皆様お疲れ様です。
raikaです。
今日はマリンアクアリストとにとって馴染みの深い『栄養塩』について掘り下げて考えてみようと思います。
raika
マリンアクアリウムを始めた当時は、『餌や糞が水槽内で分解されて生じるもので、生体には有害だからできる限り低く抑えたい』といった程度の認識でした。雑誌や当時のネット情報では、硝酸塩やリン酸塩は可能な限り低く抑えることが望ましいと、どこを見ても書いてあったように記憶しています。なのでどちらかと言うと、私は水槽にとっては栄養塩は不要なイメージを抱いていました。
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疑問に感じる事もありましたが、当時は独学だけでアクアリウムをやっており、厳密な管理もしていなかったので深く考えることもありませんでした。
長いブランクの後に現在の水槽を始めたのですが、ネットやSNSなど情報を得る手段も多く、少しずつ学んでいくうちに『栄養塩はただ低いだけではダメなのでは？』と今更ながら考えるようになりました。特にサンゴ飼育ではこの栄養塩は色揚げ要素として重要項目になります。海外の情報などを見ると、むしろ栄養塩を少し高めにキープするアクアリストも見かけます。ですので、この機会にしっかりと勉強して、自分なりにまとめようと思います。
今回の内容は、あくまで個人的に調べてまとめるものなので、確証のある内容ではない部分もあります💦 ただ、サンゴ飼育をする上で参考になることもあると思うので、気楽に読んでいただければ嬉しいです🌱
栄養塩
raika
栄養塩とは何か？
栄養塩（えいようえん）とは、生物が生命活動を行うために必要な物質（詳しくは塩類）のことです。塩類とは何か？はここで確認する必要はあまりないので、塩類と呼ばれる物質なんだな程度で考えてもらっても大丈夫だと思います。栄養塩は、これを必要とする生物によって内容が異なり、大きくは
- 『植物プランクトンが必要とする栄養塩』
- 『植物が必要とする栄養塩』
- 『動物が必要とする栄養塩』
の三つにグループ分けできるようです。
一般に栄養塩と言うと、『植物プランクトンが必要とする栄養塩』を指しています。このため、『植物プランクトンが必要とする栄養塩』の内容を知ることは重要であると考えられます。
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植物プランクトンが必要とする代表的な栄養塩、それがお馴染みの『硝酸塩』、『リン酸塩』、『ケイ酸塩』、『微量元素』などです。植物プランクトンはこれらを吸収して成長、繁殖することが可能となるので、彼らにとって無くてはならない重要な要素となっています。ここまでご説明すると、なぜ『栄養』の文字が使用されているか、しっくり来ると思います。
栄養塩と植物プランクトン
海中では植物プランクトンが光合成を行い有機物を作っており、これを基礎生産と呼びます。このため、植物プランクトンは食物連鎖における最も底辺部分を支えてくれる重要な存在（一次生産者）であり、魚やサンゴを飼育する上でも縁の下の力持ち的存在であると言えます。水槽内では人間が給餌を行いますが、やはり植物プランクトンを底辺とする食物連鎖は存在しています。加えて、サンゴと共生する褐虫藻は植物プランクトンの一種で、サンゴ飼育においては切っても切れない関係です。また逆の観点から、水槽にとっての見た目や、他の生体の健康への悪影響を及ぼす藻類も植物プランクトンであり、これらの繁殖をコントロールする点からも、アクアリウムにおける植物プランクトンへの意識は常に必要になると思います。
繰り返しとなりますが、植物プランクトンは光合成を行うことにより、自分自身を構成する有機物を合成します。この際に多様な物質を取り込みます。この時に必要になってくる物質が栄養塩です。彼らが必要とする主な元素は、酸素(O)、炭素(C)、窒素(N)、リン(P)、微量元素などです。
一般に、植物プランクトンが体内に栄養素を取り込む際には、一定の比率で吸収するとされ、このうちC：N：Pの比率を表したものを『レッドフィールド比』と呼びます。プランクトンの種類によって多少の差はあるようですが、Ｃ：Ｎ：Ｐ ＝ 106：16：1が代表的な元素の必要比率です。植物プランクトンはこれらの元素のうち、Cを光合成で、NとPを栄養塩である硝酸塩とリン酸塩から得ているのです。
