古細菌與硝化菌
前陣子收到魚友的訊息，提到「國外研究說魚缸裡的硝化菌不是細菌而是古細菌，是真的嗎?」「友浚是否要推出古細菌的硝化菌商品呢?」本著科學研究的精神，友浚查閱了相關文獻，整理出本篇文章與大家分享。重新認識古細菌
古細菌 (Archaea) 這個名詞聽起來似乎是來自古老的細菌分支，又帶著些許神秘感。然而，根據 16S rRNA 建立的三域系統 (Three-domain system) 可發現細菌、古細菌和真核生物可視為三條獨立演化出的分支 (見下圖)。雖然古細菌和細菌同為單細胞缺少細胞核 (統稱原核生物)，然而在某些生理特徵和DNA序列上，古細菌更為接近真核生物。
熟悉微生物學的讀著應該對下列這段話不陌生，「古細菌一般生活在極端的環境，如溫泉、深海等。」由於古細菌某些生理特性有別於細菌，因此普遍的細菌培養法無法有效將古細菌從環境中純化分離。隨著定序技術的進步 (更便宜快速)，分析環境中的微生物不再只依靠純菌分離，透過直接定序環境中的 rRNA 或功能性基因可以更全面了解環境中的微生物相。在這個前提下，許多近期研究紛紛揭露，古細菌其實廣泛分布在各種環境，甚至可能是地球上分布最廣的微生物。其中，分析氨氧化相關的基因amoA (ammonia monooxygenase A) 發現古細菌可能在地球上的硝化作用扮演重要角色!
註:硝化作用為氨氧化(ammonia oxidation)及亞硝酸氧化(nitrite oxidation)
學術界常使用以下縮寫描述參與上述這兩步驟的硝化菌
AOA -氨氧化古細菌 (ammonia-oxidizing archaea)
AOB -氨氧化細菌 (ammonia-oxidizing bacteria)
NOB -亞硝酸氧化細菌 (nitrite-oxidizing bacteria)
加拿大滑鐵盧大學的魚缸硝化菌研究
關於魚缸中的古細菌研究可追朔到2011年發表於PLOS one的文獻(下圖)，該文章是加拿大滑鐵盧大學 (University of Waterloo) 生物學系的研究，實驗方法是調查位於安大略省的三個城市，選取放置於商店、住家…等共35個魚缸 (8海水、27淡水)，將這些魚缸過濾器中的生物性濾材 (羊毛絨、生化棉) 取下，萃取其上附著生物的DNA，再分別利用針對細菌與古細菌設計的引子 (primer) 對16S rRNA 和 amoA基因做定量性PCR (Quantitative real-time PCR)。
根據 16S rRNA 基因分析結果，發現在絕大部分魚缸的生物濾材上細菌相較古細菌占了絕對的優勢；相反的，具有氨氧化能力的硝化菌中，古細菌比細菌還要多出數倍 (下圖)。附帶一提，該研究也分析了兩種市售硝化菌商品 (SP1、SP2)，並未偵測到任何古細菌的存在，而魚缸FW12、FW13、FW19和FW25有使用市售硝化菌產品開缸，但其中三個魚缸 (除了FW12) 的優勢氨氧化菌皆為古細菌。
該研究更進一步分析魚缸中的氨濃度與氨氧化古細菌(以下簡稱AOA)與氨氧化細菌(以下簡稱AOB)之間的推估比例，結果發現兩參數有顯著的負相關，AOA越優勢的魚缸，測到氨的濃度就越低。甚至有數個氨濃度接近零的魚缸其AOA/AOB比例達到100% (下圖)。
根據上述，該文章提出兩個主要結論：(1) 淡水魚缸中的主要氨氧化菌是古細菌，而不是過去認知的“硝化菌”(如: Nitrosomonas spp)，(2) 魚缸中的氨濃度與AOA/AOB比例呈現顯著的負相關。因此，有國外魚友根據此文章的結論，提出「古細菌可以使魚缸的氨維持在低濃度，是具有潛力的硝化菌產品!」
氨氧化古細菌(AOA)在魚缸的優勢現象: 原因? 還是結果?
根據上面研究的第一點結論，其實對友浚來說根本不是新奇的發現，甚至友浚創業的初衷之一，就是我們清楚過往認知的硝化菌 (Nitrosomonas spp) 並不適合做為水族用硝化菌，這也是友浚積極研發並推出以Bacillus為主力硝化菌產品的背景。對長期在學術圈打混的友浚團隊來說，如果只看數字有無相關，卻忽略因果，那真是愧對「科學研究」這四個字。舉例來說，消防車出動的數量越多，火災的損失就越慘重，因此推論，為了避免損失，所以派少一點消防車？ 同理，是因為AOA優勢造成魚缸的氨濃度極低? 還是因為氨濃度極低才使得AOA得以生存不被AOB取代?
在自然生態系中，有AOA優勢的環境，也有AOB優勢的環境 (下圖分別以兩篇研究舉例)，其中的關鍵之一就是環境中的氨濃度，與滑鐵盧大學魚缸研究結果相符地，氨濃度低的環境 AOA優勢。反之，氨濃度高的環境 AOB優勢。從生理機制來探討，AOA 其氨氧化酵素對氨有很好的親和力，因此在氨濃度很低的情況下也能獲得其能量來源。另一方面，當環境中氨濃度高的情況下，AOB普遍較AOA有較快的生長速度，因此成為優勢族群。回到滑鐵盧大學的研究，該研究選擇的魚缸都是穩定設置一段期間的魚缸，其中的淡水缸又以草缸為主，魚的數量也不多(草缸似乎是歐美對魚缸的偏好)，自然營造出適合AOA的低氨環境。其實該文章也提到，因為缺乏開缸時的分析資料，也許開缸時氨濃度高是以AOB為主，隨著時間氨濃度下降，才轉為AOA為優勢。
硝化菌群與硝化作用的過程皆是動態變化
友浚深耕硝化菌產品多年，要驗證菌株/群的硝化能力就必需建立時間軸的概念，由於氨氧化菌及亞硝酸氧化菌在不同時期會有不同活性，因此分別監測水中的氨、亞硝酸、硝酸濃度並畫成曲線，才能全盤了解硝化作用。如果只分析單一時期的菌相或氨濃度 (如同本篇引用的加拿大研究)，難免會有瞎子摸象的疑慮。
整體而言，魚缸中的古細菌的確是一個有趣的發現，有微生物學者願意花費心力在水族上，友浚真的默默流淚給予掌聲，可惜的是，目前並未找到其他地區相似的魚缸的研究，台灣也沒有(因為沒錢途)。因此無法回答古細菌是否普遍存在世界各地、你我的魚缸。總的來說，由於目前有關AOA在魚缸的研究尚在初步階段，現在談將氨氧化古細菌作為商品化還言之過早，而且還有成本問題需要克服，目前的主流還是以生長快速的細菌 (如Bacillus、Pseudomonas) 作為處理高濃度氨的主力，但在魚缸穩定後，可延長使用週期，仍會建議持續使用，一方面做風險控管(水質及病原菌)，一方面魚缸中除了氨之外，別忘了還有亞硝酸跟硝酸需要處理喔。
