窒素循環 · Aquarius

排泄物はどこから来るのか

ほかの動物と同じく、魚も食べた餌をエネルギーに変え、窒素を含む老廃物を出す。魚の場合、この老廃物は主にアンモニアで、大部分はえらから、少しは尿から排出される。食べ残し、ふん、枯れ葉も分解されるときにアンモニアを出す。たくさん食べる魚ほど多く出し、餌を食べていなくても出し続ける。

川では、こうした老廃物は膨大な量の水で薄められる。ところが水槽は小さく閉じた水の量しかないので、処理しなければアンモニアは数日でたまってしまう。酸素の次に、魚の健康にとって最も重要な水質項目である。

働いてくれるバクテリア

窒素循環（硝化）を担うのは、水槽のあらゆる表面に薄い膜（バイオフィルム）としてすみつくバクテリアである。主にろ材にいるが、底床、レイアウト素材、ガラス面にもいる。バクテリアはアンモニアを2段階で変化させる。

魚と餌
排泄、食べ残し、ごみ
窒素の発生源で、絶えず供給される。
アンモニア
NH₄⁺ と NH₃
毒性が非常に強く、特に NH₃ の形が危険。
亜硝酸
NO₂⁻
低い濃度でも有毒。
硝酸塩
NO₃⁻
毒性は低い。換水で取り除かれ、一部は水草が吸収する。

アンモニアを酸化するバクテリア（Nitrosomonas、Nitrosospira）が亜硝酸をつくり、別のバクテリア（Nitrospira、Nitrobacter）がそれを硝酸塩に変える。

アクアリウムの本では長い間、2段階目は Nitrobacter の働きとされてきた。しかし1998年、ティモシー・ホバネックらの研究チームが淡水水槽のフィルターのバイオフィルムを分析し、亜硝酸を変化させているのは実は主に Nitrospira 属のバクテリアであることを示した。

これらのバクテリアは酸素を必要とし、炭酸塩を消費する。硝化によって酸が生じるため、水の緩衝力が足りないと pH が下がる。酸素の豊富なフィルターと、ある程度の炭酸塩硬度（KH、水質を参照）を保った水が、バクテリアの働きを助ける。

アンモニアがなぜそれほど危険なのか

水中のアンモニアは2つの形でつり合いを保っている。毒性の低いアンモニウムイオン（NH₄⁺）と、魚に対しておよそ100倍も毒性の強い遊離アンモニア（NH₃）である。それぞれの割合は pH と水温で決まり、水がアルカリ性で温かいほど遊離アンモニアが多くなる。

pH（行）と水温（列）ごとの遊離アンモニアの割合
pH	20 °C	22 °C	24 °C	26 °C	28 °C	30 °C
6.5	0.1%	0.1%	0.2%	0.2%	0.2%	0.3%
7.0	0.4%	0.5%	0.5%	0.6%	0.7%	0.8%
7.5	1.2%	1.4%	1.6%	1.9%	2.2%	2.5%
8.0	3.8%	4.4%	5.0%	5.7%	6.5%	7.4%
8.5	11.1%	12.6%	14.3%	16.1%	18.1%	20.2%

総アンモニアに占める遊離アンモニア（NH₃）の割合。エマーソンら（1975年）の式で計算したもので、フロリダ大学の参照表にも使われている。

pH 8、水温 26 °C では、測定したアンモニアの 5.7% がすでに遊離アンモニアになっている。つまり総アンモニア 1 mg/L のうち 0.057 mg/L が遊離アンモニアである。OATA は遊離アンモニアをゼロに保ち、決して 0.02 mg/L を超えないよう求めており、フロリダ大学によれば 0.05 mg/L を超えると、えらをはじめとする魚の組織が傷つく。2 mg/L 前後で敏感な種は死んでしまう。

測定した総アンモニア0.50 mg/L

pH7.5

水温25 °C

遊離アンモニア（NH₃）

0.009 mg/L

OATA が推奨する上限 0.02 mg/L 未満：注意は必要ですが、緊急ではありません。

市販の試薬が測るのは総アンモニア（NH₃ + NH₄⁺）である。この計算ツールはそこから遊離アンモニアを求める。メーカーによって結果が NH₄⁺ 換算か窒素換算かが異なるため、あくまで目安である。

水槽の立ち上げ：サイクリング

新しいフィルターには、まだこのバクテリアがいない。魚を入れる前にバクテリアを増やす必要があり、これをサイクリング（フィルターの熟成）という。フロリダ大学によると、新しい生物ろ過がアンモニアと亜硝酸を十分に処理できるようになるまで6〜8週間かかる。温かい水、アンモニアの定期的な供給、バクテリアの添加によって、この期間を短くできる。

アンモニア
亜硝酸
硝酸塩

サイクリング中の測定値の典型的な推移。最初のバクテリアが定着するとアンモニアは上がってから消え、続いて亜硝酸が増えてやがて消え、硝酸塩はたまっていく。曲線は目安で、実際の期間は水槽によって異なる。

OATA は2つの方法を紹介している。丈夫な魚を数匹入れて始める方法と、魚を入れずに自分でアンモニアを加える方法である。後者なら、アンモニアや亜硝酸の急上昇に生き物をさらさずにすむので、こちらをおすすめする。

水槽を設置して水を張る
カルキ抜きで処理した水道水を入れ、フィルター、ヒーター、底床、水草をセットする。24〜48 時間運転して、器具の動作を確かめ、適温にする。
アンモニア源を加える
アンモニアを含む立ち上げ用の製品や塩化アンモニウムを、説明書に従って約 2 mg/L になるように加える。市販のバクテリア剤や、健康な水槽のろ材をひとつかみ入れると、立ち上がりが早くなる。
2〜3日ごとに測定する
アンモニア、亜硝酸、硝酸塩、pH を測る。アンモニアが下がったら、また加える。pH は 6.5 より上に、水温は 25〜28 °C 前後に保つ。酸性の水や冷たい水では、バクテリアの働きがはっきり鈍る。
フィルターが追いついているか確かめる
約 2 mg/L のアンモニアが 24 時間以内にゼロになり、亜硝酸も出ず、硝酸塩が現れれば、サイクリングは完了である。
換水してから、少しずつ魚を入れる
大きく換水して、たまった硝酸塩を減らす。そのあと魚は少数ずつ入れる。新しく入れるたびに、バクテリアが増えた負荷に慣れるまで数日かかる。

フィルターのバクテリアを守る

ろ材を水道水で洗ってはいけない。塩素がバクテリアを殺してしまう。換水のときに水槽から抜いた水ですすぐ。
ろ材を一度に全部交換しない。バクテリアのコロニーが失われ、水槽がまた一から立ち上げ直しになる。
フィルターを数時間以上止めない。酸素を含んだ水が届かないと、バクテリアは死んでいく。
新しい水には必ずカルキ抜きを使い、塩素やクロラミンを中和する。

その後の日常の手入れは日々のメンテナンスで詳しく説明している。

ポイント

魚は絶えずアンモニアを出し、バクテリアがそれを亜硝酸、さらに硝酸塩に変える。
アンモニアと亜硝酸はゼロに保つ。硝酸塩は換水で取り除く。
pH と水温が高いほど、アンモニアの毒性は強くなる。
新しい水槽は魚を迎える前に数週間サイクリングし、その後も魚は少しずつ入れる。

出典

これらの出典をもとに Aquarius が執筆しました。獣医師の助言に代わるものではありません。