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水生动物中的细菌
细菌是水生动物的一个关键和关键方面，作为连接鱼类垃圾和植物肥料的桥梁。 这种生物引擎通过将有毒废物转化为可获得的植物养分来消除有毒废物。 第二章讨论了氮循环，特别是硝化细菌的关键作用，并概述了维持健康菌落的基本参数。 第四章讨论了生物过滤器材料的各个方面，这些方面都是相同的细菌。 这个简短的章节是对细菌的回顾，包括重要细菌群的详细信息。 更充分地讨论了异营养细菌活性在固体鱼类废物矿化中的作用。 讨论了不需要的细菌，包括：脱硝细菌，还原硫酸盐细菌和病原体。 最后，讨论了细菌循环的时间表，建立一个新的水生系统。
Food and Agriculture Organization of the United Nations — Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus, and Alessandro Lovatelli.
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异养细菌与矿化
Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations
还有另一个重要的细菌群，以及其他微生物，涉及水生物。 这种细菌群通常被称为异养群。 这些细菌利用有机碳作为食物来源，主要涉及固体鱼类和植物废物的分解。 大多数鱼类只能保留 30-40% 的食物，这意味着它们所吃的食物中有 60-70% 被释放为废物。 在这种废物中，50% 至 70% 是作为氨释放的溶解废物。 然而，剩余的废物是含有蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素和矿物质的有机混合物。 异养细菌通过一种称为矿化的过程代谢这些固体废物，使水生植物能够获得必要的微量营养素（图 5.2）。
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这些异养细菌，以及一些天然存在的真菌，有助于分解鱼类废物的固体部分。 在这样做的过程中，他们将固体废物中锁定的营养物质释放到水中。 这种矿化过程是必不可少的，因为植物不能以固体形式吸收养分。 废物必须分解成简单的分子，才能被植物的根源吸收。 异养细菌依赖于任何形式的有机材料，如固体鱼废料、未吃的鱼食、垂死的植物、垂死的植物叶甚至死细菌。 有许多食物来源可用于这些细菌在水生单位。
异养细菌需要与硝化细菌类似的生长条件，特别是在高浓度的溶解剂中。 异养细菌会殖民单元的所有组成部分，但特别集中在固体废物积聚的地方。 异营细菌的生长速度比硝化细菌快得多，在几个小时而不是几天内繁殖。 在介质床中，废物收集在底部，永久湿区，这里发现了许多异养细菌。 在其他系统中，主要菌落被发现在过滤器和分离器上，以及在运河。 矿化在水生动物中很重要，因为它释放了几种植物生长所必需的微量营养素。 如果没有矿化，一些植物可能会出现营养不足，需要补充肥料。
异营养细菌在固体废物的分解中得到其他生物群落的帮助。 通常，蚯蚓、等脚类、两栖类动物、幼虫和其他小动物可以在水生系统中发现，特别是在介质床中。 这些生物与细菌一起工作来分解固体废物，拥有这个群落可以防止固体积聚。
- 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *
硝化细菌和生物过滤器
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第二章讨论了硝化细菌在整个水生过程中的重要作用。 硝化细菌将主要作为氨进入系统的鱼废物转化为硝酸盐，作为植物的肥料（图 5.1）。 这是一个两步的过程，涉及两组不同的硝化细菌。 第一步是将氨转化为亚硝酸盐，这是由氨氧化细菌（AOB）完成的。 这些细菌通常由最常见的群组 * 硝基体 * 的属名称称称为。 第二步是将亚硝酸盐转化为硝酸盐是由亚硝酸盐氧化细菌（NOB）完成的。 这些通常由最常见的组 * 硝基杆菌 * 的属名称称称为。 在这些群体中有许多物种，但为了本出版物的目的，个体差异并不重要，它是更有用的考虑作为一个整体。 硝化过程发生如下：
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AOB 细菌将氨 (NH) 转化为亚硝酸盐 (NO₂ -)
