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水产细菌进阶论

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许多玩家还是喂食活饵,水质管理仍有其重要性,否则倒缸可不是闹着玩的。硝化细菌在细菌中归类为好氧性菌,且能将氨(Ammonia)氧化成亚硝酸盐(Nitrite),将亚硝酸盐氧化为硝酸盐(Nitrate)的细菌都可以称为硝化细菌(Nitrifying Bacteria)。虽然大部分的细菌皆有此能力,但细菌硝化能力的效率却因种类有着天壤之别的差异,如:【真菌和极少数细菌】亦具有类似微弱特征,也被称为硝化细菌,但它们严格来说并不是,所以为了避免这类的混淆,一般的硝化细菌(如果没有特别指明),指的是严谨定义下的硝化细菌。另一方面,虽然硝化细菌被视为古老的细菌之一(自1890年Winogradskyi发现至今有一百多年),但由于【不易获得纯种细菌】,加上它们缓慢生长的特性,使人们在这方面的研究受限。以硝化细菌的分布来说,它们在自然界中,如:土壤、淡水、海水、和污水处理系统大量存在,甚至恶劣极端的环境,如:永远寒冷的两极、沙漠、温泉、海底、等等……,都可以发现硝化菌的踪迹。有趣的是,硝化菌在海洋分布于各水层中,主要是在海底以矿化的沉积物表面上(Watson et al, 1989),硝化细菌对压力有很高的忍受度,尽管由深海带至海面,细胞也不会爆裂(Postgate,1994)。想要消化细菌生长良好需要氨源,环境中氨和氧的含量越丰富,硝化细菌生长得越好,如:污水处理厂的有机污水经过各种矿化(Mineralization:蛋白质经微生物分解变成氨氮的过程、有机氮化合物经微生物分解成无机氮的作用),所以,凡是会改变环境氨源的因素皆会间接影响硝化细菌的生存,尽管环境中没有有机资源的状况下,硝化细菌可以利用生物合成(Biosynthetic pathways)把环境中无机物合成生物质(Biomass)来完成生命功能(Bowien,1989),这也是硝化细菌在地球上无所不在的原因。

硝化细菌的属种分类,如: 亚硝酸单孢菌属、亚硝酸球菌属、亚硝酸螺旋菌属、亚硝酸叶菌属、亚硝酸弧菌属、硝酸杆菌属、硝酸刺菌属、硝酸球菌属、硝酸螺旋菌属。上述细菌依获得能量的不同习性,再依照习性解释不同能源对细菌影响的程度分类。有硝化细菌的归类,也就意味着会有非硝化细菌的类别,如前述,硝化细菌指的是严谨定义下的硝化细菌,和非硝化细菌易混淆的是消化细菌(枯草菌),虽然消化细菌和硝化细菌都是好氧性的细菌,但由于特性不同而有所差异。【消】化细菌有别于【硝】化细菌的能力是它们能够分泌出活性强的蛋白质分解酵素(将水中的【有机氮化物】、其他【有机物】快速分解),而且消化细菌也可以分泌出多种分解酵素(将高分子有机物分解成小分子,并提供环境中其他细菌的营养,来完成水质净化)。最后回到有机物对亚硝酸菌和硝酸菌种类的影响,由于硝酸菌种类多为兼性营养型态(能进行自营生活,也可以进行一定程度的异营生活),而亚硝酸菌较少为此型态,故硝酸菌较亚硝酸菌更能利用培养基中有机物。

在进入繁殖硝化细菌的讨论中,硝化细菌生长最快的繁殖方式二分裂法(Binary Fission),其他少数硝酸菌种也有不同繁殖方式(但非主要,故不再说明),再来依照生长速度来区分成五个生长期(迟缓期、对数生长期、递减生长期、静止期、内呼吸期),再如细胞老化、掠食者的捕杀、自然死亡等问题。硝化细菌同植物一样必须吸收外界的【无机营养元素】,来提供生长必备的复杂有机物,如:蛋白质、脂肪、酵素及维生素等。如同上述,硝化细菌需要的营养元素几乎【和植物相同】,如:氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、硼、铜、钠、锌、氯、钴。对于不同营养元素的需求量也所不同,并再细分成主要元素(大量元素)、微量元素这两类,主要为构成细胞的必要元素,包括:碳、氧、氮、氢、磷、硫,而微量元素包括:锰、硼、铜、锌、氯、钴,是作为酵素府因子(Cofactor)成份之一。硝化细菌视【无机碳源】为合成细胞的基础物质,而无机碳源为CO2、HCO3-等皆取自于栖息环境,若缺乏,硝化细菌也无法生存与繁殖。培养硝化菌的主要方法有三种: (1)纯化培养(Pure culture)、(2)富集培养(Enriched Culture)、(3)储存培养(Stock culture)。

