Em um ambiente fechado, toda a amônia (NH3) proveniente dos restos da alimentação e do metabolismo dos animais passa a se acumular. Esse composto é tóxico e pode ser letal para espécies mais sensíveis em concentrações de 0,5 mg/L. Devido a esse acúmulo constante, a filtração biológica é um dos pilares dos sistemas de recirculação de água (RAS). Na maioria dos RAS, esse processo ocorre em duas fases: mineralização e nitrificação.

Na fase de mineralização, ocorre a decomposição da matéria orgânica imobilizada, composta basicamente pelas fezes e resto de alimento não consumido. Nesse processo, a matéria orgânica é degradada por bactérias heterotróficas em formas menos complexas, resultando basicamente em nitrogênio e fósforo inorgânico. Como os vegetais só conseguem consumir o nitrogênio inorgânico, esse processo também é de grande importância para sistemas de Aquaponia.

A nitrificação é o processo mais conhecido e mais importante na filtração biológica. Nele, toda a amônia tóxica que se acumula na água, é consumida e oxidada por bactérias para compostos nitrogenados menos nocivos em duas etapas. Na primeira, bactérias Nitrosomonas e Nitrosococcus convertem o NH3, o composto nitrogenado mais tóxico, para nitrito (NO2). Na segunda etapa, o NO2 é processado por bactérias Nitrobacter para nitrato (NO3). O NO3 é a forma final e menos tóxica do processo de nitrificação, sendo geralmente bem tolerado pelos animais. Alguns sistemas mais exigentes, ou com pouca capacidade de trocas de água, passam a incluir também a remoção do nitrato pelo processo de denitrificação, que será abordado especificamente em outra oportunidade.

Para a nitrificação ocorrer, é necessário disponibilizar um substrato para fixação das bactérias e condições ambientais favoráveis para a formação de um biofilme. Quanto as condições, destacam-se: a manutenção da concentração de oxigênio dissolvido > 4,5 mg/L. Nesse processo, uma grande quantidade de alcalinidade é consumida pelas bactérias, demandando atenção e reposição de carbonatos. A temperatura também influencia a capacidade das bactérias em consumir esses compostos, onde temperaturas elevadas possuem maior e ciência em relação à temperaturas mais baixas.

Quanto ao substrato, atualmente existe uma diversidade considerável de opções de mídias disponíveis específicas para esse uso. Elas diferem basicamente no tipo de material e também na superfície específica, de modo a permitir abrigar uma grande quantidade de bactérias em um menor volume. A escolha do material e método de instalação precisa levar em consideração a carga de nitrogenados que precisa ser processada diariamente, a estrutura disponível e que tipo de manutenção se adequa a sua operação.

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