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,NH3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。