1. そもそも栄養塩とは

『栄養塩』と言う言葉がありますが、これは何を意味するのかと言いますと、 海洋に於いては、窒素、リン、ケイ素を由来とした塩類、 すなわち「硝酸塩」、「リン酸塩」、「ケイ酸塩」などを指し、 これらは食物連鎖の起源である生産者(植物プランクトン)には欠かせない栄養素であるため、 これらの総称として「栄養塩」と言う言葉が広く用いられています。

しかし「栄養」とは言うものの、これらの物質は生産者(植物プランクトン、 藻類、海草など)以外の消費者(動物プランクトン、魚など)にとっては日常で利用する形態ではないため、 必要以上の栄養塩は単に汚染を示す物質として扱われます。通常、 太陽光の届く浅い海域では生産者が豊富なため、逆にこの栄養塩は非常に低い値を示していますが、 希に水温の変動や海流の関係などにより通常よりも多くの深層水が表層へ運ばれると、 その富栄養が原因となり藍藻や鞭毛藻を大発生させ赤潮や貝毒などの被害に繋がる場合もあります。 それほど栄養塩の存在は海洋のバランスに大きく関わっているのです。

ところで、皆さんのお住まいの近くには「海」がありますか？ 無い方はいつか見た海を思い出してみてください。 どんな海だったでしょうか。海草やコケが生い茂っていたり、 あるいは川が近いとゴミや不純物が多くてあまり綺麗ではなかったかも知れません。 このような海草やコケ、透明度はやはり栄養塩と大きく関係しています。 海草やコケにとって栄養塩はそのまま栄養源となりますし、 栄養塩によってプランクトンが繁殖すればその密度によって海水の透明度は悪くなります。 特に太平洋側よりも日本海側、更に河口付近や港の中は栄養塩濃度は高い傾向にありますので、 海草やコケも多く、透明度もあまり良くありません。

一方、珊瑚礁の栄養塩濃度は常に低く維持されています。 これは、リーフの形成によって外海から影響を受けにくなっている事と、 生産者以上に豊富な種類の消費者が存在している事に他なりません。通常、栄養はその取り込んだ生産者が、 その上の消費者に次々と取り込まれていく事で循環していく訳ですが、 特に造礁サンゴの仲間は、取り込んだ栄養を骨格や共肉として固定していくので、 この事が更に海水の低栄養化に繋がっています。 更に低栄養環境は、プランクトン密度を抑制して海水の透明度を上げ、 またサンゴの色を鮮やかにし、海草やコケの少ない絶景を作り出しています。

2. 窒素循環(窒素サイクル)

ここでは硝酸塩の処理として「窒素循環」について考えてみます。 まず、海洋に於いての窒素の溶存形態として、生体の排泄物や死骸から分解されてタンパク質やアミノ酸から始まり、 それが各バクテリアによってアンモニアや亜硝酸、硝酸塩と形を変えていきます。 また逆に、硝酸塩から窒素へ、あるいは段階的に硝酸塩→亜硝酸→アンモニアというように 還元していくバクテリアも存在しています。 このような窒素の循環サイクルを「窒素循環」と言います。では、それぞれの行程について触れてみましょう。

3. 水槽での栄養塩の処理

まず、水槽での水質処理としては、第一ファクターとして「従属栄養細菌らによるタンパク質からアンモニアへの変換」、 第二ファクターとして「独立栄養細菌らによるアンモニアから硝酸塩までの一連の硝化作用」などは皆さんもご存じの通りで、 これがメインとなる従来濾過は古くから水槽の水質処理に用いられてきました。 更にナチュラルシステムでは、第三ファクターとして「嫌気環境での通性嫌気性細菌らによる脱窒」によって、 第二ファクターでの最終物質である硝酸塩を還元作用によって窒素へと戻す行程を持ちます。 また、この第三ファクターと平行して、第四ファクターとなる「硝酸塩から亜硝酸、亜硝酸からアンモニアへと段階的に戻していく従属栄養細菌らによる還元作用」も存在します。 このような還元的な作用は、従来濾過でも人為的に外部機能として持たせる事は可能で、デニボールや還元ボックスはこれらを応用した仕組みです。 但し、ナチュラルシステムのように必然的に形成されたバランス関係にはなく、それぞれを意図して配分する必要があり、また定期的な有機物の補給やメンテナンスなども必要となります。

