CEO的胡言胡語硝化菌硝化作用如何如何養魚氨化水族箱

水族箱環境裡消化細菌與氨化細菌的作用

  • 消化細菌又可以稱之為腐生細菌

在環境微生物學中並無「消化細菌」這個專有名詞,基本上它只能算是一個形容詞,與一般所謂的「硝化細菌」意義完全不同,但有不少人誤以為「消化細菌」就是「硝化細菌」,其實兩種菌種的生化特性有極大的差異性。所謂消化細菌是指一大群具有分解環境中有機物能力的有機營養菌,尤其是指腐生細菌、黴菌。因為腐生細菌能分泌體外酵素(稱為胞外酶),將外交界有機質消化吸收,因此逐以該名詞形容它們所具有的消化環境中有機物的作用能力。

消化細菌大部分是單細胞生物,沒有固定的消化器官,它們的營養全部是由細胞膜的渗透作用來完成。細菌細胞外面的高分子物質,如蛋白質、多醣類、脂肪等,並不能為細菌細胞直接所攝取,而是先經過細菌分泌的胞外酶,如水解酶、蛋白酶、脂肪酶、核酸酶等,把周圍環境中的蛋白質、多醣類、脂肪等高分子營養物質,分解為可溶於水中的胺基酸、單醣、脂肪酸等簡單物質,通過細胞壁和胞漿膜的渗透作用,進入菌體內被利用。因為消化細菌具有這樣的作用過程,可使得大地環境中死去的生物其中的有機物被分解,所以此類細菌對大自然環境的清淨作用具特殊意義,如果沒有這種消化細菌,地球將佈滿了許多生物的屍體不會自環境中自然分解,這會引發極大的環境災難。

消化細菌吸收上述簡單物質之後,可利用體內酵素(稱為胞內酶)的作用,將它利用而釋出能量供細菌生命活動之用,或作為營養物質而眝存於細胞內,或合成複雜的細胞成份構成菌體。因此,消化細菌除了可從分解有機物中獲得能量外,亦可用於生長及增殖作用。

  • 消化細菌的種類

消化細菌在形態及構造上可用於分類的特徵並不多,因此有些人為求方便,通常以它們攝取營養物的對象,做為簡單的分類基礎,例如專門分解蛋白質細菌者,就成為蛋白質消化細菌。但有許多細菌同時具有多種分解有機物之功能,則無法適用此種分類方法,因此通常依據它們對氧氣的需求與否,可將它們分成下列五種基本類型:

  1. 需氧型消化細菌:指環境中必須要有氧氣才能生長與增值的消化細菌,太多細菌屬於此類,它們消化有機物的速度最快,生長及增殖速度也最快。
  2. 微需氧型消化細菌:指環境中只須要有少量氧氣就能生長與增殖的消化細菌,它們沒有氧氣不能生存,但氧氣太高也會仰制其生長作用。
  3. 兼性厭氧型消化細菌:指在有氧、無氧環境中都能生長與增值的消化細菌,但在有氧的情況下較有利。
  4. 厭氧型消化細菌:指在無氧環境中才能正常生長與增殖的消化細菌,若有氧氣存在,其生長作用會受到仰制。
  5. 絕對厭氧型消化細菌:指在無氧環境中才能正常生長與增殖的消化細菌,若有氧氣存在,則無法生存,它們消化有機物的速度最慢。

一般在水族缸所發現的消化細菌,幾乎均屬於需氧型種類。它們的種類、組成和族群大小,在很大程度上取決於養魚飼料的含量及組成。由於一般養魚飼料主要由蛋白質、醣類、脂肪及維生素等所組成,因此消化細菌的種類,通常由數量眾多的此等相關細菌種類所構成,特別是分解蛋白質、多醣類、澱粉、脂肪和尿素的種類等。其中以分解蛋白質的消化細菌種類最多,分解脂肪的種類最少。

近年來,有一種篩選自禾本科植物枯莖葉上的細菌,叫做枯草菌(Bacillus licheniformis),被引進水族缸中作為淨水劑。它原本是陸上環境中普遍存在的一種腐生細菌,但是在淡水及海水的底泥中均能檢出五種細菌之存在,分佈相當廣泛。枯草菌無毒,能分泌出活性強的蛋白質分解酵素,用以快速地分解水中蛋白質,亦能分泌出其他酵素用於分解其他有機質,分解不同種類有機質的能力很強,在水質淨化上能擔任重要的分解者角色。當它的製劑被商品化後,據悉對魚類的有機排泄物具有迅速分解的極佳效率,因此坊間乃以它作為消化細菌的代表。

