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水槽管理とは


 生物を飼育している水槽の飼育水は生物に与えられた餌や生物自身の代謝により、やがて何かが過剰に貯まっ たり、必須な成分が不足したりします。サンゴなどの無脊椎動物を飼育する場合は後者の成分の欠落が重要な問題となることが多いようですが、ここでは一般的に問題となる窒素分の蓄積について考えてみましょう。

 水生生物は窒素分の排泄をアンモニアの形で放出します。アンモニアは酸性側の水中ではすみやかにアンモニウムとなり毒性が低いのですが、アルカリ側では アンモニウムとならずに、かなりの割合でアンモニアのまま存在することになります。従って比較的pHの高い海水水槽や、淡水の水槽でもセッティング直後で 水道水のpH(アルカリ性であることが多い)がそのまま維持されているような水質の場合にはアンモニアの毒性はより強く生物に作用します。
 通常、水槽には濾過装置を組み込んで、水の浄化をしますが、濾過装置には水の濁りを取り除くという見てくれを改善する物理的な効果以上に、目には見えない水中の窒素分を酸化してより無害なものに変える働きが求められます。このことを硝化と呼びます。濾過装置には様々な材質の濾材が用いられますが、硝化は濾材が物理的に行うのではなく、濾材の表面や内部にやがて棲み着くバクテリア(硝化細菌)が行う生物的代謝作用に他なりません。

 飼育水の中にアンモニアが放出されますと、アンモニアを基質(餌と考えてください)とするバクテリア群が増殖を始めます。アンモニアを食べるこれらのバクテリア群をニトロソモナス(一種類のバクテリアを指すのではなく、グループ名とでもご理解ください)と呼びます。ニトロソモナスはアンモニアを亜硝酸 (NO2−)のレベルにまで硝化しますが、その硝化反応に際して水中に水素イオンH+が放出されます。水槽で生物を飼い続けて行くと、やがて飼育水のpH が酸性側に変わってくるのはここで生成される水素イオンの蓄積が原因と考えられます。

   亜硝酸はアンモニアに劣らず毒性の強いもので、生物に大きなダメージを与えます。通常亜硝酸を測定する比色試薬の反応ではピンク色を呈しますが、真っピ ンクや真っ赤に飼育水が染まるときは「やべー」ということになります。亜硝酸はこれを基質とするニトロスピラと呼ばれるバクテリア群(以前はニトロバク ターの仲間と思われていましたが、近年の研究ではバクターを飼育水の中から見つけ出すことができないことがわかり、変わって注目されるようになりました。)によって硝化され、最終的な蓄積物となる硝酸(NO3−)に姿を変えられます。



 ここまで硝化されれば、とりあえず安全ということになるのですが、問題はニトロソモナスにしろ、ニトロスピラにしろ最初から濾過槽に住みついているのではないということです。徐々に濾材の表面で増え続け、やがて供給される餌である窒素分のボリュームに応じた生息量になるのです。

 彼等は独立栄養細菌というくくりのグループに属しますが、一般に私たちが想像する「病原菌」などの爆発的な増殖スピードを持ち合わせません。病原菌などは数時間もしくは数十分で倍々に増えます。近年話題に上る病原性大腸菌ではわずか18分しか掛かりません。一方硝化バクテリアのそれには何と24〜48時間も掛かるのです。

 水槽を立ち上げる場合、最初にアンモニアのピークが、次いで亜硝酸のピークが現れ、これが低いレベルに収束した時をもって「濾過槽が熟成した」との判断 を下しますが、一般的にこれに要する期間は1月半とも2ヶ月とも言われています。この間の飼育水にはアンモニアや亜硝酸が高濃度で存在することになりますので、熟成までのしばらくの間は水換えによって毒性を薄める努力が求められます。

 最終的に飼育水に蓄積する硝酸はアンモニアや亜硝酸に比較しますと、かなり毒性が低く、魚類などでは数百ppmの濃度にも耐えることがあります。しか し、生物の我慢にもおのずと限界があり、魚類以外の生物、特に無脊椎動物では敏感な反応を示すものが多いようです。硝酸の蓄積量は少ないに越したことはありませんので、その量を低く抑える飼育水の管理手法を求めて様々な試行錯誤が繰り返されているようです。

 また同時に表面化するpHの低下に対しても対症療法がまかり通り、PH回復のための商品がショップの店頭に並べられているのは皆さんご存じのとおりです。
 硝酸にせよ水素イオンにせよ最も簡単な除去方法は水を換えるということになります。すべて取り除くことはできないまでも新しい飼育水を投入することで、その濃度を薄めることは出来るからです。いうならば、現在主流となっている濾過システムは、換水を頻繁に行うという前提があってはじめて成立する水質の管理方法 なのです。

 海水を汲み上げることができない都市部の水族館などでは海水購入のコストは経営を圧迫する大きな支出でもありますので、換水の頻度を極限まで抑えることもやむをえません。海水のコストはトンあたり6,000円から7,000円(ほとんどが物流コスト、まさに水商売)といったところですから、数百トン、数千トンの海水を換えることは水族館の収支を左右する大きな負担となっているはずです。人工海水を用いても単価はさほど変わりません。

 ホビーストの数十リットル、数百リットルの水槽でも似たような実情があるようです。水槽に手を染めた当初こそ真面目に水を換える努力はされるのですが、 月に一回が三月に一回になり、半年に一回になってきます。やがて、最後に換えたのはおととしの・・・といった強者も見受けられるようになるのです。海水魚の水槽が数年後には金魚の泳ぐ水槽に変わることは珍しいことではありません。水槽管理とは、かくもやっかいな宿命を背負っているのです。

脱窒を考える

 水換え以外の方法で硝酸を減少させるためには、硝化と同様にバクテリアの働きを利用します。ただし、
ここで働くバクテリアは硝化細菌のような独立栄養細菌ではなく、従属栄養細菌と呼ばれるグループです。
従属栄養細菌とは有機物を基質(餌)とする細菌群で、アンモニアや亜硝酸(さらには二酸化炭素)などの無機物だけで生活できる独立栄養細菌とは根本的に栄養摂取の様式が異なるものです。また従属栄養細菌のすべてがその能力を持つのではなく、溶存酸素の濃度に応じて臨機応変に生き延びる術を持った通性嫌気性細菌というものが主役となります。
 彼等は通常の溶存酸素濃度のもとでは遊離酸素(O2)を使いますが、酸素不足の状況下においては、硝酸に結合している酸素を利用して生活をすることができます。その結果として硝酸は結合している酸素の一部が奪い取られることで、亜硝酸や亜酸化窒素などに姿を変えられ、見てくれ上は硝酸の絶対量が減少するのです。ただし、硝酸が減っても亜硝酸やアンモニアが増えてしまうのであれば、生物に危険が及ぶだけで何の利益もありません。私たちが望む脱窒のメカニズムは飼育水の中から窒素(N)が減少することで、最終的には窒素ガス(N2)として大気中に放出されるステップまでを含める概念が必要です。
硝化が窒素に酸素を結合させる酸化反応であったのに対し、脱窒は窒素酸化物から酸素をはずす還元反応と見ることができます。

 還元させるためにはまず微妙な嫌気環境の構築が必要となります。嫌気環境と一口に言いますが、実際のところ溶存酸素がゼロでなければならないということではないようです。溶存酸素がゼロから飽和状態までのどこを境に脱窒が始まるのかは定かでありませんが、多少の酸素があっても脱窒は行われると考えておけばよいのでは ないでしょうか。秋田の鈴木信愛氏はこの点について酸化還元電位という尺度で丁寧な解説をされています。興味のある方はホームページを覗いてみてくださ い。

 いずれにしても脱窒装置のような脱窒を促すための特殊な空間の中を飼育水が通過する過程において、入り口と出口では溶存酸素量にさほどの差はできないようです。従って、装置の通過経路に沿って溶存酸素が消費されて行くのではなく、装置内部に充填された従属栄養細菌のための濾材(付着基盤)の表面部と内奥部に溶存酸素の濃度勾配が形成され、その濃度に応じた脱窒が行われると考えるべきです。なぜなら通性嫌気細菌は酸素が豊富な環境では本来の姿である好気性細菌として代謝を行い溶存酸素を消費しますから、彼等が濃密なコロニーを形成するに足りる有機物の供給があれば、豊富にあった酸素も表面部に生息する細菌に消費されてしまい、内奥部には行き届かない状況が出現するからです。酸素不足となった内奥部で生き残るためには、必然的に通性嫌気性細菌としての振る舞い(脱窒)を始めるものの割合が増えてくるはずです。

 当初は大量の従属栄養細菌を好気エリアに増殖させることに専念するだけで、やがて隣接したミクロな嫌気環境が必然的に備わると考えるべきでしょう。幸いにも従属栄養細菌の増殖スピードは硝化細菌をはるかに凌駕しますので、嫌気環境も速やかに構築され、短期間のうちに脱窒(還元)作用を確認することになり ます。

 まず最初に現れる現象は亜硝酸の上昇です。亜硝酸が持ち上がり始めたら嫌気環境ができつつあると考えて良いでしょう。ただし、亜硝酸は猛毒物質ですから、上昇限度をほどほどに抑える必要があります。この辺の「匙加減」がポイントと言えるでしょう。

