根系篇
硝化作用（nitrification）和脫氮作用（denitrification）向來是水族界兩個歷久不衰的話題，尤其是在只養魚無水草且沒換水的環境中，硝酸的累積濃度往往非常的驚人，於是乎脫氮作用（或稱反硝化作用）被許多人寄予厚望，希望能透過脫氮作用的方式，來降低水族缸內長期累積的硝酸濃度。
為了設計出能進行脫氮作用的環境，多年以來也有不少相關的設備孕育而生，最常見的方式就是採用脫氮過濾器的方式。脫氮過濾器的基本原理，就是讓水流以非常緩慢的方式流經缺氧的濾材，濾材由於處於缺氧的環境，細菌的種類便以厭氧菌為主要族群，而脫氮細菌就是厭氧菌的一族。單就原理而言，脫氮過濾器應是可行的。但實際上的效果如何，恐怕還有待進行更進一步的證實。
不過本文打算探討的，並不是脫氮過濾器的效用，而是在水草的存在之下，脫氮作用會有何變化？水草一方面吸收氨氮（NH4+）和硝酸（NO3-），另一方面又從根系釋放出氧氣於底床之中，如果依照一般的邏輯想法，種植水草肯定是不利於脫氮作用的進行。學界對於水生植物根系與硝化和脫氮作用的探討，還是有一些研究成果可提供水族愛好者來參考的。
其實在農業界長久以來就發現了一個現象，即水稻（Oryza sativa）對於氮肥的運用效率不佳，有很多施予稻田的氮肥其實都未水稻被吸收而是流失。在 1985 年時美國的學者 Reddy 的等人對於這樣的狀況，進行了以氮15（N15）當作標記的水稻運用氮肥效率研究。來自佛羅裡達大學的學者將氮15的氯化銨（NH4Cl），注入分別種植有水稻和完全無植物的淹水底床中，學者為了防止底床內的氮肥擴散至水體中，還在底床和水體的介面上做了防護的措施，然後在 20 天以後進行氮15的檢驗和比較。
美國的學者發現，在含水稻根系的淹水底床實驗組中，只有 1.8% 的添加氮15還可在底床內測得到，其他的則都已經快速消失了。其中植物（也就是水稻）總共吸收了 65.4%，根系佔了 16.6% 而莖葉佔了 48.8%。另外有 15% 被轉化成了有機氮化合物，上面加起來總共只找回了 82% 的氮15，還有 18% 的氮15則消失無蹤了。而在無植物的淹水底床實驗組中，有 73.9% 的氮15依舊可在底床內測得到，另有 21.6% 被轉化成了有機氮化合物，有就是實驗末了時尋回了 95.5% 的氮15，另有 4.5% 的氮15則是消失無蹤。
美國學者認為這個研究成果傳達了一個很明確的訊息：氮15之所以消失乃是因為脫氮作用的發生，而且在水稻存在下的淹水底床，每天每平方公尺的氮元素消失量達 143 mg，此外脫氮作用進行的效率，更勝於無植物根系的淹水缺氧底床環境！
我們都知道，植物在行光合作用時，會將莖葉的氧氣輸送至根系，如果進入根系的氧氣超過了呼吸作用的需求，就會擴散到根系周圍的土壤或底床當中。就以水稻而言，有研究指出每分鐘每平方公分的根系可擴散出 0.12 μg 的氧氣，這個過程會造成在缺氧的底床中，形成環繞根系的一個有氧區域。由於根系所佔的面積相當的大，底床內也就形成了許多含氧與缺氧的梯度區域。
因根系所形成的這種兩極化底土區域，也大大地影響了氮肥的轉換。在靠近根系的地方，氨氮將氧化成硝酸，然後被根系吸收或擴散至水體當中，但也可能擴散至缺氧的區域而進行脫氮作用。其他的氧化作用也會跟著一起進行，例如二價鐵也可能氧化成三價鐵。不過我們現在比較關注的是脫氮作用的議題。
我們都明白硝化作用需要氧氣，不過難以理解的是，為何根系注入底床氧氣後，反而能促進脫氮作用的進行。其實丹麥的學者 Christensen 等人在 1986 年時也有此發現。可是另外的學者卻發現，溪流中藻類覆蓋下的巖石，由於含氧量增加的關係，反而較不利於脫氮作用的進行。
同一批美國的學者在 1989年又發表了一篇後續的研究。這次研究的對象則是三種挺水植物，除了原本的水稻之外，還加入了梭魚草（Pontederia cordata）和燈心草（Juncus effusus）。這次研究人員想要了解的是，氮肥在根系附近氧化形成硝酸後，如果擴散回原本的厭氧區是否對脫氮作用有所促進作用，而且先前並未直接測量氮氣的含量，也很難以說明測不到的氮15就全變成氮氣了。美國佛羅裡達大學的學者們為了求精準，這次還測量了空氣中的氮氣（N2）和氧化亞氮（N2O）的濃度。
