通过碳投配减少水族馆中的硝酸盐和磷酸盐
作者：红海首席科学家 Sharon Ram
如何解决水族馆中不断富集的营养物？这是水族馆爱好者们每天都要面对的烦恼。目前，降低水族馆中营养物含量的方法有多种；一些方法使用树脂（吸附剂）降氮，一些方法使用化工过滤元件降氮，最新发展趋势还包括借助“益生菌”和/或细菌优化营养物减降效果。
大多数喜欢生物过滤方式的水族馆爱好者都清楚：实施该方法时，水族馆中缺少低分子量含碳化合物，导致氮元素减少过程中供能不足，进而降低了氮元素减降效果。为了提升生物活性，很多爱好者开始向水族馆中添加含有碳元素的伏特加、醋、糖及其混合物。
很多水族馆爱好者认为，只要向水族馆中添加足量含碳化合物，并在水族馆中制造缺氧区（生物石和沉淀物），就足以提升硝化和减磷物质的生物活性。
理论上说，的确如此，但这种操作方式同时也会提高其他生物活性，如控制不当或未能从源头进行有效防范，甚至会导致灾难性后果。水族馆环境下异化作用涉及多种菌群的复杂生态系统，理解这一点十分重要。这些菌群包括异化作用下可减少硝酸盐含量的两组菌群、POA菌群 -- 富磷细菌或聚羟基链烷酸（PHA）细菌和硫酸盐还原菌（SRB）、富硫细菌。这四种细菌之间始终存在相互竞争和抑制，这种关系受营养物浓度、可用性、比例（氮、磷、硫）、活性酶辅助因子及其他生物和非生物因素的影响。调查水族馆中异化途径时，我们发现水族馆中主要存在两种菌群：第一种是可以将氮化物降解为亚硝酸盐或氨水的DSRA菌群；第二种是可以通过将亚硝酸盐转化为气态氮的异氧消氮菌群。氮气是该过程的最终产物，但在某些情况下，亚硝酸盐、硝酸、氧化氮之间可发生这种反应，且该过程往往是在没有活性酶辅助因子（enzymatic co-factor）的情况下产生的。
环境因素（特别是含碳化合物的有无和类型）、碳/氮比例、是否有特定辅助因子、水环境下氧化/还原情况等因素很大程度上决定每个异化组的发生情况和主要还原途径。
例如，碳/氮比例失衡会导致硝化不充分，并会增加DNRA活性，导致氨和亚硝酸盐的富积。通常，多数业余爱好者在初始熟化周期内并不会测量NH4+ 和 NO2-含量。在投配碳源时，可能发现NO3-含量降低，但往往会忽视了氨或亚硝酸盐的富积。即使当时针对脱氮菌活性对碳/氮比例进行了优化，但还存在某些可以将硝酸盐充分硝化为自由氮的必然因素。
这些因素包括可以在硝化过程各阶段中充当辅助因子的特定化学元素。这些元素缺失或含量不均衡时，可导致早期任何时候硝化过程的终止，会导致有毒物质N2O 和NO 的富集。
因此，作为一个重要方面，生物营养物减少可以提高异养细菌的异化途径，确保异化过程的完整性。这正是红海研制 NO3:PO4-X 配方的目的所在。
从化学计量学角度看，红海 NO3:PO4-X 配方中数种有利于DNRA细菌异养型脱氮菌生长的含碳化合物含量均衡，这类含碳化合物可阻止氨或亚硝酸盐的富集。NO3:PO4-X还提供了七种活性酶辅助因子，可确保将硝酸盐充分脱硝为氮气，从而避免了N2O 和NO生成。
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