嗜好

水族箱養水的關鍵–硝化細菌

第一章

硝化細菌簡介

1-1:硝化細菌的由來

1989年,俄國微生物學家維諾格雷斯基(Winogradskyi) 無意中發現一類奇特的好氣性(喜歡氧氣)細菌,他們的生長方式與一般細菌極為不同,一般細菌通常必須供養有機物才能生長及增值,但是這類細菌不能利用有機物培養,卻能夠在通氣的狀態下,利用無機培養液在黑暗中培養,因此格外引起他研究的興趣。

在研究的過程中,維諾格雷斯特基(Winogradskyi)曾經証明這類細菌類似植物一般,能進行無機營養生長。即當細菌被培養在完全無機營養液,並供應二氧化碳作為唯一的碳源時,它們能夠利用二氧化碳合成有機物,以作為菌體生長及細胞分裂的基質。這種現象與植物利用二氧化碳合成有機物返應極為相似,所不同的主要是:植物用於進行有機物合成反應的能源是光能,但這類細菌所利用的能源顯然並非光能,而是某種形式的化學能。

維諾格雷斯基(Winogradskyi)從無機培養意液的取樣分析中,檢驗出銨鹽有逐漸被細菌消耗之現象,以及被消耗之銨鹽最後均轉化成硝酸鹽。

另外,若無機培養液缺乏銨鹽,則細菌分裂立即停止,因此他乃據以斷定這類細菌所利用的能源,應是一種銨鹽被氧化成硝酸鹽所產生的化學能。它們巧妙地運用此種化學能進行有機物的合成反應,因此不需要依靠任何有機物就能生存。後來他進一步確認這種反應屬於硝化作用(nitrification)的結果,同時也將這類能進行硝化作用的細菌給予命名為硝化細菌(nitrifying bacteria)

1-2:硝化細菌的種類

維諾格雷斯基(Winogradskyi)認為探討硝化細菌的種類是認識硝化細菌的基本程序,因此他決定在這個領域中繼續探索。他在無機培養液的取樣分析中,察覺到銨鹽的氧化程序是分二階段完成的:第一階段是銨鹽先氧化亞硝酸鹽,第二階段是亞硝酸鹽再氧化成硝酸鹽。因此他進一步推測硝化作用(nitrification)應是由兩類在生理機能為互不相隸屬的細菌,發生連續性作用的結果,此種推測可依據它們進行氨氧化的順序步驟加以鑑定。

維諾格雷斯基(Winogradskyi)依據健定結果,將硝化細菌納歸為二類:分別是亞硝酸俊(Nitrosomons)及硝酸菌(Nitrobacter)。亞硝酸菌屬於能將銨鹽氧化成亞硝酸鹽的細菌;硝酸菌屬於能將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的細菌。

無論亞硝酸菌(Nitrosomons)或硝酸菌(Nitrobacter),它們都不是單一菌株或菌種,而是各由一群血緣相近的細菌所組成,因此亞硝酸菌或硝酸菌僅僅是分類上的一種「泛名詞」而已,它不代表同類的細菌有相似的生理或行為之特徵。其實,有許多屬亞硝酸菌或硝酸菌的菌株,常有著迴然不同的生理性及生活習性。

1-3:硝化細菌的型態

硝化細菌的大小與一般細菌差不多,約0.3~3.5微米之間,依種類不同而異

。在普通倍數光學顯微鏡下觀察,可看到其基本形態也與一般細菌類似,主要有:桿狀、球狀、螺旋狀等(圖1-2)。因此,光憑顯微鏡的觀察,通常無法區分硝化細菌與一般細菌的差異性。不過若將硝化細菌純化,分出亞硝酸菌及硝酸菌,由其型態不同的觀察,約略可據以區分硝化細菌的種類是否相同或類似。