独立栄養と従属栄養

 硝化細菌を独立栄養細菌として分類しました。彼等は水中のアンモニアや亜硝酸などの無機質の窒素と二酸化炭素を利用して生活をしています。水槽の飼育水には飼育生物が放出するアンモニアや飼育生物の呼気や微生物が有機物を分解する際に放出する二酸化炭素が恒常的に供給されます。そのことは硝化細菌が安定した生活環境を構築するには大変有利な条件と考えられます。濾過槽のように硝化細菌が高密度に棲息している環境は自然界にはないはずです。それは自然水に含まれる窒素化合物の量を考えれば自ずとわかる話です。


 一方脱窒に寄与させる従属栄養細菌は無機物から彼らの体を構成する有機質を作り出すことができません。水槽内にも餌の残渣や飼育生物の排泄物など一定量の有機物の供給はなされているわけですから、その供給量に比例した分の従属栄養細菌が生活できるわけです。たとえわずかな棲息量であっても、そこにミクロな嫌気環境が存在すれば、脱窒も行われているはずです。その結果が私たちに認識されないのは脱窒量が硝化量に及ばないからです。

 目に見えた脱窒量を期待するのであれば、従属栄養細菌の棲息量を増やすことがまず必要となります。そのためには彼らの餌となる有機物(炭素源)を人為的に供給しなければなりません。例えが適当かどうかわかりませんが、独立栄養細菌は植物のようなものです。放っておいても雑草は生えてきます。従属栄養細菌は植物を食べる草食動物またはさらに草食動物を食べる肉食動物のようなものです。動物を人間の管理下に置こうとするならば彼らに餌を与えなければなりません。このように考えていただければ理解がし易いかと思います。
有機物という餌が必要な栄養方法を従属栄養と呼びます。

水槽内の窒素循環に関与する細菌の分類

硝化に関わる硝化細菌はアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌の2群だけで、ともに独立栄養を行う好気性細菌です。脱窒に関与するものはすべて従属栄養を行う通性嫌気性細菌もしくは嫌気性細菌に限定されます。工業的に脱窒を行う場合メタノールを添加しますが、それは通性メチロトローフを活用するためで、生物を飼育する水槽内では問題を引き起こす可能性があり一線を引いておく必要が有ると思われます。このほかに硫黄脱窒菌(チオバシラス)と呼ばれる硫化水素や硫酸イオンを電子供与体とする菌群も脱窒に関与しますが、硫酸イオンの多い海水水槽では重要な役割を演じます。話がかなり複雑になりますのでこの項では省略いたします。


炭素源として何を用いるか

 細菌が取り込める炭素源の分子構造は水溶性の状態でなければなりません。細菌は口があって有機物を咀嚼しているわけではありません。あくまでも細胞膜を経て体内に取り込むのですから、有機物も細胞膜を通過できる分子構造にまで小さなものでなければなりません。
 大きな分子構造の有機物を小さなサイズにまで分断するには細菌個々が放出する分解酵素の働きが大きな鍵を握ることになります。自然界では細菌群以外の様々な微生物が複雑に関与しあいながら大きな有機物が徐々に小さな分子構造にまで分解されていくのですが、水槽内という特殊な環境の中では限られた細菌群によって分解可能な有機物を炭素源として選択しなければならないということはご理解いただけると思います。


 候補としては、アルコールや糖類など身近なものがいろいろあるのですが、日々、一定量を投入することの煩わしさは否めません。できればそれらを自動的に微量添加してくれるものがあれば良いのですが、輸液ポンプのようなもので仰々しいシステムにするのは本意ではありません。もっと簡便で無精のできる素材を模索すると、行き着く先は「デニボール」ということになってしまいます。昔はN商会の一手販売でしたが、現在は数社から出されているようです。デニボールはバイオポール(バイオボールではありません、ポールです)という生分解樹脂が主成分だと言われていますが、その組成についてはつまびらかでありません。

当社が販売するバイオポール樹脂板(上)とペレット(下)

残念ながら樹脂板は完売となりました。

バイオポールについて

バイオポールはポリヒドロキシ酪酸という微生物由来の脂肪族ポリエステルから作られます。簡単に言いますと、ポリヒドロキシ酪酸は菌類の体内貯蔵物質、人間で言うところの脂肪と同じような役割を持つ物質で、多くの細菌や微生物群がその合成と分解能力を持つ(分解や合成に関与する酵素を持っている)とされています。つまり多くの種類の細菌や微生物が餌として利用できる有機物ということになります。

 水中ではバイオポールの表面に様々な従属栄養細菌が取り付き、コロニーを作ります。樹脂の表面は細菌の持つ分解酵素によって徐々に侵食され、細菌群が餌として取り込める小さな分子構造にまで分断されます。これはとりもなおさず、炭素源が脱窒装置を通過して水槽内へ流出する可能性を示唆します。炭素源は病原性の細菌の繁殖にも利用されますし、これまで硝化細菌の独壇場であった濾過槽内部で繁殖速度の速い従属栄養細菌が大増殖をし、硝化細菌の活性を阻害する可能性もあります。しかし、脱窒に寄与する細菌群は脱窒装置や濾過槽にだけ生息するとは限らず、水槽内のあらゆる場所にコロニーを作る可能性もあるわけですから、炭素源がそれらの場所に供給されることは脱窒の総量を高めることにもなると考えられます。

 脱窒装置内であるならば、脱窒に関わらない好気性菌としての従属栄養細菌に炭素源が利用されたとしても、脱窒の条件である溶存酸素濃度の低減という環境構築には寄与するわけですから、あながち無駄と考えるには及びません。炭素源の水槽への流出を抑えるには、好気、嫌気を問わず、炭素源を速やかに利用してくれる十分な細菌量を装置内に維持することが理想でしょう。そのためには、装置内における通過水の滞留時間や従属栄養細菌の増殖基盤としての濾材の選択肢など、いまだ未解明な課題が残されています。従来の濾材はもっぱら硝化細菌への相性が優先されていますから、従属栄養細菌にもそのまま転用できるかどうかは何とも言えません。近年、脱窒用濾材と称されるものが市販されるようになりましたが、その内奥部に嫌気環境が併存できるような大きめの多孔質素材であることが多 いようです。

 炭素源の流出を極力ゼロに近づけるため、装置への送水を間欠的に行う方式も考えられますが、一般的には終日一定量を処理し続ける方が装置の構造はシンプ ルで、当然製作コストも安価になります。前述したとおり脱窒エリアの外に炭素源が出ても、水槽内の随所に脱窒能を持った細菌群が生息していると考えられますからあまり律儀に考える必要はありません。後段で述べますが、むしろ水槽内に意図的に炭素源を供給するような発想を持った脱窒素材もあるのです。

安全な脱窒を実現するために

 脱窒装置に炭素源を添加し、従属栄養細菌の増殖を促した場合、雑多な菌群が一斉に活動を始めます。 好気性、嫌気性を問わず、装置を通過する基質のボリュームに従ってコロニーが形成されます。バイオポールはそれ自体が水に溶けるのではなく、表面に定着した細菌が分泌する分解酵素によって侵食され、徐々に分子量の小さい水溶性の成分に変えられます。炭素源の下流側にある脱窒用濾材にはこの分子構造の炭素源を取り込む細菌群が急速に増殖し、濾材表面を覆うことで濾材の内奥部に嫌気的な環境を作り出します。この状態で初めて脱窒が開始されるのですが、当初は様々な菌種が雑居する状況ですので呼吸酵素のレベルの違いにより、還元を受けて生成される物質の中にはアンモニアや亜硝酸のような有毒物質も混じることになります。

 脱窒をする細菌の中にはもっぱら硝酸のみをターゲットにするものばかりでなく、亜硝酸や亜酸化窒素までをも還元できる多能なものも存在します。彼等は環境への適応力に優れた菌株と言えますから、やがて脱窒槽内部での優占種となるのではないかと想像しますが断言することはできません。また還元によって生じ たアンモニアや亜硝酸は従来の硝化槽に送られますから、結果として食糧事情が好転する硝化菌群の菌量も増加します。結局それやこれやで、脱窒槽が脱窒を始めた当初に必ず増加するアンモニ アや亜硝酸はやがて従来の検出量に戻りますが、一時的に危険なレベルに達する可能性もありますから、これに対する注意は十分にしなければなりません。

 未然に危険を回避する方策があるのであれば講じておくべきでしょう。デニボールの説明書には投入前に水換えを推奨する下りがあります。もともとの飼育水中の硝酸濃度が低ければ還元によって増加する危険物質のレベルを低く抑えられるということなのでしょう。投入量を少量ずつ追加せよとの注意書きも見られま す。おそらく危険物質への大量な還元を危惧してのことだと思われます。またデニボールのバイオポール含有量が100パーセントでないのは成形のための方便 ばかりでなく、「こなれにくくする」ことで、従属栄養細菌の爆発的な増殖をコントロールし、増殖スピードの遅い硝化細菌とのすり合わせを容易にしているとも考えられます。

 還元の結果もたらされたアンモニアや亜硝酸の速やかな硝化を促す意味で、脱窒槽からの処理水は既存の濾過槽へ導く方が安全でしょう。硝化槽では脱窒の初期に上昇するこれらの還元物質の絶対量に従って、硝化細菌の菌量も必然的に増加します。硝化槽のコンディションがそれを許さない状況にあるとするならば、 脱窒は危険きわまりないものになります。硝化槽の硝化能力が不足気味の場合には、くれぐれも注意が必要です。また脱窒槽に投入するバイオポールの量も、できることなら段階的に増やして行きたいところです。そのためにも形状の加工が容易であることは脱窒用炭素源としての重要な要素となります。