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NOB 细菌然后将亚硝酸盐 (NO2-) 转化为硝酸盐 (NO-)
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硝化，因此，健康的细菌群落对于一个运作的水生系统至关重要。 硝化细菌的繁殖和建立菌落相对缓慢，需要数天甚至数周，因此农民的耐心是建立新的水生系统时最重要的管理参数之一。 许多水族馆和水族馆系统已经失败，因为在细菌的殖民地完全发育之前添加了太多的鱼。 还有几个其他关键参数可以支持硝化细菌。 一般来说，细菌需要一个大而黑暗的位置，以便在良好的水质、足够的食物和氧气的情况下进行殖民。 通常，硝化细菌在生物过滤器上形成粘糊糊的、浅棕色或米色的基质，并具有独特的气味，难以描述，但没有特别的气味，这可能表明其他微生物。
# 高表面积
具有高比表面积 (SSA) 的生物滤滤材料是发展大量硝化细菌群的最佳选择。 SSA 是界定某一特定体积介质暴露面积的比率，以平方米每立方米 (平方米 2 /m 3 ) 表示。 在一般情况下，介质中的粒子越小，更多的是可用于细菌殖民的表面。 这可以实现更高效的生物过滤。 有许多此类材料被用于水生物学，无论是生长培养基还是用于生物过滤，例如火山砾石、膨胀粘土、商用塑料生物过滤球和植物根系。 本手册中考虑的火山凝灰岩和 Bioballs® 分别有 300 平方米 2 /m 3 和 600 平方米 2 /m 3 ，这是一个足够的 SSA，使细菌能够繁殖。 表 4.1 和附录 4 总结了水生生物中使用的不同培养基的其他特征和 SSA。 如果生物过滤器材料不是理想的，而且表面积与体积比较低，则生物过滤器应该更大。 超大的生物过滤器不会损害水生系统，虽然过大的生物过滤器会增加不必要的费用，但过剩的生物滤清能力使许多系统免于崩溃。
水 pH 值
硝化细菌在 6-8.5 的 pH 范围内发挥充分的功能。 一般来说，这些细菌在 pH 值较高时工作效果更好，* 硝基体 * 组倾向于 pH 值 7.2-7.8，而 * 硝基杆菌 * 组则倾向于 pH 值 7.2-8.2。 然而，水生动物的目标 pH 值为 6-7，这是该生态系统中所有生物之间的妥协。 硝化细菌在此范围内充分发挥作用，细菌活性的任何下降都可以用较大的生物过滤器抵消。
水温
硝化细菌的最佳温度范围为 17-34 °C，促进生长和生产力。 如果水温下降到这个范围以下，细菌的生产率会降低。 特别是，* 硝基杆菌 * 组对低温的耐受性低于 * 硝基体 * 组，因此，在寒冷时期，应该更仔细地监测亚硝酸盐，以避免有害累积。
# 溶解氧
硝化细菌在任何时候都需要在水中含有足够的 DO 水平，才能健康生长并保持高生产力。 硝化是一种还原/氧化（氧化还原）反应，当氧气与氮相结合时，细菌获得生存的能量。 DO 的最佳水平为 4-8 毫克/升，这也是鱼类和植物所需的水平。 如果溶氧浓度低于 2 毫克/升，则不会发生硝化。 通过将曝气专用于生物过滤器，通过介质床中的洪水和排水循环、外部生物过滤器中的空气结石，或者通过水联回水线进入运河和水槽，确保充分的生物过滤。
紫外线
硝化细菌是光敏感的，直到它们完全建立一个殖民地，阳光可能会对生物过滤器造成相当大的伤害。 介质床已经保护细菌免受阳光照射；但如果使用外部生物过滤器，请务必保持阴影，避免阳光直射。
监测细菌活动
如果所有这五个参数都得到尊重，可以安全地假设细菌存在并正常运作。 也就是说，细菌是如此重要的水生动物，这是值得了解细菌的整体健康状况在任何给定的时间。 然而，细菌是微观的生物，如果没有显微镜，就不可能看到它们。 有一个简单的方法来监测细菌功能；氨、亚硝酸盐和硝酸盐的测试可提供有关细菌菌落健康的信息。 氨和亚硝酸盐应始终为 0-1 毫克/升，在一个功能和平衡的水生单元。 如果任何一种是可检测到的，它表明硝化细菌存在问题。 发生这种情况有两种可能的常见原因。 首先，生物过滤器对鱼类和鱼类饲料量来说太小。 因此，有一个不平衡，有太多的鱼。 为了纠正，要么增加生物过滤器的尺寸，要么减少鱼的数量，要么减少鱼的喂养方式。 有时，当系统开始平衡时，鱼类较小，但逐渐变得不平衡，随着鱼类的生长，并用相同尺寸的生物过滤器喂养更多时，可能会出现这个问题。 其次，如果系统的大小是平衡的，那么细菌本身可能无法正常运作。 这可能表明水质存在问题，应检查上面列出的每个参数。 通常，这可能发生在冬季，因为水温开始下降，细菌活动减慢。