觀察時,除了注意個別細菌的形態外,亦須注意細菌的群體形態。在水族缸中,硝化細菌極少有懸浮性單離菌體生長的種類,絕大部分硝化細菌種類均屬於附著性種類,它們通常在避光的固體表面生長,並集體形成黏性集合體,被一層黏膜所包含,形成所謂的凝聚箘膠團(zoogloeae)或菌囊(cysts ) 。藉由凝箘膠團的大小,顏色、和形狀所顯現之特徵,也可以作為區分硝化細菌種類的重要依據。

大多數悍狀及螺旋狀種類,在水體中皆有運動性,能從一處移動到另一處。此種活動性之肇因,乃硝化細菌的細胞長有鞭毛(flagella)之故(圖1-3)。藉由鞭毛的震動,菌體即可發生運動現象。鞭毛相當細長,若不染色,僅以普通顯微鏡觀察,則無法觀見。不具鞭毛的菌種,不能作主動遷徒,只能隨著水流漂移作被動遷徒。

1-4:硝化細菌的生態

由於硝化細菌可以在完全無機的環境中生長,因此被認為是古老細菌之一,理由是古老地球是屬於無機世界,此種環境只適合這類不必靠有機物才能生長的細菌生存。歷經億萬年以來的演化,硝化細菌仍然不改變其謀生的本能,依賴氧化氨所獲得之化學能來生存,迄今它們已經成為地球生物圈結構中不可或缺的一個組成份子。

從生態平衡的功能來看,硝化細菌能將有機物腐敗後所釋放出來的氨消弭掉,使其他物免受於受到氨的毒害。已知地球上大量含氮有機廢棄物或殘骸被微生物分解時,所產生的氨數量極為可觀,若非由硝化細菌加以利用並引入氮環境(nitrogen cycle)系統,氨必會在自然界造成累積現象,導致許多生物難以生存。

在地球上任何地方幾乎都有硝化細菌生存的蹤跡,它們在自然界鮮少大量出現,卻廣佈於土壤、淡水、鹽水、海水,和污染水處理系統中(圖1-4)。雖然今日的地球環境和古老以前不一樣,有些地區的環境極端惡劣,但是仍有一些特殊的硝化細菌可以生活在各種惡劣環境中,例如,即使永遠寒冷的兩極、極為乾旱的漠、溫度很高的溫泉、永遠黑暗同時承受無比壓力的深海海底,甚至海底的火山附近,都有硝化細菌在其中討生活。

1-5: 硝化細菌的生長

硝化細菌的生長速度相當緩慢,通常每隔24~36小時才能增殖一倍(圖1-5),相較於一般細菌的世代時間僅需要約20分鐘,顯然慢得極多。兩者之間會有如此巨大的差異,主要因為它們的維生能源不同所致。

一般細菌以攝取地球上即成的有機物維生,這些有機物經過菌體消化後,可以生產它們生活所需的能量,以及可以用於築構它們的細胞組成,甚至轉化於細胞分裂上。假使它們的生活環境中有源源不絕的有機物作為食物,那麼這類細菌就能快速生長及增殖。如果再加上其他的生活條件也都能配合得好的話,即使只有一個細菌存在,經過約一天左右的光景,即能增殖出億個細菌來,此種增殖速率極為驚人。

反觀硝化細菌的情況就不是如此,它們不能分解地球上即成的有機物(如魚的排謝物及殘餌),自然也不能以這些有機物為食物,它們所需要的有機物,幾乎都是靠自己利用氧化氨或亞硝酸鹽所獲的的化學能,進行有機合成反應獲得。

硝化細菌靠自己的能力,將無機物(如二氧化碳及營養元素)合成有機物,此種生物合成反應與植物類似,需要耗費相當時間方能完成,也因為這樣,才導致硝化細菌的生長及增殖變得極為緩慢。例如,通常一個細菌在生活條件配合得很好的情況下。經過一天之後,約只能增殖出二個細菌來,相當於一般腐生

細菌可增殖的速度可謂慢得驚人,甚至比單細胞綠藻還來得慢許多。

                  

