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本帖最后由 melody12121212 于 2012-3-2 11:30 编辑
大家好，我是一个学习环境工程专业的学生，刚刚考完厦门大学海洋环境研究所的环境科学专业的研究生，我对于我的专业的喜爱和对养鱼的喜爱是非常统一的。所以在考完研闲下来之后忍不住说一点自己的看法，说不上专业，但也是另一种视角。
考研前一天还发了个帖子求祝福，很多鱼友都真心的祝福我让我感到很温暖，提出的很多问题也能得到各位大大的不吝赐教，也更让我觉得我这个跟养鱼扯得上点边的学生应该写一些自己的看法出来供大家参考一下，教学相长。
柏林系统的核心是什么，不用说大家都知道，
相信很多人看过这样一段话。
“一块活石表面富氧区硝化细菌行硝化反应产生的硝酸盐，会直接被活石内部的反硝化细菌利用"。
这句话乍一看非常的有道理，但是仔细一想有非常多的问题。
曾经DANNY大大已经对于这些问题有过很多很好的讨论，我看过之后也是受益匪浅，打开了我的思路。
大家知道如果采用厚沙层或者硝酸盐反应器没有控制好容易产生H2S，但是在活石的内部既然可以产生反硝化为什么就没有人质疑是否是产生H2S。这是我的一点疑问，当然这个可以解释为H2S分子在向活石外传递的过程中被另一些细菌分解（这个理论还是很站得住脚的）。但是由此产生的更多疑问是，有很多鱼友认为说活石中带来的很多小型生物能够起到帮助活石的孔隙保持通畅使得反硝化作用能够在内部顺利进行。但是我觉得能够起到反硝化作用的孔隙都是非常小的，在在这样的孔洞里传质应该是属于典型的分子传质（就是以浓度差为推动力，由于分子扩散产生的传质效应）。在这样的孔洞里活石上带来的动物应该很难达到清理孔隙的效果，即使有这样的动物，数量也很难保证，而且在孔洞内形成阻碍的应该主要是菌膜，菌膜形成的速度在没有非常庞大动物清理大军的前提下形成的速度会远远快于破坏的速度。而且从理论上来说形成菌膜对传质不会产生影响。当然我说的不会产生影响不是不会对传质产生阻力，而是说菌膜本身就是由细菌和细菌分泌的粘液还有其他乱七八糟的东西组成的，含氮有机物进入最外面的异营性细菌组成的菌膜被分解成氨，然后被排放出来，氨被里面一点亚硝化细菌形成的菌膜分解成NO2，依次传递下去。
我还见过一种观点是说孔洞内的传质过程是被其中的生物的活动推动的，这种说法基本上更经不起推敲，毕竟需要的生物的数量更大了。
也就是说，当物质到达缺氧区的时候，已经是经过外面的好氧细菌层层处理过了的，已经不太可能有很多的有机碳了。
从另一个角度来说，我尝试过添加有机碳源刺激细菌生长，可以观察到的现象是在添加了酒精之后的一两个小时或再长一些就可以明显看到蛋分的反应，也就是说鱼缸中浮游细菌的利用碳源的速度、增长的速度是非常快的，很多异营性细菌的世代周期只有一个小时，生长缓慢的反硝化细菌根本就不具备和其争夺碳源的能力。而且反硝化细菌有很多种，每种能利用的有机碳的形式有不同，范围也很狭窄，我们鱼缸内有机碳的种类也很难说到底有多大的比例适合反硝化细菌的利用。
再从另一个角度来说，我曾经看过一篇非常专业的文章，说在珊瑚礁区测定的有机碳含量都非常低而且全世界各地的测出来的结果都非常的稳定，大概都是1PPM左右（具体数值不记得了），而且稍微高一点珊瑚就会由于一系列的因素有不良反应甚至死亡（所以我们使用有机碳源法会对珊瑚有不良的反应）。也就是说我们鱼缸的有机碳水平跟这个也是差不多的，是非常低的。
实际上，在污水处理中虽然几乎所有废水都有相对比较高水平的COD（化学需氧量，基本可以反映出水中的有机物的含量，是一个非常重要的指标），但是在有意识的进行反硝化脱氮的时候（有些污水由于处理标准低或者本来的N含量就低就不需要有意识的进行脱氮），几乎都无一例外的需要人工添加碳源（一般是甲醇之类的）。
还有一个非常重要的佐证，要不是海贼兄提起我都差点忘了
柏林系统中磷能够保持平衡也是蛋分排出细菌的重要证据。氮循环属于气体型循环，而磷循环属于沉积循环，也就是磷的地球生物化学循环过程中几乎没有（只有微量的磷化氢形式）气体的形式，进入水体的磷最后几乎都会沉积到海底，是一种不完全循环。所以在柏林系统中，如果蛋分起到的作用没有主导，而是脱氮作用把化合态的N变成氮气排出系统从而保持平衡的话，那磷与之同时就会积累的越来越高 因为磷不可能转化成磷化氢气体排出（磷化氢是极毒物质，一点点鱼缸就完蛋），转化为不溶物目前来看也基本没有这种可能，所以能够保持平衡就没有办法解释了。所以由此反推，蛋分一定排出了大量细菌