脱窒菌について

脱窒菌は有機物を利用して増殖する従属栄養細菌であり、また通性嫌気性細菌でもあります。好気的な条件下では遊離酸素を利用しますが、それがなくなるとNO2やNO3に結合している酸素を利用して呼吸します。この呼吸メカニズムを利用してアクアリウムの飼育水から硝酸塩を除去しようというのが脱窒の目的です。

窒素固定化する細菌には次のような種類が知られています。

 偏性(絶対)嫌気性細菌
 通性(条件)嫌気性細菌
 微好気性細菌
 光合成細菌(嫌気性、通性嫌気性)
 藍藻(微好気性、好気性)

これらの中で脱窒を目的としてアクアリウムに利用できるのは、コントロールの容易さから考えて主に通性(条件)嫌気性細菌であると思われます。将来的には偏性(絶対)嫌気性細菌を用いた方法論も検討される可能性もあります。

 通性嫌気性細菌は好気的条件下では酸素呼吸を行い、嫌気的条件下でのみ脱窒を行うと考えられていますが、その理由としては、以下の要因が想像されます。
々サづ条件下では脱窒反応を触媒する酵素系の合成が阻害される。
△垢任帽攸之呂合成されている場合でも酸素によって酵素系が不活化される。
E纏凖礎の経路が硝酸(嫌気条件)から酸素(好気条件)に切り替わる。
ぐ幣紊裡海弔陵廾の複合による。

 近年、脱窒細菌の細胞膜の硝酸に対する透過性が周囲の溶存酸素濃度により変化することが明らかにされ、酸素による脱窒の阻害の機構が重要であると考えられるようになりました。
 好気条件下では酸素呼吸の方が脱窒よりも熱力学的には有利なことは明らかです。しかし、好気条件下での脱窒が全く不可能なわけではありません。事実、酸素濃度が低い場合には酸素呼吸と脱窒が同時に行われる可能性も指摘されています。

 嫌気呼吸の一つである脱窒は最終電子受容体として硝酸(および他の酸化態窒素)を用い、酸素呼吸に次いでエネルギー効率が高いとされています。脱窒は硝化呼吸の一形式であり、

      NO3 → NO2 → NO → N2O → N2(窒素ガス)

と連続的に進行する異化的硝酸還元反応により硝酸を還元して分子状窒素を生成します。


脱窒菌の還元型

 海洋性脱窒細菌には次表に示すように、五つの還元型があることが知られています。

機き供き犬涼γ盒  : アンモニアや亜硝酸などの有毒物質に還元する 危険性を伴う
掘き垢涼γ盒  : 窒素ガスとして飼育水から窒素分を放出する アクアリウムには安全で最適 

全ての脱窒菌が窒素ガスを生成するわけではなく、窒素ガスを生成するのは靴鉢垢隆垳儀燭里澆任后機↓兇筬犬砲い燭辰討肋忙世ら亜硝酸に、亜硝酸からアンモニアに逆戻りする同化型還元を行いますので、硝酸塩は減っても亜硝酸やアンモニアが増加する危険きわまりない脱窒になってしまうこともあります。そのため飼育水槽では脱窒槽からの戻りは硝化槽に送ることが安全性確保のために必要となるのです。

脱窒菌の還元型と窒素ガス生成菌の割合

 脱窒菌の中では、硝酸や亜硝酸は還元するが窒素ガスを生成しない広義の脱窒菌(硝酸、亜硝酸還元細菌)のほうが圧倒的に多く、窒素ガスを生成する狭義の脱窒菌は全細菌数の数%前後かそれ以下と意外と少ないのが実態です。従って、アクアリウムに脱窒機能を導入する場合には、狭義の脱窒菌をいかに効率よく繁殖させるかが安全で確実な効果に直結してくることになります。
狭義の脱窒菌だけを増やすことは可能なのでしょうか。

市販の硝化菌や脱窒菌について
 市販の硝化菌を用いる目的には2つの考え方があります。
水槽立ち上げ時には濾過槽にはほとんど硝化菌がいません。硝化菌は増殖時間が長い(倍加には24〜48時間かかる)こともあって、有効な菌密度に達するまでにはかなりの時間を要します。その期間中には硝化菌による酸化量が不足気味となるため、アクアリウムの飼育生物は有毒物であるアンモニアや亜硝酸の脅威にさらされるこ とになります。これを防ぐために硝化菌の絶対量を、あらかじめ人為的に増やすというのが一つ目の目的です。
 濾過槽のコンディションは常にイコールではなく、何かの原因で硝化機能が阻害されることがあります。通常は亜硝酸を測定することで濾過槽のコンディショ ンを推測しますが、通常はほとんど検出されない亜硝酸濃度が急激に持ち上がることがあります。それは濾過槽の目詰まりや濾材量の不足などが原因となっていることが多いようです。このような場合には濾過槽をメンテナン スしたり、濾材を増やすなどの措置を講じますが、硝化菌の絶対量が不足している事態は変わりません。そのような非常事態に、急場の「助っ人」として硝化菌を添加することで、危機をしのぐような使い方が二つ目の目的になります。

 アクアリウムの濾過槽はアクアリウム自体の素材構成や給餌内容によって微妙に個性が生じるもので、そこでは自ずと個々の環境に最も順応した優占種が出現し、占拠することになります。人為的に添加した市販の硝化菌が、必ずしもその濾過槽に居着いて増殖を繰り返すかどうかは極めて不確実なもので、やがて他の硝化菌に凌駕されてしまうことも考えておかなければなりません。従って、市販の硝化菌はあくまでも一時しのぎの方便であって、商品のラベルに謳われているような素晴らしい浄化能力が、未来永劫保証されるものではありません。もし市販の硝化菌にこだわるのであれば、定期的かつ長期にわたって硝化菌を添加し続けることが必要と思われます。
 ちなみに市販の硝化菌(かなり曖昧な商品も大手を振って出回っています)は容器の中で休眠状態にあり、飼育水に添加してすぐに本来の活動を始めるというものではありません。中には菌体が見あたらないような詐欺まがいの商品もあるやに聞いています。また硝化菌は水中に浮遊している状態では、本来の硝化能力を十分には発揮できないようです。適当な基盤(濾材)の表面に定着し、増殖を重ねることで自らのクローンを周辺に形成して、コロニーと呼ばれる高密度の集団とならなければ目に見えた効果は現れません。その辺の事情に鑑みると硝化菌の添加には私自身否定的な見解をもっているのですが、脱窒菌に関してはその限りではありません。

こんなこともありました。

 脱窒エリアとなりうるように、水の動きが少なく有機物(生分解樹脂)を若干量充填した(酸素が消費され嫌気環境になりやすく、従属栄養細菌が増殖できる餌が豊富な)空間を水槽の一部に設けた水槽を作ってみました。
硝酸塩濃度の動向を定期的に測定していたところ、設置後しばらくの間は脱窒の効果が見受けられたのですが、徐々に硝酸塩の濃度が上昇し100ppm前後にまで高まってしまいました。当初はそのような空間の中では、対応できる窒素化合物の種類が多い祁燭里發里最終的に優占種となり、安定した脱窒が行われるのではないかと想像していたのですが、そこに増えたのはどうもそれ以外の広義の脱窒菌であったようです。
 そこで市販の脱窒菌を5ccほど脱窒エリアに添加したところ、何と驚くなかれ一晩の内に概ねゼロのレベル(もちろん亜硝酸もゼロ)にまで硝酸塩が激減したのです。
 市販の脱窒菌は各メーカーが狭義の脱窒菌を選別培養したものと思われますが、添加によって脱窒エリア内の祁燭發靴は昂燭涼γ盒櫃急激に勢力を伸ばし たのではないでしょうか。実はこれに用いたのはバイコムの脱窒菌でしたが、脱窒菌は従属栄養細菌ですから、硝化菌のように増殖に時間の掛かるものではなく、増殖条件さえ整っていれば極めて短期間のうちに生息密度を高め、所期の期待に応えてくれるもののようです。

 この経験で考えを改めたことは、脱窒機能を付加するには脱窒エリアをどのように構築するかと言うことだけでなく、そこに定着させる脱窒菌の種類も吟味しなければならないということです。
状況によっては市販の脱窒菌を添加し、脱窒エリアに住み着く従属栄養細菌群の組成にまで介入しなければならないこともあり得るようです。硝化菌と脱窒菌の大きな違いはその増殖スピードにあります。従属栄養細菌である脱窒菌は増殖条件さえ整えておけば、極めて短期間のうちに私たちが期待する脱窒機能をもたら してくれる可能性を秘めているように思います。ただし、一時的に増殖した脱窒菌が、その後も大手をふるって活躍してくれるかどうかは、硝化菌同様に不確定要素の高いものであることを知っておいていただきたいと思います。

生分解樹脂を脱窒素材に使うための基礎実験

(1)最もベーシックな方法 生分解樹脂を底砂に埋める。

 デニボールがもてはやされていた頃、底砂の中にボールを埋めるだけで脱窒が行われるという使い方が紹介されていました。確かにそれなりの効果はあったようですが、埋める深さや底砂の粒径などにより、必ずしも最善の結果が得られたわけではありません。

