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[教學] 細說細菌

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發表於 2010-12-24 15:29:23 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
硝化細菌(Nitrifying Bacteria)
我們大家所認識的硝化細菌其實是亞硝酸菌和硝酸菌所組成的。
在大家的魚缸中,氮元素是普遍存在的,飼料和魚類糞便是它的主要來源,它是構成蛋白質的必要元素。那麼沒吃完的飼料,凋亡的藻類和魚兒的糞便中的氮後來去哪裡了呢?其實它們是被一些稱為腐生細菌的傢伙分解了,有機的氮變成了無機的氨。
氨對於魚類是劇毒的,它能使魚類血液中的蛋白質變性而失去生理功能,導致魚類的死亡。當水體中氨濃度超過0.2ppm時就會造成魚類急性死亡。
這時硝化細菌就起到很大的作用了亞硝酸菌負責把氨氧化成亞硝酸鹽,再由亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。亞硝酸鹽也是有毒的,但比起氨來說是小得多了,而硝酸鹽的毒比起亞硝酸鹽來說跟是小。
排泄物=>NH3氨(亞摩尼亞Ammonia)/NH4銨(氨鹽基Ammonium)=>亞硝化單細胞菌=>NO2亞硝酸鹽Nitrite=>硝化細菌Nitrifying bacteria+反硝化細菌=>NO3硝酸鹽Nitrate=>N2氮氣Nitrogen+O2氧氣Oxygen

硝化細菌需要一個怎樣的生存環境呢?
它們其實不喜歡充滿了有機廢物(如魚的糞便)的環境。
在缺乏氧氣的環境裡硝化細菌根本就無法高效率地處理氨和亞硝酸鹽甚至死亡。
硝化細菌是不喜歡光線的亞硝酸菌對近紫外線的可見光非常敏感,所以讓它們在黑暗中工作吧。

NH3氨(亞摩尼亞Ammonia)
亞摩尼亞是由硝化細菌把魚排出的排泄物及食物殘渣所演化形成。有機物被分解以後的直接產物。毒性強,對水中生物的損害極大。是N-Cycle的第一步,之後會被壓硝化細菌轉化為亞硝酸鹽。NH3主要來源於被氨化(Ammonification)後的溶態有機物(Dissolved Organic Compound-DOC)。在缸中,NH3的含量應當保持於0ppm。有許多不同的方法減少NH3,如下:
-市場上有吸收NH3的物料賣,如Hagen的FLUVALmmonia Remover
-蛋白質分離器(Protein Skimmer)能有效地減少DOC,從而減少NH3的產生
-換水能減少DOC,也能減少NH3的產生
-減少過量餵飼能減低DOC的產生
-增加硝化菌(Nitroso Monas)數量,硝化細菌通過氧化將NH3轉化為NO2。這其中增加生物石和水流動能簡單有效地增加硝化菌。

NH4銨(氨鹽基Ammonium)
由氨衍生的一種離子NH4+或基-NH4,也叫「銨根」,它是化學中的一種陽性復根,用表示。它和一價金屬離子相似。它的鹽類稱為銨鹽。如化肥硫銨和碳酸銨的分子都含有銨。
銨離子的性質和鈉、鉀離子相近,在溶液中呈+1價。
銨鹽都呈白色晶體,有的加熱能產生氨氣。銨鹽和汞作用能得到銨汞齊,和鈉汞齊性質相似,加熱生成氨氣。

亞硝酸菌Nitrosomonas
這類細菌能分解有毒的亞摩尼亞,但在分解過程中會產生不是太毒亞硝酸鹽。

NO2亞硝酸鹽Nitrite
NO2是NH3經由硝化細菌分解後產生的產物。對絕大多數水中生物是有害的,理想的水中是不能含有這種物質的。我們必須建立良好的過濾系統並培養硝化細菌來把亞硝酸鹽轉化成硝酸鹽。主要來源於硝化作用(Nitrification)與反硝化作用(Denitrification),由硝化菌通過氧化將NH3轉化為NO2,或少量由沒有氣氧能生活的細菌經過反硝化作用將NO3轉化為NO2。在缸中,NO2的含量應當保持於0ppm。NO2和NH3的含量成正比的,只要能控制NH3含量,一般不需要擔心NO2。

NO3硝酸鹽Nitrate
NO3是NO2經由硝化細菌分解轉化的產物。通常無毒,但含量過高同樣會有害處,特別是對珊瑚等軟體。軟體珊瑚缸NO3建議含量不能高於10PPM,魚缸則可以達到30-40PPM。NO3的出現是一個比較複雜令人頭痛的問題。一般認為不是高NO3的出現影響珊瑚,而是由於同時出現的硝酸(Nitric Acid)對pH的改變而影響了珊瑚。在硝化作用後由硝化桿菌(Nitrobacter)通過氧化將NO2轉化為NO3。在硬骨珊瑚缸中,NO3應該保持不多於1ppm,但同時高NO3(不多於10ppm)也可能會使珊瑚快速增長。只是這高NO3同時硝酸的出現可降低pH和dKH,導致鈣化減低。如NO3處於高水平,就需要定期測試鈣和dKH。NO3可自不同來源,但主要來源於餵飼,特別是餵飼魚類。餵飼珊瑚或其餘生物用的液體食物和維他命也可能形成NO3,同時自來水亦可含NO3 。