所以，我觉得从以上几点来看，反硝化作用几乎不可能在鱼缸的N循环内发挥主要的作用，那么问题是，N到底到哪里去了。
我认为有两种可能性。
第一种是，N循环的过程被阻断掉了。那么在柏林系统中唯一有可能阻断掉氮循环过程的就是——蛋白质分离器。以前在论坛上看到有大大说过RK还是哪个杂志测试过各种蛋分，其中效率最高的BK也不过40%左右，那么蛋分是如何阻断N循环的呢？首先，那位大大说得如果我没有记错的话，是说得有机物的40%，而不是N的40%，我刚刚还在《蛋分从鱼缸中排出了什么物质？》注意到了这样一段话，“从早期的蛋分性能实验（译注：参见Feldman的其它文章）中得到的一个让人惊讶的发现，是鱼缸水体中的TOC只有20~35%被蛋分去除”。如果是这样的话，首先有机物中并不是全部含有N（TOC是指的总有机碳），而且并不是所有的物质都有相同的撇除效率，而含有N的主要是蛋白质分子，这类分子上有大量的疏水基团，容易被撇除。但是我觉得这依然不够解释蛋分能够把氮循环阻断。那怎么解释呢？
我注意到一个问题，在很多评价蛋分效率的文章中，比如很经典的这篇《透析蛋白分离器--------蛋分效率评估方法的发展》中，使用的都是模型蛋白质，而不是实际的鱼缸。但是在实际的饲养过程中，尤其实在伏特加法等添加有机碳源法的使用中，我们已经非常清楚的知道蛋分是可以非常有效率的撇除出细菌的（这点毋庸置疑，在环境工程技术中活性污泥法就有利用和蛋分原理完全相同的气浮池分离活性污泥（也就是菌种）和处理过的水的方法），而这些评估蛋分效率的文章中几乎都没有考虑到这一点。所以如果蛋分从鱼缸中撇除出的物质中，细菌占了非常重要的一部分，那么蛋分就有可能起到主要的输出N的作用，由于活石所带来的菌相多样性，不同的菌种既利用有机N源又利用无机N源，所以可以形成强大的N输出。不要觉得这不可能，处理污水最常用的就是好氧活性污泥法（反硝化作用非常非常微弱），尤其是城市生活污水，城市生活污水的处理的性质非常非常类似于我们鱼缸中要处理的水，这个方法就是在经过一级处理（就是什么沉淀之类的）之后的水进入曝气池中，池里有大量的活性污泥（主要是很多细菌组成的菌胶团），细菌吃掉水中的有机物，一部分贮藏起来，一部分用于增殖，然后水再经过二沉池或者气浮池之类的装置把水和细菌分离开来，一部分细菌再排回曝气池，多余的细菌再另外处理。所以，蛋分依靠排出大量的菌种成为主要的N输出源是很有可能的。
第二种可能。我发现其实大家对于N循环的了解都非常的不够，一说到脱氮作用就说起反硝化，其实除了反硝化以为还有另外一种非常重要的脱氮作用叫做——厌氧氨氧化
厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation, Anammox)是一类细菌，属于浮霉菌门，包括(Candidatus Brocadia)、(Candidatus Kuenenia)和, Candidatus "Anammoxoglobus", Candidatus "Jettenia", (Candidatus Scalindua)属。它们至今未能成功分离得到纯菌株，因此尚未获得正式命名和分类。它们可以在缺氧环境中，将铵离子(NH4)用亚硝酸根(NO2)氧化为氮气： NH4+ NO2→ N2+ 2 H2O, ΔG= -357 kJ mol 它们对全球氮循环具有重要意义，也是污水处理中重要的细菌。
以上是百度的介绍，这种细菌半个多世纪以前就已经被发现了。各位对这个不熟的原因很重要的是因为Kuenenia这个老头（上面有个属就是这个老头的名字命名的），全世界就这个荷兰老头有比较纯的菌株，其他人都没有，所以很多重要的研究就没法做，得等着这个大爷做，北欧那边的人大家也知道，每天大量的时间花在喝下午茶、聊天晒太阳这种事情上，所以研究进展那个慢哪，所以到现在。。。。哎。好了，玩笑不多说了。
