I quattro componenti basilari dello schiumatoio
Si tratta in particolare dell’apporto di aria che, secondo il tipo di schiumatoio, viene regolata in modo diverso, di quello dell’acqua, che può avvenire ugualmente in vario modo, del tubo di risalita o tubo di contatto, nel quale aria e acqua si mischiano e i composti organici si aggregano alle bolle d’aria per poi formare la schiuma normale e sopra a questa la schiuma proteica, e infine il recipiente di raccolta, nella parte finale superiore del tubo di contatto. In quest’ultimo contenitore si raccolgono i composti organici (Adsorbato) che in questo modo vengono rimossi dal ciclo dell’acquario.
Perché è necessario schiumare?
Nell’acqua marina dell’acquario sono disciolti molti composti organici, come le albumine (proteine) e le sue componenti di base, gli aminoacidi (di frequente come catena prolungata, vengono chiamati polipeptidi). Queste sostanze provengono da una parte dai resti di cibo, dall’altra dagli escrementi dei pesci e degli invertebrati, come pure dalle trasformazioni che avvengono nell’acquario (ad esempio per via della degenerazione delle alghe e dei batteri). I composti organici sono la fonte per i nitrati e i fosfati della nostra acqua marina, e d’altro canto costituiscono le sostanze nutrienti per le alghe filamentose e patinose. In parole semplici, per una vasca senza una efficace schiumazione, si può impostare la seguente equazione: una forte presenza di pesci = intensa somministrazione di cibo = forte inquinamento dell’acqua con composti organici = elevata concentrazione di nitrati e fosfati nell’acqua dell’acquario = grandi problemi con piaghe di alghe e con il mantenimento di molti invertebrati, in particolare con i delicati coralli duri e diversi polipi incrostanti come pure con i gorgonacei. Per poter mantenere un acquario biologicamente bilanciato, povero di sostanze nutrienti e funzionante, con una popolazione animale sana, la catena deve essere interrotta. Ad eccezione del filtro denitrificante, i filtri biologici sono inadatti allo scopo, perché sono responsabili della scomposizione batterica dei composti organici e conducono ad un innalzamento della concentrazione dei nitrati e dei fosfati, cosa che però vogliamo e dobbiamo in ogni caso evitare. Proprio a questo punto entra in gioco lo schiumatoio.
Le reazioni nel tubo di contatto
Cosa avviene dunque nel tubo di contatto quando l’acqua carica di sostanze organiche incontra le bolle di aria? Per rispondere a questa domanda dobbiamo fare una breve divergenza nel campo della chimica fisica. Molte delle proteine e dei polipeptidi disciolti nell’acqua marina hanno un’area polarizzata e non polarizzata. Le aree polarizzate cercano continuamente di entrare in contatto con le molecole di acqua (“idrofilo”), le aree non polarizzate tentano al contrario di evitarlo (“idrofobo”). In tal senso, le bolle di aria sono proprio quanto occorre. Espresso in parole molto semplici, si può affermare che le aree non polarizzate delle molecole organiche si fissano con l’aria, mentre quelle polarizzate della stessa molecola continuano a rimanere in contatto con l’acqua. Da questo punto in poi si può definire il processo della schiumazione come flottazione (Wilkens, 1973). Si definisce flottazione la separazione delle particelle in un liquido dovuta al diverso peso specifico. In relazione alla schiumazione questo significa che le bolle di aria legate ai composti organici sono più leggere dell’acqua e nel tubo di contatto salgono verso l’alto. Osservando più attentamente si possono distinguere due tipi di schiuma: quella normale in basso nel tubo di contatto, dove ha luogo il legame delle proteine e dei polipeptidi con le bolle di aria, e la schiuma proteica, che si forma al di sopra. La schiuma normale, se si interrompe l’apporto di aria, collassa immediatamente, mentre quella proteica permane. In quest’ultima ha luogo la concentrazione delle molecole organiche.
Per via della produzione permanente della schiuma normale, quella proteica sovrastante si spinge lentamente sempre più in alto, fino a quando, alla fine, finisce nel recipiente di raccolta e viene rimossa dal sistema prima che venga trasformata dai batteri in nitrati e fosfati che si arricchirebbero nell’acqua dell’acquario. In questa sede però va ricordato ancora un importante dettaglio: la teoria più diffusa sostiene che, tra la schiuma normale e quella proteica, vale a dire nel cosiddetto strato di confine, si formino campi elettrici di diversa intensità, che si generano a causa delle cariche delle molecole proteiche (Wilkens, 1973). In questa zona le albumine denaturano, cosa che comporta una loro modifica strutturale e la precipitazione come sostanze solide. Questi processi di denaturazione sono noti in cucina nella preparazione delle nostre uova per la colazione, dove l’albume e il tuorlo liquido solidificano aggiungendo calore. Attraverso la denaturazione nello schiumatoio viene attuato un efficiente processo di adsorbimento. In generale con il termine adsorbimento si intende il deposito fisico di una sostanza gassosa o liquida disciolta in un corpo solido. Un classico esempio in acquariologia è il filtraggio a carbone attivo. Nel processo di schiumazione le proteine e gli aminoacidi flottanti fungono da sostanze solide, alle quali si legano le molecole proteiche trasportate dalla schiuma normale. Si tratta di un fenomeno di grande importanza per la corretta regolazione dello schiumatoio: una conseguenza è il fatto che sostanzialmente non ha senso rimuovere la schiuma normale. Questa schiuma, infatti, contiene soltanto le molecole proteiche divenute più leggere attraverso l’aria, che stanno appena iniziando a flottare. Il vero arricchimento e la concentrazione dei composti organici avviene solo nella schiuma proteica, ed è questa che deve essere pertanto rimossa dal sistema.