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

CEO的胡言胡語硝化菌硝化作用嗜好水族箱

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

硝化菌嗜好水族箱

水族箱危害硝化細菌生長因素

硝化細菌生長忌諱受到有機物污染的危害 

硝化細菌不能利用有機化學能,只能利用無機化學能,因此在細菌分類學上被歸納為「無機營養菌」之一種,其吸收養分方式並不同於一般靠有機物維生且被歸納為「有機營養菌」的寄生或腐生細菌類。

無機營養菌都有一個共同的特徵,就是它們通常不能分解及利用一般有機類介質,如果有一大堆有機類介質的話,可能會直接或間接仰制它們的生長或增殖。

許多大家熟悉的「無機營養生物」,例如水草及藻類,都是靠著吸收無機營養元素進行吸收養分生長的,因此當我們在培養水草或藻類時,不能因為它們在生長代謝過程中需要產生葡萄糖,就將葡萄糖作為肥料施用並期望加速其生長。這是行不通的。養水草及藻類須注意此一問題,那同屬於無機營養生物的硝化細菌如何?

一百多年前,維諾格雷斯特(Winogradskyi)曾經利用有機培養基從事硝化細菌的培養研究,但是一直沒能成功,即使是現在的科學家也無法做到這一點。

雖然近代科學家已經陸續證實,有些硝化細菌的菌種也可以利用及代謝某些簡單的有機物,但是無論如何,至少像存在於水族缸內的殘餌及魚的排泄物等不溶性有機物,迄今則尚未發現有任何細菌分類學上的硝化細菌種類能將其分解清除掉。

不過令人費解的是,長期以來硝化細菌就一直被描述成具有迅速分解殘餌及魚的排泄物等有機廢物的效能,許多人認為,只要能在有機污染嚴重的水體中加入硝化細菌,則能快速改善污染況,使水體中的有機廢物被其迅速分解並消失於無形。雖然這種說法十分令人存疑,但是仍有人信以為真,追根究底乃是他們對硝化細菌的特性還不完全了解之故。

其實,硝化細菌除了能分解水中的氨以外,它並不具有迅速分解有機廢物的能力,它們在有機物污染嚴重的水體中反而難以生存。主要的原因並非這些有機廢物對它們造成毒害反應,而是它們的硝化作用受到有機物污染仰制無法進行之故。

另外,有機物污染也會干擾硝化細菌的趨向性(chemotaxis)。所謂趨向性是指硝化細菌有向通常為營養之化學物質(如氨源)移動的特性。由生態之觀點來看,趨向性有選擇的優勢,得以偵出氨源等營養來源。不過有機物污染將使菌體內控制趨向性之化學體被堵塞,導致其趨向性受到仰制,因而影響菌體的原有的偵測功能,使硝化細菌喪失偵出氨源的能力。

有機污染也會導致有機營養菌大量滋生,使硝化細菌的居住環境受有機營養菌的大舉入侵的影響,因而發生「競爭性排除作用」而縮減其生活空間。

硝化細菌生長忌諱受到競爭性排除作用的危害

硝化細菌在細菌分類學上被歸納為「無機營養菌」種類,若依此歸類,則它們在生態學的位階應該屬於「生產者」角色,而不同於「有機營養菌」的「分解者」角色。

另依生態平衡的觀念,分解者與生產者之間應該有一種良性互動關係存在,即有機營養菌(分解者)分解掉有機廢物後,它們所排泄或分解出來的無機廢物(如氨、二氧化碳、無機鹽類等),都會被不同種類的無機營養生物(生產者)所利用,用以生產有機物。這種共生共榮的生態關係,是水體受到有機污染時發生自淨作用的基本原理之一,也是維持水體生態平衡的基礎。

若按照這個原理,當水體中自產的有機廢物(主要是魚的排泄物)被有機營養菌分解時,理論上它們所排泄或釋放出來的污染物質(如氨、二氧化碳等),都會被藻類、水草及硝化細菌等無機營養生物作用,使原有乾淨水質不致受到污染物質的破壞,因此硝化細菌與各種腐生細菌等微生物之間,也能保持一種共存共榮的生態平衡的關係。但是當硝化細菌在水體環境中受到「競爭性排除作用」的危害時,其間的生態平衡關係可能立即受到嚴酷的考驗。

