硝化细菌：水体生态系统中的“清洁工”
硝化细菌：水体生态系统中的“清洁工”
硝化细菌是一类特殊的自养型细菌，在氮循环水质净化过程中扮演着重要角色。它们能够将水中的氨氧化为亚硝酸盐，再进一步氧化为硝酸盐，对维持水体生态平衡具有重要作用。本文将详细介绍硝化细菌的种类、生长特性、作用价值以及如何提高其含量。
硝化细菌（Nitrifying bacteria, or Nitrifier）是一类好氧性细菌，属于α-变形杆菌纲和β-变形杆菌纲。它们是细菌中少数的生产者，能够在有氧的水中或砂层中生存，最适宜在弱碱性的水中生活，最佳繁殖温度为25℃左右。
种类介绍
硝化细菌包括两种完全不同的代谢群：亚硝酸菌属（nitrosomonas）和硝酸菌属（nitrobacter）。亚硝酸菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化叶菌属中的细菌；硝酸菌包括硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的细菌。两类菌均为专性好氧菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体。大多数为专性化能合成自养型，不能在有机培养基上生长。只有少数为兼性自养型，也能在某些有机培养基上生长。
生长特性
硝化细菌的存活需要水分和很高的氧气，因此只能生活在生化棉、生化球、玻璃环、陶瓷环等各种有微孔的滤材中。它们对环境因子的变化较为敏感，其中光线、pH值及温度的变化对其生长和繁殖影响最大。亚硝酸菌对近紫外线的可见光非常敏感，最佳pH值通常为7.8，温度适应范围为5℃至42℃。
致病性
硝化细菌在水体生态系统中发挥着重要作用。它们将鱼类排泄物和未食用食物产生的氨氧化为亚硝酸盐，再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。硝酸盐几乎无毒，但高浓度时仍可能对鱼类造成危害。幸运的是，硝酸盐的浓度可以通过更换鱼缸水来降低。
防治方法
硝化细菌并不能分解有机物，也不能直接净化水质或中和悬浮物。分解有机物的工作主要由其他异养性细菌完成。市面上常见的所谓“硝化细菌”产品，实际上是光合细菌。光合细菌能在厌氧和光照条件下利用化合物中的氢进行不产生氧的光合作用，但它们在pH值8.2-8.6的环境下效果最佳，更适合在海水环境中使用。
作用价值
硝化细菌制剂是一种用于控制养殖池水自生氨浓度的处理剂，使用方便且效果显著。市面上的硝化细菌制剂分为活菌和休眠菌两种。活菌制剂除氨效果迅速，适合氨浓度过高的紧急情况；休眠菌制剂保存时间长，但活化时间较长，适用于日常水质管理。使用时需要注意避免与消毒杀菌药剂同时使用，保持适宜的温度和pH值，以及提供足够的可居住空间。
生命活动
硝化细菌通过两种主要反应实现氮的转化：
- 亚硝酸细菌将氨氧化成亚硝酸：2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 158kcal (660kJ)
- 硝酸细菌将亚硝酸氧化成硝酸：HNO2 + 1/2 O2 = HNO3, -⊿G = 18 kcal
这两类菌能分别从以上氧化过程中获得生长所需要的能量，但能量利用率不高，故生长较缓慢，其平均代时（即细菌繁殖一代所需要的时间）在10小时以上。硝化细菌在自然界氮素循环中具有重要作用。这两类菌通常生活在一起，避免了亚硝酸盐在土壤中的积累，有利于机体正常生长。土壤中的氨或铵盐必需在以上两类细菌的共同作用下才能转变为硝酸盐，从而增加植物可利用的氮素营养。时至今日，人们尚未发现一种硝化细菌能够直接把氨转变成硝酸，所以说，硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。（2015年圣诞节前人类已经成功分离出了可以直接将氨氮转化为硝氮的细菌，称为短程硝化细菌，结束了发现硝化细菌后100年来对氮素转化的教条式认知，特此批注。）我们知道，亚硝酸对于人体来说是有害的，这是因为亚硝酸与一些金属离子结合以后可以形成亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可以和胺类物质结合，形成具有强烈致癌作用的亚硝胺。然而，土壤中的亚硝酸转变成硝酸后，很容易形成硝酸盐，从而成为可以被植物吸收利用的营养物质。在硝化细菌的作用下，土壤中往往出现较多的酸性物质。这些酸性物质可以提高多种磷肥在土壤中的速效性和持久性，可以防治马铃薯疮痂病等植物病害，甚至可以使碱性土壤得到一定程度的改良。所以说，硝化细菌与人类的关系十分密切。农业上可通过深耕、松土提高细菌活力，从而增加土壤肥力。但硝酸盐也极易通过土壤渗漏进入地下水，成为一种潜在的污染源，造成对人类健康的威胁。因此农业上既可采用深耕、松土的方法提高细菌活力，亦可通过用施入氮肥增效剂（即硝化抑制剂），以降低土壤硝化细菌的活动，减低土壤氮肥的损失和对环境的污染。
提高含量
在养殖池中存在的有毒物质主要是氨及亚硝酸，这两种有毒的物质可由硝化细菌所消耗，并生成无毒性的硝酸，硝酸又是藻类的最佳氮肥，能被藻类所吸收及同化。因此，在养殖池中绝对不可缺少硝化细菌，如果硝化细菌缺乏，水中的氨含量将急速增加，使池水内的鱼虾有致死的危险。许多人通常不了解这个问题的重要性，以致于常遭遇到养殖失败的命运。这说明如果您不去了解这个问题的症结所在，并谋求改善的话，即使是有经验的业者，都可能会败在硝化细菌不足的危害之下。
从池水的生态观点来说，我们是无法防止氨的产生的，但是却可以设法提高硝化细菌的数量来消耗池水中大量的氨。因为硝化细菌是消耗氨的克星，只要数量足够，它们就会很自然地消耗掉每天自产的氨，使氨不会在水中被大量的累积下来，成为水产养殖的隐形杀手。
至于我们应如何做才能提高硝化细菌的数量呢？从理论的角度而论，为硝化细菌塑造一个理想的繁殖场所是最根本的解决办法。怎么说呢？原来硝化细菌在繁衍过程中，有附着于固定物外表的倾向，若能在池水中安置若干多表面积的固定物供其附着，它就能迅速地附着在这些固定物的表面上，并开始增殖。
然而，要在池水中安置固定物通常是不可行的，理由是这种方式可能会阻碍鱼类的活动及不利于捞补。比较可行的处理方式是在过滤系统中安置「生化培养球」，这种产品是专门为硝化细菌提供一个繁衍场所而设计的，它通常是由黑色的塑料骨架所制成，大小约为3 ~ 5 公分直径的空心球体，并有很大的表面积可供硝化细菌附着。它的原理是让硝化细菌成为「有壳蜗牛」，增加硝化细菌的生活空间，因此可让硝化细菌依附在这种人造的球体上进行硝化活动，使滤水中的氨及亚硝酸被硝化细菌所消耗。
添加硝化细菌制剂也是另一种可行的方法，尤其是在做水质检测发现水中氨浓度偏高时，采用这种方法最有效率。但这种方法只是治标方法，不是治本方法，因为这些制剂在水中被活化成为活菌之后，它们仍然多属「无壳蜗牛」，在池水中无法增殖，甚至因环境不适而逐渐死亡，故必须定期添加才能发挥预期效果。