  • 消化細菌的生態

消化細菌在生態學中被定義為「分解者」的角色,它們能在自然界中大規模地將有機質礦化(mineralization)。所謂礦化係指在適宜的條件下,微生物將有機質分解成最初的無機成份,如二氧化碳、水及其他無機物等之作用過程。它們的種類很多,在不同的環境條件下,都有特定的族群擔任分解者角色,因此絕大多數有機質,都能被某些種類分解和利用,使它們轉化為無機成份重返自然界中。

消化細菌並不參與有機物生產,卻能加以高效率地分解利用,並由此獲得其維生能源及生長繁衍的基質。然而,這並不表示或的有機物之後,就是它們生存及族群延續發展的保證。事實上,各種生態環境因素,如溫度、pH、水中溶氧量等,也深深影響它們的生長特性。

生態條件的改變,在一定限度內,可引起細菌類的組成、族群大小、生長、增殖,型態和生理特徵的改變。當生態條件的變化超過一定極限,則會導致細菌的死亡。一般而言,較適合消化細菌生長的條件範圍,溫度約20~35℃,Ph約4~10,溶氧則依據消化細菌對氧的需求與否而有很大的不同。

消化細菌可分佈於自然界中任何能夠攝取有機資源的地方,只要各種生態環境因素良好,它們就會快速分裂增殖,其分裂速率依種類不同而有極大差異。例如,在25℃時,需氧型消化菌種類平均20~30分鐘即可分裂一次,但絕對厭氧型消化菌種類則需要數天。

雖然需氧型消化細菌能決速增殖,但因受限於營養物質不足、代謝產物的堆積,以及其他環境因素的變化,最終仍不允許它們無止境地分裂增殖下去,而會被限制在一個數量與各種生態環境因素的平衡關係上。

  • 氨化作用與氨化細菌

含氮有機物(主要是蛋白質)在微生物的作用下,釋放出氨的過程稱為氨化作用(ammonification),它是礦化作用之一,也是氮循環系統的主要環節之一。

氨化作用在好氣性或厭氣性的條件下均能進行,但作用強度以好氣性條件較佳。溫度越高其作用也越強,但通常達到45℃即迅速減弱。最適溫度為一般為30~35℃。在0℃的水中,仍有微弱的作用。PH值4~10之間可正常進行反應,最適PH值約為7.0左右。

凡消化細菌種類中,能進行氨化作用者,稱為氨化細菌(amminifying bacteria)它能將蛋白質分解成氨,對自然界中的氮循環系統具有重要的意義,其基本作用流程如下:

蛋白質→胺基酸→脫胺基→生產氨

消化細菌中的氨化細菌不僅分佈廣,而且它們的數量也最多。一滴污水中,可能會有幾千萬個細菌。氨化細菌積極參與自然界中淨化作用,把動植物屍體及糞便分解成水、二氧化碳和氨等無機化合物,使環境免受到有機污染的影響。而此種強大生長及分解的能力,也為它們贏得自然水域清道夫的美譽。

  • 氨化細菌對水族缸的影響

雖然魚類的排泄作用也會排泄出氨,不過水族缸中的氨主要是由氨化細菌進行氨化作用所衍生而來,因此水中氨的含量通常與氨化細菌的數量及氨化作用的效率有密切關係。

在水族缸中,氨化細菌均腐生於魚糞便、殘餌等有機廢物的表面從而進行腐化分解與氨化作用,結果把其中的有機氮化合物轉化成氨,並釋出於水中。這種作用才是水族缸自產氨的最大來源。

已知氨是一種劇毒物,它對水族缸中魚類健康具有極大的威脅性。一般而言,只要氨在水族缸中有存在,即使少量,也容易引起魚類中毒現象。例如,低濃度的氨(>0.5ppm)會使魚類活力降低、食欲降低、抗病力降低,從而容易得病。高濃度的氨(>0.5ppm)可能直接對魚類產生毒害反應,使魚類立即中毒死亡。