 ここで思い出して頂きたいのは脱窒の行われる溶存酸素の条件です。絶対的な嫌気環境下では脱窒よりも硫酸還元が勝り、脱窒は行われません。(硫化水素の発生が脱窒に寄与することはあります。)
 従って底砂の種類や粒径によって、埋める「最適の深さ」が異なるであろうことは皆さんにもご理解いただけるものと思います。
それが目で見えないから困っちゃうんだよねーとおっしゃるあなたにお教えしましょう。硫酸還元が行われているエリアでは「砂が黒くなる」のです。つまり埋めた生分解樹脂の周辺が黒くなるようであれば、深すぎます。砂の粒径が大きければ、かなり深く埋めても黒くはならないのですが、粒径が小さければ小さいほど、溶存酸素の供給が阻害されるため、数ミリの深さで硫酸還元が起きてしまいます。
 水槽の底砂に生分解樹脂を埋め込んで、脱窒を促すのであれば、試験的に底砂をコップのようなものに取り出し、様々な深さに樹脂を埋め込んでその後の変化を見比べれば、どの程度の深さに樹脂を埋めれば良いのかが視認できます。砂がややグレーがかった色になれば、少し硫酸還元が起き始めていると判断できます。実際の水槽では微妙な水流により底砂の内部にも酸素が供給されていますから、水流のないコップの中では硫酸還元寸前であったものが実際の水槽ではいく ぶん好気的になりますので、程良い「やや嫌気」のエリアとなります。

図1 底砂の粒径と樹脂板を埋設する深さの関係

(2)分解された樹脂成分はどこで消費される?

有機物への取り付き1

図2 生分解樹脂の外周に微生物が蝟集する

樹脂はまずその表面から分解され始めます。この作業に従事するのは樹脂の表面やその直近に定着した微生物(バクテリアとは限りません)であるはずです。彼らが放出する分解酵素によって分子構造の鎖を断ち切られた樹脂は水溶物となって彼らの体内に取り込まれます。しかし樹脂成分のすべてが直近の微生物に取り込まれるかどうかはわかりません。水溶物の何割かは拡散作用によって周辺に分散するでしょうし、分解エリアに水流が当たれば他所に流れ出る比率も高まるのではないでしょうか。
 当初樹脂の表面に定着し、樹脂成分を餌として増殖を開始した微生物は、やがてその外周にコロニーを肥厚させて行きます。コロニーの厚さが増すにつれて、 外周部の個体は自らが分解作用に加わらなくとも、樹脂の表面部で他の仲間が分解した樹脂成分によって成長して行くことが予想されます。

 当初樹脂の直近に住み着いた微生物が、好気下でしか生きられない種であるならば、やがて内奥部は彼らの生存に適さない環境となり、その多くが死滅するこ とになります。溶存酸素の供給量が減るに従って、そこに生き残れるのは通性嫌気の呼吸をすることのできる種ということになり、彼らのおこなう呼吸「硝酸呼吸」こそが私たちの求める「脱窒」のメカニズムとなるのです。

有機物への取り付き3                         
 図3 微生物は徐々にコロニーの厚さを増して行く



生分解樹脂が単独で水中にある場合と樹脂の周辺が砂や濾材などによって囲まれている場合とを比較してみましょう。

ペレット分解スタート

写真1 ペレット単独では分解が進まない

   写真1は生分解樹脂(バイオポール)のペレットをガラス容器内の水中に漬け込んだものです。水はグッピーを飼育している水槽のものを用いました。

エアレーションなしで放置していますが、1ヶ月を経過しても樹脂に変化が現れません。水が濁ることもありません。つまりほとんど分解されていない状況にあります。私の予想とは全く違った経過でしたので、樹脂の種類を間違えたかと思ったほどです。

下の写真2左側は貝化石粉末の底部に5cm四方の生分解樹脂板(約1.6g)を埋め込んだものです。若干の硫酸還元も行われているようで、砂の下方は貝化石の色が黒ずんでいます。透明度も高く水中にミジンコのような小型の生き物が多数動いているのが見えます。悪臭はなく、pHは8.0、硝酸塩は検出されま せん。(ともにテトラ試験紙)
 右側は約10gのペレットを貝化石粉末に混ぜて水中に入れたものです。貝化石の表面が黒く変色しているのは硫化水素の影響と思われます。水も透明度がなく、水面からはどぶの臭いがします。pHは7.5、硝酸塩は検出されません。
しかし生き物の気配はまったくありません。いわゆる富栄養の状態になったものと見受けられます。双方の容器とも手に持って振動を与えますと貝化石の表面から大量の気泡が浮んできます。

左側 生分解樹脂板1.6gを貝化石の最下層に敷いたもの
右側 生分解樹脂のペレット10gを貝化石粉末に混ぜていれたもの
ペレット分解4パターン
写真3 様々な素材と漬け込む

生分解樹脂のペレットをいろいろな素材と一緒に水に漬け込んだ1ヶ月後の様子です。素材を先に入れ、あとからその表面部にペレットを撒きました。水は中和処理をしていない水道水です。
〆限Δ和仂閥茲如▲撻譽奪箸里澆鯑れたものです。
樹脂が分解された様子はなく、水も透明度を維持しています。

∈犬ら2番目はアラゴナイトという商品名でペットショップで売られていた一見サンゴ砂に似たものを敷きました。
対照区に比較して心持ち濁りが感じられる程度で、明らかな分解を感じ取るまでには至っていません。

左から3番目は貝化石粉末のものです。
3種の中では最も分解が進み、水色も若干黄ばみを帯びています。

ず犬ら4番目はガラスリング状濾材を用いたものです。
 水の濁りは貝化石に引けを取りません。つまり分解そのものはかなり進んでいるように見受けられます。水底付近には白い澱(おり)のようなものが溜まっていますが、これがバクテリアのコロニーなのか、樹脂の分解物なのか判断ができません。貝化石と異なるところはリング状濾材は白い色を保ったままで、硫酸還元の発生を意味する黒化現象が全くないことです。濾過槽や水槽内では水流によってこれらの沈殿物は流され、とどまることはないのでしょうが、これがコロ ニーだとすると樹脂の分解はさらに加速されることになると思われます。当然黒化現象が起きても良さそうなものですが、そうならない理由がわかりません。この濾材の持つ未知の可能性のようなものを感じることとなりました。
容器を上から覗く
写真4 、い鰺憧鐓緤から見たところ

上の写真は同じ容器を水面から見たものです。
左側が貝化石の試験区です。水底の貝化石が黒く変色しているのがおわかりでしょうか。ペレットは貝化石に混ぜたのではなく、貝化石の上に撒いただけですが、明らかに硫酸還元が行われているようです。
これは大発見です。つまり貝化石の上に落ちたペレットは当初好気的な環境で従属栄養細菌に分解されますが、その進展に伴いペレット周辺の溶存酸素が消費され、かつ貝化石の内部(深部)ではそれが顕著で、表面部で水溶物とされた樹脂の成分が内部にまで拡散することで、容易に硫酸還元が起こったと推測されます。貝化石の粒子はかなり細かいので、表面からわずかな距離で酸素が消費され、かつその補充も十分ではないのでしょう。もちろん水槽の内部のように微妙な水流があれば、このような顕著な結果は出ないとは思いますが、このことから想像されるのは、水槽の底砂の部分ではごくわずかな砂の厚みの中に好気から嫌気 までの溶存酸素濃度環境が構築される可能性があるということです。
太鼓型水槽
写真5 円筒形水槽の外観

 円筒形の水槽の底部に短冊形に切った生分解樹脂を敷いてみました。この水槽ではアルテミアの幼生を飼育しており、餌には淡水クロレラとドライイーストを与えていますが、硝酸塩は検出されません(テトラの試験紙では色が変わりません)。


写真6 底砂の色の変化

この写真は水槽の底砂の部分を側面から撮影したものです。
水槽内は小さなエアレーションのみで、円筒の内面に沿った循環流が起きています。
ちょうど画面右下隅から気泡が上がり、その気泡によって動かされた水流が左側上方から底砂に向かって降りていると理解してください。(矢印のように)

 底砂はサンゴ砂の極細粒ですが、見事に色が分かれています。画面左側はサンゴ砂本来の色がそのまま残っています。右側は硫酸還元によって黒変したものです。水流が常に当たっている底砂の表面部は硝化菌をはじめとした好気性の微生物が占拠しているものと思われます。左側の砂の色が白く残っている部分は水槽 の左上方から降りてくる水流が底砂の内部にまで浸透し、溶存酸素を供給することで硫酸還元を抑制しているエリアと考えられます。それ以外の黒変した部分は 硫酸還元によってもたらされた硫化水素の作用で変色したものです。
 この結果から考えられることは、この水槽内では明らかに脱窒が行われており、その量が硝化を上回るか拮抗しているということです。砂が黒変している部分はおそらく絶対嫌気に近いエリアでしょう。本来の砂の色が残っている部分は絶対嫌気から「やや嫌気」を経て通常の溶存酸素量までの酸素濃度となっているはずです。その濃度勾配のどこかで脱窒が行われているのでしょう。
 底砂の最下方の樹脂板の周辺で硫酸還元が行われているのは明らかとしても、そこで分解され水溶物化した樹脂成分は底砂の上方に向かって拡散し、それぞれの溶存酸素濃度に応じた還元作用(脱窒、硫酸還元)に用いられていることが想像されます。
 つまりサンゴ砂の極細粒のようにかなり目合いの小さな粒子であっても、樹脂の水溶物は通過して拡散すること、水流があれば溶存酸素も底砂の一定の深さまで浸透することが底砂の色と硝酸塩濃度から証明されたわけです。