「競爭性排除作用」是指硝化細菌在水環境中的生存空間,由於逐漸被有機污染化,導致各種大量腐生細菌族群隨之入侵,並對硝化細菌構成強大的排擠壓力,使它們的生存空間日漸萎縮,終於形成無法立足的局面。果真如此,勢必使原來的微生物生態之間平衡關係遭到破壞。

本質上,此種作用所競爭的是生活空間的問題,而不是競爭食物的問題。腐生細菌族群以分解有機物維生,再加上它們巨大的增殖速度,使其族群的擴展的速度,幾乎與有機污染化的程度一樣快,因此能在一時間侵占整個原來屬於硝化細菌的地盤。

在水族缸中,競爭性排除作用最常發生於過濾器部份。過濾系統是水族缸發揮淨水作用的心臟,它通常具有物理及生物過濾雙重功能,其過濾方式為先利用物理過濾操作將濾水中的有機廢物攔截,再由腐生細菌及硝化細菌共同進行生物過濾操作,即一開始由腐生細菌負責將有機廢物分解,接著由硝化細菌進一步將有機廢物分解所產生的氨給消化掉使水中生物不至於氨中毒。

過濾器運轉之初,有機廢物首先在上層介質中被過濾攔截,因此腐生細菌族群最初幾乎均聚集在此區域生活,而下層介質因為缺乏它們賴以維生的食物,所以並不適合腐生細菌在此謀生,但很適合硝化細菌生活在此,因為該處可獲得較多的氨源。兩者互相配合的結果,可以共同發揮生物過濾的效果。

問題是假如過濾器運運轉一段較長時間後,上層介質推積的有機質越來越多,下層介質勢必逐漸被有機污染化,腐生細菌也隨即由上往下繁衍發展,於是硝化細菌在過濾器中將難免受到競爭性排除作用之影響而縮減其生活空間。當有機污染化達到最嚴重情況時,硝化細菌可能連絡腳之處都沒有,而完全被排擠出過濾器之外。

已知在水族缸中,過濾器是硝化細菌族群最重要的棲息據點,一旦受到競爭性排除作用之干擾,使它們無法在過濾器中生活時,必然會大為降低硝化細菌族群的數量,這封水族缸中氨的去除效率將有極不良的影響,也間接使魚類無法免除受到氨中毒的危害。

硝化細菌生長忌諱受到掠食者捕殺的危害

硝化細菌在水中經常會招致若干天敵捕殺的威脅,例如招致輪蟲(rotifora)、原生動物(protozoa)或甲殼類(crustacean)幼蟲等「微動物」的捕食,其中以輪蟲的威脅最大,因為輪蟲的棲息環境與硝化細菌極為相似,它們可以直接在棲息地依靠捕殺硝化細菌維生。

輪蟲是一種最簡單之多細胞動物,頭部有似輪狀之纖毛輪,可以用於運動及捕殺獵物,體長介於0.02~2.0毫米,肉眼約略可見。雖然以浮游形式生存於水中,但也可以大量繁殖於水底部或固體表面,絕對好氣性,只出現於高濃度溶氧之水中,及有機質很低之處。

輪蟲是仔魚最佳的動物性餌食之一,因此常被大量用作餵食仔魚的飼料。但每當在人工環境中使用輪蟲餵食仔魚之際,進入飼養池中的輪蟲也會同時捕殺生活其間的硝化細菌,因而會執接降低整體硝化細菌除氨的效率。有不少人因疏忽這一點,導致池中氨累積過高,以致發生氨中毒現象,直接影響仔魚的育成率。