因為氨氣的產量與魚類糞便或殘餘飼料氨化反應的強度成正比,也因為氨易溶於水的成為胺水的本質,使它極易在水中形成累積改變整個水族箱的酸鹼值,結果可能因此嚴重危害到魚類的安全。這種特徵突顯出經營一個水族缸的矛盾問題,即我們一方面希望水族缸中的氨化細菌能加速進行氨化反應以降低有機物污染,另方面又擔心因氨化反應過於劇烈生產大量氨使魚類中毒意外死亡。

氨化細菌在水族缸中的是無所不在的,而且增殖能力極為強大,因此只要水族缸(含過濾器)中蛋白質廢物充裕,它們即能在短時間內發展出龐大的族群,不斷地將蛋白質快速分解使之消弭於無形,可稱得上是最具的淨水功能的細菌,但是因氨化作用所產生之氨,需要硝化細菌加以分解清除。而頭痛的問題就是氨化細菌跟硝化細菌之間不對等的增生繁殖能力,兩者都需要充足的溶氧量來增生繁殖,但是一個只需幾小時就能大量增生,一個需要數天的增生,一旦太多的排泄物等有機物一下子太多,快速增生的氨化細菌能很快分解有機物產生大量的氨,而來不及快速增生的硝化細菌並無法迅速分解氨,這會造成魚類胺中毒。這在管理水族缸過程中一定要特別注意,氨對飼養魚類所造成的潛在威脅,其實主要還是來自於水族缸大小對魚的數量有制約,餵食魚餌過量會造成魚死亡的問題都是因為氨化細菌跟硝化細菌兩者之間的平衡出現問題的緣故。

 

摘錄自消化細菌與水族缸

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硝化菌硝化作用與影響硝化作用之關鍵因子

  1. 什麼是硝化菌之硝化作用

19世紀時在拿破崙戰爭期間,歐洲人意外發現可以利用堆肥製造出硝酸鹽,提供火藥之製造。當時知道硝酸鹽之產生係一種硝化作用(nitrification)的結果,但尚不能了解硝化作用的原因,迄至1877年始發現硝化作用乃一微生物的反應過程。1890年蘇俄微生物學家維諾格雷斯特(Winogradskyi)終於分離出硝化細菌,並確認「硝化作用」乃是一種由硝化細菌所主導的氧化作用。

簡單說,所謂硝化作用乃是一種由硝化細菌將氨,氧化為亞硝酸鹽,或將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽,並從中獲得賴以維生的化學能之反應過程。藉由硝化作用所獲得的能量,硝化細菌可以將無機碳合成有機碳,以及用於其他代謝作用的需求。

硝化作用分二階段進行:

第一階段是由亞硝酸菌(Nitrosomonas)所控制,它能在有氧的條件下,將氨(NH3)直接氧化成亞硝酸鹽。

第二階段是由硝酸菌(Nitrobacter)所控制,它能在類似的條件之下,將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。

第一階段的硝化作用又稱為亞硝酸化作用(nitrition),因它能產生如下生化反應:

NH3 + 3/2O2 → NO2 + H2O + H ++ 84 Kcal. mol– 1    4-1

在4-1反應中,氮由氨中的負三價變成亞硝酸鹽中的正三價,並生產84Kcal.mol – 1 的熱量,這些熱量用於形成ATP(腺苷三磷酸分子)並儲存其中,從而使亞硝酸菌可得到合成有機碳所需的能量。

第二階段的硝化作用又稱為硝酸化作用(nitrition),因它能產生如下生化反應:

NO2 + 1/2 O2 → NO3 + 17.8 Kcal.mol – 1     4-2

上述反應中,氮由亞硝酸鹽中正三價變成硝酸鹽中正五價,並生產17.8Kcal.

mol – 1 的熱量,這些熱量亦用於形成ATP並儲存其中,從而使硝酸菌可以得到同化二氧化碳所需的能量。

假使把第一階段與第二階段的硝化作用聯合起來,我們可獲得一個完整的淨反應如下:

NH3 + 2O2 → NO3+ H2O + H + +101.8Kcal.mol-1   4-3

硝化作用的反應熱雖然相當大,但這些化學能僅有少部分硝化細菌所利用,例如,在第一階段的硝化作用中,亞硝酸菌僅從中獲取5~14%能量;在第二階段的硝化作用中,硝酸菌僅可利用其中5-10%能量,其餘能量皆以熱能的形式釋放出來,因此激烈的硝化作用可能會造成水溫高的現象。