光合細菌(Photosynthetic Bacteria Abbr. name: PSB)
光合細菌簡介
光合細菌(簡稱PSB)是地球上出現最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成體系的原核生物,是在厭氧條件下進行不放氧光合作用的細菌的總稱,是一類沒有形成芽孢能力的革蘭氏陰性菌,是一類以光作為能源、能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機物、硫化物、氨等作為供氫體兼碳源進行光合作用的微生物。光合細菌廣泛分佈於自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊、江海等處,主要分佈於水生環境中光線能透射到的缺氧區。光合細菌的適宜水溫為15—400C,最適水溫為28—360C。在水產養殖中,能夠降解水體中的亞硝酸鹽、硫化物等有毒物質,實現充當餌料、淨化水質、預防疾病、作為飼料添加劑等功能,光合細菌適應性強,能忍耐高深度的有機廢水和較強的分解轉化能力,對酚、氰等毒物有一定有忍受和分解能力等特點,它的諸多特性,使其在無公害水產養殖中具有巨大的應用價值。

光合細菌的生物學特性
PSB的菌體無毒,營養豐富,蛋白質含量高達64.15%-66.0%,而且氨基酸組成齊全,含有機體需要的8種必需氨基酸,各種氨基酸的比例也比較合理。因具有細菌葉綠素和類胡蘿蔔素等光合色素,而呈現一定顏色。細胞中還含有多種維生素,尤其是B族維生素極為豐富,Vb2、葉酸、泛酸、生物素的含量也較高,同時還含有大量的類胡蘿蔔素、輔酶Q等生理活性物質。因此,光合細菌具有很高的營養價值,這正是它在水產養殖中作為培水餌料及作為飼料添加成分物質基礎。

光合細菌作用原理
光合細菌在有光照缺氧的環境中能進行光合作用,利用光能進行光合作用,利用光能同化二氧化碳,與綠色植物不同的是,它們的光合作用是不產氧的。光合細菌細胞內只有一個光系統,即PSI,光合作用的原始供氫體不是水,而是H2S(或一些有機物),這樣它進行光合作用的結果是產生了H2,分解有機物,同時還能固定空氣的分子氮生氨。光合細菌在自身的同化代謝過程中,又完成了產氫、固氮、分解有機物三個自然界物質循環中極為重要的化學過程。這些獨特的生理特性使它們在生態系統中的地位顯得極為重要。

在水產養殖中運用的光合細菌主要是光能異養型紅螺菌科(Rhodospirillaceae)中的一些品種,例如沼澤紅假單胞菌(Rhodop seudanonas palustris);在自然界淡、海水中通常每毫升含有近百個PSB菌,光合細菌的菌體以有機酸、氨基酸、氨和醣類等有機物和硫化氫作為供氧體,通過光合磷酸化獲得能量,在水中光照條件下可直接利用降解有機質和硫化氫並使自身得以增殖,同進淨化了水體。