在水族缸中,輪蟲可能在放養魚類時,不小心被夾帶進入缸內繁殖,當其繁殖數量一多,部分個體易隨濾水流進過濾器中,它們會主動覓食在濾材上生活的細菌(包括腐生細菌及硝化細菌)並在其中繁殖,這種結果可能導致過濾器中微生物的平衡關係遭到破壞,直接影響過濾器的生物過濾的效能,也間影響硝化細菌除氨的效率。

硝化細菌生長忌諱受到強光照射的危害 

硝化細菌的細胞不像綠色植物及某些光合細菌一樣具有光合色素,因此不能利用光能進行光合作用以合成有機物。事實上,它不僅無法利用光能,反而會害怕強光的照射。這種現象就好像人們常利用日光進行消毒細菌一般,因為日光中的紫外線能使大部分非光合細菌的細胞膜分裂及代謝功能受到傷害。

光線對硝化細菌的不良影響是一般人難以想像的,從許多相關研究中均顯示:光線對硝化細菌的生長及繁殖都有或多或少的仰制現象。例如,一般亞酸菌對近紫外線的可見光,非常敏感且易受傷害。從許多研究中顯示,在生態上硝化細菌均有避光現象。

光線對硝化細菌所造成的傷害性衝擊(negative impact),可能不是細胞裂及代謝功能受到阻礙所引起的,因為這種傷害通常為不可復原的,但在針對亞酸菌的相關研究中,卻發現只要我們將光線減弱,則其細菌活性又會逐漸增強,雖然其真正原因尚未了解,不過我們卻可據以推測,硝化細菌的生長情況,在黑暗中應該會比光照好得多,此種推測已經獲得科學上的證實。

紫外線易使硝化細菌的細胞發生去活化作用而造成傷害或死亡,此種傷害與紫外線的照射量成正比。不過經紫外線照射傷害之細胞,可能因照射中斷之後,產生再活化反應而修復受傷之細胞。例如受損之DNA片段可在黑暗中由細胞的切除修護系統修護。目前已證實硝化細菌受紫外線損壞之細胞有自我修護的潛在能力。

硝化細菌生長忌諱受到仰制劑的危害 

對硝化細菌而言,所謂仰制劑(inhibitor)係指一類能仰制硝化反應活性或降低硝化作用效率的化學物質。這類物質能對硝化細菌引起類似毒性物質的反應,使其原有生理功能操遭到破壞、干擾,並對它的生長及繁殖等生產不良影響。

硝化細菌的仰制劑種類很多,它們可能來自環境本身自產的化學物質,也可能來自外界化學物質進入環境所造成。環境本身自產的仰制劑,主要來自環境中其他微生物所產生的有害代謝廢物,例如,某些腐生細菌會分泌醋酸、乳酸或其他干擾酵素系統物質(如硫化氫會干擾氧化酵素系統),使硝化細菌的生理反應受到阻礙,這些仰制劑如果在水中的濃度偏高,即可能對硝化作用產生抑制反應(inhibition)。

比較特殊的是,像溶氧、氨與亞硝酸鹽等必要生存資源,若其濃度很高,同樣也會產生仰制作用。例如,當氨濃度等於或大於10~150ppm時,就可能仰制亞酸菌的生長。硝酸菌對氨更敏感,只要濃度等於或大於0.1~1.0ppm就會有仰制現象發生。又如亞硝酸鹽的濃度若等於或大於0.22~2.8ppm,亦會仰制硝酸菌的生長。

仰制劑來自外界的途徑,主要因為人造化學物質(如戴奧辛及殺蟲劑等多種有毒物質),由外界進入環境所引起的。當這些物質進入環境時,將會破壞、干擾硝化細菌原有生理功能,以及對硝化作用產生仰制效應,結果使其生長發育及增殖行為均帶來負面衝擊。此類仰制劑的來源物質種類很多,而且影響情形相當深遠。

由人造化學物質所衍生的仰制劑究竟有那些?目前針對這方面研究的學者並不多見,不過若統整及歸納個別研究學者對外發表的學術報告,可發現許多常見的農藥,例如DDT、靈丹、巴拉松及地特靈等,以及許多常見的工業化合物包括氰酸鹽、硫尿素、有機溶劑、酚、苯胺、染料、戴奧辛、多氯聯苯及重金屬(銀、鎳銅、鋅、鉛、汞及鎘)等環境汙染物,一旦進入硝化細菌的生態系統,可能會對硝化細菌的造成嚴重傷害。

