原文: Bacteria Overpopulation Likely Slows Or Stalls Nitrate Reduction During Vinegar And Ethanol Dosing

這篇文章中的實驗是由國外魚友Dan_P所設計與進行的，其中得出的結果我認為還蠻有趣的，也能解釋一些我們在缸內觀察到的現象，分享上來給正在使用或是考慮使用碳源法處理營養鹽的玩家參考一下。

文章中的所有實驗都是在含1.5L海水的缸內進行，並從既有的海水缸中取水進行實驗，缸內以磁石攪拌器提供水流並且沒有蛋白等過濾或砂石等基材。第一批的實驗先測試到底定量碳源對於營養鹽的消耗是否符合理論值的推算，實驗細節可參考作者所發表的前兩篇文章(其ppm換算結果可參考之前L大整理的表格)。碳源法消耗營養鹽的原理是透過細菌的增生來將營養鹽固定到biomass中，而透過這過程的理論反應式可得出C5H7O2N這個同化比例(圖一)。


圖一. 乙酸和乙醇的代謝理論反應式


由圖二和圖三可見在實驗中所觀察到的添加醋以及酒精對於NO3以及氧氣的消耗量和理論值之對比，預估的結果都還算符合。在結果中，等莫耳數下酒精所消耗的NO3略高於醋而耗氧量則略低，每3.785L的海水中加入1mL的5%家用醋可消耗約2ppm的NO3及7.2ppm的氧氣; 而酒精則是每3.785L的海水加入0.13mL的伏特加(約40%酒精含量)可降低3.1ppm的NO3及10.8ppm的氧氣(PO4並沒有被包含在反應式內，不過在作者的實驗觀察中大約會是NO3的1/10重量)。


圖二. 添加醋的實際消耗與理論值對比



圖三. 添加酒精的實際消耗與理論值對比


不過有趣的是這樣符合的理論值的結果基本上只會出現在前幾次添加碳源的時候，到了之後的添加反而會開始偏離理論值，而這也是這篇文章主要想探討的現象。圖四圖五中可以看到無論是醋還是酒精，NO3消耗的趨勢都是會在第二次添加時到達消耗量高峰，而之後每次添加的消耗量則會越來越低。圖六圖七中則可看到NO3與氧氣消耗與碳源添加的比例關係基本上都會在第一次或添加時與理論值(C5H7O2N 50:50)最接近，但之後的添加則離得越來越遠。而這個NO3消耗下降、氧氣消耗上升的現象作者認為可能是由於碳源的添加量不足以支撐既有的細菌族群使細菌開始死亡被分解所導致。

圖四. 每次添加醋的氧氣、NO3、PO4、NH3濃度變化(正值代表消耗，負值代表增加)


圖五. 每次添加醋的氧氣、NO3、PO4、NH3濃度變化(正值代表消耗，負值代表增加)


圖六. 每次添加碳源的NO3消耗量與碳源添加量對應關係


圖七. 每次添加碳源的氧氣消耗量與碳源添加量對應關係


為了進一步驗證是否真的是因為細菌過度增生導致的，作者接下來在每次添加碳源前都以濾膜過濾掉海水中多數的細菌並移到新缸，接著比較其營養鹽與沒有過濾僅移海水的組別之間的差異。從圖八和九中可以看到每次都有過濾的海水消耗NO3以及PO4的效率都可以維持在較高的數值，反之沒有過濾的海水之消耗率則會隨著添加次數下降。圖十則可看到有過濾組在後幾次添加的的NH3增加量也明顯低於沒過濾組。

圖八. 有過濾細菌與沒過濾細菌的海水每次添加碳源後的NO3消耗比較


圖九. 有過濾細菌與沒過濾細菌的海水每次添加碳源後的PO4消耗比較


圖十. 有過濾細菌與沒過濾細菌的海水每次添加碳源後的NH3增加比較


到這裡我們可以知道若增長的細菌沒有被移除，營養鹽的去除效率會隨著每次添加越來越差。通常在討論到移除碳源法的細菌時我們會想到使用蛋白機，然而蛋白能移除的也就只有水體中的細菌，對生物膜上的無能為力，而最後的實驗便是想探討到底是長在固體表面上的細菌貢獻消耗的多還是飄在水中的貢獻的多。這次的實驗分為海水組(water)以及容器組(box)，海水組在第五次添加碳源前會被移到新的乾淨容器內並在之後每次添加前都移一次;容器組則是第五次添加前會100%換水並在之後每次添加前都換。圖十一中可看到海水組在分離後的表現比較接近一個全新的缸子，一樣在第兩次添加可到達消耗高峰並在之後開始下降;而容器組的表現則和完全沒換水的control長得差不多，代表在這次實驗中，固體表面上的細菌似乎才是主導營養鹽消耗的部分。

圖十一.容器組以及海水組在第五次添加碳源分離後的NO3消耗變化


總結
1. 碳源的添加量不足的話就算你加再久也不會有什麼差異，因為細菌的數量已達該添加量能支撐的極限，再加也無法使biomass增加而僅能供應一般的能量消耗。所以若是一陣子沒有觀察到營養鹽下降的話，直接調整單次添加量會是比較有效的做法。

2. 若是缸內的細菌增長主要發生在固體表面上的話，蛋白機移除的細菌對於碳源法的效率可能不會增加太大的幫助。

3. 消耗量在前一兩次添加可達到每3.785L的海水中加入1mL的5%家用醋消耗約2ppm的NO3及7.2ppm的氧氣; 或每3.785L的海水加入0.13mL的伏特加(約40%酒精含量)降低3.1ppm的NO3及10.8ppm的氧氣。

4. 一次添加足以耗掉2~3ppm NO3的碳源同時也會消耗掉很多氧氣，若缸內沒有良好曝氣的話可能造成生物的危險。

難怪我早上餵完飼料後，只要有用手去搓沸石跟側濾槽裡的缸壁與器材表面(會有滑滑的感覺），隔天早上就會有水比較清新的味道，
雖然一搓水就會白濛濛的，但珊瑚出毛更好，而且通常不超過半小時水就清了～