水族箱内的硝酸盐

硝酸盐是水族箱内最顽固的离子。食物中含有的氮元素以硝酸盐的形式在水族箱内积累,导致水族箱内硝酸盐浓度很难恢复到自然水域中的浓度。十几二十几年前,很多鱼友用换水作为消除硝酸盐的重要办法。幸运的是,现在我们有很多方法控制硝酸盐,比起过去的鱼友要幸福多了。

硝酸盐总是被与藻类联系在一起。营养盐尤其是硝酸盐水平高确实会刺激藻类的生长。硝酸盐升高刺激海水中的潜在有害生物的生长,如腰鞭毛虫(dinoflagellates)。水族箱内的硝酸盐浓度通常不会产生强烈毒性,至少科学研究的数据是这样显示的。然而,高硝酸盐会刺激珊瑚体内的共生虫黄藻(zooxanthellae),它们的生长会抑制珊瑚本身的生长。

 

基于上述原因,鱼友们都在努力的控制硝酸盐浓度。有些方法很奏效,有些则反映平平。本文将介绍自然海域中硝酸盐的背景资料、水族箱内硝酸盐的相关知识,以及一些成功降低硝酸盐含量的方法。


自然海域内的硝酸盐 

海水中,氮有很多存在形式,其中之一是硝酸盐。其它存在形式包括氮气(N2),氨(NH3/NH4+),亚硝酸盐(NO2-),以及其它无数含氮的化合物。在无机物中,氮的含量一般比较高。硝酸盐的含量在大海中也因区域和深度有所不同。表层海水因含有更多的有机物而硝酸盐含量较低,一般低于0.1 ppm,海水深处的硝酸盐含量一般从0.5 to 2.5 ppm。从底层上涌到表层的海水中硝酸盐含量也在这个范围内。

大海中的硝酸盐几乎都是有机物循环的产物。如浮游动物死去会产生硝酸盐:

(CH2O)106(NH3)16(H3PO4) + 138 O2 à 106 CO2 + 122 H2O + 19 H+ + PO4--- + 16 NO3-

浮游动物+氧气à二氧化碳+水+氢离子+磷酸盐+硝酸盐

 

海水中其它氮元素来源是海底火山爆发(大多数情况是氨),还有蓝绿藻可以吸收水中的N2 ,另外还有陆地淡水输入带来的氮。所有这些都会参与氮循环,并最后形成硝酸盐。


吸收硝酸盐的海水生物

许多种海洋生物都有吸收硝酸盐的能力,它们利用其中的氮进行复杂的化学合成,形成蛋白质和遗传物质。硝酸盐主要被微生物(如细菌)和完全利用光合作用合成营养物质的藻类、珊瑚和海葵所吸收。

有些情况下,提高硝酸盐含量可以导致一些物种数量增加。例如,浅滩藻(shoalgrass,Halodule wrightii, widgeongrass (Ruppia maritime) 在硝酸盐提高到0.6 ppm浓度后会迅速生长。各种海草在硝酸盐浓度提高时根部和枝叶都会加快生长。

当硝酸盐浓度升高时,硝酸盐、浮游植物和巨藻都会加快生长速度。

有些情况下,硝酸盐水平提高并不能导致生长速度加快,如磷酸盐受限,铁离子不足和光线受限等。如海草Zostera marina,在硝酸盐升高的情况下,没有足够的光线刺激,生长速度是不会加快的。

很明显,这些对硝酸盐刺激生长敏感的生物并不是水族箱内的宠臣。当硝酸盐浓度超过16ppm,除了巨藻和腰鞭毛虫,对于饥饿的垃圾葵鬼爪(Aiptasia pulchella )来说,这倒是好事,可能它们还会觉得浓度不够呢。

鱼类对于硝酸盐倒是不太敏感。大多数研究人员认为毒性较小。一个研究各种幼鱼的小组报告:

“从饲养角度判断,尚未电解的氨具有潜在的毒性,亚硝酸盐离子和硝酸盐离子在实际饲养过程中毒性非常小。”

但是,仍然有鱼友报告当硝酸盐浓度高达50ppm时,鱼类出现不健康状况,这是否直接由水中的高硝酸盐含量引起,还是由水中其它物质所引起没有明确的研究结果。

最后,自然海域内营养盐过多会导致珊瑚礁区域被藻类覆盖,但其中硝酸盐与其它营养盐(如磷酸盐)之间的相互关系还不清楚。

 

水族箱内硝酸盐浓度升高的影响

除了上述所说的硝酸盐浓度升高所带来的不良影响外,珊瑚也会在此过程中受到压力。许多珊瑚并不被硝酸盐浓度升高所打扰,甚至有可能因为更丰富的氮源而生长速度加快。但某些珊瑚,尤其是硬骨珊瑚,会产生明显的副作用。