例えば、水槽内に炭素、窒素は十分に存在し、リンだけが不足した状態があったとします。『リービッヒの最小律』の観点から、リンが不足していれば植物プランクトンは増殖できません。しかし、この環境にリンの供給が行われると、これまでに無かった植物プランクトンの大繁殖をきたす可能性があります。自然界では赤潮などの現象が代表的です。こういった急激な植物プランクトンの繁殖は水槽内でも起こりうることで、栄養塩がバランス良く存在している事は重要です。海外サイトなどで調べると、硝酸塩とリン酸塩はおよそ100：1程度の比率で管理しているようです。
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ここまで栄養塩とは何かについて勉強してきました。栄養塩は、過剰に蓄積する事による毒性や藻類の大繁殖を招く誘因にもなり得ますが、一次生産者である植物プランクトンの大切な栄養源でもあります。海においては栄養塩はさまざまな生物を介して絶妙なバランスを保ちながら循環しています。しかしながら、閉鎖された水槽環境ではそのバランスは我々アクアリストが調整する必要があります。
まとめると
- 栄養塩とは主に植物プランクトンの栄養である
- 栄養塩には『硝酸塩』、『リン酸塩』、『ケイ酸塩』、『微量元素』などがある
- 水槽内において植物プランクトンの存在を意識する必要がある
- 植物プランクトンの管理は栄養塩のバランスが重要
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硝酸塩
それでは次に代表的な栄養塩を個別に見ていきましょう。まずは一番馴染みの深いであろう『硝酸塩』から。
硝酸塩とは
マリンアクアリウムにおける硝酸塩はイオンの状態で水中に存在し、一つのNと3つのOから構成されNO3−と表記されます。アンモニアやその代謝過程で発生する亜硝酸塩に比べると弱いですが、水槽中に多く蓄積すると魚やサンゴにとって毒性を有します。生体によって許容度は異なりますが、5〜30ppm程度に達すると成長や免疫の阻害を及ぼすとされます。
硝酸塩の把握はアクアリウムではほぼ必須と考えています。測定試薬は各社から商品が出ていますが、私が使用しているものをご紹介しておきます。
RedSea社から発売されている定番の商品です。0〜50ppmまでのレンジで測定が可能で汎用性が高いです。同社からは0〜4.0の範囲で細かく測定できる キットも販売されていますので、用途に応じて購入されると良いと思います。
RedSeaの試薬は測定値を最終的な溶液の色で判別しますので、より正確に読み取りたい場合はデジタルで数値表記してくれる以下の商品がお勧めです。こちらも定番ですが、少し値段が高いです。
0〜5ppmのレンジで測定できる以下の商品
0〜75ppmの測定が可能な以下の商品があります。
栄養塩の濃度にはトレンドがあったりするのですが、個人的には0〜75ppmの方が汎用性が高く使いやすいかと思います。
硝酸塩の発生
自然界では陸地からの流入などでも上昇することが多いですが、水槽環境では魚などの生物の排泄物や死骸、残り餌から生じるアンモニアがバクテリアによって代謝されることにより水中に蓄積される事が主体です。このメカニズムはアクアリウムでは非常に重要な要素です。
アンモニア硝化菌の働き：アンモニア→亜硝酸塩
最初に出てくるアンモニア (NH3) は、生体にとって非常に毒性の高い物質です。しかし、これはバクテリアによって順に毒性の低い物質へと変換されていきます。まず初めに、アンモニアは亜硝酸塩(NO2−)に変換されます。この工程を担っているのがニトロソモナス属（アンモニア硝化菌）です。
2 (NH3) + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O
アンモニア硝化菌は上記のようにアンモニアと酸素を合成して亜硝酸（HNO2）と水に変換することが可能で、ここで得られたエネルギーを用いて生活しています。
亜硝酸硝化菌の働き：亜硝酸塩→硝酸塩
