这是目前为止我所见过的内容最全面、论述最合理的有关水族箱水质保持的文章。
虽然他只讨论了硝酸盐的问题，但是控制硝酸盐浓度是水族箱中氮循环最困难的一步，也是整个水族箱系统循环中最重要的。
这篇文章差不多解释了所有去氮方法的原理，对水族爱好者理解他们所用的工具和操作方法有很大帮助。
珊瑚水族箱中的硝酸盐
(原作：Randy Holmes-Farley)
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硝酸盐曾经长期困扰水族爱好者。这种形式的氮来自于食物，而且在很多鱼缸中都无法保持在自然水平。
大约10－20年前，很多水族爱好者只能依靠换水作为降低硝酸盐的手段。幸运的是，我们今天已经有很多手段可以将硝酸盐控制在需要的水平内，而现代水族箱的硝酸盐困扰要远远低于过去。
硝酸盐经常伴随着藻类问题，而藻类的生长的原因也确实通常是营养盐过剩，包括硝酸盐。硝酸盐还可以导致别的问题：比如卵圆鞭毛虫。对于一般的水族箱内的硝酸盐水平来说，其自身倒没有什么毒性，至少现在的科学研究还没有发现有什么问题。但是过量的硝酸盐会导致珊瑚的共生藻的过份生长，这会降低珊瑚的生长速度。
因此多数水族爱好者都努力降低硝酸盐水平。有些方法非常成功，而有些方法则不然。本文将以天然海洋和水族箱中的硝酸盐情形为基础，介绍一些成功的降低硝酸盐的方法，帮助爱好者将硝酸盐控制在较低的自然水平。
海洋中的硝酸盐
海洋中氮以多种形式存在，硝酸盐是其中的一种，其它的形式包括氮气，氨/铵，亚硝酸盐和无数的含氮有机物形式。在所有的无机形式氮中，硝酸盐是最主要的但是通常浓度并不高。海洋中的硝酸盐浓度与地域和水深都有关系。因为浅海中有很多生物消耗硝酸盐，因此硝酸盐浓度通常较低，经常低于0.1ppm。更深一些的水体的浓度通常在0.5-2.5ppm左右。而在那些深海海流上涌比较明显的浅海区域，硝酸盐水平就会高一些。
海水中的硝酸盐大多来自有机物的分解。例如下面以一种浮游生物的分解为例：
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4) + 138 O2 －> 106 CO2 + 122 H2O + 19 H+ + PO4--- + 16 NO3-
浮游生物＋氧气 -> 二氧化碳+水+氢离子+磷酸盐+硝酸盐
其它硝酸盐的来源包括海底火山喷发，蓝绿藻的固氮作用，已经来自陆地的污染等等。所有这些因素都会引入到氮循环过程，而硝酸盐就是其最终产物。
很多生物可以吸收硝酸盐来合成自身所需要的物质，比如蛋白质和DNA。那些大部分或者全部以光和作用产生能量的微生物，是硝酸盐的主要消耗者，当然这其中也包括了藻类，珊瑚和海葵(通过共生藻)。
在某些情况下，对于一些需要硝酸盐的生物，硝酸盐的升高会利于其生长。比如shoalgrass (Halodule wrightii，二药藻属生物)，widgeongrass (Ruppia maritime,川蔓藻)在硝酸盐为0.6ppm的环境中(比正常的0.1ppm的自然环境高)会生长更为迅速。不同的咸水植物会有不同的系统，从根系或者叶子吸收硝酸盐。
海水细菌，浮游生物，以及微藻也会因为硝酸盐的浓度升高而生长速度变快。
但是其它一些情况下，硝酸盐的升高并没有什么帮助，在这些情况下，磷酸盐，铁和光照等等因素会成为主要制约因素，例如大叶藻(Zostera marina)的生长并不会因为硝酸盐浓度的增加而加快，它的生长通常受到光照的制约。
显然的，一些会从硝酸盐浓度增加获益的生物并不是我们的水族箱中想要的。除了明显令人烦恼的藻类以外，卵圆鞭毛虫也会因硝酸盐浓度的增加而繁殖迅速，至少在16ppm以内都是如此。当然水族爱好者可以觉得欣慰的是垃圾海葵是很难利用硝酸盐的。
