt inderdaad op, maar komt zodanig in contact met zuurstof in boven twee lagen, zodat het tijdig wordt omgezet tot oa sulfaat, zodat het niet giftig is voor de de organismes in de waterkolom. Een effect van dit proces is dat Fe3 (effect van Po4 op Fe2) terug Fe2 wordt. Ook de stikstof uit de mulm/NH3/4>No2>No3 wordt terug van zuurstof voorzien, zodat er geheel gratis Co2 'ontstaat'.

Om een DSB geheel gezond te houden, moet er wel zand worden gebruikt, dat niet te fijn en/of te grof is: 1/16inch - 1/8Inch > 0,125mm - 0,250mm. Dus grofweg wat ook goed is voor de corrys en andere bodemvissen. Bij te fijn kan de bodem sneller dichtslibben dan de bodemorganismes kunnen verwerken en bij te grof is er te veel waterbeweging, zodat de drie lagen tot niet correct ontstaan. Ook moet er duidelijk worden ingespeeld op de bodemorganismes, zoals de ongewervelde (slibwormen/Lumbriculus variegatus), verscheidende grondslakken, (Torenslakken/Melanoides tuberculata en de helenas/Anentome helena), bodemvissen én gezonde wortelstelsels. Echter is elke verandering van de aquarist, zowel het woelen door de bodem en/of planten getrek volledig uit den boze. Anders worden de tweede en derde laag van (te veel) zuurstof voorzien én ontsnapt er te veel HS2 de waterkolom in.

Ter ondersteuning twee verschillende overzichten van een DSB:

Uiteraard heeft iedereen die een FW/SW DSB probeert, diens eigen negatieve en/of positieve ervaringen. Enerzijds wordt er geklaagd over de zwavelstank, anderzijds wordt er lovend gesproken over de natuurlijke reductie van nitraat (Natural Nitrate Reduction, NNR). Voor zover ik hun ervaringen begrijp, is er én/óf toch gewoeld door de bodem (H2S belletjes proberen te prikken, planten verplaatst, te woelende vissen), én/óf is er naar de bioload te weinig ingespeeld op de bodemorganismes (te weinig wormen, slakken, etc.), óf is de langzamere opstart cyclus genegeerd. Ook zijn er aquaristen die na 5 jaar de boel 'zien ontploffen', terwijl anderen zo'n bak 20 jaar zonder problemen hebben draaien.

Bon, tot zover de theorie. Omdat ik zelf nog geen DSB-ervaring heb, vraag ik mij af of jullie al ervaring hebben met een FS en/of SW DSB? Hoe het ook zei, met dit topic wens ik mijn ervaringen te delen. Zowel topics van andere fora, als eigen ervaringen.

 

[Brem]

Dit ken ik nog wel vanuit het zeewater. Lastige is dat je echt goed moet weten wat je doet, anders gaat het heel snel fout...

anders gezegd.. ik waag me er niet aan ;-)

 

[OlliePindakaas]

Vorig jaar was ik begin september in Artis. Daar zag ik oa dit onderstaand aquarium.

Deze had een flinke DSB van +10cm:

Daarin zie je duidelijk de 'drie zandlagen'. Bovenin de aerobe laag, het grote middenstuk als de anaerobe laag met gasbelletjes (N2, H2SO4, etc) en onderin de anoxische laag.

 

[OlliePindakaas]

Verder ben ik wat dieper gedoken in de stikstof-cyclus en de ideale dikte van de bodem. Hoewel de internet-verhalen inderdaad lijken te kloppen, lijkt het allemaal helemaal niet zo eenvoudig als ze doen klinken. Bijdeze een ‘kort’ overzicht van wat er allemaal afspeelt in een (D)SB… De specifieke namen van bacteriën en de nodige afbeeldingen heb ik weggelaten, anders werd het wel een erg lange tekst. Nogmaals, ik ben géén chemicus, maar een "aqua-didact"...

De korte versie is dit:

Door een DSB met fijn zand (0,2mm) wordt de volledige stikstofcyclus gestimuleerd, waardoor de NO3- indirect als N2/stikstofgas opstijgt, de C uit de mulm CO2 wordt en het verpakte zuurstof de H2SO3/4 onschadelijk maakt. Met als positief effect dat de planten de mulm indirect kunnen gebruiken als voedsel.

