Die biologische Filterung ist einer der wichtigsten Vorgänge in jedem Aquarium. Sie sorgt dafür, dass organische Abfallstoffe und giftige Stickstoffverbindungen abgebaut werden und das Wasser für Fische, Garnelen, Schnecken und andere Aquarienbewohner dauerhaft bewohnbar bleibt. Dabei übernimmt nicht der Filter als Gerät selbst die eigentliche biologische Arbeit, sondern vor allem die Mikroorganismen, die sich auf dem Filtermaterial und anderen Oberflächen ansiedeln.
Ein Aquarium ist ein kleines künstliches Ökosystem. Fische fressen Futter, verdauen es und geben Stoffwechselprodukte an das Wasser ab. Zusätzlich entstehen durch nicht gefressenes Futter, abgestorbene Pflanzenteile und andere organische Materialien weitere Belastungen. Würden diese Stoffe nicht abgebaut, würden sich giftige Verbindungen im Wasser anreichern.
Genau hier setzt die biologische Filterung an.

Was bedeutet biologische Filterung?
Bei der biologischen Filterung werden gelöste und organische Stoffe durch Mikroorganismen verarbeitet. Besonders wichtig sind verschiedene Bakteriengruppen, die Bestandteile des Stickstoffkreislaufs übernehmen.
Eine vereinfachte Darstellung sieht folgendermaßen aus:

Organische Abfälle → Ammonium/Ammoniak → Nitrit → Nitrat
Dabei handelt es sich um mehrere aufeinanderfolgende biologische Prozesse.
Fischkot, Futterreste und abgestorbene organische Materialien werden zunächst von verschiedenen Mikroorganismen zersetzt. Dabei entsteht unter anderem Ammonium (NH₄⁺). Bei höheren pH-Werten liegt ein Teil davon als Ammoniak (NH₃) vor. Ammoniak ist für Fische und Wirbellose hochgiftig.
Nitrifizierende Bakterien wandeln diese Stickstoffverbindungen anschließend zunächst in Nitrit (NO₂⁻) und danach in Nitrat (NO₃⁻) um.
Nitrit ist ebenfalls hochgiftig, während Nitrat in moderaten Konzentrationen wesentlich weniger problematisch ist und von Wasserpflanzen als Nährstoff genutzt werden kann.

Die wichtigsten Bakterien sitzen nicht im Wasser
Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass sich die für die Filterung benötigten Bakterien hauptsächlich frei im Aquarienwasser befinden. Tatsächlich leben die meisten wichtigen Mikroorganismen sessil, also auf festen Oberflächen.
Sie besiedeln unter anderem:
•︎ Filterschwämme
•︎ Keramikmaterial
•︎ Sinterglas
•︎ Bodengrund
•︎ Steine
•︎ Wurzeln
•︎ Pflanzen
•︎ Aquarienscheiben
•︎ andere Oberflächen im Aquarium
Besonders wichtig ist das Filtermaterial, weil dort eine sehr große Oberfläche zur Verfügung steht und ständig Wasser mit Sauerstoff und Nährstoffen vorbeiströmt.
Der biologische Filter ist daher im Grunde ein Lebensraum für Millionen bis Milliarden von Mikroorganismen.

Warum ist die Oberfläche des Filtermaterials so wichtig?
Ein kleiner Filterschwamm kann eine erstaunlich große innere Oberfläche besitzen. Je poröser ein Filtermaterial aufgebaut ist, desto mehr Bakterien und andere Mikroorganismen können sich darauf ansiedeln.
Materialien wie Schwamm, Keramik oder Sinterglas unterscheiden sich dabei in Struktur, Porengröße und nutzbarer Oberfläche.
Allerdings bedeutet eine besonders große Oberfläche nicht automatisch, dass ein Filter immer besser funktioniert. Entscheidend sind auch:
•︎ ausreichende Sauerstoffversorgung,
•︎ passende Strömung,
•︎ genügend Nahrung für die Mikroorganismen,
•︎ ausreichende Filtergröße,
•︎ regelmäßige, aber schonende Pflege.
Ein Filter muss also nicht möglichst kompliziert sein. Er muss vor allem biologisch funktionieren.