鱼类看起来对于硝酸盐浓度并不敏感。很多研究都认为硝酸盐是没有太多毒性的。一个研究海水养殖的报告指出：研究证明非离子化的NH3对于繁殖缸是最大的潜在威胁，而一般在海水鱼繁殖缸中常见的NO2和NO3浓度都是无毒的。
然而，很多爱好者称他们的鱼在硝酸盐过高(大于50ppm)的环境中会表现得不健康。这到底是硝酸盐的提升导致的，还是某些别的因素正巧与硝酸盐问题一起出现，还是个未知数。
最后，对于自然的珊瑚礁来说硝酸盐的增加是糟糕的，会导致珊瑚礁转变为海藻环境，但是硝酸盐和其它营养盐(例如磷酸盐)相比与这种效应的关系，通常是不明确的。
水族箱中硝酸盐增加导致的结果
除了上面提到的，硝酸盐增加会导致一些不需要的微生物增加(主要是微藻和卵圆鞭毛虫)以外，珊瑚也会受到硝酸盐的影响。很多珊瑚不会对硝酸盐太过敏感，有些甚至还会因为硝酸盐的增加而生长加快，但是某些特定的珊瑚，特别长有钙化骨骼的珊瑚，更容易因硝酸盐的升高而产生负面反应。
很多情况下硝酸盐对珊瑚影响的试验会用硬骨珊瑚的生长来测试，显然得到的结果不会是巨大的差别，但是依然是明显的。试验显示对于扁缩滨珊瑚(Porites compressa)来说，提高的硝酸盐(在小于0.3-0.6ppm的水平)减缓了其生长。但是如果我们同时提升碳酸盐硬度(比如提到4.5meg/L,大约12.5dKH),这种影响会被消除。对这种情况的一个解释，是硝酸盐提高促进了虫黄藻的生长，因而与宿主珊瑚产生对于无机碳源的竞争(光和作用和钙化过程都需要无机碳)。当碳酸盐硬度提高的时候，这种竞争不再使得宿主珊瑚产生无机碳短缺的情形。
另外的一个针对微孔珊瑚(Porites porites)和环圆菊珊瑚(Montastrea annularis)的研究也支持上述假设。试验显示硝酸盐的提升，导致了光和作用，虫黄藻密度，以及叶绿素a和c2，以及总蛋白的增加，但是珊瑚骨骼的成长则相对减弱。但是这一试验结果似乎也并非适用于全部珊瑚，比如在对鹿角轴孔珊瑚进行试验中就没有看到这种结果。
近期对于Porites cylindrica珊瑚的一个研究则发现硝酸盐提升时(0.9ppm)，并未使得虫黄藻和光和作用的密度提升，而是降低。但是研究文献并未解释这种情况发生的原因，但是提到珊瑚可能已经排出了一些虫黄藻因此影响了试验结果。另外就是这个研究项目中采集的野生珊瑚，在研究过程中都体现了紧迫现象而且损失了相当数量的个体。因此我对这个试验并未特别关注。
检测硝酸盐
检测水族箱中超过0.5ppm的硝酸盐浓度的水样，是相对简单的。我觉得LaMotte以及Salifert的硝酸盐测试剂都是比较容易使用的，并且我进行的有限的测试显示它们的精确性对于一般水族爱好者已经是足够的了。在0.5ppm以下的浓度上，现有的测试剂就比较难了。Salifert的生产商Habib Sekha表示如果市场需要，生产这样的低浓度测试剂也并不困难。所以如果你需要这样的测试剂，也许可以与他们联系。
水族箱中硝酸盐的来源
硝酸盐最主要的来源是投喂的各种食物。所有的蛋白质中都含有氮，其它很多分子也可能含有氮，最终这些分子中的氮都可能通过生化作用转变为硝酸盐的形式，过程和文章最开始提到的浮游生物分解的过程类似。
其它的过程还包括各种生物体的死亡。
最后一个来源则是使用自来水。它有可能为水族箱中增加可观的硝酸盐，在美国自来水允许的硝酸盐浓度是44ppm。如果每天加入这样的水可能为水族箱中增加可观的硝酸盐。不过各地的自来水的硝酸盐浓度不同，在我居住的地方，自来水的硝酸盐浓度通常低于0.1ppm。
降低水族箱中的硝酸盐
对于很多水族爱好者来说，最大的问题是水族箱中的硝酸盐含量超过他们的期望。我一直在努力将我自己的水族箱中的硝酸盐含量降低到1ppm以下，最好是现有的水族测试剂的最低量程以下(低于0.5ppm)。如果有更低测量能力的硝酸盐测试剂上市，我会将自己的努力目标降的更低。显然硝酸盐越高，需要注意的就越多。