亜硝酸塩はアンモニアと比較するとその毒性は低下しますが、それでもまだ生体にとっては安全とは言えない物質です。そこで次に働くのがニトロバクター属（亜硝酸硝化菌）です。彼らは亜硝酸塩を硝酸塩に変換してくれます。
2HNO2 + O2 → 2HNO3
上記のように亜硝酸と酸素を合成して、硝酸（HNO3 ）を合成します。ここでもエネルギーが発生しており、これが亜硝酸硝化菌のエネルギー源になります。
これら２つの過程を『硝化』と呼び、この反応によりアンモニアは毒性の低い硝酸塩と変換され、結果的に水槽内で硝酸塩が上昇します。
硝酸塩の除去
硝酸塩は植物プランクトンの餌である一方で、前述のように毒性は低いものの、蓄積すると有害となります。このため、硝酸塩の蓄積を防止する必要があります。その方法はいくつか存在しますが、基本となるのは『濾過』です。この濾過にもいくつか分けて考える必要があるので、順に説明していきます。
物理濾過
濾過は大きく３つに分類することができます。まず一つ目が、ここで説明する『物理濾過』です。文字通り、物理的に水槽のゴミを濾(こ)しとる方法です。ゴミの中には硝酸塩の原料となる魚の糞や残り餌などが含まれ、これらを除去することにより結果的に硝酸塩の発生を防止します。アクアリウムにおいて代表的な手法は、水の通り道を作り、ここににフィルターを置き、ゴミを絡め取る方法です。付着したゴミは定期的に掃除またはフィルター交換により除去します。フィルターにはスポンジやウール、フェルト、不織布などが使用されます。絡めたゴミは水槽内に放置すると、そこでアンモニアを発生します。ゴミが引っかかってるからと安心せずに、定期的にフィルターのメンテナンスをする事が大事です。
もう一つ代表的な物理濾過方法があり、それがプロテインスキマーです。プロテインスキマーは円筒状の本体に飼育水を引き込み、同時にその内部で超微細な泡を発生させる装置です。この泡は引き込まれた飼育水中のゴミや一部の有機物などのタンパク質（プロテイン）を付着させながら浮力で？円筒上部まで上昇し、最終的にスキマーカップ（水槽外）に汚れを押し出します。このため、フィルター濾過とは異なり、取った汚れは常に水槽外に追い出すことが可能となります。この性質上、濾過としての性能も高いものが多いです。
生物濾過
これは生物を利用して、水槽内の有害物を分解させる手法です。水に溶解してしまったものは、上記の物理濾過では除去できませんので、この生物濾過の役割は重要です。
水槽内で代表的かつ毒性の強い物質はアンモニアです。ですので、前述のアンモニア硝化菌や亜硝酸硝化菌の働き（硝化反応）は、この生物濾過の主たる部分となります。これらのバクテリアの多くは物に付着して増殖します。加えて、前述の化学式に示したように、その反応にはO2（酸素）が必要です。よって、これらのバクテリアは水通りの良いフィルターや多孔質の岩、底砂の表層などに主に生息します。
ただ、これらのバクテリアは硝酸塩までは変換してくれますが、硝酸塩の除去までは行ってくれません。これを行ってくれるのが脱窒菌と呼ばれる別のバクテリアです。
このバクテリアは通性嫌気性細菌に属しており、通常は好気呼吸(酸素を使ったエネルギー合成)を行っていますが、周辺環境が嫌気層、すなわち酸素の届かない状況になると以下に示す嫌気呼吸で酸素なしでエネルギー合成を行うことが出来ます。
2NO2¯ +3H2 → N2 + 2OH¯ + 2H2O
2NO3¯ + 5H2 → N2 + 2OH¯ + 4H2O
これにより硝酸塩は最終的に窒素へと変換され、空気中に放出される事で水槽から除去されます。水槽内での嫌気環境は、少し厚めに敷いた底砂の下層、ライブロックなどの深部などが代表的ですが、嫌気環境も作れるろ材等もあります。
ちなみに、硝酸塩を除去する事を目的に脱窒反応を促進させる為の添加剤があります。それが炭素源です。炭素源とは低分子量炭素化合物の事で、日常で目にするものとしては、お酒、みりん、お酢や砂糖などがあります。ただし、お酒やみりんなどは添加剤として調整されたものではありません。炭素源を使用される場合はマリンアクアリウム用に調整されたものを使用することをおすすめします。RedSeaさんの商品はなどは代表的だと思います。