様々な予備実験の事象から次のような推論をしてみました。

 \己解樹脂はむき出しの状態よりも、底砂や濾材のような微生物の定着基盤に接触させた方が分解を受けやすい。それは、分解に関与する微生物が隣接して大量に維持される結果と思われる。

◆…貂修領碍造筝みの違いは溶存酸素の物理的な通過条件として捉えることもできるが、むしろ底砂は様々な微生物の生息場所でもあり、その表面部を最大の密度として好気性の微生物が生息しており、深部になればなるほど溶存酸素は消費されて到達量が減少すると考えられる。このような生物学的な通過条件も加味すると、底砂の内部ではそれぞれの酸素濃度に適合した様々な還元作用がなされる条件がすでに成立していると考えられる。

 微生物によって分解された樹脂の溶出成分は、一部は分解に関与した生物によって消費されるが、すべてが消費される訳ではなく拡散の原理や水流の影響などから、水槽内の各所に到達するはずである。その量は樹脂量やバクテリアの生息基盤となる素材の違い、通過する底砂の粒径などに左右されるものと思われ る。

ぁ´△両魴鏖爾豊の溶出成分が到達すれば、脱窒もしくは硫酸還元がなされる可能性がある。すなわち水槽の底砂部分においては溶存酸素の濃度として潜在的に脱窒もしくは硫酸還元が起こりうる条件がすでに成立しており、それが水質的に顕著な数値として認識されないのは脱窒のもう一つの条件である有機物(炭素源)の供給量が微量であるからだと思われる。
 脱窒量<硝化量であれば、硝酸塩は蓄積し続け、蓄積カーブが緩やかになるだけである。通常の水槽環境下でも脱窒は硝化と平行して行われているが、脱窒量>硝化量となるほどの有機物の供給がなされないので、脱窒の実態が認識されにくいのであろう。事実硝酸塩のたまり具合が遅い(脱窒量の多い)水槽というものには経験的に何度も遭遇している。その差異は有機物の供給量もしくはそれらを脱窒の原材料として活用できるかどうかの濾材や底砂の形状の違いによってもたらされると思われる。

ァ\己解樹脂が水槽内の底砂のような、少なくとも樹脂の分解エリアとして有効な部位に埋設された場合、そこから供給される溶出成分(有機物)によって埋設場所付近において、もしくは溶出成分が到達する他の場所において脱窒もしくは硫酸還元が促される。

生分解樹脂

脱窒の機序についてもう一度考察を加えます

 硝化細菌は窒素化合物(アンモニアや亜硝酸)や炭酸ガスなどの無機物から生活に必要な要素を取り込む無機栄養の生活様式をとるため、水槽という特殊な環境は彼等にとって絶好の生息環境となります。一方、脱窒の主役である従属栄養細菌は外部から餌となる有機物を取り込み、体の構成材料やエネルギーとして用いる生活様式を持っています。これを従属栄養と呼びます。水槽環境では彼等に必要な有機物が決して潤沢ではないため、その生息量は有機物の供給量によって制約を受けることになります。

 脱窒に炭素源が必要であることのそもそもの意味は、脱窒を行ういわゆる脱窒菌が従属栄養細菌であり、彼等が生存し増殖するためには餌となる有機物という形の炭素源が必要であるということに尽きます。

 一方、脱窒は従属栄養細菌全てが行うものではなく、嫌気環境でも生息が可能な通性嫌気細菌群が、必要に応じて行う生き残るための裏技とでも考えておくべきです。これは好気性生物の人間の発想ですから、本当は通性嫌気呼吸が本業で、好気呼吸が裏技であるのかもしれません。不思議な話ですが、通性嫌気細菌の 増殖率は、好気条件下でも硝酸の存在する環境の方が存在しない環境でのそれを上回ることが明らかになっています。つまり好気と嫌気の双方の生活力を同時に示すことがあり、嫌気の分だけより多く増殖するのです。

 細菌類が利用可能な有機物(炭素源)としては様々なもの(糖類、アルコール類など)が考えられますが、その分子構造は水溶物という形でなければなりません。脱窒を促すためには脱窒能力を持った細菌群(以後脱窒菌と呼ぶ)を増やし、かつ脱窒作用を行う際のエネルギーともなる有機物を供与することが必要となります。間欠的に一定濃度の水溶物を与えるのが良いのか、固形物という形で投入しておき、細菌類自身に必要量を分解させる方が良いのか一長一短あるようですが、水槽を管理する(私を含めた多くの不精者の)立場としては固形物を常時投入しておく方が何かと楽であり、かつ何よりも安上がりです。
 バイオポールは微生物が作り出す貯蔵物質がその由来です。従って多くの細菌類がこれを分解するための酵素を持ち、餌(炭素源)として活用できることが明らかになっています。水槽内の従属栄養細菌に固形物として与える有機物の候補としてはバイオポールを主成分とした生分解樹脂が最も妥当な選択肢になるものと思われます。

 生分解樹脂を脱窒菌の餌として活用するためには、まず樹脂を細菌類が餌として取り込める小さな分子構造に分解する過程が必要です。ここでは好気性、嫌気性を問わず多くの従属栄養細菌群が樹脂表面に生物膜を作ることにより分解作用を受け持ちます。次いで実際に脱窒に関与する脱窒菌の絶対量を維持し、効率よく通性嫌気呼吸をさせるための溶存酸素の少ない還元環境を構築しなければなりません。

 市販のデニボールに見られる多層のヒダヒダは、生物膜が水流によってはぎ取られるのを防ぐ水の停滞域を作る効果が高いのではないかと考えています。まず好気性細菌が定着して生物膜が作られると、通過水の剥離作用を受けにくいヒダの間隙では生物膜の成長に伴い、溶存酸素を利用しやすい表面部とそうでない内奥部との間にはミクロな酸素勾配が形成されます。内奥部では必然的に通性嫌気性細菌の比率が増えて行くのではないかと思われます。
デニボール
写真1 デニボール

 当初デニボールから樹脂成分を溶かし出す役割は、好気性の従属栄養細菌であったはずですが、生物膜の厚みが増すにつれ、やがて樹脂に隣接して生息することのできる通性嫌気性細菌(遊離酸素の供給量が少なくなるので、通性嫌気呼吸ができる細菌群でないと、そのような場所では生きて行けない)がその役割を果たすようになると想像しています。

 すなわちデニボールは、多くの従属栄養細菌の繁殖を促す「餌」としての組成の他に、細菌群の「繁殖場所」としての形状を合わせた2つの意味合いで考えなければなりません。デニボール単独でも脱窒がなされる理由は材質のみの効果ではなく、閉塞域を作りやすいそのヒダ構造が大きな意味を持っているのだと思い ます。大変よく考えられた形状だと感心します。従ってデニボールのようなヒダヒダを持たない単なる樹脂板を用いる場合、水流によって生物膜を剥離させず、 脱窒菌の占有率を高めるための工夫が必要となります。
 細菌群が増えるに従って、通性嫌気性細菌(完全な脱窒に至らないまでも還元だけは行う)の比率が高まり、さらには完全脱窒をするいわゆる脱窒菌が優占種となる必然性が求められることになります。


 脱窒の試みをされる方には是非とも知っておいていただきたいことがあります。脱窒は細菌による還元作用によってもたらされる現象であり、最終的に窒素ガスとして大気中に放散される場合も、同化還元的にアンモニアに戻る場合も、その還元過程では必ず亜硝酸という中間物質を経るということです。

    
NO3→ NO2→ NO→ N2O→ N2    異化還元
         ↓
         NH3       同化還元


硝酸が減っても亜硝酸やアンモニアが増加したのでは危険が増すばかりで何の意味もありません。従って脱窒装置を稼働させた当初、必然的に増加する危険物質は、再度硝化過程に送り込むのが賢明な安全弁と考えておいて下さい。

 必ず上昇する亜硝酸濃度ですが、いつまでも危険濃度を維持する訳ではありません。なぜならば、亜硝酸の絶対量が増えれば、それを基質とする亜硝酸酸化細菌も必然的に増え、やがて亜硝酸の生成量に見合ったボリュームになるからです。ただ残念ながら亜硝酸酸化細菌の増殖スピードが大変遅いため、その均衡が成立するまでに若干のタイムラグが生じてしまうということなのです。私の経験では2週間から1ヵ月程度で平常値に戻ります。この間は新規に濾過槽を立ち上げるのと同じような経過となりますから、亜硝酸によるトラブルを懸念される場合には、脱窒させる飼育水の硝酸濃度をあらかじめ(水換えによって)下げておかれるのも良いでしょうし、装置に充填する生分解樹脂を少量から始め、徐々に増やして行くのも良いでしょう。

 装置を通過する飼育水は、強弱の差はあっても生物膜の表面を流れる訳ですから、水溶物となった樹脂成分の何割かは水流に乗って脱窒エリアから外部に流れ出ることは避けられません。それが分解量の何%になるのかはわかりませんが、水流の強弱や樹脂の形状、そして樹脂成分を消費する生物膜の厚さなどが微妙にかかわってくるものと思われます。