Stikstofcyclus
Over het algemeen is er op het internet te lezen, dat elk organisch afval, wordt omgezet tot ammonia (pH afhankelijk of dat vooral ammonium/NH4+ of ammoniak/NH3 is), welke weer wordt omgezet tot nitriet/NO2-, die weer wordt omgezet door nitraat/NO3-. Welke weer uit het water wordt gehaald door de waterverversing. Echter zit het (uiteraard) allemaal een stuk ingewikkelder eruit. Incluis de ontdekkingen van 2008, zou het hier op neer komen:

• In de oxische laag wordt de stikstof van het organisch afval uit de mulm-laag omgezet tot ammonia (NH4+ / NH3 is pH afhankelijk), welke NO2- wordt. Dit kan zowel direct door het van zuurstof te verzien, als via NH2OH. Dit laatste wordt ookwel AOA genoemd (Ammonium Oxidation by Archaeabacteria > Ammonia van zuurstof voorzien door de Archaea-bacteriën). Beide vormen dezelfde NO2-, die weer omgezet tot NO3-.
• In de sub-oxische laag wordt de NO3- via NO2- en NO en N2O terug N2/stikstof. Dit staat ook bekend als denitrificatie.
• In de an-oxische laag wordt de NO2- direct omgezet naar gezet naar NH4+ door DNRA (Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium > Nitraat wordt direct uit elkaar gehaald tot ammonium). Daar wordt de NH4+ omgezet tot N2/Stikstof door ANAMMOX (ANoxische AMMonium OXidation > Ammonium wordt omgezet tot stikstof/N2).

Hoewel dit allemaal grofweg overeenkomt met de doorsnee internetverhalen, is het geheel een stuk specifieker bekend sinds de onderzoeken van 2008. Vooral de werking van AOA, DNRA en ANAMMOX zijn nieuw en/of beter bekend. Het verslag van dat onderzoek is uit gewerkt op AdvancedAquarist.com en de samenvatting ervan is te lezen op AmericanAquariumProducts.com.

Ideale dikte van de bodem
De stikstofcyclus wordt een stuk begrijpelijker (echter niet minder ingewikkelder), wanneer er rekening wordt gehouden met deze drie lagen. Ook op AdvancedAquarist.com terug te lezen, zijn de twee wetenschappelijke verslagen van een wel/geen plenum, korrelgrote en bodemhoogte, zowel met enkel NH4+ (controle), als met levend organisme. Van elke combinatie werden drie dezelfde bakken opgezet. Met als gevolg dat er onderzoek werd gedaan naar een ideale bodem en met drie factoren (elk met twee variabelen). Dit zorgde voor 24 aquariums (=2^3*3). Dit onderzoek werd twee keer gedaan (dus met totaal 48 aquaria/objecten). De eerste keer met enkel bemesting van NH4+ (om in te draaien én de bio-load na te doen), om dan deze gebruikte bodems te recyclen én aan te lengen met evenveel levend zand rondom Hawaï. Tevens doet de locatie er ook toe. Zo vond de eerste ronde met NH4+ ipv dieren plaats in een gecontroleerde ruimte, terwijl de tweede ronde met dieren buiten onder een afdakje plaats vond. Opmerkelijk is (opnieuw) gebleken dat er meer verschil zat tussen de drie dezelfde bakken, dan tussen de verschillende soorten opzetten; een opmerkelijk verschil met Ca en PO4 daargelaten. Ook waren tot geen onverwachte verschillen tussen de bakken met enkel NH4+ en de bakken met levende organismes. Echter hadden de verschillende vormen van bodem onderling wél duidelijke verschillen. Naar de aquaria met levende dieren, waren vooral de combo diepe bodem met grof zand en dunne bodem met fijn zand meer nitraat, dan dunne bodem met grof zand en diep bodem met fijn zand:

Therefore, it is hard to explain why deep, coarse (27.41 mg / L ± 6.89 SE) and shallow, fine (20.42 mg / L ± 6.89 SE) sediments have the highest average final nitrate concentration, while shallow, coarse (12.08 mg / L ± 6.89 SE) and deep, fine (0.67 mg / L ± 6.89 SE) sediments consistently had the lowest final nitrate concentrations. Nitrate reduction in deep, fine sediments is easily explained by reduced oxygen penetration to the sediments. However, the increased final nitrate concentrations in aquaria with deep, coarse and shallow, fine sediments relative to the shallow, coarse treatment is harder to understand.

(...)

Overall, both the results of the dosing and live animal experiments suggest that there is no measurable difference between most of these common sediment filtration designs for maintaining suitable water parameters. There were no significant differences among depth, particle size or plenum treatments for the processing of ammonia or nitrite in recirculating aquarium systems. Deep, fine sediments had the lowest average final concentration of nitrate in these trials, but these values were not significantly less than the average final concentration of nitrate in shallow, coarse sediment treatments.