这个反应跟反硝化相比有什么不同呢，最大的不同就在于厌氧氨氧化细菌是一种化能自养菌，也就是说这种细菌不需要任何的有机碳作为能源和碳源，而是利用铵和亚硝酸盐的反应提供能量，利用无机碳源合成有机碳，从而摆脱了反硝化作用对于水中有机碳的依赖。同时由于异营性细菌氨化作用（就是把蛋白质中的N分解成铵）有很高的效率，而与厌氧氨氧化细菌争夺反应物的亚硝化细菌和硝化细菌同样是化能自养菌，所以在利用铵和亚硝酸盐的能力上并不具有压倒性的优势，这就为厌氧氨氧化细菌成为鱼缸主要的脱氮作用的角色提供了可能性。
我了解这个细菌是由于我们学院请了一个香港理工还是科技大学（汗，不记得了）的教授当我们的客座教授，这个教授是国内研究营养盐地球生物化学循环（我就准备研究这个方向）比较NB的教授，他主要研究的对象之一就是厌氧氨氧化，他来讲座了两次，都是说这个的，他在讲座中还提到，有美国学者的研究表明，厌氧氨氧化在海洋中脱氮作用里面占到的比例可能高达40%。当然这只是一个学者的观点，主流观点的比例会稍微低一些，但是不可否认的是厌氧氨氧化在脱氮作用里发挥了很重要的作用。更重要的一点在于，海洋中发生脱氮作用主要的场所在深海的底泥中，而底泥是一个富含有丰富有机质的环境，在这样的环境中厌氧氨氧化尚且可以发挥重要的作用，就更不用说极其缺乏有机碳的鱼缸环境了。
厌氧氨氧化一直在污水的脱氮处理中没有发挥主要作用的原因在于厌氧氨氧化细菌对于环境条件的要求比较严格（国外一些能够把条件控制的相对严格的污水处理设施已经实现了比较好的应用）。所以一直没有能够实现大规模应用，尤其是国内的污水处理厂，进水的水质在不同时间差异非常大，温度也难以稳定。而我们的鱼缸与之相比具有非常好的稳定性，这也为厌氧氨氧化细菌发挥作用提供了很好的基础。
但是我想检验厌氧氨氧化细菌的话比较困难，一般用于检测厌氧氨氧化细菌存在的手段主要是DNA分子探针技术，这个我学艺不精，微生物学的试验只做过土壤细菌的接种培养和格兰氏染色两个试验，想具体检出数量更是比较困难，所以如果有学微生物的大大可以来检测一下。
但是这种困难怎么会难得倒我呢，我已经设计好一个试验。这个是给鱼友看的，所以稍微写得非正式一点
试验目的：探究海水缸中氮的输入输出平衡机理
试验原理：把整个鱼缸看成一个混沌系统，既不理会缸内发生的各种生化过程，通过物料平衡，既只测量N的输入与输出之间的差值，从一个侧面分析海水缸中氮的输入输出平衡机理。在海水中硝酸盐含量恒定时，我们忽略生物体生长繁殖对N的积累，此时N的输入和输出是平衡的。这样我们可以近似认为唯一的输入是饲料，输出的途径有蛋白质分离器、藻类的吸收和脱氮作用。由于我们可以近似的认为反硝化细菌所需的有机碳源全部来自于水中的TOC，同时测量TOC可以大致了解反硝化作用在脱氮过程中的作用，从而推断出厌氧氨氧化反应所起的作用大小。使用ATS可以避免藻类在主缸内生长而难以完全测量其吸收的N。
试验器材：鱼缸、活石、一些珊瑚礁鱼类、珊瑚等无脊椎动物、蛋白质分离器、ATS系统、TOC测定仪、紫外分光光度计等（试验仪器可能会有所调整）
试验过程：
1、 使鱼缸内各种生化过程达到一个比较好的平衡，并监测缸内水的硝酸盐含量
2、 测定所喂饲料中所含的总N的质量百分数，并记录下每天所喂饲料的质量
3、 在蛋白质分离器收集杯中加入适量抗生素防止其撇除的N在收集杯内发生脱氮作用影响测试结果。把蛋白质分离器内收集到的物质和ATS系统内收集到的藻类分别使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定其中的N含量
4、 使用TOC测定仪监测水中的TOC含量
5、 对得到的数据进行分析
上面就是我设计的试验方案，基本上应该能够得出一个比较合理的结论。我准备等春节一过完就开新缸测试，大家等着我的结果吧。
当然其实更大的可能性是这两者共同起着至关重要的作用
但是无论结果如何，我觉得可以得出的一个结论就是，活石最重要最重要的一个作用就是——提供菌相多样性。当然其主要作用还有造景等。还有一些次要的作用，比如各种小生物所带来的生物多样性，这个其实也是有很大作用的，生物多样性对于提高整个系统的结构和功能上的稳定性是非常重要的。 |
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发表于 2012-1-14 21:38:28
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