さて、この還元作用についてですが、これを実現するためには、これらに携わる細菌らに嫌気環境を与えなくてはなりません。 具体的には、効果的な酸化還元電位の操作が必要不可欠となります。どのような事かと言いますと、「ナチュラルシステムと微生物」の項でも触れましたが、 基本的に脱窒(硝酸還元)に必要な嫌気環境とは、酸化還元電位値で約-50mV～-200mVの範囲を要求します。 これよりも高いと通性嫌気細菌は脱窒は行わず、有機物の分解にはあくまで硝酸ではなく酸素を利用するため、好気的な硝化反応をおこないます。 そのため、適切な電位を維持するためにも、砂の粒子サイズや砂の層の厚さ、またこれらを撹拌するベントスらの数や仕事量にも目をやらねばなりません。 特にプレナムを設置している水槽では、この撹拌の度合いにもっとも注意が必要です。

では、これらの環境を用意したところで、はて、それら嫌気細菌たちとはどこからやってくるのでしょうか？ 実はこのような細菌類は環境に合わせ必然的に現れます。と言っても何も無いところから湧き出す訳ではなく、厳密には何かしらの媒介によって持ち込まれます。 砂、岩、海水、生体から、あるいは空気中にも休眠状態のシストは数多く存在しています。しかしそれらを宛もなく気長に待つよりも、 やはり気持ち的にも確実に導入したいので(笑)、通常は天然のライブサンドやライブロック、天然海水などを用いて最初からこれらを持ち込んでおきます。 あとは、それぞれが必要とする環境下で必然的にそれぞれの活動と増殖は始まります。但しそれらの活動量は、先に用意したそれぞれの環境スペースによって決まってしまい、 特に砂の層での活動量はとても大きいので、砂の面積と厚さは十分に確保しておきましょう。

こうして上手く配置した還元層には、脱窒による窒素の気泡がところどころに現れ、目で見てその効果が確認できるはずです(砂の層をガラス面越しに見た場合)。 そうなれば、まずは窒素循環は上手く実現した事になります。あとは、そのキャパ以内に硝酸濃度を抑えるか、または還元層を増やすか、 いずれにしても水槽内で窒素が処理できる事で、水質の長期安定維持を可能にするキップを手に入れた訳です。これをキープできるように頑張りましょう。
また、しつこいようですが微生物も忘れてはいけません。上のような窒素の気泡は、砂中の微生物や線虫類の昇降運動によって常にガス抜きされていきます。 その際に砂の表層のデトリタスなどの有機物を砂層へ引き込み、それが各層のバクテリアに渡され、また循環を繰り返していくのです。

更に興味深い性質として、各細菌にはあらゆる要素で分類される「嗜好性」が存在します。 それは例えば「塩分濃度」で見た場合、「好塩性」、「耐塩性」、「非耐塩性」などに分類する事が出来ます。 一般的に海洋に分布するものは微好塩性に属す細菌で、淡水では増殖できません。 また汽水域を好むものを耐塩性細菌、死海のような高塩濃度を好むものを高度好塩細菌と言うそうです。 また、「水温」に対しては、0℃前後を好む「低温細菌」、20℃以下で増殖可能な「偏性低温細菌」、20℃以上でも増殖可能な「通性低温細菌」とに分けられます。 「水圧」に対しても分けられますが、その多くは深海性のものとの比較のようで、「耐圧細菌」、「好圧細菌」、「偏性好圧細菌」、などに分けられています。 肝心の「栄養」については、「偏性低栄養細菌」、「通性低栄養細菌」とに分けられ、海洋に分布する従属栄養細菌の多くは前者に分類されるそうです。 またこの種は高濃度の有機物環境ではその増殖が阻害される事も実験から判っているそうですから、やはり富栄養は良くありませんね。 最後に、「磁性細菌」と言うカテゴリーまであるそうで、なんと「走磁性細菌」と言うのは磁力線に沿って泳ぐそうな(笑)。 これは硫酸還元細菌の一部にも見られる性質だそうです。いやはや、一口に「細菌」と言っても色んな嗜好性がありとても面白くて興味深いですね。 これらの事からも判るように、やはり水槽に於いても再現すべき環境は海に見習えと言う事で、比重は1.023前後を保ち、 水温も25℃前後をキープ、水圧や磁気は良いとしても、栄養は極力低栄養に心掛けると言う事。魚やサンゴ同様、細菌にも優しい環境を整えてこそ、「海」の完成度は高まると言えます。

また、上記のような窒素の処理の他に、リンなども上手く処理させたいところですが、あいにくリンには気体型が存在せず、 リンサイクルにおいてはバクテリアによる無害化処理が困難(ごく僅かは水槽内でもあるでしょうが)であるため、 今のところカルクワッサーによる固定(リン酸カルシウム)か、吸着剤による除去が妥当なところでしょう。 但しいずれの場合も溶存性のリン酸イオン(オルトリン酸PO₄3-)が対象であって、不溶性のリンについては対処できません。 くれぐれも水道水と給餌の量には気をつけましょう。