Bron: https://www.advancedaquarist.com/2005/7/aafeature - Discussion & Conclusion

Daarmee is het dus wetenschappelijk bewezen, dat een (gezonde) DSB in zoutwater iets beter met NO3- omgaat, dan een dunne bodem met grof zand. Ook dat deze twee varianten uitstekend goed zijn in het reduceren van NO3-. Hoe dat zit in zoetwater is daarmee idd nog een gewisse, maar met positieve verwachtingen (zie de info van Dierde Kylie, zoals dit artikel).

Mogelijk samenwerking
Zo met mijn ‘aqua-didactische’ zoetwater DSB-insteek: Door deze wetenschappelijke onderzoeken over een stikstofcyclus en een ideale bodem met elkaar te combineren, wordt die ingewikkelde stikstof cyclus een stuk begrijpelijker. Daarbij moet er wél gedacht worden met de chemische termen. Zo staat NO2- voor Nitrogen di-Oxide, oftewel 1 nitrogen/stikstof molecuul en 2 oxiden/zuurstof moleculen. Daarmee bestaat NO3- inderdaad met één extra zuurstof molecuul. Dat deze negatief geladen zijn, doet er hier niet echt toe

In de oxische laag wordt de stikstof van zuurstof voorzien (NH3/4+ > NO2- > NO3-), om zo de sub-oxische laag van (meer) zuurstof te voorzien. Enigszins voorzien PO4 én Fe3+/FeOOH de sub-oxische laag ook van zuurstof. PO4 doet dat direct, terwijl Fe dat doet met Fe3+/FeO(OH), omdat de zuurstofmoleculen van PO4 'roestig' reageert op de Fe2+. Met als gevolg dat P en Fe in de bodem blijven en tot niet in de waterkolom (terug) komen. Om zo via de wortels en tot niet via bladeren door de plant te worden opgenomen.

Daarmee wordt de ingewikkelde stikstofcyclus een stuk begrijpelijker, omdat NO2-, NO3-, PO4 en FeO(OH) de sub-oxische laag van zuurstof voorzien. Met als gevolg dat elk organisch afval ook daar verder kan worden gecomposteerd/afgebroken tot ‘vrije’ elementen, zoals P, Fe, Ca, Mg, etc. Daarbij zakt zowel koolstof/C, als zwavel/S van het organisch afval helemaal tot in de an-oxische laag.

• Daar komt C volledig ‘vrij', waar het als puur C-gas opstijgt, om in de hogere lagen terug van zuurstof te worden voorzien; zie daar de CO2.
• Daar is S ook volledig 'vrij gekomen', waar het zich met water wordt gevormd tot giftig zwavelzuur/H2SO3/4). Ook dit gas stijgt op, maar valt door zuurstof uit elkaar, waar S door de planten wordt opgenomen.

Daarmee komt er dus verpakt zuurstof in de sub-oxische laag terecht komt, waar de N door de planten wordt opgenomen, en de O het gewenste doet met C (wordt CO2) en S/HS2O3/4 (wordt terug S en dus voedsel voor de planten). Daarmee zorgt een gezonde DSB voor een volledige cyclus van afval tot voedsel. Dit effect schijnt het meest effectief te zijn in een DSB, sowieso in een SW-DSB (aldus het wetenschappelijk onderzoek), als ook in een FW-DSB (aldus het lekenonderzoek van Dierde Kylie).

Dit effect is wél onderhevig aan de grote van het gebruikte zand. Enerzijds zorgt een fijne korrel voor meer totaal oppervlakte waar de bacteriën kunnen groeien, maar slibt erg makkelijk dicht. Anderzijds voorkomt een grove korrel juist het dicht slibben, maar verstoord wél de afbraak van H2SO4, doordat deze juist sneller kan stijgen. Daarom volg ik zelf het advies van Shimek op, door tussen 0,1 en 0,2mm te gebruiken. Daarmee is een DSB eerder eentje met ,2mm aan korrel grote. Ander korrel grote kan ook, maar dan moeten wél de nodige aanpassingen worden gedaan in de DSB.

Dit al komt daarmee dus op het kort neer: Door een DSB met fijn zand (0,2mm) wordt de volledige stikstofcyclus gestimuleerd, waardoor de NO3- indirect als N2/stikstofgas opstijgt, de C uit de mulm CO2 wordt en het verpakte zuurstof de H2SO3/4 onschadelijk maakt. Met als positief effect dat de planten de mulm indirect kunnen gebruiken als voedsel.

We hebben dan wél een (extra) probleem, waar de druppel- en foto-tests de waarden in de waterkolom meten, heb ik nog geen idee hoe de waardes in de DSB kunnen meten. Iemand een idee?