第二章

硝化細菌需要什麼

2-1:需要獲得無機化學能

所有生物都需要先獲得適合的能源之後才能生存。在自然界終最容易獲得的能源是太陽能,因此一般植物皆以光能作為能量的來源,但是硝化細菌的細胞內因不具有光合色素(如細菌葉綠素),不能利用光能,只能利用化學能。

硝化細菌所利用的化學能係得自硝化作用(nitrification),因此它們需要氨源或亞硝酸鹽以產生化學能(圖2-1)。這種能源屬於「無機化學能」的一種,與一般腐生細菌分解有機廢務所得的「有機化學能」不同。一般腐生細菌可以直接利用有機化學能來組織自己,同時用作生活細胞的代謝能量。在今日有機廢物到處充斥氾濫的地球上,一般腐生細菌想要取得有機化學能相當容易,因此它們能夠快速生長及增殖,並發展成龐大的族群。

由於一般硝細菌的細胞不具備分解有機廢物之能力,因此不能從其生活環境中獲得有機化學能,當然也不能利用有機化學能來組織自己。它們只具利用無機化學能的特徵,而且所能利用的無機化學也僅限於從硝化作用(nitrification)中獲得而已。

硝化細菌要進行硝化作用並不是一件容易的事,它們必須要有硝化酶(nitrifying enzyme)的催化反應才能發生,而硝化酶的生活性又容易受到氨或亞硝酸鹽、溶氧等反應基質濃度之支配,以及若干環境因子的影響,所以必須在各種環境條件皆十分適合的情況下,硝化作用才能順利進行,也因為如此,硝化細菌若要獲得其所需要的化學能,除了主觀因素外,來得受到客觀因素的影響。這點與一般腐生細菌可以從有機物的消化中,可輕易獲得所需要的化學能顯然十分不同。

2-2:需要獲得無機碳源

地球上的生物必須獲得各種不同形式的有機碳(有機物)才能生存,因為有機碳是合成細胞的基礎物質。一般腐生細菌可以從生活環境中輕易攝取到必要的有機碳,但是硝化細菌卻缺乏利用存於在於環境中有機碳的能力,它們所需要的有機碳通常依賴自己生產。

硝化細菌生產有機碳的機制與綠色植物相似。綠色植物可利用光能來進行光合作用,藉以將無機碳合成有機碳;相較之下,硝化細菌利用化學能進行化成作用,亦能將無機碳合成有機碳。茲比較兩者的化學反應式如下:

6CO2+12H2O+光能→C6H12O6+602+6H2O     2-1

6CO2+12H2O+化學能→C6H12O6+602+6H2O   2-2

由上述2-2化學反應式可知,硝化細菌即使獲得所需的化學能,假使無CO2作為合成有機碳反應基質的話,其後果就好像植物徒有光能但缺乏CO2一樣嚴重,因為它們扔然無法進行光合作用,植物終究也會死亡。這種情況一樣會對於硝化細菌造成無法彌補的傷害。

因此,硝化細菌必須獲得化學能才能生存的主要原因,其實只是一種手段而已,其真正目的乃是為了要將這種能量,應用於自製有機碳,以供生存及增殖之需要。換言之,它們是否獲能充分得有機碳作為合成有機碳的基質,應該是其是否能順利生長及繁衍的先決條件。

硝化細菌所需要的無機碳來源不只二氧化碳(CO2)一種而已,還包括可溶性碳酸氫鹽(HCO3¯ )及碳酸鹽(CO32-)等。這跟水草及藻類所需要的無機碳來源一樣。硝化細菌可自環境中攝取不同種類的無機碳,而且通常不虞匱乏,因為水環境中生物的分解、呼吸作用、均能生產多量的二氧化碳釋放於水體中,所以無機碳不致造成硝化細菌生長的限制因子。

2-3:需要獲得營養元素

所謂營養元素是指硝化細菌進行營養生長及增殖的必要物質。嚴格來說,營養素本身並不影響硝化細菌之生理作用,僅是在以離子形態或有機分子組成時,才具有重要性。為簡便起見,通常均用營養元素來表示這些物質,而並不追究它們是以合種形式或組成,對硝化細菌之生理作用所產生之影響。