硝化作用是指硝化细菌(包括异营性硝化细菌)利用无机态氮()有机态氮(尿素)生成硝酸态氨的连续过程,硝化作用又可分为自营性硝化作用异营性硝化作用,这两类硝化细菌可以利用氧化无机氨态氮(NH3)和NO2-生成NO3-,而获得能量,且硝化作用具有二阶段进行:第一阶段是亚硝酸菌(Nitrosomonas)所主导,他可以在有氧的条件下,利用新陈代谢的生物氧化程序将氨(NH3)氧化分解成亚硝酸盐(Nitrite);第二阶段是硝酸菌(Nitrobacter)在类似条件下,将亚硝酸盐转化为硝酸盐(Nitrate)。在消化作用的过程中,【有机污染的组成强烈影响特定微生物的族群】。例如,在富含蛋白质流入的水体中蛋白质水解细菌占优势,而在含有大量纤维素水体中的优势种则是纤维素水解细菌和真菌。水中的微生物也可受动植物代谢产物的影响,对硝化细菌而言,这些有机废物通常是不能利用的物质,因为硝化细菌不能分泌可以溶解有机废物的【胞外酶】,故无法加以分解及吸收利用,而且硝化细菌基本上也缺乏主动吸收可溶性有机物的能力,所以它们没有办法像异营性微生物的生活,换句话说,自营性的细菌(一般的硝化细菌)一般的通性就是不能分解有机废物。既然一般有机污染源都是他们不能利用的物质,所以含量超过硝化细菌无法负荷的范围时,反而会抑制它们的生长,【消】化细菌则相反

接着探讨攸关硝化细菌的生境逆境的因素,如:温度、光、底质、水流、盐度、溶氧、PH值,在硝化细菌生存的环境中扮演者重要的脚色,在生境中的温度、盐度、PH皆需保持一定程度的平衡,太多太少超过适当范围皆会造成硝化细菌生长上的阻碍,对于底质、水流、溶氧则是硝化细菌存活必备条件,因为硝化细菌主要是集体生活在底质表面上,并多数凝聚成团(Laggregates)而形成凝菌胶团(Zoogloeae)或菌囊(Cysts),正因为这种特殊的固着生活方式,硝化细菌所需要的氧气、氨源及营养几乎全靠【物质的扩散作用】或水流运送来供应。换句话说,硝化细菌寻找能量来源的方式为被动居多,在这种情况下,水流必然会深深影响它们的生长作用与繁殖作用因而水族箱内的水流量必须足够,方有可能具有足量的菌群。日光对于硝化细菌的影响在于硝化细菌容易受【紫外线的去活化作用】所伤害或死亡这种伤害与紫外线的照射量成正比(Luckiesh and Holladay,1994),虽然紫外线对硝化细菌的伤害很大,但仍可以产生再活化反应而修复受伤害之细胞在终止紫外线照射之后(夜间),这也是为何有硝化细菌好氧厌光的说法之原因。

在生态学上,硝化细菌为初级的生产者,并把异营性细分解成有机氮化物所产生的氨,经由生物氧化程序分成二阶段的硝化作用,转化为硝酸盐供作植物的氮肥,使氨成为自然界但循环的一部分,不致使它变成环境中有毒的污染物。虽然硝化细菌对生态上有极大的贡献,但仍不保天敌的威胁,例如有些水生微生物以硝化细菌为食,这类的掠食群包括原生动物(Protozoa)、轮虫(Rotifora)及甲壳类(Crustacea)。另外,【噬菌体】也会掠食硝化细菌,但其威胁性不高,故不另为论述。培育出生长好的硝化细菌,顾名思义需借助竞争性排除作用,来巩固硝化细菌的生存环境不被其他异营性细菌的压力排挤,另一方面,因为硝化细菌有附着固体表面生活的本性,所以【可供其栖息的固体表面不足时】,硝化细菌族群的发展会受到严重的限制,因而滤材的选择必须为表面积大者,数量则是越多越好。

氮循环(有机氮与无机氮互相转化的变化)的重要性是指如果没有氮则【蛋白质及核酸】 (Nucleic acid)无法被生产,这两种有机氮化物是构成有机体的基本原料。虽然大气成分中氮占有率将近79%,但是绝大部分的有机体都不能直接利用这种气态氮。因此在许多生态系中,氮是有机生命体分布及繁衍的主要【限制因子之一】。如果生态系中没有氮循环,则大气成分中氮将无法被有机生命体所利用,最后生态系中的有机生命体将逐渐消失,而生态系也会随后瓦解(Watson et al. 1989)。氮循环的过程由所有机体的排泄物,甚至尸体,经过异营性细菌的作用,其中的蛋白质及核酸会慢慢分解为氨(矿化作用,Mineralization),然后复由硝化细菌把氨转化成亚硝酸盐以致硝酸盐(硝化作用,Nitrification),使硝酸盐能在被植物所利用。不过也有一部分的硝酸盐或亚硝酸盐,在厌气条件下,能被另一种化学异营性的脱氮细菌(Denitrifying Bacteria)还原成氮气,重新释放回大气组成中(脱氮作用,Denitrification)。大气中的氮气经【闪电作用】,可使氮分子分裂成氮原子,氮原子在与氧形成的氧化物(Nitrogen oxides),氧化物溶解于与水中又形成硝酸盐(氮固定),并被雨水带回大地及海洋等生态环境中一再的被利用,且循环不已。整个氮循环集邮氮固定、矿化作用、硝化作用及脱氮作用所组成。

因为生物(鱼类)本身的排泄物会排放在水环境中形成污染物,或经其他生物(如细菌)转化成有毒的化学成分,以致危害到生物本身健康及影响其生长的不良反应,称为自家污染(Self-pollution),而运作良好的生态系统也可以循环使用某物种的物质,例如,一生物的排泄物是另一种生物的食物,所以在稳定的生态系中是不会出现自家污染的问题,但既然有污染,就必须要有分解污染的过程,而这种过程称为自净作用(Self-purification),自净作用是指水与受到污染后,在物理、化学生物等因子的作用下,逐步的消除污染物质,最后达到自然净化过程。

在污染中又细分成养殖污染、有毒污染物、氨的水产毒理学等,常见的养殖污染不外乎是鱼饲料的输入量大于输出量(没有吃完的饲料),使生态系的总物质量不断增加,以及养殖池中的微生物无法及时分解过剩的物质所导致,而严重的自家污染会造成养殖池中到处充斥有机物,且溶氧不虞匮乏(因有曝气),将使得【异营性微生物】变得活耀,它们较自然界更能利用这些丰富的有机物,【结果排出更多的有毒污染物于水中】,产生整体水质污染伤害。

饲养管理上,先养水在养鱼等观念始终为水产养殖的最高奉行原则,例如【新池症候群 (New Pond Syndrome)为一种在新水养殖初期所引起鱼类的症状,尤其在新设的养殖池中发生新池症候群的比例最高,因此发明各个名称,症状本身所代表的含意,就是用新水养殖是风险极高的动作,其致病机转为养殖【池中硝化细菌不足】,以致不能有效率地消除氨污染所引起的【氨中毒反应】。就硝化细菌而言,一般的世代时间,约24-36小时,但异营性细菌在20分钟就可以完成,以此类推,10小时对于硝化细菌还无法完成一个世代,但对于异营性的细菌而言,已经可以变成一亿个(Daniel et al.,1998),所以解决新池症候群的根本,必须要等到硝化细菌的数量繁殖到一个能够消费高浓度的氨(30~45天左右),才可能有明显的改善,在消化系统未建立前,必须时常换水。硝化细菌越多,就越能有效消费氨,因此所谓的新池症候群就可以彻底改善。研究指出为了防止新池症候群的发生,可以先在新的鱼缸里放入含有硝化菌的【旧土】、【老棉】,以促进硝化细菌快速繁殖,或建议直接加入硝化细菌制剂,使它能在短时间内增加硝化细菌的数量(Hasan et al.,1986)。俗话说得好「养水先养菌中的「养菌」主要是指养硝化细菌(柯,1999),其目的有二,一为培养足够的硝化细菌,以便开始放养的阶段,发挥高效率的【除氨功能】,二为提供养殖期间的水质稳定,也避免了新池症候群的发生。既然养好鱼需要先养好水和菌,透过水质测试剂检验氨的浓度是否依质处于安全范围内,来得知硝化系统是否完成,如果需要增加或维持养殖池中的硝化细菌数量,有两的途径:一是增加过滤系统的表面积,也就是增加菌的附着面积,例如,另设硝化曹或在养殖池中安置具有巨大表面积的硝化细菌载体(滤材):二是每隔一段时间向养质系统中投放适量的硝化细菌

生物制剂在水产养殖中,专门用来改善水质的微生物添加剂。大致上微生物制剂也是依照微生物获得能量方式分成异营性及自营性两种,其中又有活菌及休眠菌(胞子)之分,依微生物制剂型态不同,有液态与非液态(如粉剂、颗粒)之别。依种类主要分成硝化系菌制剂、光合细菌制剂等。液剂主要以活菌菌液制剂为主的瓶装产品,【这类的商品效果较快,但因为密闭瓶装的缺氧状态下,使得活菌液态制剂保存时间有限】;粉剂主要是一种利用菌体急速冷冻干燥所制成的产品,所以保存时间较液态制剂久,但也正因为干燥菌体活化需要一段时间,【储存越久的粉剂活化时间也愈久】,但实际上还是要赖水环境中的生活条件及氨浓度高低等综合条件而定。

前述提到自净作用等分解环境中的有机废物,尚有【生物膜净化法】的参考,简单来说,生物膜净化法基本上是指利用栖附在固体表面上的生物膜,不断和污水充分接触,并在好气环境中,通过【生长在生物膜上的微生物】,将污水中的有机物分解,或将有毒污染物消除,来达成净化水质的目的。是一种处理污水的好氧生物方法,共同的特点是微生物附着在作为介质的滤料表面,生长成为一层由微生物构成的膜。污水与之接触后,其中的溶解性有机污染物被生物膜吸附,进而被微生物氧化分解,转化为H2OCO2NH3和微生物细胞质,污水得以净化。生物膜法通常无需曝气,微生物所需氧气直接来自大气。而生物膜净化法依操作型态不同,可分为:滴滤法(Trickling Filters)、旋转生物盘法(Rotating biological contactor, RBC)、沉浸式过滤法(Submerged Filter)等三种

对于水族缸是否要加装生物过滤器、换水时是否会损失大量硝化细菌、确认新鱼缸的硝化平衡系统是否已经完成0ppm,加装生物过滤器的时机为普通过滤器滤材容量太小,滤材不够,导致整个过滤器可能被有机物完全充斥的状况下,就需要加装生物过滤器。对于换水会不会成硝化细菌的损失的问题,依照硝化细菌的习性,因为硝化细菌通常行固着生活,很少行浮游生活。在鱼缸中,凡阴暗、有氧、少有机污染,以及能获得氨源的角落是它们最喜欢的栖息地方。所以【换水时损失硝化细菌的量并没有读者想象中的大量】。在确认新鱼缸的硝化平衡系统是否完成,可使用间接法确认,即自初放养起每天测试其总氨量一次(并记录),每天的测定值与前一次值比较,会发现总氨量的测试值呈现先升后降的走势,到后来一次比一次低,一直到不再变化为止,表示新鱼缸中的硝化平衡系统已经完成(养水成功)。若最后的值为0ppm,代表鱼缸中硝化系菌数量足够,若不到0ppm,且测定值偏高,反映鱼缸中的硝化细菌数量严重不足。

最后,在硝化系统设计、结构与功能的研究中,需要硝化反应动力学提供实验证据才能进行,因为在硝化系统中包括了硝化作用和净水原理等,都需要掌握其反应速度的规律才能达到目的,一般硝化系统的设计原理,是将硝化过滤器设计成一种可供硝化系菌【居住】的地方,里面可供养无数的硝化细菌。因为我们可以利用含氨的养殖污水来喂养它们,并提供他们合适的生存条件。如此一来,就可以大为提高硝化作用的效率,进而发挥循环水养殖系统中的自净功能

 

 

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