硝化菌與硝化"功能"菌

水族世界,豐儉由人,更有甚者提倡硝化菌無用論,其論點為硝化菌既為化學自營菌又屬格蘭氏陰性菌,難以被大量培養及保存,所以市面上的硝化菌產品皆不含硝化菌,所以無法達到建立硝化系統的效果;這其實只說對了一半,目前市售的硝化菌商品中確實沒有以分類學上的硝化菌為主要成分的產品,取而代之的卻是其他具有硝化功能的異營細菌,要了解此業界秘辛,就必須要從硝化菌的定義著手

硝化菌(Nitrifying bacteria)是一群能將強毒性的氨(NH3)氧化為毒性較低的亞硝酸(NO2-),或進一步將亞硝酸氧化為硝酸(NO3-)的細菌,而這個過程就稱之為硝化作用,多為不產芽孢的格蘭氏陰性菌,依其作用機制不同又可分為氨氧化細菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria)及亞硝酸氧化細菌(Nitrite-Oxidizing Bacteria)兩種,氨氧化細菌主要行好氧性化學能自營性生活,利用氧化氨來獲取能量,並將之轉化為亞硝酸,因所取得的能量較為有限,連帶也限制了它的生長速度,一般異營性微生物(例如上述的芽孢桿菌)每20~30分鐘就能分裂一次,但氨氧化細菌分裂生長一次卻要24~48小時,主要的種類有Nitrosomonas sp.、Nitrosococus sp.、Nitrosospira sp.、Nitrosolobus sp.、Nitrosovibrio sp.,而亞硝酸氧化細菌則是利用氧化亞硝酸來獲取能量,並將之轉化為硝酸,其不像氨氧化細菌僅屬於化學能自營,也可以是化學能自營性、異營性或兩者兼具,後者分裂生長的時間會比自營性者快10倍,主要的種類有Nitrobacter sp.、Nitrospina sp.、Nitrococcus sp.、Nitrospira sp.、Nitrotoga sp.以及異營性之某些品種的Bacillus subtilisPesudomonas pavonaceae (Abeliovich, 2006),由此可知,若要選擇適合用以作為商品化的硝化細菌,僅能從異營性品種下手,而其中又以芽孢桿菌屬的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)最為適合

而芽孢桿菌(Bacillus sp.)是一群環境中普遍存在的細菌,屬格蘭氏陽性菌,能產生芽孢(endospore),用以抵抗惡劣環境,為好養或兼性厭氧;芽孢桿菌因可分泌多種胞外酵素(脂肪酶、澱粉分解酶、蛋白酶、納豆激酶、植酸酶等…),故具有優秀的有機物分解能力,對於養殖的殘餌、魚蝦排泄物等能快速分解,亦能分泌包括抗菌物質、卵磷脂(lecithin)、維生素(B1、B2、K2等)、胺基酸及礦物質等有益成分(許,2003;Ochoa-Solano and Olmos-Soto, 2006),而在水族及水產養殖中,曾被用來做為益生菌使用的芽孢桿菌有枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢桿菌(B. licheniformis)、巨大芽孢桿菌(B. megaterium)、凝结芽孢桿菌(B. coagulans)、B. mojavensis、B. polymyxa,以及水試所開發技轉之短小芽孢桿菌B. pumilus D5等…皆已被證實對養殖有一定的幫助,如促進生長、改善水質、強化免疫功能等…(Soccol et al., 2010;Cruz et al., 2012;Mohapatra et al., 2013),因為其家族龐大,本文主要針對最主要的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)來說明

至於枯草芽孢桿菌是如何在氮循環中佔有一席之地的呢?主要靠著兩個相當厲害的特殊能力:
1. 能使用的氮源相當廣泛,枯草芽孢桿菌能利用有機及無機來源的氮,包括銨鹽(ammonium salt)、硝酸、胺基酸、嘌呤、尿素、尿酸、尿囊素、以及胜肽做為主要氮來源,為得到最佳的生長狀態,其還能調節氮的代謝,透過控制相關基因的表現來調控氮及碳的利用(Fisher and Debarbouille, 2002)
2. 具有硝酸呼吸(nitrate respiration)能力,在缺乏氧氣的狀態下可利用硝酸或亞硝酸作為最終電子接受者(搶氧來用)(Clements et al., 2002)

Nitrogen metabolism(格子內綠色代表有此基因)


由上表可以發現枯草芽孢桿菌中的納豆菌亞種(即使是枯草芽孢桿菌,每個亞種間的代謝途徑仍有不小差異,還需進一步篩選才能拿來使用)主要利用氨,但對於硝酸及亞硝酸,他也能攝取並轉化成氨後同化(assimilation),但因其不會利用二氧化碳作為碳源,所以還是屬於化學異營生物
總結:枯草芽孢桿菌系列能夠很完整的分解利用有機物,而且生物膜產生量相對不多,所以很適合拿來分解有機物,也因為利用完整,因此氨氮產生量不會過高,而在國外的論壇上,有個名詞叫做硝酸鹽工廠,是說當過濾器水流不順暢的時候(枯草芽孢桿菌生長受阻),魚缸內NO3會大量累積,因此只要選擇的菌分解效率夠好,氨氮產生少,並保持濾材通氣水流充足,本身NO3的產生也會減少

但是並不是每一種芽孢桿菌都能拿來養魚用,例如很常被使用的BM菌(Bacillus mycoides)因為會產生仙人掌毒素所以不適合,篩選的菌種必須要高效、無害、適合水中生存的菌種才行,也不建議單獨只加芽孢桿菌,友浚的水質處理益生菌,不管是EM菌還是複合菌,都是以益生菌聯盟(microbial consortium)這個概念下去研發製作,並通過長期測試,深獲眾多魚友好評,雖然產品中沒有以狹義定義的硝化菌為主要成分(EM菌以PCR檢測有發現),但靠著精心挑選的硝化功能菌,還是能達到快速建立硝化系統的目的,殊途同歸,只是走了捷徑而已

Q:既然沒有含硝化菌為何還說是硝化菌產品
A:因為仍然有硝化功能,而且"硝化菌"一詞在業界已成為引申含意的商品名,就跟太陽餅不含太陽一樣