许多例子中,硝酸盐水平与硬骨珊瑚生长之间的关系被研究,结果是关系不大,但很重要。超过0.3-0.6ppm的硝酸盐浓度就会减缓 Porites compressa 的生长速度,但当碱度提高到4.5 meq/L时,负面影响会消失。其中一种解释是当硝酸盐浓度升高时,会刺激珊瑚体内的虫黄藻迅速生长,从而与珊瑚虫争夺用于钙化骨质的无机碳源。当碱度升高时,无机碳源增加,双方都能得到满足。

另一针对 Porites porites  Montastrea annularis 的研究也支持这个假说。证据显示,高硝酸盐含量会刺激光合作用,随着虫黄藻的不断增加,以及它们体内的叶绿色a 和叶绿素c2的密度的增加,硬骨部分生长速度连续降低。这个假说并不适用于所有珊瑚,当硝酸盐浓度提高时, Acropora cervicornis 的钙化速度并没有减缓的迹象(尽管两组实验条件有所不同)。

最近针对Porites cylindrica 的研究却得出了相反的结果,即硝酸盐浓度的增加不仅不会提升光合作用和虫黄藻浓度,反而会抑制这些效果。 研究者并没有为他们不同的实验结果提供依据,尽管他们的珊瑚出现虫黄藻流失现象,这有可能对实验结果有影响。另外,实验中使用的珊瑚数量失去了天然珊瑚礁的种群数量基数,由于这个原因,我对该结论适用于珊瑚疯狂生长的水族箱环境没有信心。

 

 

测量水族箱内的硝酸盐

当水族箱内硝酸盐浓度高于0.5ppm时,测量变得很简单。我认为LaMotte和Salifert的硝酸盐浓度测试包使用很简单,而且相对很准确。当低于0.5 ppm时,测量比较困难。Habib Sekha(Salifert制造商)表示,如果有必要,生产该测试级别的测试包并不难。因此,如果你有这种要求,可以单独联系他。

其它品牌的测试包我不能保证品质。一些鱼友针对各种品牌的测试包进行了专门的比对,结果在这个网站, web site (可惜是德语网站)。

 

水族箱内的硝酸盐来源

水族箱内硝酸盐主要来源是食物。所有蛋白质都很有氮元素,因为氮元素是构成生命物质的核心元素。当进入新陈代谢的过程中,这些氮会向浮游动物分解过程一样,转换成硝酸盐。

其它的硝酸盐来源还包括生物死亡,尸体分解。

最后,使用未净化的水也是水族箱内硝酸盐的重要来源。在美国国内,饮用水标准中允许硝酸盐浓度低于44ppm。每天用这样的水补充蒸发的淡水,会使硝酸盐浓度居高不下。许多市政提供的净化水,硝酸盐浓度会低些。我的补给淡水中,硝酸盐含量只有0.1 ppm。

 

降低水族箱内的硝酸盐含量

鱼友们心目中的底线就是他们期望的硝酸盐浓度值。我努力控制硝酸盐浓度低于1 ppm,最好是使用业余级的测试包检测不到(低于0.5ppm)。如果测试包的测试精度提高,我也会提高对自己的要求。很明显,硝酸盐浓度越高,大家越关注。

文章概述中说有很多方法可以降低水族箱内硝酸盐浓度。注意,我没有加入换水的讨论,尽管这种方法很奏效。因为除了连续不断更换新水,否则换水不可能将硝酸盐浓度降到自然水平。

首先使用可靠试剂测试硝酸盐浓度,然后使用下列方法,过一段时间后继续测量硝酸盐浓度确定是否有帮助。


1.  减少氮输入。  如果你有过度喂食的习惯,立即停止。而且,我不支持鱼友为降低硝酸盐浓度而使生物饥饿难耐。因为还有更好的选择。如果你使用自来水作为淡水源,那么测试一下硝酸盐含量,如果有必要,先过滤处理一翻。RO/DI净水器是最好的选择,如果没有条件,单独的RO或单独的DI都会有显著效果。


2.  使用蛋白分离器增加氮输出, 或者将蛋分调节得更敏感些。单独的蛋分不会起到明显的作用,但有极为重要的辅助作用,而且能提供其它益处,如增加水体含氧量和去除磷酸盐。


3.  通过饲养收割藻类增加氮输出 (或其它生物)。藻类生长和收割的越多,氮排出的就越多,硝酸盐排出的就越多。这个方法通常能使硝酸盐的含量低到难以检测(大约 0.5 ppm)。此方法同样有助于输出磷酸盐。


4.  使用厚底砂。厚底砂可以创造无氧区,微生物可利用硝酸盐中的氧,将硝酸盐分解产生氮气,从海水中排出。这个反应是十分复杂的。在有氧环境中,该反应与浮游生物分解很相似,只是没有磷酸盐。

有机物质 + 175 O2 --> 122 CO2 + 16 NO3- + 16 H+ + 138 H2O

这里的有机物是典型的((CH2O) 80 (CH2)42(NH3)16)。在缺少氧气的条件下,硝酸盐会完全分解成氮气 (反应会发生很多步骤),总体反应是:

