水族化学~~~~~海水中的元素及作用★★★★★

舞水端

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生命赖以维生的元素是一门很大的学问，写的太详细恐怕一般人都听不懂，以下仅以海水养殖相关的内容简单阐述，生物对元素的应用方式可以分为
主要方式：
A.直接吸取保存：水分、盐类(氯、钠、钾、钙、镁等)
B.裂解后重组，并保存在体内：碳、氧、氢、氮、硫、磷等

次要方式：
C.氧化、还原取得能量：硫化氢、氨、亚硝酸、硝酸等
D.钙化形成骨骼：碳酸钙、碳酸镁等


一.水(H2O)  
生命最基本的元素就是水，没有水就不会有生命了！在养殖陆地上的生物必须经常注意水分的供给， 而水族饲养最大的好处就是不必担心水的问题，只要适时补充不足的水分就行了！ 水尚能提供微生物及藻类氢(H),氧(O)元素以合成有机成分，排出氧气(O2)则可供应水中其他生物利用。 水因为是很好的溶剂，能溶解各种元素，因此许多生物只能仰赖溶解于水中的养分存活，没有水其他的元素就没有意义了！

二.碳(C)  
生命有了水分之后还必需有能量，并能储存及使用能量，才能成为一个生命体， 碳(C)正是扮演着这样的角色，而碳之所以能扮演这样的角色是因为
1.是一种普遍的元素(核融合反应的产物之一，越老的星系存量越多)。
2.是一种易于能量转换的元素，因碳与其他元素的化合力很强，能形成各式各样的键、链，通常键与链的形成与分解就会达到能量的循环。
3.能形成稳定且种类繁多的化合物(碳的外层电子数为4个，与其他元素形成很稳定的物质)，这种特性可以让生命体与周遭环境隔绝！
4.碳可形成很坚固的物质，如纤维等，支撑许多生命体！

生命对碳的使用方式可以概分为两大类(非仅指微生物分类)：
1.使用无机碳(CO2,HCO3-、CO3--)：自营生物
2.使用有机碳：异营生物
自营生物利用环境中的光子或氧化化学物质取得能量，并将能量储存在碳的化合物中，像海中的共生藻、藻类、硝化菌、硫化菌、蓝绿藻等。
异营生物只能使用自营生物所产生的有机化合物为能量来源，会产生最终废物无机碳供自营生物利用，像动物界的所有成员及大多数的细菌都是异营生物， 但也有异营生物能利用有机碳形成其他形式的有机碳，有部分的硫化菌属于这类生物。
事实上许多生物都兼有自营与异营的能力，像某些蓝绿藻、硫化菌等。

海水缸中的碳可以说是无限量供应，因为CO2容易解离在海水中，如果加上钙反应器过度的供应， 通常缸中的CO2浓度都会比标准高很多，造成水中含碳量比标准高，如果在其他条件不变的情形下， 就会形成一个高养分的环境，最好的方式就是使用高性能蛋白、并对钙反出水做妥善处理，也不要让KH升太高。
海水缸中CO2过量最常见的情形就是缸壁很容易长绿藻，必须经常擦拭！ CO2也会在缺少钙反或是供应不足、KH偏低、加上光照强烈时严重缺乏， 严重缺乏无机碳原将导致共生藻、藻类、硝化菌等处于贫养状态，经常处于这种状态就会导致缸中的自营生物停止生长甚至萎缩。因为这种无机碳含量的快速减少而导致生物死亡的情况是相当常见的。