- 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *
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系统循环和启动生物过滤器菌落
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系统循环是一个术语，它描述了首次启动任何 RAS 时建立细菌菌落的初始过程，包括一个水生单元。 在正常情况下，这需要 3-5 周；骑自行车是一个缓慢的过程，需要耐心。 总体而言，这个过程包括不断地将氨源引入水生装置，喂养新的细菌群并创建一个生物过滤器。 进展情况是通过监测氮水平来衡量的。 一般来说，自行车是在一个水生系统建成后进行的，但在创建一个新的水生系统时，可以让生物过滤器从头开始。 重要的是要了解，在循环过程中会有高水平的氨和亚硝酸盐，这可能对鱼类有害是很重要的。 此外，在开始过程之前，请确保所有水生组件，尤其是生物过滤器和鱼缸，都受到阳光直射的保护。
一旦引入该单元，氨就成为 AOB 的初始食物来源，其中一些是自然产生的，并自行吸收到该系统。 它们可以在陆地、水和空气中找到。 在 5-7 天后第一次添加氨，AOB 开始形成一个殖民地，并开始氧化氨成亚硝酸盐。 氨应持续但谨慎地加入，以确保发展中的殖民地获得足够的食物，而不会变成毒性。 再过 5-7 天的亚硝酸盐水平将开始上升，这反过来吸引 NOB。 随着 NOB 数量的增加，随着亚硝酸盐氧化成硝酸盐，水中的亚硝酸盐含量将开始下降。 图 5.3 说明了整个过程，其中显示了水中氨、亚硝酸盐和硝酸盐在骑行前 20-25 天内的趋势。
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循环过程的结束被定义为硝酸盐水平稳步增加，亚硝酸盐水平为 0 毫克/升，氨水平小于 1 毫克/升。 在良好的条件下，这需要大约 25-40 天，但如果水温很冷，完成骑行可能需要长达两个月的时间才能完成。 在这一点上，一个足够的细菌菌落已经形成并积极将氨转化为硝酸盐。 这个过程很长的原因是硝化细菌生长相对缓慢，需要 10-15 小时才能在人群中增加一倍。 然而，一些异养细菌可以在 20 分钟内加倍。
水族馆或水产养殖零售商销售含有活硝化细菌（瓶装）的各种产品。 一旦加入到设备中，它们会立即固定系统，从而避免上述循环过程。 然而，这些产品可能昂贵或无法获得，最终没有必要，因为循环过程可以通过有机手段实现。 或者，如果有另一个水生子系统可用，那么将部分生物过滤器作为新系统的细菌种子共享是非常有用的。 这大大减少了循环系统所需的时间。 另外，通过提前几周连续滴滴含有 2-3 毫克/升氨的溶液，单独启动生物过滤器培养基也是有用的。 然后，该培养基只需将其纳入新的水生物滤清器即可发挥引物的作用。 一个简单的滴流系统可以通过一个小型水族馆泵循环的氨溶液在小型水箱上悬挂一个广泛的塑料箱。
很多人使用鱼作为氨的原始来源在一个新的水槽。 然而，这些鱼在整个循环过程中受到高氨和高亚硝酸盐的影响。 许多新的水族馆没有耐心让水箱完全循环，结果是新鱼死亡，通常被称为 “新水箱综合症”。 如果使用鱼类，建议使用非常低的放养密度（≤ 1 公斤/立方米 3 ）。 而不是使用鱼，还有这种初始氨的其他来源开始喂养生物过滤器菌落。 一些可能的来源包括鱼饲料、消毒动物废物、硝酸铵肥料和纯氨。 这些来源中的每个来源都有正面和负面，有些来源比其他来源更好和更安全。
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最好的氨源是精细研磨的鱼食，因为它是一种生物安全的产品，而且相对容易控制添加的氨量（图 5.4）。 请务必使用新鲜、未受污染且无病的鱼类饲料。 鸡废弃物尽管是一种极好的氨源，但风险很大，并且可能会将危险的细菌引入水生生物系统（图 5.5）。 * 大肠杆菌 * 和 * 沙门氏菌 *。常见于鸡和其他动物粪肥中，因此，任何粪便必须经过消毒才能使用。 可以使用家用氨产品，但请确保该产品是 100% 氨，并且不包括其他成分，如洗涤剂、着色剂或可能破坏整个系统的重金属。 一旦选择氨源，重要的是缓慢而稳定地添加氨，并每 2-3 天监测氮气水平（图 5.6）。 在图形上记录水平以跟踪循环过程很有用。 重要的是不要添加太多的氨，它是更好地有一点点太少比太多。 目标水平为 1-2 毫克/升。 如果氨水平超过 3 毫克/升，有必要进行水交换来稀释氨，以防止它抑制细菌。