硝化作用的效率係由硝化細菌來執行,而硝化細菌對於環境因子如溶氧、pH值、溫度、有機污染等之敏感性很大,此外仰制生長物質(inhibiting substances)的存在,或缺乏關鍵性的微量營養物質(key micronutrients)時,也會有很大的影響。因此這些影響硝化細菌生長的因子,也同樣會影響硝化作用的效率。

  1. 溶氧量是硝化作用影響最大的因子

溶氧(dissolved oxygen)是控制硝化作用最重要的因子之一,也是硝化細菌不可缺的生活要素。硝化細菌必須利用氧氣將氨或亞硝酸鹽氧化,以產生自製有機物所需要的能量,同時,在它們的生理代謝程序中亦不能缺少氧氣的參與,否則可能造成代謝中止或導致自窒息死亡。因此,溶氧無論對硝化作用的影響,或對硝化細菌的生長,一向都被認為是一種極重要的限制因子。

硝化作用需要消耗大量氧氣,以每公斤的氨氮核計,至少需要4.5公斤的氧氣才夠用。因此要令硝化反應順利進行,作用環境中的溶氧最好不要太低。至於應多少濃度才足夠?許多研究學者給我們的建議是:最好不要低於2pmm。然而,在一定範圍內的變化並影響其代謝活動。例如,在30℃下,水中含氧量從飽和狀態降至1ppm時,好氣性歐洲亞酸單胞菌(Nitrosomonas europaea)的硝化作用過程完全正常。

雖然溶氧對硝化作用的影響是至關重要的,且過去硝化細菌一直被視為屬於絕對好氣性細菌(absolute aerobic bacteria)種類,但是有極少數菌種已經陸續被證實在低氧或缺氧狀態亦能進行硝化作用,例如海洋亞硝酸球菌在0.08ppm的低溶氧環境中扔然有化作用之反應。甚至亦有少數其他硝化細菌種類,只要有豐富氨源存在,即使在缺氧的厭氣環境中,也能發生微弱的硝化作用之反應。

類似此種不尋常現象,其反應機制迄今依然不明,不過依筆者私下推測,在缺氧的厭氣條件下,硝化細菌用於進行硝化作用所需的溶氧,可能帶來自二氧化碳分解而來,理由是硝化細菌在自產有機碳的合成反應過程中,就類似植物的光合作用一般會釋放氧氣。惟因此種氧氣來源相當有限,因此它們在厭氣環境中的硝化作用通常並不十分明顯。

對大多數菌種而言,要硝化作用能正常進行,則仍然需要有足夠的溶氧才行。不過根據若干研究顯示,溶氧濃度太高也不行,如果濃度高於2ppm,即對許多菌種的硝化作用產生仰制作用。

  1. ph值對硝化作用的影響

水環境中的Ph值對硝化作用的反應速率也有很大的影響,首先它能改變環境中硝化作用反應基質的可利用性,即它能影響水環境中分子性氨(NH3)及離子性銨(NH4+)的關係,並決定其相對濃度。在這兩種氮化合物中可能只有分子性氨可被用於硝化作用中作為反應基質,離子性銨則否。

雖然硝化作用的意義已經知悉,但是在經歷類一個世紀以來的廣泛研究,科學家仍然不能完全了解硝化作用的真正反應機構,尤其是在第一步驟的硝化反應中,最初作用基質究竟是分子性氨或離子性銨,迄今無法證實。但根據越來越多的間接證據顯示,硝化作用的起始基質應是氨而非銨。因此,目前大多數教科書已將其反應的起始基質形式,由離子性銨更為分子性氨。

由於Ph值可以控制氨及銨在水中的平衡關係,從而影響它們的存在比例,即在總氨量(氨與銨之總和)為一定的情況下,pH值可以決定何者量多或何者量少。例如當Ph值高時,氨的比例越高,銨越低。反之,正好相反。

氨的比例越高,表示用於硝化作用中作為反應基質的濃度就越高,則硝化作用反應速率就越快。因此,當Ph值高時,對硝化作用的影響較有利。換言之,硝化作用在中性或鹼性環境遠比在酸性環境中更能快速進行,酸性環境反而有仰制硝化作用之傾向。

pH值對硝化作用的反應速率造成另一個重要影響的是:Ph會直接影響硝化酶(nitrifying enzyme)的活性,使其催化反應的機能受到強化或弱化,因此會也間接影響硝化作用的效率。

