去除硝酸鹽的新技術

硝酸鹽在水族箱中是個棘手的難題,以往只能靠換水、種植水草與藻類、甚至是使用昂貴的器材來化除,而友浚的新技術可以在不需額外設備下,利用最新的生物科技來解決硝酸鹽問題


水族箱是一個封閉的人為環境,想要長久飼養,就必須靠人為的方式來添加養分及排除汙染,其中主要的監測數值之一,就是各項含氮廢物的濃度,由魚蝦能夠容忍的濃度來看,含氮廢物的毒性: NH3(氨) > NO2-(亞硝酸) > NO3-(硝酸)。然而 NH3 與 NO2- 在水族箱已建立良好硝化系統的情況下,可穩定維持在0 ppm,而經硝化作用最後則會產生NO3- 。在自然生態系中,NO3- 是生產者(植物及藻類)所需的重要氮源因此不會大量累積 (< 5 ppm),然而水族箱的封閉環境則會出現NO3-累積,此現象雖然不會直接導致水生動物死亡,卻可能造成生物負面的影響。近年來逐漸被重視的硝酸鹽休克症狀 (nitrate shock symptoms) 即是說明魚隻在高濃度硝酸鹽或是硝酸鹽濃度變化大時,產生食慾降低、行動緩慢、沉在缸底等異常行為,因此有越來越多的魚友專家提倡低硝酸鹽濃度的飼養環境,例如:淡水缸NO3-不高於25 ppm,海水缸NO3-不高於5 ppm。

而降低水中NO3- 最直接的方式是透過定期換水,但也可能造成魚蝦驚擾、水中微生物相改變等負面影響; 種植水草及藻類是另一個有效率降低NO3-的方式,但維持上需要投入一定程度的設備與心力,並非所有魚友皆能接受。另一方面,利用添加益生菌聯盟 (microbial consortium) 調控水中的氮循環不但省時、省力、成果顯著,也是生態環境友善的方式,因此益生菌技術是目前水族/水產的重要應用之一。在這些益生菌中,光合菌(Photosynthesis bacteria, PSB)是目前應用最成熟的種類之一。


光合菌早在1985年就已經被發現具有利用硝酸鹽的能力

一般來說消耗NO3-主要的三條路徑: 硝酸鹽異化還原氨作用 (dissimilatory nitrate reduction to ammonium, DNRA)、同化作用 (assimilation) 和 脫氮作用 (denitrification)。DNRA 是較近期被發現的氮循環途徑,存在於許多微生物中 (包含芽孢桿菌,Bacillus),此代謝反應將 NO3- 還原為NH4+,使氮源重複在水中循環,DNRA 被認為可發生在厭氧和微氧的條件下; 同化作用,是指生物體將小分子合成為大分子的合成代謝反應,微生物吸收NO3- 轉化為自身的蛋白質和酵素,並增生微生物族群,可提供蝦類和魚苗良好的微生物餌料; 脫氮作用,將 NO3- 還原為N2,使氮源以氣體的形式離開水中,減少水族箱中的總氮含量。

上述三個反應中,脫氮作用最受到重視且應用廣泛。然而,脫氮作用的效率主要受到以下限制: (1)厭氧環境、(2) 與硝化反應的結合作用 (coupled nitrification–denitrification)、(3) 需要大量碳源。一般來說,溶氧充足的水族箱適合魚蝦生長但不利於脫氮作用進行,因此利用微生物固定化技術 (以晶球包覆、生化球培菌) 製造局部的厭氧條件是目前常見的解決之道。


厭氧脫氮珠利用專利技術,將光合菌包覆在厭氧環境中,能獨立進行脫氮反應


另外,具有好氧脫氮能力的芽孢桿菌陸續被報導,這些資訊可在眾多學術期刊查閱,此類菌株提供水族/水產益生菌產品的新方向。


芽孢桿菌(Bacillus)的大家族中,有些特殊菌種具有好氧脫氮能力

除了氧氣外,水中的有機碳也是影響微生物生化作用與族群增長的重要因素,雖然可加入碳水化合物提供微生物生長,但同時也產生特定菌群暴增的風險、破壞水中微生物生態平衡,若在水中加入具有拮抗能力的芽孢桿菌,則可以抑制特定菌群暴增,維持水中微生物多樣性,進而建立穩定完整的氮循環,而這也是水色職人設計的原理,例如在使用
海水溫和硝化菌的缸中,適當添加碳源(酒精、糖水等...),亦有助於提高同化作用、硝化作用及脫氮作用的效率,除了需要計算添加的碳源量之外,此法成功與否最大的因素是蛋白機的效能,因為當細菌大量增長後,隨即又會因碳源快速地被消耗殆盡而大量死亡,使得含氮廢物再次被釋放到缸中,此時就要依靠蛋白機將這些廢棄物打出,以免造成系統負擔。

友浚生技一直以來投入大量資源研究芽孢桿菌並開發相關商品,除了親自收集篩選多種菌株外,友浚也與研究單位合作,透過技術轉移取得高效率芽孢桿菌,我們希望能透過最符合自然生態的方式,利用微生物建立良好的水族箱環境,期待能將友浚"輕鬆養好魚(蝦)"的宗旨推廣,使更多人能欣賞水族之美。
 

參考資料

  1. Luvizotto DM, Araujo JE, Silva MCP, Dias ACF, Kraft B, Tegetmeye H, Strous M, Andreote FD. 2018. The rates and players of denitrification, dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA) and anaerobic ammonia oxidation (anammox) in mangrove soils. An Acad Bras Cienc. doi: 10.1590/0001-3765201820180373.
  2. Marchant H, et al. 2016. Coupled nitrification-denitrification leads to extensive N loss in subtidal permeable sediments. Limnology and Oceanography, 61(3). 1033-1048. DOI: 10.1002/lno.10271
  3. Nitrate Poisoning in Aquarium Fish
    https://www.thesprucepets.com/nitrate-poisoning-in-aquarium-fish-1381288
  4. Nitrates can kill fish
    https://fishtankfocus.com/nitrates-can-kill-fish/
  5. Nitrogen cycling revisited: Sand, critters, carbon, and why you may be under-feeding your tank
    https://www.advancedaquarist.com/2014/5/chemistry