如何降低海水中的硝酸鹽? - 水族

文章有點長，
只想知道重點的人可以直接跳到最後面看結論。

硝化細菌負責將具有毒性的氨還有亞硝酸轉換成硝酸，
但在水中的硝酸要如何去除呢?
對於淡水缸來說換水就是一個很好的選擇，
不過對海水缸尤其是軟體缸來說換水
除了要耗費大量的金錢與精力外，
換水太多還可能造成水質波動導致珊瑚死亡。
因此要如何有效的清除水中累積的硝酸鹽
變成海水玩家的重要課題。
這篇文章不討論柏林系統和ZEOvit系統
這種一開始就建立好生態，
使得硝酸鹽不累積的狀況。
本篇文章主要討論的是其他的去硝酸鹽的方式
和他背後的機制。

水中的元素不會無緣無故不見，
因此要讓硝酸去除只能透過改變其存在的形式。
簡單來說讓硝酸裡的氮元素變成氮氣逸散
或是成為其他生物體內的胺基酸或蛋白質，
就能有效的降低硝酸的含量，
而又符合物質平衡的原理。
所以事實上所有海水系統中降低硝酸的機制，
都是去改變硝酸存在的型態而已，
讓硝酸變成會自動排除的氮氣
或是可以用人工移除的細菌與藻類。
這些過程都需要透過微生物與藻類的幫忙，
因此所有方式的中心法則都是製造出
適合微生物或藻類生存的空間。
以下我們分脫氮、利用細菌去硝酸鹽
和利用藻類生長去硝酸鹽三個部分進行說明。


脫氮

脫氮是水中氮循環的最後一環，
他會讓亞硝酸與硝酸脫氧，
使得氮元素被釋放出來，
形成氮氣後逸散到空氣中。
細菌是脫氮反應的主力。
而為何細菌要脫氮呢?
其實他們想要的是硝酸裡面的氧氣，氮只是廢物。
燃燒發生時需要氧氣作為助燃劑，
而氧在大多數生物體內也扮演了助燃的效果，
生物體需要在有氧氣的情況下才能將碳水化物"燃燒"
並從中獲得能量。
因此對於絕對厭氧生物之外的生物，
氧元素都是生存的必需品。
而細菌也是很懶的，如果環境中有現成的氧，
是絕對不會耗費多餘的能量去其他的分子中搶氧。
因此脫氮反應只會在缺氧環境中進行。
而在一般溶氧充足的水中
這些脫氮細菌的行為模式和一般的腐生菌完全一模一樣，
他們無法降低硝酸的濃度，
反而會使得水中的氨濃度上升，
而且還會消耗水中的溶氧造成缺氧。

這裡有一個必須注意的點，
這些脫氮菌也是需要氧元素才能生存的生物，
因此脫氮菌一定不是絕對厭氧菌，
他們是兼性厭氧菌。
所謂兼性厭氧菌指得就是他們在有氧氣的環境
和氧氣稀少的環境下都可以生存，
不過如果環境中完全缺乏氧氣
這些細菌生長的速度會大幅下降。
而且更糟的是當環境的氧氣過於缺乏時，
如果硝酸中的氧被用光，
有一些細菌就會開始搶硫酸根(SO4)的氧氣，
使得令人聞之色變的硫化氫大量形成。
如果連硫酸根都無法滿足細菌，
則連碳酸根(CO3)都會遭殃，形成甲烷，
也就是俗稱的沼氣。
因此培養脫氮菌的環境絕對不是越缺氧越好。
這也是為什麼如果是使用厭氧槽
(例如:黑白球)作為脫氮設備時，
通常會建議備有氧化還原電位(ORP)的檢測設備，
因為當ORP小於-190mV的時候，
會產生的不只是脫氮反應，
還會讓大量的有毒物質產生，
但是當ORP大於+50mV的時候，
厭氧槽內的細菌又會喪失脫氮的能力，
因此厭氧槽中的ORP質控制
會是厭氧槽系統是否能成功的最大原因。
而這也有些人會從厚底砂系統改成活砂系統的原因，
因為厚底砂的底部其實是處於極度缺氧的狀態。
不過不論是厚底砂或是活砂系統，
他們都需要很久的時間熟成，
而且也無法很精準地控制其中的缺氧狀況，
因此很容易造成硫化氫的堆積，
除了省錢外，基本上不是很推薦使用。