Die Nitrifikation
Die Umwandlung von Ammonium zu Nitrat wird als Nitrifikation bezeichnet. Sie erfolgt in mehreren Schritten.
1. Ammonium und Ammoniak
Durch den Abbau organischer Stoffe entsteht Ammonium. Abhängig vom pH-Wert und der Temperatur liegt ein Teil davon als Ammoniak vor.
Das Verhältnis zwischen Ammonium und Ammoniak verändert sich insbesondere mit dem pH-Wert. Je höher der pH-Wert, desto größer wird der Anteil des giftigen Ammoniaks.
Das ist beispielsweise bei Aquarien mit einem pH-Wert von 8 oder höher besonders wichtig.
2. Ammonium wird zu Nitrit
Spezialisierte nitrifizierende Mikroorganismen oxidieren Ammonium beziehungsweise Ammoniak zu Nitrit.
Nitrit ist für Fische besonders gefährlich, weil es die Sauerstoffaufnahme im Blut beeinträchtigen kann. Bereits relativ geringe Konzentrationen können deshalb problematisch sein.
3. Nitrit wird zu Nitrat
Weitere nitrifizierende Mikroorganismen oxidieren Nitrit anschließend zu Nitrat.
Nitrat ist wesentlich weniger giftig und kann von Pflanzen als Stickstoffquelle genutzt werden. Überschüssiges Nitrat wird normalerweise durch Wasserwechsel reduziert.
Damit schließt sich ein wesentlicher Teil des Stickstoffkreislaufs.

Sauerstoff ist für die biologische Filterung entscheidend
Die klassischen nitrifizierenden Bakterien gehören überwiegend zu den aeroben Mikroorganismen. Sie benötigen Sauerstoff, um Ammonium und Nitrit oxidieren zu können.
Deshalb ist eine ausreichende Sauerstoffversorgung des Filters enorm wichtig.
Ein Filter, der nur noch schwach durchströmt wird, stark verschmutzt ist oder durch eine zu dichte Filterfüllung kaum noch Wasser durchlässt, kann seine biologische Leistung verlieren.
Auch sehr warme Aquarien haben eine Besonderheit: Je höher die Wassertemperatur, desto weniger Sauerstoff kann das Wasser aufnehmen. Gleichzeitig steigt bei höheren Temperaturen der Stoffwechsel vieler Tiere. Dadurch kann der Sauerstoffbedarf steigen, während gleichzeitig weniger Sauerstoff zur Verfügung steht.
Eine gute Wasserbewegung und ein funktionierender Filter sind deshalb besonders wichtig.

Mechanische und biologische Filterung sind nicht dasselbe
Bei der mechanischen Filterung werden Schwebstoffe und sichtbare Partikel aus dem Wasser entfernt. Dazu gehören beispielsweise:
•︎ Futterreste
•︎ Pflanzenreste
•︎ Mulm
•︎ Kotpartikel
•︎ Schwebstoffe
Die biologische Filterung arbeitet dagegen hauptsächlich mit gelösten Stoffen, die für das Auge unsichtbar sind.
Ein Filter kann deshalb kristallklares Wasser liefern und trotzdem biologisch schlecht funktionieren.
Umgekehrt kann ein Aquarium optisch leicht trüb sein und trotzdem eine sehr aktive und funktionierende biologische Filterung besitzen.
Ein guter Filter kombiniert deshalb beide Aufgaben.

Filterreinigung – weniger ist manchmal mehr
Eine der häufigsten Fehlerquellen in der Aquaristik ist die übermäßige Reinigung des Filters.
Wer einen biologisch gut funktionierenden Filter komplett ausräumt und sämtliche Filtermaterialien gründlich unter Leitungswasser auswäscht, kann einen großen Teil der vorhandenen Mikroorganismen entfernen.
Das kann insbesondere bei stark besetzten Aquarien problematisch werden.
Filtermaterial sollte deshalb möglichst schonend gereinigt werden. In vielen Fällen reicht es, verschmutzte Schwämme vorsichtig in einem Eimer mit entnommenem Aquariumwasser auszudrücken.
Dabei sollte der Filter nicht steril sauber werden. Eine gewisse biologische Besiedlung ist ausdrücklich erwünscht.
Auch sollte man möglichst nicht alle biologischen Filtermedien gleichzeitig austauschen.

Wann muss ein Filter gereinigt werden?
Der Filter sollte nicht nach einem starren Kalender gereinigt werden. Entscheidend ist vielmehr sein Zustand.
Ein deutlich nachlassender Wasserdurchfluss, stark verschmutzte Filtermedien oder eine zunehmende Verschlechterung der Filterleistung sind Hinweise darauf, dass eine Reinigung notwendig wird.
Dabei sollte zunächst vor allem die mechanische Filterstufe gereinigt werden. Biologische Filtermedien können häufig wesentlich länger im System verbleiben.
Das Ziel der Filterreinigung lautet daher nicht:
„Alles muss wieder wie neu aussehen.“
Sondern:
„So viel Schmutz entfernen wie nötig und so viel biologische Aktivität wie möglich erhalten.“

Biologische Filterung und Pflanzen
Wasserpflanzen sind ein weiterer wichtiger Bestandteil des Stickstoffhaushalts.
Pflanzen können Ammonium und Nitrat als Stickstoffquelle aufnehmen. Besonders schnell wachsende Pflanzen können dabei erhebliche Mengen an Nährstoffen verbrauchen.
Ein gut bepflanztes Aquarium besitzt deshalb neben dem Filter eine zusätzliche biologische Komponente.
Das bedeutet jedoch nicht, dass Pflanzen einen Filter grundsätzlich ersetzen können. Bei einem stark besetzten Aquarium muss die biologische Filterleistung an die vorhandene Belastung angepasst werden.

