硝化作用、脫氮作用、固氮作用

硝化作用、脫氮作用、固氮作用
有老手說根本不用買菌，只接用豆漿or死掉的魚蝦來培養，這應該是一種錯誤的觀念，因為會不確定到底長出什麼菌種出來(難道用那些東西只會長出硝化菌嗎?，別養了一堆腐生菌就慘了)。
硝化作用 Nitrofication
主要經由兩群微生物來進行：
(1)亞硝酸菌屬(nitrosomonas)能將氨氧化為亞硝酸。2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O + 168Kcal
(2)硝酸菌屬(nitrobacter)能將亞硝酸氧化為硝酸。2NO2- + O2 → 2NO3- + 35.6Kcal
硝化作用所得的反應熱，僅有少部份，約5~14%被硝化細菌所利用，其餘以熱量方式散發至水體中。硝化作用的效率會因為環境因子，如溶氧、pH值、溫度等，而受到影響。
這些硝化細菌需附著於固體表面，形成一種生物薄膜，水族箱內使用底石(各式濾材)即為增加硝化細菌的附著面積，以便容許更多的硝化細菌生存，以進行硝化作用。
為一般所稱的好氧菌

脫氮作用(denitrification)
脫氮作用為一種異化作用(dissimilation)，可將氨、亞硝酸及硝酸等含氮物質經脫氮細菌的作用，最後轉換為氮或氮氧化物，回歸於自然界中。
為一般所稱的厭氧菌(底沙還原)

固氮作用(nitrogen fixation)
水生植物可吸收水中動物的代謝產物，如硝酸態氮、亞硝酸態氮與尿素等，合成蛋白質等為自身組織，為一種同化作用(assimilation)，具改善水質的功效。

一般人對水族硝化系統的認知是:NH3-----> NO2- ---->NO3-
但是在一般的淡水水族箱(PH小於等於7)中NH3會被轉換為NH4+
NH3對水中生物有劇毒的原因在於它不像NH4+ NO2- NO3-有帶
電荷 所以它可以輕易的進入魚隻的細胞中 而以前文章提到的
積塵影響中的硫化氫也是因為不帶電荷所以帶有劇毒

只是在淡水水族箱中，PH值為七的狀況下NH3和NH4+的比值是99.7%NH4和0.3% NH3
而在PH值為五以下的狀況下更可以到達接近100:0的比值 相較於
PH值為8.4時的84.7% NH4+和15.3% NH3，NH3的含量的確是低了許多

再來就會有人問，那淡水的魚缸中不就完全不用擔心污染的問題
了嗎?反正氨化作用放出了再多的NH3都會被氫離子結合變成NH4+，
怎麼樣都死不了魚

但實際上NH4+仍然會轉換為NO2-的，如下:
NH4+ ＋ 0.103CO2 ＋ 1.86O2 → 0.0182C2H5NO2（亞硝酸菌） ＋ 0.00245C2H7NO2（硝
酸菌） ＋ 0.979NO3- ＋ 1.98H+ ＋ 0.938H2O

注意到了嗎?只要有碳源的存在，離子狀態的NH4+仍會被轉換
為亞硝酸，所以毒性這時又會增強，所以說僅管是淡水缸仍然
不能忽略硝化系統的存在

再來是一般人最困惑的沉水植物吸收NH4+的問題，NH4+的確是
植物氮源吸收的最主要形式，但是植物吸收NH4+跟轉換成NO2-
後足以讓水中生物中毒的NH4+濃度為兩碼子事

當水中的NH4+濃度低到一定濃度以下時 沉水植物會優先吸收硝酸態
的氮，而僅管濃度低 這個量所轉換成的亞硝酸鹽已經足以讓魚隻
中毒 關於這一點PALO大在網誌中也稍微帶到了一些，也因此過濾系統
穩定與否在草缸扮演著非常重要的地位，不是一句植物會吸收毒物就能
帶過的

而做以上實驗的樣本植物乃是一些生命力極強的草種，因此對於我們一
般所種植的較嬌貴之草種，這個NH4+吸收最低濃度只會更高，所以更不
要指望他們來代替過濾系統做水質處理的工作

這時就會有人問了，那既然NH4+濃度低到一定程度植物便會開始吸收亞
硝酸及硝酸，那只要我們不加氮肥就可以強迫它們吸收毒物了呀!事實
上植物吸收NO2-及NO3-後仍然要花費能量將其轉換為NH4+才得以利用儲存
所以使用這種方法或許有可能讓植物存活，不過草況就會變得非常的差，
甚至造成一些較嬌貴水草之死亡(水草也是會被過高的NO2-及NH3毒死的，
這也是很多人說硬水難種草的原因!因為硬水PH較高水中NH3的量便增高，
而水草如果要吸收NH3仍然要耗費能量將其轉換為NH4+，而NH3對於一些
較敏感的草種也具有毒性，太陽類水草在硬水裡種不好跟這也有些關係)

再來我們不能忘記我們面對的是水生
植物，水質狀況也就是水中NO2-及其他毒物的量也會影響水草的生長及
光合作用，而水草要正常吸收養份的話一定要搭配正常的光合作用

所以水質狀況影響水草，水草也影響水質狀況，這個從大量冒泡往往需要
良好及穩定的水質以及NO2-含量一高太陽草類生長便受壓抑及小紅莓等的
掉葉、紅蝴蝶葉形之變差、新百葉整體頭形縮小等等的狀況便可以看出，
也因此水草跟水質的交互作用就變得更為難解