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# 在循环过程中添加鱼类和植物
植物和鱼只应在循环完成后添加。 植物可以稍早添加，但预计在此期间这些早期植物的营养素缺乏，因为其他营养物质需要时间才能达到最佳浓度（图 5.7）。
只有当氨水和亚硝酸盐水平低于 1 毫克/升时，才可以安全地开始放养鱼类。 总是开始放养鱼慢慢。 一旦鱼被放养，就会看到次要和较小的氨和亚硝酸盐尖峰并不少见。 如果从新饲养的鱼类中产生的氨比循环过程中每日添加的氨量大得多，就会发生这种情况。 继续监测所有三种氮的含量，并准备在系统继续循环的同时，如氨或亚硝酸盐水平上升到 1 毫克/升以上，进行水交换。
- 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *
不需要的细菌
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# 硫酸盐还原细菌
硝化和矿化细菌对水生系统是有用的，但其他一些类型的细菌是有害的。 这些有害的细菌群之一是硫酸盐还原组。 这些细菌被发现在厌氧条件下（无氧），在那里他们通过使用硫氧化还原反应获得能量。 问题是，这一过程产生硫化氢（H 2 S），这对鱼类具有极大的毒性。 这些细菌是常见的，发现在世界各地的湖泊、盐沼和河口，是天然硫循环的一部分。 这些细菌是腐烂的鸡蛋的气味，以及沉积物的灰黑色。 水生生物中的问题是，当固体废物积聚速度比异养细菌及其相关群落能够有效处理和矿化它们的速度更快，这反过来又会导致支持这些硫酸盐还原细菌的缺氧腐蚀条件。 在鱼类密度高的系统中，鱼类产生了如此多的固体废物，以至于机械过滤器无法足够快的清洁，从而鼓励这些细菌繁殖并产生它们的有毒代谢物。 大型水生系统通常包含一个脱气罐，硫化氢可以安全地释放回大气中。 在小规模系统中没有必要脱气。 然而，即使在小规模的系统中，如果检测到异味，让人联想到烂蛋或生污水，也有必要采取适当的管理行动。 这些细菌仅在缺氧条件下生长，因此为了防止它们，一定要提供足够的曝气和增加机械过滤，以防止污泥积聚。
去硝化细菌
第二组不需要的细菌是那些负责去硝化的人。 这些细菌也生活在厌氧条件下。 它们将硝酸盐，这是令人垂涎的植物肥料，转化为大气中的氮，这是植物无法使用的。 这些细菌在世界各地也很常见，并且本身很重要（见图 2.4）。 然而，在水生系统中，这些细菌可以通过有效去除氮肥来降低效率。 这通常是大型 DWC 床没有充分氧气的问题。 如果植物尽管系统处于平衡状态，但植物显示缺氮迹象，以及水中硝酸盐浓度非常低，则可能会怀疑存在问题。 调查 DWC 运河内可能没有正常循环的区域，并进一步增加空气石头的曝气。
一些大型水子系统故意使用去硝化。 饲料速率比平衡了植物的营养物质，但通常会导致高硝酸盐水平。 这种硝酸盐可在水交换过程中稀释（在本出版物中为小型系统建议）。 或者，可以鼓励在机械过滤器中进行控制去硝化。 这种技术需要仔细注意和脱气，不建议用于小型系统。 更多信息可以在 “进一步阅读” 部分中找到。
致病菌
最后一组不需要的细菌是那些导致疾病的植物，鱼类和人类。 这些疾病在本出版物的其他部分分别处理，第 6 章和第 7 章分别讨论植物和鱼类疾病，第 8.6 节讨论人类安全。 总体而言，重要的是要有良好的农业做法（GAP）来减轻和最大限度地减少水生系统内细菌疾病的风险。 通过以下方式防止病原体进入系统：确保良好的工人卫生；防止啮齿动物在系统中排便；使野生哺乳动物（以及狗和猫）远离水生动物系统；避免使用受污染的水；以及意识到任何活饲料都可以成为引进外来人的载体。微生物进入系统。 特别重要的是，除非先处理水，否则不要从有鸟粪的屋顶收集雨水。 热血动物的主要风险是引入 * 大肠杆菌 *，鸟类经常携带 * 沙门氏菌 * spp.; 危险的细菌可能会随着动物粪便进入系统。 第二，预防后，永远不要让水生水接触植物的叶子。 这可以防止许多植物疾病以及鱼水对人类产品的潜在污染，特别是在生食食用产品的情况下。 请务必在食用前清洗蔬菜，水泡或其他方式。 一般来说，常识和清洁度是防止水肺疾病的最佳防护。 本出版物和 “进一步阅读” 部分提供了关于水生食品安全的其他来源。
- 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *