微青海洋

硝化作用Nitrofication

硝化作用分為兩階段，分別為兩類硝化細菌完成
第一階段：銨鹽氧化為亞硝酸鹽（亞硝酸菌Nitrosomons）
第二階段：亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽 （硝酸菌Nitrobacter）

硝化細菌（Nitrifying bacteria）特性

        無論是亞硝酸菌或硝酸菌均非單一菌種，可能有不同生理特徵。硝化
細菌大小依種類不同差異極大，約0.3~3.5μm。僅有少部份為懸浮性個體，
大部份屬於附著性種類，常於暗處的固體表面生長。硝化細菌生長速度與一
般細菌比較，顯得較為緩慢，約24~36hr增殖一倍。因為生長所需的有機物
無法靠外界攝取而來，只能自已合成。

        硝化細菌合成有機物所需要的能量來自於硝化作用，由銨鹽或亞硝酸
鹽而來，屬於無機化學能。硝化細菌進行硝化作用時，需要有硝化酵素的催
化。這些酵素會受到氨或亞硝酸鹽、溶氧等濃度所影響。硝化細菌合成有機
物時，也需要無機碳的參與，來源有二氧化碳、可溶性碳酸氫鹽及碳酸鹽等
。

        硝化細菌需要附著在底質上，通常集體生活並凝聚成團而形成凝菌膠
團。它們所需要的銨源，靠擴散作用或水流運送，屬於被動式供應養份。

硝化細菌抑制因子

        有機污染：硝化細菌只能利用無機營養鹽，不能分解及利用有機廢物；
大量的有機污染會直接或間接抑制硝化菌的生長。此外，有機污染也會干擾
硝化細菌對養份的趨向性。

        競爭性排除作用：水中有機廢物，會導致大量腐生細菌族群增生，對
硝化菌產生空間的競爭，競爭性排除作常發生於過濾器內部。當過濾器運轉
初期有機物在過濾上層被攔截住，因此容易滋生腐生菌。但當過濾器運轉一
段長時間，堆積有機質越多，容易侵入並污染過濾器下層。腐生細菌向下漫
延時，相對地會與硝化細菌競爭，進而排除硝化細菌。

        水中掠食者：硝化細菌在水中的掠食者有輪蟲（rotifora）、原生動物
（protozoa）或甲殼類（crustacea）幼蟲等。其中以輪蟲威脅最大。

        強光照射的危害：硝化細菌並無光合色素，所以不能利用光能來作合
成作用，並且反而會受到強光照射的傷害。光線會對硝化細菌的生長及繁殖
有或多或少的傷害，生態上硝化細菌有避光現象。另外，紫外線會使硝化細
菌傷害或死外。

        抑制劑危害：抑制劑指會抑制硝化反應或降低硝化作用的化學物質。
例如，某些腐生菌會分泌醋酸、乳酸或其它干擾酵素系統物質（例：硫化氫）
。而某些硝化細菌必需物質，如溶氧、氨與亞硝酸鹽等，若濃度過高，也會產
生抑制作用。例如：氨濃度大於10~150ppm即會抑制亞硝酸菌生長，若大於
1ppm則會抑制硝酸菌。亞硝酸鹽濃度若大於2.8ppm亦會抑制硝酸菌生長。另
外，某些人造化學物質，如戴奧辛及殺蟲劑等，也有可能破壞及干擾硝化菌
生理功能。

        硫化氫的影響：硫化氫是腐生細菌消化蛋白質時的產物，在無氧環境
中穩定。硝化菌會受硫化氫毒害而死亡，取而代之為厭氧無機營養細菌（可
代謝硫化氫）。通常硫化氫出現，可能因為累積有機廢物過多，導致厭氧環
境出現。

硝化作用與影響因子

硝化作用有兩階段：
第一階段：亞硝酸菌（Nitrosomonas）將氨氧化為亞硝酸鹽，稱之為亞硝
酸化作用
2NH₄⁺ + 3O₂ → 2NO₂^- + 4H⁺ + 2H₂O + 168Kcal

第二階段：硝化細菌（Nitrobacter）將亞硝酸氧化為硝酸鹽，又稱為硝酸
化作用
2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + 35.6Kcal

        硝化作用所得的反應熱，僅有少部份，約5~14%被硝化細菌所利用，
其餘以熱量方式散發至水體中。硝化作用的效率會因為環境因子，如溶氧、
pH值、溫度等，而受到影響。

