硝化作用的效率

硝化作用的效率取决于系统中硝化细菌之数量及其生长速率。在自营性硝化反应(autotrophic nitri-fication)中,氨或亚硝酸盐可提供能量来源,因为两者透过生物氧化程序均可产生相当多之能量。利用这些能量的一部份,硝化细菌可用于繁殖,以增加它的数量。

利用CO2合成有机物进而构成繁殖的基质是自营性细菌的本能,已知细菌细胞之分子式大致可表示为C5H7O2N3,基于此,硝化细菌利用CO2合成细菌繁殖基在各阶段的化学反应如下:

1.氨氧化阶段(ammonia-Oxidation stage):
  15CO2+13NH3→10NO2-+3C5H7O2N+10H++4H2O

2.亚硝酸盐氧化阶段(nitrite-Oxidation stage):
  5CO2+NH3+10NO2-+2H2O→10NO3-+C5H7O2N

根据上述反应,1公斤氨气之自营性硝化反应,在第一阶段中约可产生150克的生物质(biomass),在第二阶段中约可产生20克的生物质,二者之数值皆以干重(dry-weight)为基准。由此可知亚硝酸菌繁殖的速率比硝酸菌快很多(约为7.5倍),因此亚硝酸化作用之效率应高于硝酸化作用,换言之,在养殖池中有NO2-累积应属正常之现象。

硝化细菌用于生长及繁殖所需的CO2主要是由异营性细菌消费有机物之氧化反应中提供,因此在养殖池中通常均有稳定的CO2来源才使硝化细菌的生长及繁殖不致受到限制。可是也有一些养殖池对有机污染的防治作得相当成功,以致异性反应程序伴随发生之CO2比较少,而形成硝化细菌与藻类竞争CO2资源的局面。在这种情况下,CO2极可能成为硝化细菌生长与繁殖的限制因子。此时必须另外补充无机碳源才能消除CO2对硝化细菌的限制,通常的作法是在养殖池中加入可溶性碳酸盐(canbonate)或重碳酸盐(bicarbonate),而且也可以顺便补正由于硝化反应所导致的pH值降低。

硝化细菌必须栖息于固体表面才能进行硝化作用与生殖作用,但在养殖池中许多固体表面(如池底表面)均被腐生异营性细菌所盘据,使可供硝化细菌居住的空间相对减少,这当然也会影响硝化作用的效率,原因是缺少合适的栖息环境,硝化细菌之数量是很难增加的。有鉴及此,我们可以透过殖工程之规划与设计,为硝化细菌布置一个「家」。

一般生物硝化程序(biological nitrification processes)所使用的各种生物反应器就是硝化细菌共同居住的「大小区」,里内可供养许多的硝化细菌。我们可利用养殖污水来喂养它们,并提供合适于它们生存的条件,使它们能在生物反应器中定居下来,不断地为我们消除养殖污水中氨及亚硝酸盐。如此一来,养殖用水就可以一再循环使用,因此可减少换水的频率,对水资源的合理运用也提供了莫大的帮助。


大家,我必须解释一下。
上面那个化学式有一些问题,大家不要误解,硝化细菌并非是依靠二氧化碳来氧化氨氮和亚硝酸的,而是用氧气的。上面的化学式是个总式,由于硝化细菌是化能自养细菌,他们将氧化氨氮和亚硝酸得到的能量储存起来,然后使用这些能量将二氧化碳合成为自身的细胞物质(葡萄糖),同时放出氧气(这个过程类似于绿色植物的光合作用,只不过能量不来源于光线,而是依靠氧化氨氮来获得),因此在化学总式中氧气看似不参与反应。其实氧气是必须参与反应的物质,氧气的高浓度推动化学反应的快速进行。
但大家必须注意,二氧化碳也是硝化细菌必须的,这一点同样不容忽视。