[閒聊] 水質與氮循環

[aaronliu0719 (鄉民)]

網誌圖文版：
http://aaronmind.blogspot.com/2009/07/blog-post_16.html


進入一個新領域，碩士論文和Google一直是切入的好工具，這篇文章就是我這個養魚新手
，爬文章爬出來的心得。

所謂養魚先養水，養水先養菌，然而這個菌所指為何？要回答這個問題，首先不得不提的
就是氮循環與硝化作用。

魚缸充斥著含氮的有機汙物，例如魚的糞便、沒吃完的殘餌、這些有機物經過水解和細菌
或真菌分解以後會在水中氧化形成氨氮（NH4-N），氨氮在水中以氨或銨離子的形態存在
，在大部分的水族討論區裡被稱為「氨」或「銨」，實際上指的都是氨的氮化合物。氨氮
是毒性頗強的物質，會損害魚的神經系統，導致魚隻呼吸困難，大量的氨氮甚至會造成水
質優氧化而無法飼養魚類。因此，養水先養菌就是要培養出能夠分解氨氮的細菌，降低魚
隻排泄和過度餵食造成的不良影響。

一般來說，從生成氨氮到將其分解為無毒氮氣的過程稱為氮循環，大部分的水族討論區則
稱之為硝化系統或硝化循環，其分解的過程又可以分為硝化作用和脫硝作用兩階段，如下
圖所示[1]。


氮循環途徑示意圖
http://tinyurl.com/mgxjdj


硝化作用類似光合作用，都是自營性生物利用無機物生成所需養分的方法之一。硝化作用
會消耗氨氮與氧，而排出硝酸氮或亞硝酸氮。與異營性的菌種比起來，硝化作用屬於效率
較差的養分取得方法，使得硝化菌的競爭力比異營性的菌種要差，繁殖也較慢。因此，要
在魚缸裡維持順暢的氮循環，要靠人為方的法去確保硝化菌的繁衍，這也是為何需要添加
硝化菌種的原因。

硝化作用可以分成兩個階段，第一個階段是亞硝化菌（Nitrosomonas）將氨氮分解為亞硝
酸氮(NO2--N)，第二個階段是硝化菌（Nitrobacter）將亞硝酸氮分解為硝酸氮（NO3--N
）。其中，亞硝化菌屬於絕對自營性，以無機的二氧化碳為碳源，而硝化菌是兼自營性，
可以用有機碳作為碳源，生長速度較亞硝酸菌緩慢。理論上，氧化1克的氨氮形成硝酸氮
，需要4.2克的氧（已加入細胞合成的消耗），同時消耗7.14mg的鹼度（已CaCO3為基準）
[1]，因此硝化作用需要氧氣，而且會慢慢使水質偏向酸性。

影響水中硝化作用效率的因子歸納[1][2]有：


    * 溶氧： 0.3~0.4mg/L之間時，溶氧量與硝化菌生長速度成正比，一般而言若大於
             1mg/L就沒有抑制硝化菌生長的現象。

    * pH值：pH在7.5~8.5之間，較適合硝化菌生長，硝化菌喜歡弱鹼性環境，當pH在5以
            下時，硝化作用會完全中止，反之在pH升高到9.5以上時，影響不大。

    * 溫度：硝化菌最適合的溫度在28~32度C，且在5~35度C之間時，硝化速度與溫度成
            正比，超出這個範圍會使得硝化菌失去活性。

    * 有機物：高濃度的有機物將造成異營菌繁殖的有利條件，使異營菌的數量增加，間
              接降低溶氧量與pH值，導致自營的硝化菌無法生存。

    * 氨濃度：氨濃度介於10~150mg/L時，會抑制亞硝化菌作用，0.1~1.0mg/L的氨會抑
              制硝化菌作用。另外，亞硝酸氮的濃度在0.2~2.8mg/L時，會對硝化菌形
              成抑制。


脫硝作用指脫硝菌將NO2-或NO3-還原成N2O或N2，將仍具有一些毒性的硝酸氮，轉變為無
毒的氮氣，釋放為大氣中。完整的脫硝系統電子傳遞鏈包含三個主要成份：

      1. 可用的碳源作為電子提供者
      2. 適當的氧化物作為電子的接受者（以硝酸鹽代替氧氣進行呼吸）
      3. 有脫硝能力的菌株

這個過程又稱為缺氧呼吸作用，亦可得知脫硝菌是屬於厭氧細菌，若環境中存在氧，氧氣
會與脫硝作用的基質競爭電子，並進行有氧呼吸作用，並對脫硝形成抑制。而且在有氧條
件下行呼吸作用，產生之能量遠大於脫硝作用，且脫硝菌在有氧環境下，增殖速度遠小於
其他菌種，因此維持無氧條件，是有利於脫硝作用的。

脫硝菌有異營性也有自營性，但以異營性為主，因此提供脫硝作用的碳源應以有機碳為主
，水中生物的飼養應該可以提供一些有機碳源。

影響脫硝速度的因子，整理如下[1][3]：


      *溶氧：溶氧濃度為0的狀態最佳，但不同菌株對氧的耐受性不同
      *pH值：最適pH範圍在6.5~7.5，且在低於6.0或高於8.0時脫硝速率會大幅降低，且
             脫硝反應將使pH上升
      *溫度：最適合的溫度在24~40度C，溫度越高效率越好
      *C/N比：脫硝需要碳源，因此較高的C/N比（碳/氮比）有利於脫硝，但是太高的
             C/N比又會抑制硝化作用，需要注意

綜合以上觀點，要在魚缸裡維持良好的水質，需要完整的氮循環系統，而硝化與脫硝菌種
的生存比起其他菌種而言，相對是弱勢的，因此除了不斷加入好的菌種之外，還必須同時
提供好的生存空間，讓硝化或脫硝菌可以在局部空間中取得優勢。一般生化濾材裡面，有
許多大孔細的生化棉適給好氧的硝化菌生長的環境，而陶瓷環則利用表面細小的孔細提供
厭氧菌種生存的空間。另外，底沙也可以提供厭氧菌生存空間，不過如果沒有浪板和底抽
的話，只有表層的底沙較能對水質做出貢獻。至於 pH值，由於硝化和脫硝分別會降低和
提昇pH，因此如何達成兩者的平衡是重點。至於溫度之類的，魚和水草遠比菌種敏感，在
魚缸裡可以不論。



參考文獻：
[1] 呂志宏, 2001, 《有機廢水之硝化與脫硝處理研究》, 大同大學 生物工程研究所碩
    士論文
[2] 柯世傑, 2005, 《利用分子生物方法進行樣本中硝化菌與消化速率之估算》, 東吳大
    學 微生物學系碩士論文
[3] 林茗儀, 2006, 《活性污泥脫硝基因及脫硝菌多樣性之研究》, 中原大學 土木工程
    學系碩士論文

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推 bt39:要被m了
推 GuitarTsai:樓上ID真有趣XD是輪胎大大嗎XD
推 DROT:是人稱好胎哥的胎哥
推 kazemi:不錯耶～文獻回顧 但我對pH值低於5以下 硝化作用會中止存疑
→ kazemi:硝化菌的種類很多 應該還有許多種菌類可在酸水中行硝化作用
推 kazemi:底床在多數的情況下 的確是較偏無氧的狀況 過於無氧的底床
→ kazemi:反倒是對活體和有根水草來說有傷害 並不是厭氧菌長得多就好
→ kazemi:關於底床的內容可以參考P大blog http://ppt.cc/uZxM
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