 唯一懸念される事態は、水溶性となった樹脂成分は病原菌のような細菌類にとっても餌となりうる物質ですから、彼等の増殖を促すこともない話ではありません。しかしこれまでデニボールの利用者から病気が出やすくなったというクレームは1件も聞こえて来ませんので、トラブルを引き起こす可能性はほとんどないと考えてます。
 いずれにしても生分解樹脂の分解成分は脱窒菌の餌として用いる訳ですから、積極的に水槽内に還流させることは本来の目的外のことですので、その功罪についても推論を立てておくことにしましょう。


バイオポールとは

 プラスチックは生活や産業、医療など、あらゆる分野で幅広く役立っています。しかし、使用済みプラスチッ クの処分は、プラスチックがあまりにも安定な物質であるため、大きな環境問題となってきています。一方、天然にある素材をポリマー化して、いわゆる生態系での生分解を意図した研究が近年盛んになってきました。
生分解性プラスチックは次の6つのグループに大別されます。

○生分解性プラスチック
 1.微生物が作り出すもの:
       ヒドロキシブチレート(PHB)とその誘導体
 2.天然にあるもの: 酢酸セルロース・ニトロセルロース
 3.合成でできるもの: ポリエステル−ナイロン共重合体
 4.天然−合成高分子の複合体:
       アミロース−ポリエステル共重合体

○ 生物崩壊性プラスチック
 5.でんぷん−ポリエステルのブレンド体
 6.脂肪族ポリエステル−汎用プラスチックのブレンド体

 これらの樹脂の中でバクテリアに最も分解されやすいのは 1 のグループの 「ポリヒドロキシ酪酸」 (以下このポリマーを[P(3HB)]と略記します)ですが、モノマーユニットが ヒドロキシ酪酸 だけのものは融点と熱分解温度が近すぎて成形しにくく、又構造材としてみた場合、脆いなどの欠点があるため、3HBに少しだけ3HV(ヒドロキシバリレー ト:ヒドロキシ吉草酸)をランダム共重合させたタイプのものが、1982年に英国ICI社で開発され、1993年以降ICIから分社化したゼネカ社から 「バイオポール」(Biopol)の名称で販売されています。

 P(3HB)は、原核生物のみに存在する生体高分子で、菌が餌にありつけない非常時にこれを酵素で加水分解して利用し、生き延びるための菌体内貯蔵物質です。P(3HB)は1925年に巨大枯草菌(Bacillus megaterium)の菌体から初めて発見されたそうですが、今ではP(3HB)を合成するものとして、枯草菌(Bacillus属の一部)の外、
水素細菌(Alcaligenes属)
窒素固定菌(Azotobacter群)
土壌菌(Pseudomonas属の多種)
根粒菌(Rhizobium属)
藍藻の一部(Aphanothece)
光合成細菌(Rhodospirillum属)
メタノール資化菌(Methylobacterium)
2種類の腸内細菌
など100種以上の原核微生物が発見されています。

 P(3HB)を合成出来るものは当然、その分解酵素である 《PHBデポリメラーゼ》 を保有していることになり、幅広い菌種でP(3HB)が認められることは、P(3HB)が脱窒菌用の炭素源としての有効性を示唆するものです。


上記バイオポールについての解説は上野 隆史氏のホームページ (Wild Discus 飼育の為の)「水質管理の基礎科学大綱」を参考にさせて頂きました。

最新の脱窒用素材と使い方

 樹脂を底砂に埋めれば、樹脂の成分が微生物の出す分解酵素によって分解され、水溶物となって微生物に利用されること、水溶物は樹脂の周辺から水槽内に拡散することなどがおぼろげながらわかってきました。
そこで、市販の脱窒用素材がどのようなもので、どのような使われ方をしているのかを知っておくのも参考になると思いますので、最新の情報を拾ってみました。

(1) ご存じ「デニボール」のその後

 デニボールはバイオポールを使った脱窒用の商品でしたが、ヒダヒダのある独特の形状がどうやら味噌であったようで、樹脂からの有機物の供給とヒダヒダの間にできる脱窒生物のコロニーとの組み合わせによって脱窒のメカニズムが構築されるものでした。後半デニボックスなる脱窒専用の容器が販売されましたが、容器への注水量がそれまでの脱窒の概念よりもかなり多いにもかかわらず、効果が認められたことを記憶しています。
 どういう事情があったのかは知りませんが、現在は市場にデニボールという商品は存在しません。
 デニボールを最初に売り出した(有)野辺商会は、脱窒用の素材の分野では老舗的存在ですが、最近はデニボールの販売を中止し、バクトパワーやデニパック なる商品を販売しています。外見から見る限りは生分解樹脂(バイオポールかどうかは定かでありません)を特殊な形状に加工したもののように見受けられます。バクトパワーは底砂に埋めて使います。デニパックは同じような樹脂素材が不織布の袋に入っています。こちらは「埋めなくても使えます」とうたわれてい ます。



写真7 バクトパワー    写真8 デニパック
     
   
 野辺商会の説明書やホームページには脱窒を行うのは「嫌気性の土壌菌」との記載がありますが、同社で販売している脱窒菌「デニバクト」の解説には偏性嫌気性細菌群とあります。この「偏性」の部分はずいぶん前から変わりませんので、実際にその通りなのか、あるいは重大な錯誤があるのか良くわかりません。デニバクトが通性嫌気性の従属栄養細菌とは違うものだとすれば、バクトパワーやデニパックは偏性嫌気性細菌群に特化した商品なのかもしれません。
そうであるならば、バクトパワーを埋め込む深さは深ければ深いほど良いことになると考えられます。



(2) ナイトレイトマイナス

 テトラ社が販売しているリキッドタイプの脱窒素材です。以前は生分解樹脂と思われる顆粒状のものでしたが、その形状のものは姿を消して現在は液体状のものだけになってしまいました。中身はやや白濁した液体の中に白い微粉末が混じっています。水溶性の有機物を容器内で長期に保存することは難しいと思いますので、単純に樹脂の微粒子だけなのかもしれません。使用前によく振ってくださいとあるのはそれを裏付けます。リキッドにした理由は添加量の計量が簡単になるなどのメリットがあるのでしょう。水槽内に滴下しますと、微粉末が広がりながら水底に落ちて行くのが視認できます。ラベルの説明には「脱窒細菌を繁殖させる微粒子からなる液体」と書いてあります。溶液と見まごうほどの微細な固形物なのだと思いますが、 その微粒子は水槽内の各所に分散し、水槽内にもともと住み着いている従属栄養を行う様々な微生物によって分解され、彼らの餌になるのでしょう。当然のことながら脱窒に関与する微生物にも取り込まれ、彼らの増殖を促すとともに、程良い嫌気環境を作りだし、脱窒のエネルギー源ともなるのだと思います。
 成分を固形物としたのは、水中での分解時間を見込んでのものと考えられます。なぜならば水溶物であれば、水中の様々な微生物が添加と同時に一気に増殖を始め、収拾のつかない事態が起きることが懸念されるからです。水槽に砂糖やアルコールなどを入れるとそれに近い現象が起きます。いったん水溶物に分解されなければ微生物が利用できない「微細な固形物」としたところにテトラ社のノウハウがあるように思います。

 写真9 ナイトレイトマイナス
 水溶性の有機物の添加は、量を誤れば飼育水の白濁や酸欠をもたらすなど、水生生物を飼育する「水槽」という特殊な環境ではあまりにもリスキーな手段でありましたが、それを微細な固形物にしたことでよりコントローラブルにしたナイトレイトマイナスは、私たちが壁にぶつかっていた脱窒方法に一石を投じたように思われてなりません。


ナイトレイトマイナスのメカニズムは次のようなものだと想像します。

 .淵ぅ肇譽ぅ肇泪ぅ淵垢魃造箸靴得歇茲垢襪里蓮⊃總綟發能沼葦浜寨夕阿鬚箸襪垢戮討糧生物である(バクテリアとは限らない)。
◆.淵ぅ肇譽ぅ肇泪ぅ淵垢亮臉分がすべて固形物であるとすれば、それらは水底部に沈降し、底砂表面や内奥部に生息する微生物により分解を受けることになる。浮遊性の微生物は直接利用することはできないが、水底部で分解された水溶物が飼育水に拡散されればその限りではない。ただし、浮遊している微生物は硝酸呼吸に移行する溶存酸素の条件がないので、脱窒には寄与しない。その分は全くのロスとなるが、水底周辺にコロニーを作っているものであれば溶存酸素を減らす役割の一端を担うことにはなる。
 固形物とはいえ添加量が過剰であれば、微生物の急激な増殖を招き、水槽環境の急変が懸念される。飼育水量に対する添加量と添加間隔が明示されているのは、そのような事態を防ぐためと考えられる。
ぁ‥魂担岾屬錬噂鬼屬般声┐気譴討い襦それは成分の固形物が水溶物に分解され、消費し尽くされるのに要する時間と考えられる。
ァ|γ發亡麝燭垢詒生物の増殖を促すという発想であるが、説明書には脱窒の一方の条件である嫌気環境へのこだわりが触れられていない。それはすなわち水槽環境の中にはその程度の酸素勾配はいくらでもあるということなのか、ナイトレイトマイナスを投入すればいくらでも作れるということなのであろう。
 主成分の微粒子が底砂の間隙に沈降し消費される過程では周辺の溶存酸素濃度も必然的に低下することが予想される。固形物の大きさを微粒子とした意図は小さければ小さいほど深く狭い間隙に沈降し、結果として溶存酸素の低下を実現しやすいのであろう。