仰制劑之所以會傷害硝化細菌的生長,或延滯、阻止硝化反應的速度,主要是硝化酶(nitrifying enzyme)的催化作用受到干擾之故。對硝化酶來說,仰制劑會與硝化酶分子活性中心上的一些基團發生化學反應,因而引起硝化酶活性下降,甚至喪失。

在水族缸中可能引起硝化酶活性降的仰制劑主要是一些用於治療魚病的化學治療劑(chemotherapeutic agent)或除藻劑,這些仰制劑可能會傷害生活在水族缸中有限的硝化細菌,間接使整體硝化作用的效率降低。

在水族缸中所使用的化學治療劑的種類很多,而且各具有獨特的性質,為適應使用的目的不同,應選擇適合的藥劑,如果選擇不當,不僅得不到預期的效果,反而因此破壞水族缸中微生物的穩定性生態系統,所以在添加時必須特別小心,尤其不要濫加消毒劑或殺菌劑。

硝化細菌生長忌諱受到硫化氫的危害 

硫化氫(H2S)是含硫蛋白質被腐生細菌等微生物分解時之產物,它的化學性質相當活潑,易被氧化成硫磺或硫酸,因此僅在無氧水體中穩定,並可經由微生物的活動在厭氣環境中累積。

由於它可以與呼吸鏈末細胞素氧化酵素中的鐵結合,因此它是所有生物的呼吸毒物(圖3-5)。除了少數耐H2S生物外,所有高等生物和大多數微生物,包括硝化細菌在內,都會受到硫化氫毒害而逐漸死亡,取而代之的是H2S為能源的厭氣無機營養菌(如硫細菌),或以H2S為供氫體的厭氣無機營養菌(如光合細菌)。職是之故,只要H2S一出現,總是伴隨著微生物族群種類的大改變。

在水族缸內,水環境的生態通常屬於好氣狀態,即使有少量的H2S生成,也隨即被氧化成硫磺或硫酸,不致於對硝化細菌造成毒害反應。不過,若水族缸底床沉積的有機廢物太多,導致厭氣環境的形成,則原來生活於底床的硝化細菌將被迫遷徒它處,否則必會遭受H2S的毒害而死亡。

摘自硝化細菌與水族缸

硝化菌嗜好水族箱

水族箱的硝化細菌生長要素

水族箱的硝化細菌需要什麼生長要素

  • 水族箱的硝化細菌需要獲得無機化學能如氨或亞硝酸鹽

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。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質廢物所得的「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餵養自己,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。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。

由於一般硝化細菌的細胞不具備分解有機廢物之能力,因此不能從大自然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餵養自己。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。

所有的微生物都需要先獲得適合的食物能源之後才能生存。在自然界中最容易獲得的能源就是太陽能,因此一般植物皆以光能作為自己能量的來源,但是硝化細菌的細胞內因不具有光合色素(如葉綠素),不能利用光能,只能利用化學能。

  • 硝化細菌需要獲得無機碳源如二氧化碳

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(圖2-2)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,因為它們仍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。

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。

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無機碳作為合成有機碳的基質,應該是其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。

  • 硝化細菌需要獲得營養元素如鎂、鐵、鈣等等

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,硝化細菌也會受到所謂「缺素症」的危害,使其生長受到影響或引起病變死亡。因此,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。

  • 硝化細菌需要獲得可以附著的物體如水族箱過濾系統的濾材

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。

時候底質亦可提供保護作用,讓硝化細菌能躲藏其中,免於受天敵如輪蟲(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、底床砂礫表面,及缸璧等底質的表面。

  • 硝化細菌需要獲得適當水流

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)而形成凝菌膠團(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。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,以克服急流的生活環境。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一書

 

 

 

 

 

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