就如同植物一般,硝化細菌的生長作用也不能缺乏營養元素。硝化細菌必須吸收外界的營養元素,才能在體內合成其生長所需的複雜有機物,如蛋白質、脂肪、酵素及維生素等。從營養學觀點來看,硝化細菌用於生長所要求的營養元素,其實與一般水草並無多少差異,因此只要想到水草需要怎樣的營養元素,通常硝化細菌大概也需要這些營養元素。硝化細菌依各種營養元素需求量及重要性不同,也分成主要元素及微量元素兩類,它們可由生活環境中攝取獲得。假如環境中缺乏某種必要元素,硝化細菌也惠受到所謂「缺素症」的危害,使其生長受到影響或引起病變死亡。職是之故,在培養硝化細菌時,必須充分供應具有完整營養元素之無機培養液,讓細胞能加以吸收利用,否則難有培養成功之機會。

2-4:需要獲得著床底質

底質(sudstratum)是一種可供生物居住和移動的物體之表面,它與生物之關係非常密切,很多生物需要底質提供生活的場所,甚至食物來源。例如,許多細菌以腐生或寄生的方式生活於有機體上,此種有機體就是它們的底質,除了提供其生活的場所外,底質同時也是它們賴以為生的食物。硝化細菌非常需要底質,但不同的是,它們的目的不在於覓食,而是是底質可以提供附著、掩蔽和獲得其所需要的氨源及營養源,因此底質對硝化細菌的生存具有相當重要的意義。

有時候底質亦可提供保護作用,讓硝化細菌能躲藏其中,免於受天敵如輪崇(rotifora)、原生動物(protozoa)或甲穀類(crustacean)幼蟲的捕食。甚至,許多硝化細菌種類沒有找到適當底質前,就不能進行硝化作用,以及不能吸收營養元素及發生增殖現象。因此,硝化細菌對底質有很高的趨向性。在自然界的水體中,硝化細菌主要附著生長於岩岸(rocky shore)、砂礫底層(sudstratum of sand or gravel)、泥漿底層(mud bottom)或深海軟泥(soft mud)與沉積物等底質的表面。在水族缸中,主要附著生長於過濾系統的濾材、底床砂礫,及缸璧等底質的表面。

2-5:需要獲得適當水流

無論在自然界的水體或水族缸中,硝化細菌通常均集體生活在底質表面上,並多數凝聚成團(laggregates)而行成凝菌膠團(zoogloeae)或菌囊(cysts)。這種固著生活方式有一個極為重要的特徵,即它們所需要的氨源或亞硝酸鹽、溶氧及營養元素幾乎全靠物質的擴散作用或水流運送來供應。

由於西硝化細菌具有此種不尋常的特徵,因而使其尋找生存資源的方式,總是被動供應多於主動出擊。在此種情況下,水流與否自然會深深影響它們的生長作用與增殖行為。

通常水流之處比沒有水流之處,可獲得比較多生存資源,因此硝化細菌較喜歡生活在有水流的底質表面上,可由採樣分析證明之(圖2-5)。依此推論,在水族缸中硝化細菌主要生活在過濾器下層濾材的表面上,理由是在此種環境中,可以由濾水帶來源源不絕的氯源或溶氧、亞硝酸鹽及營養元素。

為適應在急流中的生活方式,硝化細菌已經演化出一種特有的行為模式,以克服及流的生活環境。原來生活在水體中的硝化細菌,個個都是能黏於底質表面的高手,只要它們一碰到底質表面,馬上就會分泌出一種黏性很強的脂多醣類(lipopolysasscharide)的化學物質,把自己給粘在上面。隨著菌體彼此黏著在一起而組成凝菌膠團(zoogloeae),使硝化細菌更經得起激流之沖刷。

 

 

 

摘自硝化細菌與水族缸