図4 底砂の間隙に到達する樹脂の粒径
 従来の脱窒手法では「やや嫌気な酸素条件下」の「通性嫌気性の従属栄養細菌」に「水溶物となった有機物」を与えることで「硝酸呼吸を促す」のが脱窒であるとされていたのですが、テトラ社の発想は、そのような条件設定にこだわる必要はなく、飼育水に一定の濃度で「水溶物となりうる微粒子(固形物)の有機物」を添加すれば、あとはそれを利用する微生物の側で何とか帳尻を合わせて脱窒にまで持ち込んでくれるというもののようです。すなわち水槽そのものが巨大な脱窒エリアとして機能する可能性を示唆していることになります。
 目から鱗が落ちるようではありませんか。話はずいぶん簡単になってしまいました。
テトラ社の発想は微粒子の生分解樹脂を水槽内の任意の場所で分解させ、その周辺に脱窒エリアを出現させようというものです。もっとラフに考えるなら、生分解樹脂のペレットを水底にばらまくだけでも何とかなってしまうのかもしれません。

 ナイトレイトマイナスは水槽という特殊な環境下では常に不足状態にあった脱窒菌の餌となる有機物を、脱窒の起こりやすい水底の間隙に到達できる微粒子という形状にして、定期的に投入するという商品のようです。この手法は従来の脱窒手法を根底から覆す大変ユニークな発想といわざるを得ません。

(3) 活性底面ボックス

 この装置は大阪府の藤井寺市にある海水館というショップが提唱・販売している脱窒のための装置です。外周に穴を開けた小さなボックスの内壁をウレタンフォーム(スポンジ)で囲い、その中に生分解樹脂が充填されたものです。またその発展型としてサンゴ砂と樹脂を一定の割合で充填したカルシウムリアクタータイプのものも考案されています。内部には生分解樹脂のペレットとおぼしきものが約150gほど充填 されています。ペレットの色合いはバイオポールよりも黄色みの強いものです。詰め替え用の生分解樹脂には同店のオリジナルのものやテトラのナイトレイトマ イナスの旧タイプ(顆粒状のもの、すでに販売終了)が推奨されています。
 装置内の生分解樹脂が微生物により分解される過程で必然的に起きる溶存酸素量の低下とあいまって脱窒が行われるというもののようです。装置の外周がウレタンフォームで囲われているのは、装置内の溶存酸素濃度を絶対的な嫌気環境にしないことと、微生物によって分解を受けた樹脂の水溶物を装置の外部に拡散させるという2つの要件を可能にしているように思われます。脱窒が装置内でのみ行われているのかどうかは定かではありませんが、水槽内の他のエリアで行われるかもしれない分も含め、明らかに脱窒が起きるという効果は多くの販売実績から実証されているようです。
価格も手ごろなところ(2200円)に抑えられており、良心的な販売姿勢が感じられます。また脱窒が併せ持つ危険性についても注意が喚起されていますので、信頼性の高い商品のように思えます。

写真10 活性底面ボックス

 この商品のメカニズムは次のようなものと思われます。

 \己解樹脂を適当な容器に入れて飼育水に漬け込むことで、従属栄養を行う微生物の働きによって樹脂を分解する。
◆ー脂の成分は装置内に住み着いた微生物の餌となり、その増殖に伴って樹脂周辺の溶存酸素が消費され、硝酸呼吸(脱窒)が促される。
 ウレタンフォームは微生物の生息基盤としても有意なもので、やがて表面や内部には微生物のコロニーが形成されるものと思われる。ただしコロニーが肥厚すれば、ウレタンフォームの通水性が失われ、最悪の場合は装置の内部が完全な嫌気状態となり、硫酸還元の場になってしまう可能性もある。そのような状況下では飼育水に触れる機会の多いフォームの表面やその内部にのみ程良い「やや嫌気」な酸素濃度がもたらされ、脱窒はもっぱら装置の外周部で行われることになると思われる。
ぁ“生物の分解により生産された水溶性の樹脂成分はウレタンフォームを経て装置外に拡散する可能性がある。水槽内に供給された樹脂成分は大部分が好気性の従属栄養細菌によって消費されるのであろうが、溶存酸素濃度の希薄なエリアに到着したものが脱窒に寄与する可能性もある。

 この装置には注排水機能がありません。すなわち装置の内外への飼育水の移動は成分濃度の違いによる「拡散」にのみ委ねられているようです。樹脂成分の外部への拡散も可能性としてはあるわけで、ナイトレイトマイナスに共通する水槽内の他所での脱窒にも関与しているかもしれませんが、それを知る術がありませ ん。


(4) 脱窒商品群から読み取れる脱窒への考え方

 今回とりあげた3種類の脱窒商品のメカニズムについて考察を加えましたが、それらの商品に共通する脱窒への考え方を整理してみましょう。

 |γ發防要な炭素源(有機物)としては3種とも生分解樹脂を用いている。

◆\己解樹脂は水槽内の微生物が放出する分解酵素によって分解される。
 脱窒に関与するのは水槽内にもともと生息している通性嫌気性微生物であると考えたい。野辺商会のデニバクトは偏性嫌気性細菌と自称しているが、あくまでも補完的な位置付けでそれが脱窒の絶対的な条件とはされていない。

 脱窒に必要な嫌気環境の構築は微生物の呼吸による溶存酸素の消費に委ね、人為的な酸素濃度への働きかけをしていない。
 従来の脱窒装置に見られるような特殊な閉鎖空間や注水量の制御などという条件設定は求められていない。テトラ社に至っては装置そのものを必要とせず、水槽内に生分解樹脂の微粒子を散布することで、水槽内の様々な空間において必然的に脱窒が喚起されると考えているようである。



 脱窒装置の在り方

 今回いくつかの脱窒素材の考え方に触れるにつれ、脱窒の分野に吹き始めた新しい風を感じることとなりました。
 一つは溶存酸素濃度への考え方です。従来はその一事のために随分と凝った、あるいは精密な空間を構築しようとすることがありましたが、どうやらそれは無用のことであったようです。人為的に構築しようとしていた溶存酸素環境などというものは、微生物の呼吸や増殖量によって自然とできあがってしまうもので、 もっとラフに考えるべきことのようです。
 ナイトレイトマイナスの基本的な発想は「水底そのものを脱窒エリアにすることができる」というものであると思われます。それが真実とするならば、脱窒のための装置やエリアは、その内部における脱窒のみにとらわれるべきではなく、それらの空間から水溶物となった有機物が外部(水槽内)に供給されるような構造にすることで、水底という巨大な脱窒エリアをも獲得することができるかもしれません。
 これらの前提に則って次に脱窒装置の構想を練ってみましょう。


脱窒装置の構想

(1)有機物の供給素材
 現在までのところ、生分解樹脂が最も安全で取り扱いの楽なものに思えます。なぜならもともとが固形物で、微生物からの分解作用を受けた量だけを水溶物として供給することができるからです。
 中でもバイオポールは微生物由来の樹脂で、その分解酵素を持つ生物相の豊富なことから生分解性をうたっている樹脂の中でも被分解性の点で右に出るものはないと思われます。

 .丱ぅポールペレット

バイオポールの原料です。直径、長さとも3mmほどのペレット形状をしています。水に沈みますので、水中での扱いに問題はないと思われます。
予備実験では単独で水中に没してもなかなか分解が始まらないことが明らかになりました。ガラスリング状濾材や貝化石などに隣接させると極めて効率の良い「こなれ方」をします。一方、樹脂板に比べて表面積が大きいため、分解が始まればそのスピードは速いようです。
工夫をすれば、水槽内にばらまいてしまうようなラフな使い方が可能かもしれません。

◆.丱ぅポール樹脂板

バイオポールを板状に加工したものです。厚さは50ミクロン、下敷きのようなものです。カッターやハサミで簡単に切れますので、任意の形状に加工できます。
ペレットに比べると相対的に表面積が少ないことになります。これは分解スピードをコントロールして水質の急変を防ぐという意味では有利な一面と考えられます。亜硝酸によるダメージを懸念される場合は急激な分解を受けにくい樹脂板の方が安心でしょう。底砂に埋め込むような使い方では誠に勝手がよいものです。

誠に申し訳ございません。皆様のご支持が高かったせいか好評のうちに完売となってしまいました。


 その他の生分解樹脂
 基本的にはバイオポールと同様な使い方が可能かもしれません。以前トウモロコシから作られた樹脂を試したことがありますが、被分解性ではバイオポールに及びませんでした。日進月歩の世の中ですから、やがてバイオポールを凌駕する素材があらわれると思います。


(2)樹脂に隣接させる素材
 生分解樹脂を速やかに分解させるには、どうやら微生物の生息基盤に隣接していた方が効率が良いようです。樹脂の表面はそれを分解する微生物にとっても定着しにくい一面を持っているのかもしれません。
 生息基盤としては貝化石粉末のように素材の粒径が小さい方が嫌気環境が作りやすく、脱窒や硫酸還元の効率が良いようです。逆に微生物の働きによって水溶物となった樹脂成分を外部に供給することを優先するのであれば、通水性などが考慮された人工濾材の方が効果的と思われます。
 また海水館ではサンゴ砂をともに充填することで、カルシウムリアクターとしての展開もされているようですので、樹脂のみならず隣接素材自身からの溶出成分、特に樹脂の分解に際して発生する炭酸ガスによって溶け出す無機成分にも意を払う必要があるでしょう。カルシウムリアクターとしての機能を強化するのであれば、サンゴ砂をアラゴナイトや貝化石に替えるのも一考でしょう。逆に硬度物質を排除しなければならない水草水槽のような水槽では、溶出成分の少ないセ ラミックやガラスの濾材を用いるべきでしょう。 