溶氧對硝化作用的影響

        溶氧是硝化作用中，不可缺少的要素之一，同時也是維持硝化細菌生
理代謝的重要因子。硝化作用要消耗大量氧氣，建議最少溶氧不要低於2ppm
以下，最適5~8ppm之間。如果濃度高於20ppm，可能會對許多菌種的硝化
作用產生抑制。

pH值對硝化作用的影響

        pH值會影響水中分子性氨（NH₃）與離子性銨（NH₄⁺）的濃度平衡，
其中只有分子態氨能用於硝化作用。在總氨量一定狀況下，pH值越高，氨
濃度比例越高。因此用於硝化作用的反應基質濃度越高，硝化速率越有利。
換言之，硝化作用在中性或鹼性環境遠比在酸性環境中更能快速進行。此外
，pH值會直接影響硝化酵素的活性，通常最適pH值約為7.5~8.2之間，依溫
度不同而有所差異。由於硝化作用中會產生硝酸，造成水質酸化，會使pH
降低，影響硝化作用。

溫度對硝化作用的影響

        溫度主要會催化硝化反應的酵素活性，最適溫度約在35~40℃之間，
但還需視溶氧濃度取得一最高效率平衡。一般以不超過30℃，不低於20℃
為較佳區間。

有機污染對硝化作用的影響

        有機污染對硝化作用有確實的抑制現象，但其作用機制不詳。推測可
能為間接的抑制性，例如有機污染所造成的腐生菌大量生長，與硝化細菌有
競爭性的排除作用。也可能為腐生菌消化有機物而將氧氣耗盡所導致。雖然
消化有機物所產生的氨可充分供給硝化反應，但所減少的溶氧卻變成限制因
子而抑制了硝化作用。

硝化細菌培養方法

        硝化菌培養：接種菌源

1.由舊濾材、底砂作為菌種來源。
2.購買現成活菌製劑。
3.從自然環境中採取底泥表層活菌。

分離純化及量產培養

        利用適合於硝化細菌生長，只含無機鹽的培養液。使用200ml角錐瓶
，放入樣本及培養液。開放式培養，振盪或打氣，置於暗室24hr以上。接著
進行第2次培養：吸上一次培養液3ml以相同方式培養。重覆10~20次即可得到
硝化菌群（非單一種）純化樣本。

        量產培養：注重管理，通氣性高的開放式培養、注意pH值。培養時，
因硝化作用，pH值會下降，需控制維持pH值在7.5~8.2。因硝化菌生存溫度
範圍大，常溫培養即可。營養鹽維持2-10mM。D.O.2-5ppm，可採連續式培
養，使硝化菌維持在指數期。

培養液（淡、海水不同）
淡水：氯化胺（535ppm）、氯化鈉（584ppm）、硫酸鎂（493ppm）、氯
化鈣（147ppm）、磷酸二氫鉀（54.4ppm）、氯化鉀（74.4ppm）、硫酸鐵
（1ppm）、鉬酸銨（0.04ppm）、硫酸錳（0.5ppm）、硫酸銅（0.03ppm）
、硫酸鋅（0.05ppm）、硼酸（0.05ppm）。另外使用碳酸氫鹽作為碳源及
pH調整，培養液調整為pH7.5。

海水：硫酸胺（1320ppm）、硫酸鎂（20ppm）、氯化鈣（20ppm）、磷酸
一氫鉀（114ppm）、螫合鐵離子（1ppm）、鉬酸鈉（0.001ppm）、氯化錳
（0.002ppm）、氯化鈷（0.002ppm）、硫酸銅（0.03ppm）、硫酸鋅
（0.05ppm）。另外使用碳酸氫鹽作為碳源及pH調整，培養液調整為pH8.2。

硝化細菌與附著底質

        硝化細菌在適合環境下，可供附著的底質越多，硝化菌的數量越多。
一般水體中，僅有少數硝化菌懸浮。硝化菌可附著於任何固體表面，但有腐
生菌大量生長的有機沉積物、長滿矽藻的表面及光度太強的物體表面，均會
抑制硝化菌附著。硝化細菌在水族缸的棲所，最主要為底砂床及過濾系統。
過濾系統提供了附著的表面積以及水流帶動了營養、D.O.、氨源、CO₂等維
生物質可利用。想要增加硝化細菌棲所：1.增加底硝 2.慎選濾材，選用適當
過濾器。

消化細菌與氨化作用

        消化細菌是一大群具有分解有機物能力的有機營養菌，尤其指腐生細
菌，能分泌體外酵素，消化外界有機物質。消化細菌分泌胞外酵素，限解體
外大分子有機質，再利用滲透作用，將小分子吸收至體內充作營養物質。

消化細菌分類

依需氧性分為：
1. 需氧型：需有氧氣才能生長與增殖，消化有機物快，生長及增殖也最快。
2. 微需氧型：只要有少量氧氣就能生存，但氧氣濃度太低及太高皆會抑制。
3. 兼性厭氧：有或無氧環境中都能生長與增殖的消化細菌，但有氧下較有利
4. 厭氧型：無氧環境中才能正常生長與增殖，有氧氣存在則受抑制。
5. 絕對厭氧型：無氧環境中才能正常生長，有氧氣下則無法生存。

        枯草菌（Bacillus licheniformis），為一好氣腐生菌，能分泌活性強的
蛋白質分解酵性素，還能分泌出其他有機質分解酵素，有商品化製劑。

適合消化細菌與氨化作用的環境

        消化菌能將有機質分解礦化，並因此得到養份。適合消化細菌生長範
圍，T=20~35℃，pH值4-10、D.O.依據不同種類硝化菌決定。分裂速度快，
25℃時，好氧型約20~30分鐘分裂一次。

        氨化作用：含氮有機物在微生物作用下，釋放出氨的過程稱為氨化作
用。溫度到45℃前，溫度越快、氨化作用越強；最適溫度30~35℃，pH4-10
，最佳pH=7。消化細菌中，能進行氨化作用者，稱為氨化細菌（amminifying
bacter），能將蛋白質分解成氨（蛋白質 -> 胺基酸 -> 氨）。

        水體中氨來源一是魚類排泄物，另一是氨化細菌進行氨化作用。氨化
細菌附於有機物質如糞便、殘餌上，將有機氮化合物轉化為氨。氨為劇毒物
，在低濃度（<0.05ppm）時，會使魚活力減弱，食慾降低。高濃度（>0.5ppm）
，急速中毒，魚隻死亡。

氨對魚類的毒害

        氨會干擾魚類的滲透壓調節系統，破壞魚鰓黏膜，降低紅血球攜帶氧
氣功能。氨為親脂性分子，分子易穿透細胞膜、滲透至魚體細胞內，因此外
界NH₃濃度高，魚體容易累積NH₃在體內。

NH₃與pH值

        氨在水中呈現兩種不同形式，分子態NH₃與離子態NH₄⁺。其濃度總
和稱總氨量。其中NH₄⁺為親水性，不會由水體滲進魚體中，較安全。pH值
會影響水體中兩者的比例，正常狀況下，pH值越高，NH_{3比例越高。}

NH₃ + H₂O ←→ NH₄⁺ + OH^-

pH值上升，反應向左。pH值低，反應向右。

pH值、溫度與氨比例的關係

其它型式的硝化作用（網路上節錄）

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異營硝化作用

自然界中異營性硝化菌( heterotrophic nitrifiers )將含氮物質代謝產生
亞硝酸氮或硝酸氮之過程稱為異營性硝化作用，如下圖 2.2 所示( Prosser,
1989)，異營硝化菌主要包含真菌( fungi )、放線菌( actinomycetes )和細菌
( bacteria )三大類( Lang and Jagnow, 1986 )。這類菌種在好氧狀態下行硝
化作用，在厭氧狀態下行脫硝作用，或甚至在有氧的情況下兼行脫硝作用，
此該菌種在環境上有競爭優勢( Crossman et. al., 1997 )。

有些異營性硝化菌可以同時行硝化與脫硝作用，多數異營性硝化菌如
Thiospaera pantotropha ( Robertson et. al., 1988)、Alcaligenes faecalis
( Anderson et. al., 1986 )、Pseudomonas sp. ( Van Niel et. al.,1987 ) 具有
將亞硝酸還原成NO、NO2、N2之能力。異營性與自營性硝化菌兩者基質、
中間產物及最終產物階完全相同，但兩者之酵素反應途徑卻大不相同，例
如自營菌所產生單氧氨氧化酉每( AMO)會受到的抑制，異營菌則不會。