[養魚] 水質與氮循環

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

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：

可用的碳源作為電子提供者

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）

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