 .汽鵐敢
 一般的な海水魚や無脊椎動物を飼育する水槽では最も使い勝手の良いものとなるでしょう。価格も手ごろで、様々な粒径がそろっていることから工夫をしやすい素材と考えられます。

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 市販されているものは個人的にはべらぼうな価格だと思いますが、使用量はわずかなものですから5kgも買えば一生使える量になるでしょう。サンゴ砂よりも高いpHで溶けると商品説明にありますので、カルシウムリアクター的な使い方をされるのであれば、非常に効率の良いものになるかもしれません。

 貝化石
 DIYのお店や園芸店で土壌改良材として粉末のものが売られています。このルートですと、価格も安く気軽に使えると思います。効果はアラゴナイトを上回りますが、粒径の細かいものが主流となっていますので、硫酸還元を起こしやすい一面があります。

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 何も溶け出さないというのが水草用の底砂のうたい文句ですから、素材からの溶出物を嫌う場合には選択肢に入ってきます。園芸用の鹿沼土や赤玉土なども安価で使いやすいかもしれません。土壌類を使う場合には、やがてくずれて細かい粒径になってしまうことを知っておいてください。

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 何も溶け出さないことを特徴としているものもあれば、溶出物によって意図的にpHをコントロールすることで差別化をしているものもあります。
セラミックやガラスなどを主原料とするものが多いようですが、そもそも濾過細菌の定着能を前提にしているものですから、脱窒に関与する微生物にとっても相性は良いはずです。また濾材の形状によっては連続孔の豊富なものなどもあり、溶存酸素の面では脱窒条件が作りやすいと思われます。
 いわゆる目詰まりを回避する意味で、水の通りの良い形状となっているものも多く、樹脂の水溶物を水槽内に供給する用途には使い勝手がよいのではないでしょうか。


(3)どのような形状にすればよいのか
 再三述べてきましたが、これからの脱窒装置は装置の内部で脱窒を行う「還元空間」としての機能と、水槽内に生分解樹脂の溶解成分を供給する「分解・溶出空間」の二つの機能を併せ持つべきだと考えます。その意味で、

 ゞ間の内外が閉塞しない形状や素材でできているもの

◆ー脂の溶出物を空間外に排出する機能を持ったもの

のいずれか、もしくはその折衷型になると思われます。
 サンプや水槽内に置く(漬け込む)タイプのものは装置内外の飼育水の移動が容易なものが望ましいでしょう。ただし外部との通過量が多すぎると、内部の酸素濃度が下げられず、好気性の微生物ばかりが繁殖する空間になってしまうかもしれません。当然装置内での脱窒の効率は悪くなりますが、装置の外部に樹脂の溶出物を供給するという意図に徹するのであれば、それもまた一つの選択肢になるのかもしれません。
 構造的にはハードな容器である必要はなく、ウレタンフォームや不織布の袋に包んだようなものでも最低限の機能は発揮されると思います。設置場所はサンプ内などが人の目につくこともなく、かつ亜硝酸をコントロールする意味でも安全な場所と思われます。
 近年ナチュラルシステムの普及とともに、せっかくのサンプに濾材が入っていない水槽が増えてきましたが、脱窒システムを組み込むのであれば、脱窒エリア兼硝化エリアとして、サンプには濾材を入れた方が理にかなうと思います。テトラ社の発想のように水槽全体が巨大な脱窒エリアあると考えるならば、サンプも水槽の延長ととらえ、床面積を増やす意味で活用することは決してマイナスにはならないと思いますが、いかがでしょうか。

4)おまけの情報

弊社が販売している二価鉄の水溶液「二価の鉄」を規定量添加すると脱窒の効率が高まることが確認されています。一般的な水槽内の飼育水には鉄イオンが欠乏していることが大部分です。その結果硝化菌も脱窒菌も鉄不足にあえいでいることが想像されます。

また脱窒に際してバクテリアが用いる硝酸還元酵素や亜硝酸還元酵素の構成要素には鉄が必須の成分として用いられています。鉄が不足しているとそれらの酵素が十分に作れないため脱窒の効率そのもののが落ちてしまうことがあるようです。

これから脱窒に手を染めてみようとお考えの方はもちろん、既に脱窒にチャレンジされている方も二価鉄イオンの効果の程をお試し下さい。


生分解樹脂の使い方

底砂への埋設

デニボールのベーシックな使い方と同様に砂に埋めて使います。
程良い短冊形に切ってお使いください。水槽の底面と平行(最適な深さであれば最も有効)でも垂直(底砂内部の溶存酸素量に応じて消費する微生物群の組成を広く捉えることができる)でももかまいません。
おそらく底砂の材質や粒径によって埋めるのに最適な深さが変わるはずです。(あまり神経質にならなくとも大丈夫です)
砂地からはみ出た部分は脱窒にあまり寄与しない好気性細菌のみが利用することになると思いますので、すべてが砂に埋まるようにした方が無駄がないと思います。
底面フィルターを稼働させている場合には効果が出にくい場合があります。
プレナムをお使いの方は、その真上あたりがベストかと思います。

ホタル幼虫育成槽への導入

1 まずバットやコンテナの底隅に4〜5cm幅に切った生分解樹脂板を敷きます。

2 樹脂板の上部に貝化石粉末(DIYのお店で5kg袋が500円前後で買えます)を最深部で3cm位の厚さになるようにかぶせます。
アバウトで構いません。反対側の隅が薄くなるような斜面とします。
3 容器に水を張り、幼虫を放します。

ホタルの幼虫は体外消化をしますので、給餌直後(特に冷凍餌を与えた場合に多い)餌からの溶出物により飼育水の粘性が高くなります。エアレーションの泡が消えにくくなることで、それが分かります。
通常は水換えで対応しますが、このシステムでは翌日には元のサラサラな泡に戻ります。

脱窒の機能が備われば、硝酸塩の濃度も常に低い状態が維持されます。
樹脂板の上方を掘ると貝化石が黒くなっているのが見えます。おそらく硫化水素が出ている結果だと思いますが、幼虫はそのことにはあまりこだわりがないようで、夜間には平気でその周辺を動き回っています。 貝化石を底に敷くと当初は水の濁りが気になりますが、バクテリアの増加に伴い透明度が増します。やがて多少かき回してもすぐに濁りがおさまるようになります。
ホタルの幼虫にとどまることなく、他の魚類の水槽にも応用が利くと思いますが、いかがでしょうか。
どうぞお試しあれ!

作ってみました脱窒装置

とりあえず、シンプルに安く作ることを念頭に置いた試作品です。

脱窒装置外観
手入れ口から内部を覗く
 手入れ口から内部を覗く

炭素繊維束
炭素繊維を25φVP管の外周に固定し、装置の内部中心にセット
装置の内壁に沿って生分解樹脂板を仕込む。

注水は塩ビ管を通過して装置の底部から上方にゆっくり移動する。
炭素繊維表面に成長する生物膜に炭素源が供給されると同時に樹脂表面の生物膜の剥離を防ぐ。
 材料は塩ビのUV100φパイプと手入れ口、それに生物膜の安定した大量固着を期待して炭素繊維を用いています。通常の固形の濾材を充填しても良いのですが、生分解樹脂を追加する際に一旦濾材を取り出すことになってしまいますので、脱窒菌の安定相を壊さないように柔軟な炭素繊維を採用してみました。 今回の装置は一つの槽の中で、樹脂の分解と脱窒を一気に済ませてしまおうと欲張ったものですが、もう一本装置を連結し、後半部の槽に多孔質濾材を充填して余剰な樹脂成分を消費させたり、やむを得ず上昇する亜硝酸を再度硝化するエリアとして活用することも可能です。
この装置を模倣していただくことは一向に構いませんので、皆さんチャレンジされては如何でしょうか。炭素繊維の仕込みの簡略化が未解決で量産の目途が立っていませんが、希望者が多いようでしたら商品化も考えてみたいと思います。
炭素繊維の効果については前橋工科大学の梅津先生のサイトを覗いてみてください。(面白いですよ!!)

作成に当たって配慮したところ

1 生分解樹脂の板材なので、生物膜が剥離しないように、注水量を控えた。
2 同様の理由で、樹脂の表面にできた生物膜を炭素繊維が保護するように近接させた。
3 炭素繊維を用いた理由
○生物親和性が極めて高い(好気、嫌気とも細菌群が大量に固着する)
○柔軟性があり、かつ腰が強い(樹脂の補充が容易)

炭素繊維の固着実験
 
エーハイムから取り出した汚泥を炭素繊維を仕込んだアクリル容器に注入

3時間後、懸濁していた汚泥は炭素繊維に固着し、透明度が回復


なお本装置を模倣使用されて不測の事態を招いても当社は一切の責任を負いかねます。
脱窒はうまく行けばすばらしい水質環境をもたらしますが、管理を誤りますと、飼育生物に致命的な事態を招きかねない両刃の剣であることを理解願いたいと思います。
デニボールをはじめ脱窒素材を市販されているメーカーは、この辺の危険性について責任あるメカニズムを解説していません。お使いになる場合はくれぐれも理論的な背景をご理解いただいた上で、慎重な挑戦をしていただきたいと思います。

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