除此之外,細胞內還含有碳素儲存物質糖原和聚β一羥基丁酸、輔酶Q、抗病毒物質和生長促進因子,具有很高的飼料價值,在養殖業上有廣闊的應用前景。 PSB在厭氧光照條件下,能利用低級脂肪酸、多種二羧酸、醇類、糖類、芳香族化合物等低分子有機物作為光合作用的電子受體,進行光能異養生長。在黑暗條件下能利用有機物作為呼吸基質進行好氧或異養生長。光合細菌不僅能在厭氧光照下利用光能同化CO2,而且還能在某些條件下進行固氮作用和在固氮酶作用下產氫。另外,有些菌種在黑暗厭氧條件下經丙酮酸代謝系統作用也可產氫。光合細菌還能利用許多有機物質如有機酸。醇、糖類轉化某些有毒物質如 H2S和某些芳香族化合物等。 PSB通過生物轉化,可合成無毒、無副作用且富含各類營養物質的菌體蛋白,不僅改善了生態環境,還為養殖業提供了高質量的飼料原料。 PSB菌體中對動物生長有促進作用的維生素B12、生物素、泛酸、類胡蘿蔔素、葉綠素以及與造血、血紅蛋白形成有關的葉酸的含量遠高於一般微生物,尤其含有人工不能合成的生物素D一異構體。這些物質在動物機體內都具有顯著生理活性 在水產養殖中,養殖池按水中溶解氧含量的大小由表層向底部可分為好氧區和厭氧區。表層生物繁殖旺盛,水質一般較好;底層則積累了魚蝦的排泄物和未消耗盡的食物殘料,有機質豐富,造成微生物的大量繁殖,消耗了水中大量的氧氣,導致地底層形成無氧環境,硫酸鹽還原菌大量繁殖,產生對魚蝦有毒害作用的硫化氫、酸性物質等。養殖地底層的這種環境正好是適於光合細菌生存的條件一是具有厭氧條件,二是光線通過上面覆蓋的有氧水層這個光線過濾器,使光合細菌可以吸收到適宜生長的450-550μm波長光。光合細菌利用地底的魚蝦排泄物、食物殘料以及有毒有害的硫化氫、酸性物質作為基質大量繁殖,提高水體中溶解氧含量,調節pH,並使氨氮。亞硝酸態氮、硝酸態氮含量降低,池底淤泥蓄積量減少,有益於藻類和微型生物數量的增加,使水體得以淨化。 PSB可進行光合成、有氧呼吸、固氮、固碳等生理機能,且富含蛋白質、維生素、促生長因子、免疫因子等營養成分,在功能上可與抗生素相媲美,並且更具有安全性,是生物工程具有前景的研究領域之一。光合細菌制劑還具有獨特的抗病、促生長功能,大大提高了生產性能,在應用方面顯示了越來越巨大的潛力。其它在淨化水質、魚蝦養殖、畜禽飼養、有機肥料及新能源的開發方面有著廣闊的應用前景。

光合細菌的分類
自然界中能以光合作用產能的細菌根據它們所含光合色素和電子供體的不同而分為產氧光合細菌(藍細菌、原綠菌)和不產氧光合細菌(紫色細菌和綠色細菌)。

1.)藍細菌(Cyanobacter)
這是一類含有葉綠素a 、以水作為供氫體和電子供體、通過光合作用將光能轉變成化學能、同化CO2為有機物質的光合細菌。由於它們具有與植物相同的光合作用系統,歷史上曾被藻類學家歸為藻類,稱為藍藻。對藍細菌細胞結構的研究表明,藍細菌的細胞核不具有核膜,沒有有絲分裂器,細胞壁由含有二氨基庚二酸的肽聚糖和脂多糖層構成,革蘭氏染色陰性,分泌粘液層、莢膜或形成鞘衣,細胞內含有70S核糖體,雖具有葉綠素的光合色素,但不形成葉綠體,進行光合作用的部位是含有葉綠素a、β- 胡蘿蔔素、類胡蘿蔔素、藻膽素(包括藻藍素和藻紅素)的類囊體(Thylakoids)。 藍細菌的這些與原核生物相近的特徵,使它們成為細菌家族的一員。以藻藍素佔優勢的色素使細胞呈現特殊的藍色,故而得名為藍細菌。按形態可分為5大類群,包括29個屬。藍細菌的細胞大小差異懸殊,最小的聚球藍細菌屬(Synechococcus)其直徑僅為 0.5 -1μm, 而大顫藍菌屬(Oscillatoria)可超過60μm。藍細菌在自然界中的分佈極廣,河流、湖泊和海水等水域中常見。藍細菌的營養極為簡單,不需要維生素,以硝酸鹽或氨作為氮源,多數能固氮,在水稻田中培養藍細菌可保持和提高土壤肥力。一些實驗證明將藍細菌作為食物和輔助營養物,可用於治療肝硬化、貧血、白內障、青光眼、胰腺炎等疾病。對糖尿病、肝炎也有一定的療效。藍細菌有別於真核生物的放氧光合作用,可能是地球上生命進化過程中第一個產氧的光合生物,對地球上從無氧到有氧的轉變、真核生物的進化起著里程碑式的作用。

2.)紫色細菌
這是一群含有菌綠素和類胡蘿蔔素、能進行光合作用、光合內膜多樣、以硫化物或硫酸鹽作為電子供體、沉積硫的光能自養型細菌。因含有不同類型的類胡蘿蔔素,細胞培養液呈紫色、紅色、橙褐色、黃褐色,故稱為紫色細菌。紅螺菌屬(Rhodospirillum)、紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)和紅微菌屬(Rhodomicrobium),曾被認為不能利用硫化物作為電子供體以還原CO2構成細胞物質,所以一直稱它們為非硫紫色細菌。後來發現,這些細菌的大多數尚可以利用低濃度的硫化物,現歸為紫色硫細菌。多分佈在淡水、海水和高鹽等含有可溶性有機物和低氧壓的水生環境中,也常見於潮濕的土壤和水稻田中。

光合細菌需要一個怎樣的生存環境呢?
在充滿氧氣的環境裡光合細菌根本就無法工作和生存,所以我們必須製造一個無氧環境和有光亮的地方給它們。
光合細菌是需要光線的,所以讓它們在光亮的環境中工作吧。
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