脱窒菌以外にも硝酸塩を除去してくれる生物がいます。それが前述した植物プランクトンや海藻です。これらの生物は自身が成長、増殖する為に硝酸塩を栄養の一部として取り込みます。硝酸塩が高いと苔の増殖が増える事を考えていただくと、少しイメージが湧きやすいのではないでしょうか。ただし、景観を損ねたり他の生体に害を及ぼす種類も居ますので、硝酸塩の除去のために植物プランクトンを繁殖させる事はないと思います。海藻に関しては、栄養塩を消費させる目的も含めてリフジウム水槽を作って育てる事があります。我が家のリフジウムを参考に載せておきます。
化学濾過
これは何らかの化学反応を用いて、目的の物質を吸着除去する方法です。活性炭やゼオライト、アルミナ系吸着剤が代表的です。多くは有機物やアンモニアの段階で吸着することにより、その過程で発生する硝酸塩の低下に寄与します。硝酸塩の除去目的では物理濾過や生物濾過の補助的役割として使用されており、単独で大きな効果は得られない印象です。また、吸着剤は吸着できる量に限りがありますので、定期的な交換が必要です。ものによっては限界のまま放置すると、再度放出することもありますので注意してください。
換水
最後に換水も硝酸塩の除去を可能とします。特にRO水など、硝酸塩を含まない水で換水すれば、1回換水量に比例して硝酸塩を物理的に水槽内から除去することが可能です。ただし、換水量が増えれば、それだけ水槽に対して大きな変化を与えることにも繋がります。1回の多量換水を行うよりは、日を分けて複数回少量換水にて徐々に行うことが望ましいと思います。
リン酸塩
次はマリンアクアリウムでは硝酸塩に並ぶ重要な栄養塩である『リン酸塩』についてです。
リン酸塩とは
一つのPと４つのOから構成され、水中では硝酸塩と同様にイオンとして存在しPO43−と表記されます。主には生物の死骸や残り餌などから発生し水槽内に蓄積します。栄養塩の中でも特に不足がちなため、逆にリン酸塩が過剰となるとコケなどの望まぬ藻類が大繁殖するきっかけになりやすいです。また、SPSに代表される造礁性サンゴに対しては、リン酸塩過剰は骨格形成の妨げになる事が分かっています。この現象は、リン酸塩が炭酸カルシウムに対して高い吸着性を有するため、サンゴが炭酸カルシウムを用いて骨格形成するのを妨げるためと考えられています。
私が使用している測定キットは、硝酸塩と同様に以下のRedSeaの商品です。
こちらは0〜5ppmの範囲でリン酸塩を測定可能です。リン酸塩に関しても以下のデジタル表記の商品があります。測定範囲の違いやリン自体を測定するものなどいくつか似た機種があり、飼育する生体に応じて機種を選ぶと良いかと思います。
リン酸塩の発生
自然界では岩石や土壌からの溶出、動植物の死骸や排泄物が分解される経過で出現します。アクアリウムにおいては、死骸や排泄物からの分解に加えて、残り餌や水道水を介した混入が主な発生要因となります。なお、長年経過した水槽の場合、底砂やライブロックにリン酸塩が沈着している場合があります。この場合、自然界と同様にここからリン酸塩が再度水槽内に溶出する事もあります。
リン酸塩の除去
リン酸塩の除去も、基本となるのは各種の濾過や換水で行います。
物理濾過
硝酸塩と同じく、フィルター濾過やスキマーはリン酸塩のもととなる有機物を除去してくれるので、非常に有効な手段です。また、比較的大きな生物の死骸などは濾過では除去できません。普段から水槽内の目に見える生体は確認し、死骸があるようなら早急に取り出すことも大事です。
生物濾過
リン酸塩の除去に活躍するバクテリアはポリリン酸蓄積細菌が代表的です。この細菌は好気環境でリン酸塩をポリリン酸と呼ばれる物質に変換し、その体内に蓄積する事が可能です。ここでポイントとしては、ポリリン酸蓄積細菌は脱窒菌のように窒素に変換して水槽外に放出するようなことは行わずに、あくまで体内にリン酸塩の化合物を蓄積するだけです。加えて、このバクテリアは嫌気環境になると蓄積したポリリン酸をリン酸塩として排出します。このため、プロテインスキマーを用いて、蓄積後のバクテリアを水槽外に除去することで初めてリン酸塩の除去が行われます。ここでも炭素源の存在はバクテリアの活性を促し、リン酸塩除去を促進させることが可能です。
植物プランクトンや海藻は硝酸塩同様にリン酸塩も消費します。このため、リフジウム水槽は多少のリン酸塩除去効果を有していると考えられます。