这一部分我会简单介绍一下减少硝酸盐的各种办法。不过请注意我没有提到换水，虽然换水能够起到一些作用，但是如果想仅仅通过换水降低硝酸盐，那恐怕必须有一个可以连续换水的系统设计才可以。
首先需要高品质的测试剂测试硝酸盐，然后就是根据下面的一个或者多个方法来降低硝酸盐。
1.减少水族箱中氮的输入。如果你喂的太多，停止。不过我反对为了降低硝酸盐而让生物忍饥挨饿。如果你使用自来水，那请先测试一下自来水中的硝酸盐浓度。出于多种原因，一个RO/DI净水机是很好的选择，不过即使简单的RO或者DI机也足以完成这个目的了。
2.通过化蛋增加氮输出，或者使化蛋打出更多东西。增强化蛋本身并不直接解决硝酸盐问题，但是它可以有很大帮助，而且还有别的好处，比如增加氧溶解度以及降低磷酸盐浓度。
3.通过藻类或者ATS降低硝酸盐输出(当然你也可以选择别的生物)。你培育和收割的越多，被带走的营养盐就越多。这些方法通常可以有效地将硝酸盐浓度降低到测试剂的最低可测试范围以下(低于0.5ppm)。同时这一过程也可以有效消除磷酸盐。
qxq注:ATS —— Algal Turf Scrubber 也就是藻缸
4.使用DSB，也就是厚底沙设计。DSB可以建立低氧区域，这样这些区域中的一些生物可以将硝酸盐代替氧作为电子受体。最终的结果是硝酸盐被转化为氮气，氮气可以从水族箱中排入大气。厌氧区除去硝酸盐的完整过程比较复杂。在富氧区域产生硝酸盐的反应可以简化如下(这里忽略了磷酸盐)：
有机物 + 175 O2 --> 122 CO2 + 16 NO3- + 16 H+ + 138 H2O
这里有机物以典型的有机化合物((CH2O) 80 (CH2)42(NH3)16)为例，在缺少氧气的区域，硝酸盐会被完全分解为氮气(实际上反应是多个步骤进行的)，可以简单的表示为以下反应式：
有机物 + 124 NO3- + 124 H+ --> 122 CO2 + 70 N2 + 208 H2O
在很多水族箱中，仅仅依靠DSB就足以将硝酸盐降低到0.5ppm以下。但是在很多水族箱中也有失败的DSB的例子。DSB的成功关键在于沙床的厚度，以及成份(沙子的种类，特定的沙砾大小分布，以及其中的生物体)。
5.减少那些为了促进氮循环而设计的过滤装置。这些过滤体系可以非常有效的将氨分解为亚硝酸盐进一步再到硝酸盐。但是他们并不处理硝酸盐。这一点对于很多水族爱好者来说都不是那么直观，但是减少这类过滤器材和装置确实可以有效降低硝酸盐。因此缓缓地去除这些东西，让氮循环发生在活石和沙层中是很有好处的。
这个过程并不会减少硝酸盐的产生，重点是产生硝酸盐以后发生的过程，当硝酸盐产生于类似生物球这样的人工滤材上的时候，它会溶解到水体中，然后再通过自然扩散达到那些可以处理硝酸盐的区域(比如活石上)，但是当硝酸盐产生于活石或者沙层的时候，那么这些区域的硝酸盐浓度就会自然比前面一种情况高，可以更加容易地进入到活石或者沙层上那些可以处理硝酸盐的区域。
6.使用碳驱动的硝酸盐去除器。有很多商业化的成品硝酸盐去除器，虽然这些东西在美国并不流行，但是它们确实可以工作的不错，而且一些爱好者是很喜欢它们的。
这种硝酸盐去除器中，碳源被加入到一个低氧水体中，很多情况下这种碳源是甲醇，甲醇以一种受控方式与鱼缸的水混合，并且在低氧环境下被细菌消耗掉，而硝酸盐代替氧作为电子受体被消耗：
12 NO3- + 10 CH3OH + 12 H+ -> 10 CO2 + 6 N2 + 26 H2O
最终的结果是硝酸盐被去除。这种去除器的问题是必须很小心的进行控制，这样的硝酸盐去除器通常会很麻烦而且结果有时会很复杂。
qxq注:黑白球去硝器的白球可能就是缓慢释放甲醇或其它碳源，向鱼缸中加伏特加或酒精来降硝酸盐的方法应该也是用的这一原理
7.硫磺硝酸盐去除器。在这些系统中，细菌消耗硫磺而生成氮气，反应如下(或者类似如下)