美國的學者從這次的研究中發現，在底床添加氮15氯化銨（NH4Cl）的實驗中，含有植物根系底床組散失於空氣中的氮15氮氣速度，是不含植物根系底床組的六至九倍。此外從研究中發現，脫氮作用所變成的氣態氮，幾乎都是氮氣的形式，絕少出現氧化亞氮。況且有 34% 添加入含植物根系組的氮15是消失無法測得的，在無植物根系的對照組則只有 11% 不見了。真正測得的氮氣只有 4-14%，意味著有不少氣態氮其實是被套牢在底床內的。
至於在氮15硝酸氮（NO3）的實驗中，不論是含植物根系組或者無植物的對照組，有 88-94% 的硝酸都消失無蹤了，學者推測這應是脫氮作用所造成的。在這一組的含植物根系實驗中，脫氮作用所產生的氮氣只有 24% 從植物體逃入空氣之中，剩餘的76% 都被鎖在底床內。在無植物根系的對造組中，氮氣由抵床經過水體直接散發至空氣中的比例則非常的低，也就是絕大部分的氮氣都還是滯留在底床內。
就整體而言，美國的學者的實驗獲得了結論是：添加入底床的氮肥當中，在有水生植物根系存在的時候，有約 25% 會因脫氮作用而消失於空氣中，而在無植物的水下底床中，只有約 10% 氮氣會散入空氣中。這也令我們恍然大悟了一件事，原來天然水草缸在修剪水草翻動底床時，冒出來的氣泡有很多原來是氮氣。
丹麥的學者Risgaard-Petersen 的等人在 1997 年發表了更進一步的研究。他們這次用的可就是水中植物 Lobelia dortmanna（山梗菜的一種），同樣也是採用氮15氨氮來觀察氧氣、氨氮和硝酸濃度的變化。丹麥的研究人員發現，不論是裸露底床或種植有水草底床實驗組，在日間的時候都能測得氧氣釋放入水體中，而且裸露底床組的氧氣濃度遠大於水草組的水中濃度；此外夜間的時候水草組在夜間的氧氣濃度下降，卻又遠高於裸露底床組。這意味著裸露底床組內有藻類的存在，同時影響到了氧氣的日夜變動。不過我們要注意的是，這是指水中的氧氣濃度而非底床。
丹麥學者的研究以測量氮氣（N2）的方式還發現了，水草組的硝化與脫氮作用速度，是裸露組的六倍以上，硝酸濃度也是水草組明顯高於裸露組。而有趣的是，水草組的硝化與脫氮作用，還受到了光照的影響，也就是說在照光行光合作用時，水草組的脫氮作用活性會降低約 30%。相對而言裸露組的脫氮作用活性則不受日夜循環的影響。進一步的分析又發現了，裸露底床的氧氣僅能穿透底表不到 7 mm，水草根系所釋放出來的氧氣卻可移動超過 24 mm，況且在水草根系的上下區域出現了氧氣的梯度，也就是硝化作用發生於最靠近根系的高溶氧量區，遠離根系的地方則是脫氮作用的地點。
由上述的幾篇研究來看，我們可以這麼說，水草的根系對於硝化作用和脫氮作用，都有很明顯的促進作用。水草根系在底床釋出氧氣有利於硝化作用，這是所有水草玩家都很容易理解的事實。但水草根系在底床所釋出的氧氣也能促進脫氮作用，可就是許多水族愛好者從未想過的結果。經由多篇的國外實驗，我們明白了，氧氣濃度梯度對於脫氮作用而言，具有很正面的促進作用。
其實在許多高溶氧量的滾輪過濾器實驗中，也發現了脫氮作用的進行，這和水草的研究發現氧氣濃度梯度是不謀而合的。對於水草玩家而言，硝化作用和脫氮作用並不是很重要的議題，因為水草既能吸收硝酸也能攝取氨氮，況且脫氮作用的促進也會協助讓許多的氮肥消失。可是對於沒種水草的水族愛好者而言，對於脫氮過濾器的功效恐怕就有待重新檢討了。
無論如何，對水草玩家而言最可惜的是，學者雖然以氮15證實了水草根系和脫氮作用的關係，但我們仍舊不了解的是，當水草根系不斷地釋放氧氣於周遭的底床中，此時水草根系真正吸收到的是硝酸還是氨氮？畢竟距離水草根系最接近的位置，是溶氧量最高的地點，也就是硝化作用的主要發生範圍。這真是個耐人尋味的問題！
莖葉篇
由許多研究發現，水草根系在缺氧的底床中，供應周遭氧氣造成溶氧的梯度，對於脫氮作用反而有促進的作用，而非在溶氧量極低的環境中，才有利於脫氮作用的進行。那麼我們就覺得好奇了，水草的莖葉部位的情況呢？水草莖葉對硝化作用有何影響呢？莖葉部的高溶氧量是否不利於脫氮作用的發生，或者莖葉的溶氧梯度也同樣有助於脫氮作用的進行？