在海水缸的过滤系统中，因为不同的系统设计会导致有机与无机碳被消耗的速度差异， 在滤材多的系统中，异营生物有大量着床的空间，会消耗掉缸中溶解的有机碳，并产生大量的无机碳及其他无机养分，依赖这些养分的自营硝化细菌也将大量滋生！
在没有滤材过滤系统中，异营生物没有生存空间，如果搭配厚砂、化除器、藻缸等系统，则自营生物将处于优势地位，有机碳较不易缺乏，无机碳原的依赖会显的较重！
此两种系统的极端都会导致严重的碳失衡现象及其它不良的结果，因此一个良好的海水缸系统必须能控制好自营生物与异营生物的平衡，维持这两者适当的存活空间， 以缸龄来说新缸对有机碳的依赖较重！旧缸对无机碳的依赖旧重，这点也会困扰很多人，且不自知。
（碱度）HCO3-碳酸氢根离子     
鱼友们在海水中测量碱度的碱度原因是HCO3-（叫做碳酸氢根或重碳酸根），在海水中碱度主要由重碳酸盐（HCO3-）和碳酸盐（CO3-，因为会直接和钙沉淀所以海水中含量很少）组成。重碳酸盐(HCO3-)被珊瑚吸收并转换为碳酸盐 (CO3–)用来生成它们的碳酸钙骨骼。因此，碱度反映了水中是否有足够的重碳酸盐。
  碱度正常或偏高意味着含有充足的重碳酸盐，偏低则意味着重碳酸盐短缺。如果在礁岩缸中不使用任何补充碱度的手段（通常添加小苏打NaHCO3），则水中的碱度将很快就被消耗光。在一些礁岩缸中，碱度从正常浓度降低到不能承受的水平只需要一到两天，尽管在另一些对碳酸盐的需求比较低的礁岩缸中会需要更长时间。当水中的重碳酸盐耗尽，那些需要进行碳酸钙骨骼沉积的珊瑚就会感到不适应甚至死亡。我建议鱼友们维持碱度在2.5-4 meq/L (7-11 dKH, 相当于125-200 ppm的碳酸氢根
  因为许多的珊瑚、钙藻和其它钙化生物体需要钙和碱度（即重碳酸盐），所以有必要持续地确保它们在水中有足够的浓度。不幸的是，在水中的钙离子和碳酸根离子结合的同时，不能溶解的碳酸钙会造成一种非生物性沉淀的趋势。在礁岩缸中，这种沉淀的趋势在钙和碱度的关系中扮演着极其重要的角色。
  海水中含有的钙远远大于碳酸盐或重碳酸盐，即使正常海水中的所有碱度都通过碳酸钙沉淀的方法去除钙也只会下降大约50ppm。基于这个原因，当我们在缸中添加过量或不足量的钙或碱度添加剂时，碱度的变化更为迅速和剧烈。

三.氧(O)  
氧气(O2)是二、三十亿年前由蓝绿藻所制造的，在这以前的生物都能不依靠氧气就能存活， 因此氧气并非所有生物都需要的，但是对现今大部分生物来说，没有氧气就难以存活，氧气对生命的用途在于能利用所储存的碳化合物， 氧化碳的化合物是现今生物获得能量的主要方式，部分生物也能氧化氮、磷等物质而取得能量。
但是如果我们以氧(O)这个元素来看， 氧在细胞的蛋白质中占约23%左右，因此氧原子是生命所必须的元素，但是氧原子主要是由水分中取得 ，与环境中有没有氧气并无绝对相关。

氧气在水中的特性是：溶解度随着温度上升而降序，随着盐度上升也会降序。
因此温度低的南北极海域其溶氧量是珊瑚礁水域的2倍，相同条件的淡水比海水溶氧量多了30%， 由此可见氧气在海水养殖中是很珍贵的资源，所以学者很早就发现不能使用太过好氧的方式来养殖海中生物， 特别是强水域的生物对氧气含量会敏感很多，淡水养殖的习惯采用的滤材放在海水就会变成氧气杀手， 所以海水养殖最好是能采用蛋白、海藻、活石、活砂等系统。
氧气过多也会对养殖缸造成负面效果，因为很多离子会被氧化，如果该离子不具还原能力或是无法百分之百还原， 则过多的氧气势必会破坏缸中的离子平衡。

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四.氮(N)  
氮是生物体中仅次于碳及氧的元素，碳与氮的平均含量比例约在6:1左右，生物体中很多物质也都含有氮素， 但是氮在自然界主要以气体存在，水中或是土壤中的氮素相当稀少，而能直接利用氮气的生物却相当少(固氮生物)， 就因为能利用的氮素稀少，所以氮素对地球的生命来说便成为一项关键性元素，只有氮素多的地方生命才能存活。
陆地上的氮素转换成含氮有机物后会有一部分流到海洋中，所以海洋中的氮素主要是来自于河川所带入的，还有一部分是蓝绿藻固定的氮化合物，最后会被脱氮细菌将氮化合物转换成氮气回到大气中， 形成所谓的氮循环如下：
氮气==>固氮细菌==>NH4==>有机生命体(蛋白质)==>胺类==>NH4==>NO2==>NO3==>脱氮细菌==>N2氮 (简单描述的氮循环)
有一点比较特别的是脱氮细菌并不会将 15N同位素转换成氮气N2，因此15N同位素只存留在海洋中，氮气中并不含有 15N同位素，只有14N。大部分的海洋生物都能利用 15N同位素的氮，在人工环境中要控制14N与15N的含量比并不容易，经常换水是最佳的维持方式。15N同位素在海水中的含量，可能会影响生物的色泽、疾病抵抗力等。

在海水中氮会以下列形式存在：
有机类：蛋白质、胺类、维生素等
蛋白质是细胞中主要的成分，任何生物都含有蛋白质，蛋白质与糖类较大的差异就是蛋白质的主要成分中含有氮等元素，而糖类并不含氮， 糖类对生命最主要的用途是能量储存，而蛋白质则具有很广泛的功能，如新陈代谢、离子运输、能量储存、运动能力、组织结构、防御免疫等。
组成蛋白质的物质就是胺机酸，不同种类的胺机酸会组成不同功能的蛋白质，而当生物体用尽蛋白质或死亡后， 蛋白质就会被自身或细菌分解成胺类(像尿素、尿酸、胺机酸等物质)，或是直接分解成氨， 对自营生物来说这些是可再利用的物质，对异营生物来说大部分都会被排出体外， 但是对水中生物来说，这些物质溶解在水中还会以渗透的方式回到体内，而这些有机的胺类当浓度高时是具有毒性的， 因此海水缸过滤系统的首要目标就是要将这些蛋白质、有机胺类除去。
以去蛋白机来说可以除去90%以上的蛋白质及50%以上的有机胺类，可以大大的减缓这些毒素的侵害。 不过光是这样是不够的，因为微量的胺类就会造成缸中养分过剩的情形，无论是单细胞藻类或是一般藻类都会直接摄取这些残余的养分， 要维持更低水准的胺浓度就得靠缸中的微菌系统、活性碳、沸石等才能将这些物质控制在合理的浓度。 而微菌系统不能过度依赖，因为其产物氨更具威胁性！

为什么在海水养殖中比需比淡水更强调化除蛋白的重要性呢？
这是因为蛋白在海水中比在淡水中更不易溶解，这种特性会让蛋白质对生物产生威胁！

为什么有些缸子需要喂食珊瑚氨机酸、维生素呢？
其理由有：
1.以蛋白化除低键值的氨机酸，补充高键值氨机酸、维生素。
2.因为共生藻只会反馈寄主糖类，蛋白质、维生素须靠珊瑚本身合成，而在缺乏食物的缸中适当的添加可以帮助珊瑚虫本身的养份取得。
3.氨机酸、维生素只能在低养分的环境中喂食，否则只会雪上加霜而已！
4.氨机酸、维生素不能喂食过量，否则氨浓度将同步上升！

无机类：氨(NH4+/NH3)、亚硝酸(NO2-)、硝酸(NO3-)
最初形成的无机氮素就是氨(NH3)，氨是具有相当毒性的物质，而氨(NH3)在酸性的水中易解离为NH4+，解离后的氨较不具毒性，但是海水偏碱性，会有部分的氨保存为NH3的气体状态，大部分的生物都很难容忍2ppm以上的氨(NH3&NH4+)浓度，有些甚至在0.01ppm以上就不能存活，对许多生物来说生存环境中的氨浓度必须比上面这个两个值要低很多才行，海水中的氨(NH3&NH4+)浓度平均约为0.003ppm，一般珊瑚礁的水与又比这个数据低。以往降低氨的做法是培养相当多的好氧菌生长空间，但是这种做法并不能将氨浓度降的很低，因为氨不断的产生，且这种方式易导致有机物囤积所。最根本的做法是尽量不让氨产生，也就是采用去蛋白机==>活性碳==>沸石==>微菌 ， 这里面最难的恐怕还是微菌的环境，能否在好氧、厌氧以及异营、自营间取得平衡几乎可以决定饲养的成功与否。

NH3具有相当强的毒性而NH4+对自营生物来说是很肥的养分，因为其取用的键能成本很小， 在大部分的饲养环境中只要将NH3控制住就行了，但是对SPS的共生藻来说，绝大部分的种类都能攫取水中极微量的NH4+， 这算是生物适应环境的能力吧！遇到这种情形必须要靠观察生物的情况来调整过滤系统，不能完全依赖数据资料。

NO2-是氮元素的下个循环，因为其在海水中的毒性较低，一般只要养水期过后NO2-的含量皆可达安全标准。较不需担心NO2浓度的理由还有：
   a.(NH4+/NH3)的生成速率变动很大消失速率变动很慢，但是NO2-的生成与消失的速率大致相等且变动不大。
   b.如果缸中存在低氨产生的环境，也表示会产生NO2-的量更少了！

NO3-是硝化作用的最后一环，如果缸中不存在厌氧脱氮的环境， NO3-将会是氮的最后产物，会累积在缸中，就算缸中有强大的厌氧环境， NO3-的含量通常还是会比其他氮素来的多，因此借着测量NO3-浓度可以大致了解整个缸中氮浓度的多寡， 如果缸中有厌氧环境却还出现较高的NO3-浓度，就代表缸中可能也存在过高的(NH4+/NH3)浓度。缸中如果量测不到NO3-浓度也不一定代表(NH4+/NH3)浓度会很低，缸中PO4过低就会有这种现象，不过一般来说NO3-与(NH4+/NH3)的浓度是呈正相关的。
要多少的NO3浓度才算合理呢？
很多人都是以天然海水的标准(<0.1ppm)为主，不过在天然海水中碳氮磷(CNP)的比例几乎是恒定的，维持这个标准自然没有问题， 在海水缸小小的封闭的环境中CNP并不一定有合理的比例，只要其中一项比例偏低，就会造成其他两项的累积， 因此在没有藻类困扰的缸子NO3-只要维持在0.5ppm以内就行了，因为缸中环境不像大海有较强的水流推送养分。过低的氮浓度反而不利生物存活，也较易造成磷酸的累积， 缸中如果出现软件颜色太淡、藻类死亡、滤食类生物死亡、钙藻无法生存等现象一般都是氮素过低的关系。
当出现氮素过低时可以添加氨机酸、维生素、硝酸钾等来改善！但是剂量要尽量低！

五.磷(P)  
磷虽然不是构成生命体的主要元素，其占蛋白的含量不到1%，但是少了磷生命就不可能存在。
磷在生物体中有ATP、核酸(DNA,RNA)、磷酯质等形式存在，少了ATP生命就没办法生长，少了核酸也无法构成生命体，生命体更不能延续， 而ATP,DNA在自营生物中会较集中在生长点附近，当组成ATP,DNA的物质极度缺乏时，生长点就会溃缩或烂掉，在海水中的磷是碳氮磷三种元素中最少的，海水中的磷也比河水中的磷少，因此大部分海洋生物都发展出能适应低磷含量的环境，稍多的磷就会破坏水中的平衡。

磷在水中主要以PO4的形式存在，且因PH值的差异解离成H2PO4-,HPO4--,PO4---，三者皆为自营生物可利用的养分。
磷因为在常温下是固体，因此只要是输入缸中的磷就不可能经由生物循环带离缸中。
较常见的除磷方式有：
1.蛋白化除、沸石、活性碳吸附有机物，避免无机磷酸产生。
2.吸附排除，如磷酸吸附剂。
3.藉由微生物吸收转换成蛋白，在经由蛋白输出。
以上1,3是属于平衡输出，2是不平衡输出，必须在适当情况下使用

磷酸的缺乏较易导致缸中有毒物质NH3/NH4+的累积，因NH3的删除者是自营生物，而自营生物所需的养分包括无机的磷酸。当缸中NH3/NH4+突然增加时，自营生物(亚硝酸菌)无法扩增族群，就容易造成NH3/NH4+的累积，导致许多生物氨中毒， 并且产生一连串的反应，这是很多人在化除磷酸时经常遇到的窘境！
因此建议磷酸的浓度也不是天然海水的标准0.025ppm，最好是监测、观察缸中氮与碳的比例来决定， 如果氮在Low Level, KH正常，则可维持PO4在0.02ppm左右，如果NO3高达1ppm以上，建议PO4要维持在0.03ppm以上会比较保险。

磷在海水中的另一个形式是有机磷，其在天然海水中的含量约与无机PO4相等，所以海水中磷总量约在0.04-0.05ppm左右，有些缸子将PO4维持在0.01ppm没事，有些却倒缸，与有机磷的含量多寡也是有关系的，有机磷酸并不会造成藻类或是软件颜色太深的问题。 但是过量的话会造成红泥藻泛滥。就算无机PO4浓度降到0，也不会影响红泥藻的生长。  


六.硫(S)  
合成蛋白质中的很多氨机酸都含有硫的成分，其含量约在1-3%左右，是构成生命体的主要元素之一。
由于海水中有丰沛的硫化物，因此硫的含量通常不会造成困扰，不需补充也不需化除。
硫也是硫化菌赖以维生的元素，靠着氧化硫行化学自营取得能量。 另外生物体发臭的原因往往都是硫这个元素造成的！


七.氟、氯、溴、碘(卤素)  
含有卤素的蛋白能抵抗部分的紫外线，可能是因为这原因导致卤素的添加往往会对珊瑚具有增色效果，卤素的另一项作用是调节生物体的代谢速度， 因此卤素的缺乏会让生物体变得很不健康，卤素中以碘最为重要，碘的添加往往会让藻类生长变快，主要就是受到代谢速度加快的影响， 不过氟溴碘这些元素在珊瑚的饲养环境中易氧化成氧化物(x卤酸)，而海洋生物对氧化物的吸收有限，因为必须花费许多能量去还原他， 在换水比例不高或是生物量极高的环境中，少量的氟溴碘添加会有很正面的效果，使用钙反也可以将部分氧化的氟溴碘还原。如果饲养缸能维持正常换水就可以不必添加这些元素了！
卤化氢在动物体内可以作为消化液，不过这在海水中是不虞溃乏的。

八.铁、钼、锌、铜等(过渡金属)  
生物体中的过渡金属元素相当多种，含量都相当稀少，有很多含量不到0.000001PPM(0.001PPB)，通常不需要去添加与化除
以下仅列出较重要几项
A.铁是构成细胞色素的物质，铁的含量多寡对藻类的影响相当大， 且铁还扮演还原剂的角色，能让被氧化的卤素等还原成离子，这也会促进藻类的增长。 在纯养珊瑚的缸子铁是不太需要的元素，特别是使用海水素的缸子！想要铁离子不足并不容易； 在灰尘多的区域铁元素也会经由灰尘进入缸中，少量的灰尘就足以让铁浓度超过珊瑚所需(养SPS的缸子最好不要开窗户！)。
铁离子还有一项功能：就是能帮助海水中的蓝绿藻行固氮作用(将气体的氮转成NH4)，因此当缸中有红泥藻产生时千万不要添加铁。有些自营生物在铁不足时会转而利用自身的酵素去利用镍、钴等离子来行光合作用，要挡都挡不住。
在早期的学术或是水族资料中建议水中要有0.1ppm的铁离子，随着科技的进步已发现是因为当初的测量错误的所导致的乌龙， 近年来已经将海水中铁离子的合理浓度向下修正相当多。

B.钼元素主要的功能为协助自营生物还原氮化合物，也就是固氮能力(非固氮作用)，如果缸中测得的氮磷养分不低，而软件却呈现很淡的颜色，也许就是缺乏钼离子。

C.锌、铜主要是生物体氧化、代谢所需的物质。


九.钠、钾、钙、镁、锶等(碱金属)  
钠、钾等元素在海水中相当丰富，在生物体内主要负责电解质的浓度，适当的电解质，蛋白质才能激活及使用， 蛋白质的运输功能、代谢功能都得靠这些金属离子才能办到。
这些离子在生物体内的含量其实是相当少的，大部分占不到0.1%， 反观这些元素在海水中含量都不少，也间接说明生物对其利用率并不高， 并不用特别去注意，一般环境中钠、钾在缸中的消耗相当慢， 除非使用了吸附性滤材(例如会交换钾离子的沸石)，这时才需要将流失的部分补足。有些生物能以海水中众多的钠离子取代钾离子，不会受到钾浓度不足的影响。
   钙是海水中的主要离子之一。它在自然海水中的浓度约为420ppm，占海水中固体粒子总重量的1.2%不到。在
海洋中，钙浓度的变化主要是由于盐度的变化引起的，随着盐度的高低而高低。海水中的一个钙离子携带两个正电荷，写作Ca2+。钙在礁岩缸中是十分重要的，因为很多的生物——包括珊瑚和钙藻——需要它来生成碳酸钙骨骼。如果不将钙浓度维持在充足的浓度，这些生物会感到不适应甚至死亡。我建议鱼友们将钙浓度维持在在380-450 ppm之间。
镁离子在阻止钙和碳酸离子沉淀的方面是十分高效的，它通过改变正在生成的碳酸钙固体表层，从而使它看起来不再对其它的钙和碳酸离子那么有吸引力。
  在海水中，镁离子（1200-1400ppm）也代替钙离子进入珊瑚的碳酸钙骨骼。锶离子（建议保持在15-20ppm）也可以这样做，但它们的数量远远低于镁离子（约低600倍），因此它们进入晶体结构的可能性较小。

转自鱼友水平线的技术贴，略有补充

DeepAqua

好文，顶起！

多利216

MG+,1200可以嘛，为什么，我看到天然海水的指标都比这文章的高呀

nur

大师。。。

窗外的树

缸中的水质跟自然海水无得比

舞水端

微缸FOT 发表于 2015-2-7 19:41
缸中的水质跟自然海水无得比

是的，想把所有鱼缸里的现象都从大海找到答案完全是行不通的

舞水端

感谢老大加精！！~~~

三国都督

学习

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牛逼的技术贴 又好好学习了