硝化酶的活性在不同的Ph值中均有不相同的表現,基本上在pH-硝化酶的曲線圖中,隨Ph值由低而高,呈現出鐘形曲線變化。曲線的最高點對應之Ph值,稱為硝化酶活性的最適Ph值。在最適Ph值範圍內,硝化酶的活性最高,若其他條件適合,硝化作用速率也最高。

通常硝化酶活性的最適Ph值,位於7.5~8.2之間,依溫度不同而異。若pH值低於6,或高於9,則已經超過硝化酶正常的作用範圍。

由於硝化作用過程中會生產硝酸,因此會造成水質酸化,使Ph值降低,這種現象必然也會影響硝化作用的反應速率造。一般而言,水體中皆存在有某種濃度的鹼度,但鹼度可因水質酸化被耗盡。所以在水中必須有足夠的鹼度,以平衡硝化作用產生的酸度,否則硝化作用亦會受到仰制。

  1. 溫度對硝化作用的影響

溫度是水體中極為重要的環境因子之一,硝化細菌的生命過程都受到溫度的影響。溫度之高低會影響硝化細菌體內代謝強度的大小,更會影響硝化作用的速率。

溫度對硝化作用速率的影響,主要原因是與催化硝化反應速率的硝化酶活性有關。溫度對硝化酶活性的影響基本上呈一種鐘形曲線,有一個最是溫度(optimum temperature) 位於曲線最高峰,它是硝化酶反應速率最快的區間。

溫度對硝化酶活性的影響有兩方面:一方面是當溫度升高時,酶的催化活性也增強,這與一般生化反應一樣。另一方面,高溫會使酶蛋白質容易失去活性,隨溫度升高使酶逐步變性而喪失活性,硝化作用速率也跟著下降。硝化酶最適溫度即為這兩種過程平衡之後的結果。

硝化酶最適溫度一般在35℃至40之間。但這不表示溫度越高越好,因為溫度越高,溶氧的飽和度會降低,因此硝化作用僅能在溫度與溶氧之間取得一個平衡關係以獲得最高的效率。一般以不超過30℃,不低於20℃為原則。大部分硝化酶在低於5℃以下或高於60℃以上即喪失其活性。

  1. 有機污染對硝化作用的影響

有機污染對硝化作用所產生抑制現象可以偵測得到,但其真正原因迄今依然不明。一般推測,有機污染不致對硝化酶的活性造成直接傷害,有機污染所表現的仰制性,可能是間接的,亦可能因腐生細菌消化有機物而將氧氣耗盡所致。有關這方面的推論,主要來自於利用各種相關生物過濾器,研究有機污染對硝化作用的實驗所納歸出來的結果。

長期以來,各種生物過濾器常被用作研究有機污染對硝化作用的有效利器,這種實驗可在硝化細菌培養槽上安置一生物過濾器,然後在硝化細菌培養液中加入不同濃度的溶解性有機質,如易消化性蛋白質,牛肉萃等,藉以觀測生物過濾器的硝化作用的效率。

由硝化細菌培養液中硝酸鹽含量的檢測值相比較,可顯示不同實驗條件之下的硝化作用效率,結果發現它們的硝化作用效率通常與進流水的有機濃度高低有關,例如,在完全相同的操作條件下,引進過濾器中的進流水,若水中有機濃度較高時,則其硝化作用的效率總是較低,因此讓我們聯想到,這可能是有機污染對硝化作用造成間接性仰制現象有密切關係。

究其原因,可能與有機污染引起不同程度的競爭性排除作用有關,結果導致過濾器中的硝化細菌數量減少,因而影響整體硝化作用的效率。這種情況曾經在2-3節有詳細的說明過。

另一種比較特殊情況是,當進流水被引進過濾器中時,好氣性腐生細菌迅速消化其中的有機物,並不斷地急速消耗水體中溶氧。雖然在消化食物過程中所釋放出來的氨,可充分供作硝化反應的基質,但所短少的溶氧卻變成了硝化反應速率的限制因子,使硝化作用受到溶氧不足的限制而難以進行,因此氨也無法在生物過濾器中被硝化細菌充分氧化成硝酸鹽。

摘綠自硝化細菌與水族缸