Was passiert bei einem neuen Aquarium?
In einem frisch eingerichteten Aquarium gibt es zunächst nur eine relativ kleine Population an spezialisierten nitrifizierenden Mikroorganismen.
Mit der Zeit vermehren sich diese Organismen und besiedeln Filter, Bodengrund und andere Oberflächen.
Während dieser Entwicklungsphase können zunächst Ammonium und später Nitrit ansteigen. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil der bekannten Einfahrphase.
Erst wenn genügend Mikroorganismen vorhanden sind, kann die entstehende Belastung dauerhaft verarbeitet werden.
Deshalb sollte ein neues Aquarium nicht sofort mit einer großen Anzahl von Fischen besetzt werden.

Bakterienstarter und eingefahrenes Filtermaterial
Handelsübliche Bakterienpräparate können den Aufbau der biologischen Filterung unterstützen. Sie sollten jedoch nicht als Ersatz für eine funktionierende Filterbiologie und eine angemessene Einfahrphase betrachtet werden.
Besonders interessant ist bereits biologisch aktives Filtermaterial aus einem gesunden, eingefahrenen Aquarium.
Ein eingefahrener Filterschwamm bringt bereits eine große Population lebender Mikroorganismen mit und kann dadurch beim Aufbau eines neuen Filters sehr hilfreich sein.
Für Kunden aus unserer Region halten wir deshalb hochaktive Filterschwämme aus unseren eigenen eingefahrenen Filtersystemen bereit. Diese Schwämme sind bereits dicht mit lebenden Mikroorganismen besiedelt und können beim Start oder nach einer Störung der Filterbiologie eingesetzt werden.
Aus unserer praktischen Erfahrung kann solches tatsächlich lebendes Filtermaterial wesentlich wirkungsvoller sein als die alleinige Zugabe eines Bakterienkonzentrats. Entscheidend ist dabei, dass der Schwamm aus einem gesunden, stabil laufenden Aquarium stammt und möglichst schnell wieder in ein sauerstoffreiches Wassermilieu gelangt.

Was kann die biologische Filterung schädigen?
Die Bakteriengemeinschaft kann durch verschiedene Ereignisse erheblich beeinträchtigt werden:
•︎ vollständiger Austausch des Filtermaterials,
•︎ gründliche Reinigung mit heißem Leitungswasser,
•︎ Einsatz von Reinigungsmitteln,
•︎ längerer Filterstillstand,
•︎ Sauerstoffmangel,
•︎ bestimmte Medikamente,
•︎ starke pH- oder Temperaturveränderungen,
•︎ sehr starke organische Belastungen.
Nach solchen Ereignissen sollte die Wasserqualität besonders aufmerksam kontrolliert werden.

Biologische Filterung bedeutet nicht, dass Wasserwechsel überflüssig sind
Ein funktionierender Filter kann Ammonium und Nitrit sehr zuverlässig verarbeiten. Er entfernt jedoch nicht automatisch alle Stoffe aus dem Aquarium.
Insbesondere Nitrat, Phosphat und verschiedene gelöste organische Verbindungen können sich je nach Aquarium im Laufe der Zeit anreichern.
Deshalb ersetzt ein biologisch hervorragender Filter den Wasserwechsel nicht.
Der Filter sorgt für die biologische Verarbeitung vieler Schadstoffe, während der Wasserwechsel unter anderem dafür sorgt, dass nicht verbrauchte oder sich anreichernde Stoffe aus dem System entfernt werden.
Genau das Zusammenspiel aus Filterung, Pflanzen, Wasserwechsel, Fütterung und Besatz macht ein Aquarium langfristig stabil.

Fazit
Die biologische Filterung ist das unsichtbare Reinigungssystem jedes Aquariums. Nicht die Filtertechnik selbst, sondern die darauf lebenden Mikroorganismen übernehmen den entscheidenden Teil der Arbeit. Sie wandeln giftiges Ammonium beziehungsweise Ammoniak über Nitrit in Nitrat um und verhindern dadurch eine gefährliche Anreicherung von Stickstoffverbindungen.
Ein gut dimensionierter Filter mit ausreichend besiedelbarer Oberfläche, guter Sauerstoffversorgung und schonender Pflege bildet deshalb die Grundlage für ein stabiles Aquarium. Gleichzeitig darf man die biologische Filterung nicht überschätzen: Sie ersetzt weder regelmäßige Wasserwechsel noch eine angemessene Fütterung oder einen zum Aquarium passenden Besatz.
Die beste Filterung ist nicht die, die am saubersten aussieht, sondern die, in der eine stabile und leistungsfähige Lebensgemeinschaft von Mikroorganismen arbeitet.