在脫氮菌家族中還有一種大家耳熟能詳的細菌-光合菌。
光合菌也是一種兼性厭氧的細菌。
光合菌是一個很大的族群，其中有自營菌也有異營菌。
他們差別在於自營菌可以使用光的能量
把二氧化碳變成碳水化合物，
異營菌則是利用光能把有機物轉換成他自己需要的物質。
其中"有部分"異營光合菌和脫氮菌一樣，
能夠從硝酸中取得氧給自身使用，
不過差別在於光合菌需要光照才能完成反應，
而其他脫氮細菌不需要光的驅動。
在水族箱中要找到一個有光但是厭氧的區域十分困難，
因此光合菌在水族箱中幾乎無法生存。
光合菌和其他植物還有另一個差別是
"有一些"光合菌行光合作用不是利用水製造出氧氣，
而是利用硫化氫製造出硫。
所以有部分光合菌可以清除硫化氫的汙染。
而這也是光合菌的菌液聞起來都會有臭水溝味的原因，
因為他們需要硫化氫才能生長。
不過這樣的光合菌因為它不需要氧氣，
所以也不具有脫氮的功能。
所以市面上的廣告說光合菌可以脫氮，是真的。
光合菌可以去除硫化氫，也是真的。
但是請注意，不是每一種光合菌都可以做到這些事情。
光合菌指是一群厭氧需光的細菌的總稱。
所以是否有效要看菌種是否正確，
如果使用了錯誤的菌種，
就算在水族箱中真的有有光但是厭氧的區域，
他們充其量也就是一種腐生菌般的存在而已。
所以在養殖業界來說
光合菌與其說是拿來當作水質處理的菌種，
更多時候光合菌是拿來作為營養補充劑使用，
因為光合菌富含有大量的微量元素與抗氧化物質，
對魚蝦的免疫和健康都有幫助。

這裡還要介紹另一個脫氮菌的異端，
也就是硫磺珠系統。
硫磺珠系統中的細菌稱為脫氮硫桿菌，
他不是腐生菌，他和硝化菌一樣是化學自營菌。
硝化菌使用氧化氨來獲得能量，
而脫氮硫桿菌則是用氧化硫形成硫酸根來獲得能量。
雖然脫氮硫桿菌是自營菌，
不過氧的獲得就和其他脫氮菌一樣，
在有氧的時候使用氧氣，而缺氧的時候使用硝酸根，
因此具有脫氮的能力。
硫磺珠系統比其他系統還要更注意的點是
脫氮硫桿菌會用水中的二氧化碳與碳酸根為材料，
合成大量的碳水化合物。
而其產生的硫酸根除了會讓水中的pH下降外，
也可能和鈣離子結合形成難溶於水的石膏。
所以使用硫磺珠系統時，
必須要時常監測水中的硬度、鹼度還有pH質。
最好的狀況是要搭配鈣反應器一起使用，
算是較為麻煩的系統。


利用細菌生長去硝酸

不論是細菌還是藻類的生長都需要基礎的元素支持，
其中最重要的就是碳、氫、氧、氮、硫、磷。
所以當細菌與藻類生長繁殖的時候
就會大量消耗上述的物質。
植物和單細胞生物可以使用氨、亞硝酸與硝酸中的氮
合成自身所需的物質。
所以我們可以透過藻缸、ATS系統、NP豆或是酒精法
來使缸中的硝酸鹽量大幅下降。
不過這裡有一個問題，水族箱中本來就有大量的細菌，
而這些細菌可以使用硝酸鹽合成自身所需的物質，
那為什麼含氮的廢物會累積?
這些硝酸、亞硝酸還有氨不是應該都要被用掉嗎?
這是因為氮只佔了生物體中的一小部分。
生物體主要是由碳氫氧三種元素所構成。
而水族箱環境裡算是相對缺碳的環境，
細菌因為缺乏碳的關係而無法大量繁殖，
因此含氮廢物就多了出來累積在水族環境中。
這也是當水中有大量的有機廢物時細菌會滋生的原因。
因為水中的碳源突然大幅上升，
使得細菌有足夠的物質可以大量繁殖。
不過有機廢物和飼料殘渣中
除了碳外也含有大量的氮，
尤其是魚飼料中蛋白的含量通常在35%~50%之間，
而蛋白質就是氮主要的來源，
所以在因為有機廢物而菌大量增生的情況下，
氨和硝酸會不降反升。
因此如果可以提供單純的不含氮的碳源給細菌使用，
則細菌為了生長就會將水中的硝酸鹽使用掉。
因此才會有酒精法或糖水法出現，
因為酒精和糖水都是由碳氫氧構成的單純物質。
不過要注意細菌大量生長時雖然會帶走水中的硝酸鹽，
但也會帶走氧氣和其他的微量元素，
所以可能會造成硝化系統的崩解與珊瑚受損。
所以NP豆就此發明。
NP豆就是將碳源固定在NP豆上，
所以細菌只會沿著NP豆大量生長，
而不會影響水族缸內的每一個角落，
此外NP豆是緩慢的釋出碳源，
而不是一次倒入一拖拉庫的碳，
所以細菌也不會突然就大量增生，
讓水中氧氣量大幅下降。
雖然NP豆使硝酸鹽下降的速度沒有酒精法快，
但是其造成的環境震盪幅度會較小，
適合用於缸中水質的維持。