所以依靠水草作為水中無機廢物代謝工廠是不可行的，除非以極
低密度進行養殖，因為它的不穩定性實在太高了，現在就會有人
問:那應該怎麼辦呢? 答案很簡單--->以良好完整的過濾系統配
合換水來控制水質，仍然給予水草足夠的氮源，多餘被轉換成
NO2-的量再由過濾系統的硝化菌來處理，如此即可維持草缸的
生態平衡

再來便是硝化系統的問題了，常有人說要養硝化菌一定要先
放魚或污染物以製造汙染才培養的起來，實際上這是錯誤的
觀念，如果抱著只要初期讓NH3/NH4+濃度大量上升便可快速培
養硝化菌而丟入魚屍 飼料或放入生物製造汙染的話，反而會讓
氨化作用的異營菌(生殖速度為硝化菌的數百倍)消耗過多氧氣
，霸佔濾材孔隙，酸化環境，而NH3/NH4+及NO2如果濃度過高時
也是會毒死硝化菌的，一切的一切都使得硝化菌的生成受到更嚴苛的考
驗，這也是有些人設缸太快放魚導致系統一蹶不振再也爬不起來
的原因

所以不管裸缸草缸 沒有必要為了養水而製造額外的污染，空氣
中和自來水中早已充滿各式微生物，他們的屍體及代謝物已足以
提供硝化菌生成的氮源及碳源，只有在不壓迫硝化菌的情況下
他們才能自然生成建立一個良好穩定的系統，而草缸就更不用
擔心了!水草的殘枝爛葉及底土和肥料的成份一定足夠硝化菌培養

另外關於草缸多換水有助於穩定和草類生長這點，因為水草本身會分泌
酚類，這種東西對硝化菌一樣具有毒性，因此需要靠換水或是物理
吸附來將之去除，因此草缸多換水除了幫助植物新陳代謝及去除
廢物外 還能夠幫助硝化系統的建立及穩定

再來是草缸水質不如裸缸穩定的老問題，講到這裡也可以順便
拿出來解釋，草缸水質不穩除了以前提過的植物新陳代謝問題外，
還有就是我們所加的液肥，它提供的氮源在水中會以NH4+或NO3-的狀
態存在，也因此它不僅僅是水草的氮源，也是硝化菌轉換亞硝
酸的氮源，而一些草缸常用的黑土品牌如亞馬遜二代黑土，它
老實說有點不應該的加入了一些(NH4)2SO4的成份，這東西是
什麼呢?絕對不是土裡固有的，而是一般我們農業上使用的酸
性肥料的成份!也因此很多人在初使用時便因為沒有大量換水
只有讓水養個幾天便放魚，造成魚隻進入後暴斃的情況，而
五味跟ADA便少有此種情形，老實說加入這種不該加入的東西
其廠商應該有告知及警告的動作，不過這個在以前文章提過
在此便不多做論述

因此在全草缸要將NO2-歸零比起裸缸其環境因子要複雜的多
裸缸只要配合夠力的硝化系統及換水要維持水質穩定輕而
易舉，但草缸其不確定因子實在太多

再來是有人提過的全草缸過濾主力不是在過濾器而是在底
砂的問題，沒有浪板的底砂基本上其過濾效能是不高的，
因為其水於上下層的流動性太低，這也是許多有鋪底砂沒
使用浪板的半草缸易出問題的原因，所以以前DUPLA才為
了模仿自然界河川底土溫度高水中溫度低造成對流的
過濾情況而做出了底部加溫線這種東西，但在臺灣這種
四季溫度平均都二三十度的地方這種低溫加溫線根本毫無
用處，也因此脫離極低密度飼養以後全草缸底砂過濾效能
不足的窘境便會發生，藻類問題.草況問題.水質問題便會
接種而來!所以有著完整的過濾設備對草缸是非常重要的

最後做個總結:

1 淡水中的氨幾乎都以NH4+的情況下存在 而這情況對魚隻
毒性甚低 只是硝化菌仍然會將其轉換為對魚隻仍具毒性的
NO2- 而水草吸收的NH4+濃度跟對於具毒性的NH4+濃度範圍
是分開的

2 為了水草的正常生長我們有時會在肥料內額外添加氮源，使得
水中NH4+的量不會缺乏，但也因此造成了NO2-的不斷產生
所以需要過濾系統將其轉換為毒性較低之NO3-

3 培養硝化菌不需要額外添加魚屍 飼料等污染物還有生物
加了反而有可能讓異營菌快速增殖壓迫硝化菌的生長空間

4 草缸多換水除了幫助水草新陳代謝 正常生長外，也能幫助
一些對硝化菌有毒性的酚類之排除 使系統更加穩定

5 適當的過濾系統配置是很重要的 過濾的細節我在以前文章
已提過 等我做了更好的統整以後可能會再發一篇過濾篇

6 一些除了青苔外藻類問題的大量發生 是水中整體營養循環
有問題的警訊，水中藻類孢子是無時不存在的，只是要看這
環境適不適合他們大量增殖，所以有藻類發生代表過濾系統
或是管理方式出了問題，需要找出問題來解決而不是想一些
用雙氧水或除藻劑等治標不治本的方法將之去除，要把他們
當作是一個水質的指標