2 H2O + 5 S + 6 NO3- -> 3 N2 + 5 SO4-- + 4 H+
通常这种去除器的出水会串连一个放置钙沙的系统，借助生成的氢离子，使得碳酸钙被溶解，以提供珊瑚缸需要的钙和碳酸盐硬度。
虽然这个主意挺起来不错，但是实际上它替鱼缸中增加的钙和碳酸盐硬度是很有限的。假设这种去除器可以每周降低水中的硝酸盐10ppm。那么：
10ppm硝酸盐 = 0.16毫摩尔/L
因为大约每消耗6摩尔的硝酸盐，产生4摩尔的氢离子
因此每周产生0.107毫摩尔/L的氢离子
这样可以产生多少钙呢？
假设
CaCO3 + H+ <--> Ca++ + HCO3-
实际上这是过高的估计了，因为很多氢离子被用于拉低PH使得碳酸钙变得可溶。
那么获得的钙离子是每周 0.107毫摩尔/L。钙的摩尔质量是40毫克/毫摩尔，因此得到每周添加的钙浓度大约是4.3ppm 每周。
与之相比，如果每天加入缸内水体总量2%的石灰水，可以每天添加16ppm的钙，因此上述硫磺硝酸盐去除器作为钙添加的主力是不够的。而从长远看，添加酸性是会使得缸内的碳酸盐硬度损失的。因此如果你使用这种方法，请注意碳酸盐硬度。
至于它去除硝酸盐的效率，我并不确定，因为我接触过的唯一使用这种硝酸盐去除器的朋友遇到了不少问题。
qxq注:应该是硫磺珠去氮的原理
8.AZ-NO3。这一产品是直接加到水族箱中用的，曾经由Randy Doniwitz评测过
(http://www.animalnetwork.com/fis ... ures/2/default.asp)，我从这种产品的描述中看不出来它是如果起作用的，如果使得硝酸盐可以被化蛋排出。总体上我是不会推荐我不能理解的产品的，因为我无法确知它是否存在某些副作用。这种产品还特别的说自己有一些别的作用——“AZ-NO3除了消除硝酸盐还有别的好处”
不过我认识不少爱好者都说自己用它有效的消除了硝酸盐而且没有什么不良副作用。
9.硝酸盐吸收材料。各种各样的铝氧材料和沸石多年来一直作为硝酸盐去除材料销售。比如KENT的去硝酸盐海绵。我自己没有测试过，但是不少人用过并且说它们是有用的，只是需要很长的时间才能看出效果。
10.可以固着有机物的碳和聚合物。这与化蛋去除有机物的机理差不多，防止这些有机物进入氮循环。比如Seachem的Purigen，Poly-Bio-Marine的Ploy-Filters等等，我自己没有使用过这些东西，而且也没有听过有报道说它们可以成功降低硝酸盐。
总结
过去，高硝酸盐问题曾经被很多海水水族爱好者认为是没有办法的事情。但是今天的技术已经使得我们可以把硝酸盐降低到自然海水的水平了。我自己是通过DSB以及海藻过滤来降低硝酸盐的。别人也许使用的是另外的方法，不过无论如何，营养盐如何输出，是在设计水族箱系统的时候就应该考虑进去的。
作者简介
Randy Holmes-Farley 是一位知名的海水水族化学专家，以前曾经在2000上转发过的一篇文章“海水化学综述”也是他的大作。他是RC论坛海水化学版的版主，并且经常为ReefKeeping和Advanced Aquarist撰写专题文章。
Randy Holmes-Farley 拥有科内尔大学的生物和化学学士学位，以及哈佛大学的化学博士学位。他拥有40项专利，无数的出版物，以及若干奖项。1992年他创办了一家制药公司，现在他是化学研究机构GelTex Pharmaceuticals(Genzyme的子公司)的副总裁. Randy是两种药品的合作发明人 (Renagel 和 WelChol).
Randy 住在马萨诸塞州，有7年的珊瑚水族经验。他和妻子收养了两名中国小女孩。
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本帖最后由 qxq 于 2007-1-15 12:05 编辑 ]