但不論是NP豆和酒精法，
其是否成功最大的因素是去蛋白機的好壞。
因為在細菌大量生長之後
如果環境中的碳源被用盡而無法維持細菌的生活，
則增生的細菌就會因為飢餓大量死亡，
使得含氮物質再次釋放到水族環境中，
因此酒精法和NP豆一定要搭配強大的去蛋白機一起使用，
如此才能移除水中過多的細菌與菌膜，
達到降硝酸鹽的效果。
由於NP豆上的細菌主要以生物膜的形式存在，
並透過NP豆的互相震盪使菌膜脫落到水中，
所以去蛋白機會比較好去除。
酒精法中的細菌則很多是游離的細菌，
去蛋白機的去除能力就會比較差，
還會需要搭配過濾器才能比較完整的移除。

最後還有一個觀念要澄清，
酒精法和NP豆法中大量增生的細菌不是厭氧菌，
增生的很單純就是環境中的腐生細菌，
因為腐生菌長得快吸收營養也快，
所以添加碳源後會大量生長的就是他們。
但是細菌生長的時候也會釋放出大量的代謝物，
這些代謝物可能會毒殺或是抑制其他種類的細菌生長，
包括硝化菌。
所以在酒精法這種讓細菌大量增生的方法中，
硝化系統可能因此受損，而使得硝化能力下降，
導致氨濃度上升。
雖然不是所有種類的細菌都會這樣做，
但因為使用酒精法時你不會知道你增生的是哪一種細菌，
所以使用酒精法後必須要小心氨或亞硝酸上升的問題。


利用藻類生長去硝酸

藻類生長去硝酸與細菌生長去硝酸的基礎觀念是一樣的，
只是藻類可以自行透過光合作用
固定二氧化碳供應自身所需要的碳，
所以使用藻類的方式就不需要額外的添加碳源，
要注意的反而是光照必須要充足，
植物密度不能過高使得部分植物無法照到光而死亡。
而如果水中的硝酸鹽含量無法維持植物生長所需，
藻類也會因為白化而死亡。
死亡的藻類就是一個豐富的碳源，
其會讓水中的細菌大量增加，影響缸中平衡，
嚴重的話可能會倒缸。
因此使用藻缸或是ATS法去除硝酸最重要的是
要定期的清除過多的藻類，
並且確保光照充足。

另外由於藻類的生長速度比細菌還要慢，
而且藻類對氮的需求沒有細菌高，
所以藻類降低硝酸鹽的能力比細菌弱上很多。
而高等藻的清除能力又比低等藻類弱。
所以如果要利用藻類清除硝酸鹽，
則藻的數量要夠多才能達到清除的效果，
因此很佔空間。

不過利用藻缸除硝酸鹽的方法有其他方式做不到的好處。
可以透過控制光照週期，使得藻缸和主缸的光週期錯開，
這樣隨時都會有植物行光合作用製造足量的氧氣，
而且水中的pH值也比較不會因為光合作用產生波動。


簡單的總結一下上述。
1. 脫氮菌需要缺氧的環境才能脫氮，
但也不能太缺氧不然會產生硫化氫。
所以ORP的數值很重要。

2.光合菌是一種脫氮菌，他是厭氧需光的細菌，
所以在水族箱中難以維持。
而且只有特定種類的光合菌才有效。

3.硫磺珠系統的細菌是脫氮硫桿菌，
是一種化學自營菌，因為會吸收碳酸釋放硫酸，
所以在使用上要注意水的pH還有鹼度、硬度。

4.酒精法就是透過提供純粹碳源讓細菌生長使硝酸被使用掉。
大量增生的細菌為需氧的腐生菌。
可能會抑制硝化系統。
而且突然的大量生長會耗氧而且消耗微量元素。
需要用蛋白機和過濾系統移除細菌。

5.NP豆是酒精法的進化版，
他讓純粹碳源緩慢的釋放，
而且細菌是以菌膜的方式存在，
所以只要使用蛋白機就能夠很好的移除。

6.藻缸和ATS法算是酒精法和NP豆的緩和版本，
因為是植物所以不需要額外添加碳源，
但是光照很重要。缺點是很佔空間。

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