炭素源を利用した硝酸塩とリン酸塩の減少について

サンゴ水槽内で発生する煩わしいコケは誰もが直面する大きな問題の一つです。今日ではコケの栄養素の濃度を減少させる幾つもの手法があります。レジン（吸着剤）や化学的ろ過材によるものなどがありますが、最近のトレンドとして、”プロバイオティック”を含むものまたは、バクテリアによる栄養塩（硝酸塩、リン酸塩）の減少の促進が注目されています。

生物学的ろ過を好む大部分の愛好家には、これらのプロセスの制限要因は還元過程のエネルギー源として機能する低分子量炭素化合物の欠損であることがよく知られています。多くの愛好家は、生物学的活動を加速させるために、ウォッカや酢、砂糖またはそれらを混ぜ合わせたものなど入手可能な炭素源を水槽に添加しています。一般的な方法として、水槽内の嫌気（無酸素）エリア（ライブロックや底砂の中）に十分な有機炭素源を与えることで、適正な反硝化やリン酸の減少を促進させることもできます。

これは理論的には正しいですが、それは他の生物学的活動も促進させるので、初めからコントロール、または上手く制御できなかった場合には悲惨な結果が伴います。海洋環境での異化プロセスには、複数の細菌のグループ間での非常に複雑な生態学的相互作用が関わっていることに注意することが重要となります。これらのグループには、2つのグループの硝酸塩還元バクテリアと、他のPOA（リン酸蓄積細菌またはPHA細菌）およびSRB（硫酸塩還元細菌）のグループが含まれます。

これらの4つのグループの間には、継続的な競争と抑制の関係があります。それらは、栄養素（窒素、リン、硫黄）の濃度、可用性、比率や酵素補因子、その他の生物的および非生物的因子の利用可能性によって調整されています。

水槽内の異化経路を調べたところ、2つの主要な細菌群があることがわかりました。最初のグループは、硝酸塩を亜硝酸塩またはアンモニアに還元するDNRAバクテリアです。2番目のグループは、硝酸塩から亜硝酸塩を介してガス状窒素に還元する従属栄養性脱窒菌で構成されています。元素状窒素はこのプロセスの最終生成物ですが、酵素補因子が存在しない場合など特定の条件下で、亜硝酸塩、一酸化窒素、および亜酸化窒素の中間蓄積が起こる場合があります。

環境要因、特に、有機炭素化合物の可用性とタイプ、C / N比、特定の補因子の可用性、および水生環境の酸化/還元状態は、各異化グループの発生と一次還元経路を大きく左右します。

例えば、アンバランスなC / N比は、完全な脱窒を防ぎ、DNRAの活性を増加させ、アンモニアと亜硝酸塩の蓄積をもたらします。 立ち上げ時の熟成サイクルの後、ほとんどの愛好家はNH4+およびNO2–の測定を行わないため、炭素源を投与している間、NO3–の減少を観察できますが、アンモニアや亜硝酸塩の蓄積に気付きません。C / N比が脱窒に最適である場合でも、他の必須要因が硝酸塩から遊離窒素への完全な脱窒を制限します。

これらの要因には、脱窒プロセスの各段階で補因子として機能する特定の化学元素が含まれます。これらの元素の不在またはアンバランスなレベルは、初期段階のどこかで脱窒プロセスを終了させる可能性があり、有毒なN2OおよびNOの蓄積につながります。

したがって、従属栄養細菌の特定の異化経路を促進し、完全なプロセスを確保することが、生物学的栄養塩削減の重要な側面の一つとなります。 NO3：PO4-Xは、この目的を満たすために開発されました。
 
 
 レッドシーのアルジーマネージメントプログラムの一部であるNO3：PO4-Xは、化学的にバランスのとれた幾つかの炭素化合物を供給することで、従属栄養性脱窒菌であるDNRAバクテリアを促進しながらも、アンモニアまたは亜硝酸塩の蓄積を防ぎます。NO3：PO4-Xには、窒素ガスへの完全な脱窒を確実にし、N2OおよびNO生成の可能性を防ぐための7つの酵素補因子も含まれています。

通常、十分な炭素源が利用できる脱窒条件下では、他の2つの栄養還元細菌グループが繁殖し始めます。ポリリン酸蓄積細菌（PAO）と硫酸塩還元細菌です。これらの2つのグループは、水槽内の全体的な栄養塩削減プロセスに大きな影響を与えます。最も一般的なPAOまたはPoly-Pバクテリアは、好気性/無酸素および嫌気性条件の2段階プロセスでリン酸塩を蓄積するPHAバクテリアです。

これらのバクテリアは炭素源において脱窒菌と競合し、嫌気性条件下ではPO4-3を放出して水に戻す可能性があります。我々は、従属栄養性脱窒菌の特定の菌種は、硝酸塩を用いた硝酸塩還元プロセス中で、末端電子受容体として機能する酸素の代わりに、リン酸塩を蓄積し、Poly-Pを合成することができることを発見しました。したがって、好気性/無酸素の二重段階は無関係となります。バクテリアが増殖すると、バクテリアのかたまりが水の流れに放出され、それがスキマーによって取り出されるため、リン酸塩がシステムから除去されます。

レッドシーのNO3：PO4-Xは、硝酸塩とリン酸塩の両方のバランスの取れた還元を維持することにより、PHA細菌とは他に無酸素状態でpoly-Pを合成できる生物学的能力を持つ従属栄養脱窒菌（PHBと呼ばれる）の増殖を促進します。硝酸塩がリン酸塩よりも急速に減少すると、嫌気性のPHA細菌が急速に増殖し、水中の窒素を吸収して繁殖できるシアノバクテリアの大発生につながります。

バクテリアの4番目のグループはSRBです。 これらのバクテリアは、嫌気性条件下で硫酸塩を有毒な硫化物に還元します。硫酸塩は約940 ppmの濃度で海水中に存在し、また炭素源と嫌気性条件も利用できるため、硫化物の生成を妨げることはできません。

SRBの増殖は、炭素源を奪い合い、放出する有毒な硫化物により活動を阻害することにより、他の細菌群に影響を与えます。

我々は研究中に、硫酸塩と競合し、細胞内呼吸複合体を破壊することにより、SRBの活性を阻害できる3つの元素を発見しました。これにより、硫化水素の形成を防ぎながら、無酸で素状態の生物学的栄養塩の減少をさらに高めることができます。

NO3:PO4-Xと他のコケの栄養素の減少方法との比較