有机物 + 124 NO3- + 124 H+ --> 122 CO2 + 70 N2 + 208 H2O

在许多水族箱内,仅厚底砂系统就能将硝酸盐控制在0.5 ppm。也有些达不到这个效果。是否成功取决于砂床的面积,结构(砂类型,颗粒大小,内部微生物),以及反硝化过程。


5. 给过滤系统瘦身,使氮循环更加便利。 过滤系统能有效的将氨转化为硝酸盐,却不能应对硝酸盐。对于有些水族箱来说,某些过滤系统可有可无,如果将其去掉,反而有助于减少硝酸盐。所以,逐渐的去处它们,将氮循环的过程完全转移到活石和活砂系统中也许会有所帮助。

并不是所有情况下,去除多余的过滤系统硝酸盐就会降低,这要根据氮循环的情况决定。

如果硝酸盐是在如生化球这样的滤材表面产生,它会消融在整个水体中,接下来必须找到扩散的部位,活石内部或活砂。

如果它是硝酸盐在活石或活砂表面产生,与第一种情况不同,这里的硝酸盐浓度会比上面条件下高,那么硝酸盐很有可能进入活石或活砂内部并被分解成氮气。


6.  使用碳驱动除氮器,carbon-driven denitrator.  有很多不同品牌的产品,不过在美国,它们并不流行。不过它们的效果还是不错的,很多鱼友非常喜欢。

这种系统之一,碳源是添加到无氧区内部。在许多例子中,碳源是甲醇。甲醇在可控制范围内添加到水中,(如通过滴定泵)甲醇被细菌消耗,该细菌种类分解硝酸盐从中得到氧:

12 NO3- + 10 CH3OH + 12 H+  à 10 CO2 + 6 N2 + 26 H2O

最总结果是硝酸盐被去除。这个过程中最大的问题是需要使用反应器并随时监控。


7.  使用硫反应器。  在这个系统中,细菌直接消耗硫和硝酸盐,并将其分解:

2 H2O + 5 S + 6 NO3-   à 3 N2 + 5 SO4-- + 4 H+

使用这种方法时建议将反应器流出的水流经过碳酸钙,以平衡过多氢离子形成的酸性,稳定水体碱度提升钙离子含量。

这是个好方法,而且不会向水中添加过多的钙和碱度。

为了评估这种方法的效果,我们进行了广泛的测试。假如每周消耗10ppm硝酸盐离子

10 ppm nitrate = 0.16 mmole/L of nitrate

因为消耗6摩尔的硝酸盐会产生4摩尔的氢离子

0.107 mmoles/L of H+ per week

 

钙离子会产生多少呢?
假设一个氢离子会消耗一个碳酸钙分子:

CaCO3 + H+ 
ßà Ca++ + HCO3-

很明显,这个假设过于理想化了。很多氢离子会用来降低ph值,而很多碳酸钙会溶解。这里有一个上限:

0.107 mmoles of Ca++ per week

钙离子每微摩尔重40毫克

4.3 ppm Ca++ per week.

作为对比,如果每天添加16ppm浓度的石灰石,体积占总水体的2%,使用这种方法不能维持钙离子浓度和碱度水平。而且,酸性会持续的降低水族箱内的碱度,所以要注意监控。

至于其去除硝酸盐的实际能力,我还不能确定。我期望这种方法能够有效,但我的唯一一个使用这种方法的朋友好像是遇到了困难。

 

8.  AZ-NO3.  这是一种直接添加到水中的物质,Randy Doniwitz已经对此进行过评论。说明书中生成其能使硝酸盐随蛋分排出,我不能确定其效果。一般我不向别人推荐自己不了解的药物,也不清楚其潜在副作用。这个产品AZ-NO3TM 在其广告中表示还有许多益处。

不管怎么说,使用该产品的鱼友都没有副作用的报告。


9.  硝酸盐吸附物质。 很多氧化铝产品和沸石系统被商家推广,用来吸附水中的硝酸盐。 Kent硝酸盐吸附海绵就是一例。我没有尝试过任何产品,许多使用的鱼友报告会有些效果,但要很长时间,消耗很多吸附物质。


10.  聚合物和碳吸附物质。 这个方法原理与蛋分相似,在有机物分解前将其吸附和排除。产品如 Purigen Poly-Filters 。我没有尝试过,也没有听说过有什么特效。 

总结

在过去,硝酸盐升高是海友们必须接受的事实。而现在,有众多降低硝酸盐的方法,大多数海友能够也应该能将硝酸盐控制在较低水平。我通过在藻缸饲养并定期收割海藻(Chaetomorpha sp.  Caulerpa racemosa),兼使用厚底砂来维护。鱼友们都会选择适合自己的维护方法。无论使用什么方法,都要设计好如何排除硝酸盐。

祝大家玩得开心!