我們還是來參考研究報告怎麼說吧。
瑞典的學者 Eriksson等人於 1999 年發表了一篇研究，學者以龍鬚草（Potamogetonpectinatus）為研究對象，探討照明對水草表面和根系對於硝化作用和脫氮作用的影響。研究人員分成了三個實驗的小組，分別是只含有龍鬚草的莖葉、底床和龍鬚草加底床，在六小時黑暗、六小時照光和六小時黑暗的照明環境中，並且注入氮14的氨氮（NH4）和氮15的硝酸（NO3），來觀察硝化作用和脫氮作用的差別。
傳統上單純的以好氧或缺氧環境來看待硝化作用和脫氮作用，其實並不適用在水草的身上。
實驗的結果發現，在含有龍鬚草的兩組當中，溶解態無機碳（DIC）濃度的變化，介於有照明時的8 mg/L 和黑暗時的 16 mg/L 之間；而只含有底床的這一組，溶解態無機碳濃度則不論光照或黑暗，很穩定的介於 13 至 15 mg/L 之間。這個數據對於天然水草缸的玩家而言，是很值得留意的碳元素濃度。
此外就硝酸濃度而言，在只含有龍鬚草的實驗組當中，整體的硝酸濃度呈現了淨增加；但在含有底床的兩組實驗中，整體的硝酸濃度則呈現了淨減少。若再從照明於否的角度來看，在有光照的時後，含有龍鬚草的兩組實驗，其硝酸濃度都是增加的；但在黑暗的時候，三組的硝酸濃度都是減少的。學者認為黑暗期三組實驗的硝酸都呈現減少，意味著硝酸都出現了消耗的現象。
根據研究指出，水草每公克乾重的表面積約為 0.16 平方公尺，而水草表面積的硝化作用速率則約為 0.5 mg/h/m2。
這個實驗同時也再度證實了，含有水草的兩組，其硝化作用比起只含底床的這一組，活性要高出非常的多。況且在照明的情況下，水草表面的硝化作用又特別的顯著，只含底床的這一組，硝化作用的速率則和照明與否無關。這很可能是和水草在照明時產生大量的氧氣，有利於附著於表面生物膜內的硝化細菌使用。
這不禁令我們想起了「水草與生化過濾（下）：當水草遇到硝化細菌」一文，Diana Walstad 女士也提到了水草的莖葉上都覆蓋著一層硝化細菌，並認為水草缸可以不使用過濾器。其實根據瑞典學者在先前的研究也計算出，水草每公克乾重的表面積約為 0.16 平方公尺，而水草表面積的硝化作用速率則約為 0.5 mg/h/m2。
研究人員利用氮15的氮氣（來自 NO3）和氮14的氮氣（來自 NH4），來協助鑑定脫氮作用的發生速率和比例。
脫氮作用在水草的莖葉表面也會進行，有別於許多人原先的觀念。
由圖表可以很明顯的看出，脫氮作用在只含底床和同時含有底床與龍鬚草的這兩組中，比起只含龍鬚草的這一組要高出很多。雖然沒有底床環境，只含龍鬚草的這一組依舊在進行脫氮作用，也就是說水草的莖葉表面雖然處於高溶氧量的環境下，脫氮作用仍舊會發生。
在含有底床的這兩組實驗中（不論有龍鬚草與否），14NO33- 的脫氮作用所佔的比例很低，但在只含龍鬚草的這一組中則佔了相當大的比例。由於水草莖葉表面的硝化作用速率是脫氮作用速率的 40 倍，作者認為氮14由氨氮經過硝化作用變成了氮14的硝酸，然後才進行脫氮作用。這意味著水草表面的脫氮作用，其實是和硝化作用有很緊密的關係的。
水草葉面在行光合作用時，不但提供了氧氣，還提供了鹼性的環境，很有利於硝化作用的進行。
水草提供了大量的表面積給為生物附著生存，同時也在莖葉上提供了氧氣給硝化細菌使用，此外水草在行光合作用的時候，表面的酸鹼值（pH）也可能因脫鈣作用而升高，對硝化細菌而言又產生了正面的影響。所以水草莖葉對於硝化細菌具有很正面作用。而我們先前曾提到了，脫氮作用往往是和硝化作用伴隨而生，並非全然是我們原先所預期的絕對缺氧環境，這可由不論是在水草的根系或者莖葉上，都發現了在有氧環境中也能產生脫氮作用來證實。
無論如何，對於沒種植水草的水族愛好者而言，脫氮過濾器或許是個考慮的器材。但對於水草缸而言，由於水草不論莖葉或根系，都提供了硝化作用和脫氮作用的環境，可就不用太擔心脫氮作用了，反正一切交給水草就對了。
高手之所以稱之為高手，往往是因為他們掌握了常人不知道的知識......
From：沼澤缸之家
Editor：rlyl
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