化学濾過
リン酸塩の化学濾過も吸着が基本です。アルミナ系吸着剤や鉄系吸着剤が多数販売されています。
換水
リン酸塩の除去でも換水は有効です。ただし、水道水はリンを含有している場合がありますので、RO浄水器を用いた上で換水する事が推奨されます。
その他の栄養塩
ケイ酸塩
ケイ酸塩は主に珪藻と呼ばれる植物プランクトンが必要とする栄養塩です。このため、ケイ酸塩の蓄積は主にコケの発生原因として問題となることが多いと思います。アクアリウムにおいて、ケイ酸塩蓄積等による毒性の話は聞いた事がありません。このため、ケイ酸塩をあえて測定する局面はないかと思います。
水槽内へは主に水道水からの混入が主原因です。このため、その除去にはRO水による換水が最も効果的であると考えられます。ただし、浄水器は高価な商品ですので、ケイ酸塩の混入予防のみを目的にRO浄水器を購入することはお勧めはできません💦
したがって、ケイ酸塩の対策は混入したものの除去を考えると良いです。ケイ酸塩は硝酸塩やリン酸塩のように物理濾過や生物濾過がそこまで有効ではありません。このため、化学濾過である吸着剤が効果的です。使用経験のあるものを紹介しておきます。
国産ブランドの吸着剤です。ケイ酸塩だけでなくリン酸塩も吸着してくれます。我が家ではRO浄水器を導入するまでは、こちらの吸着剤を使用していました。
微量元素
アクアリウムにおける微量金属元素は、測定も簡単にはできませんので、普段から中々意識しづらいものです。定義としては、生命活動に不可欠な元素のうち、生体に保持されている量が比較的少ないもの、となります。一般に、生体含有量が鉄より少ない物を指すようで、鉄、ヨウ素、カリウムなど多種存在します。
これら微量元素は人工海水に一定量が含まれており、換水をすることで補充されています。また、水道水にも含まれており、その量は地域や環境によって差が大きいと考えられます。人工海水に含有されているものは、当然としてアクアリウム用に調整されていますので問題になりません。しかし、水道水に含有されているものは、その量によっては害となる場合もあります。このため微量元素に配慮するのであれば、RO浄水器での除去が間違いないと考えられます。
浄水器については、こちらの記事でも紹介しています。
また、微量元素は特にサンゴの色揚げなどでも重視されています。人工海水に含まれるものだけでは不足となる場合もあり、この場合は以下のような添加剤を用いて水槽内に補充します。
これらの微量元素は前述のように、生体には不可欠な存在です。他の栄養塩とは異なり、魚やサンゴも直接利用していると考えられますが、その詳細な役割は不明な部分も多いです。ただし、人でもそうですが、特定の元素の喪失や過多は生体にとっては悪影響を及ぼします。水槽の調子が不調な場合に、硝酸塩やリン酸塩など基本的な項目に異常がなければ、これら微量金属元素にも目を向けると良いと思います。一部の元素に関しては以下のような検査キットで測定が可能です。
ただし、その他多くの微量元素の測定は自宅では困難なものも多いです。このため、微量元素の数値を知りたい場合は、以下のような害虫のキットを使用すると良いと思います。基本的な項目から、普段はかり得ないような項目まで知ることができます。1回にかかるコストが高いので頻回に使用することは難しいと思いますが、要所での使用はお勧めします。
以上のように栄養塩は水槽にとっての厄介者ではなく、より良い水槽環境を作るためには必須の要素と言えます。ただし、かといって過剰な存在下では大事な生体にとって害となってしまう面もあります。逆に言うと、害があるからといって単純に０を目指すと生体にとっては大きなダメージが生じる可能性があります。この事を認識しながら、栄養塩を調整すると、アクアリストとして少し理解が深まるのではと思います🌱
難しいのは、水槽はアクアリストの数だけ存在し、栄養塩のベストな環境も多種多様です。推奨されている数値はありますが、それらはあくまで参考程度とし、自身の水槽を日々観察し自分の水槽にとっての最適値を探ることが大事なんだと思います。
今回は非常に長文となってしまいました💦 間違い等ありましたらご指摘ください🙇♂️
記事が何かの参考になれば幸いです。
ではまた👋
