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,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碳酸鹽


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。它們所需要的源,靠擴散作用水流運送,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2-10mMD.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
營養鹽D.O.氨源CO2等維生物質可利用。想要增加硝化細菌棲所:1.增加底砂 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。消化細菌分泌體外酵素分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=20~35pH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30~35pH4-10,最佳pH=7。消化細菌中,能進行氨化作用者,稱為氨化細菌(amminifyingbacter),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,NH3比例越高。


NH3 + H2O ←→ NH4+ + OH-


pH值上升,反應向左。pH值低,反應向右。


 

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