［濾過］
脱窒素（還元）濾過（１）
＜脱窒素とは＞
脱窒素（還元）濾過とは、以前にも少しふれましたが、酸化菌による生物濾過の最終蓄積物質である硝酸イオンを還元菌によって窒素ガスにまでしてしまおうという生物濾過のことです。
アンモニアを亜硝酸、硝酸イオンにと酸化させていくバクテリアが、好気性の硝化細菌であるニトロソモナス属やニトロバクター属なのに対して、脱窒素菌は通性嫌気細菌となります。
要するに好気性の細菌は遊離酸素（水の中に漂う酸素分子）を取り入れて呼吸することにより、アンモニアを酸化させて行くわけですが、アクアリウムにおける脱窒素菌は、酸素のない環境において、硝酸イオンをその呼吸基質として取り込み分解していきます。
よく誤解されていることに、脱窒素菌というのは完全な酸素の無い嫌気的な環境で、しかも、水の流れのすくない、よどんだような所でしか行われないと言われてきましたが、どうやら大きな間違いであったようです。
脱窒素菌は硝酸イオンを亜硝酸イオンを介して窒素ガス（Ｎ２）に還元してしまいます。
通性嫌気細菌である脱窒素菌は、酸素があれば好気的な呼吸をしますが、酸素が存在しない場合でも化合物中にある結合酸素を利用して呼吸します。
（嫌気的呼吸）
このような脱窒素菌のように、酸素があるところでも無いところでも生きていける細菌を通性嫌気性細菌と言うのに対して、酸素がある場所では生きていけない細菌を絶対嫌気性細菌と言います。
アクアリウムにおいて脱窒素菌は嫌気的な環境におかれた場合、硝酸イオンの結合酸素をその呼吸基質として利用するようになります。
このタイプの脱窒素菌が今回の主役であるアクアリウムにおける脱窒素菌です。（以下脱窒素菌と称します。）
この硝酸イオンは呼吸のための基質であって、これをエネルギー源や栄養源として利用しているわけではありません。
産業レベルでの脱窒素処理が行われる場合には、その基質としてメタノールという物質を供給する、という方法が取られているとのことですが、メタノールはメチルアルコールのことで人体にとっても有害ですし、危険な物質であります。
この物質をアクアリウムにおいての脱窒素菌の基質として選択するのはちょっと無理があるようです。
もともと、脱窒素菌も有機物栄養性だそうですから、食べ残しの餌や生体からの排出物が溶け込んだ状態であれば繁殖できるはずなんだそうです。（私は細菌学に詳しいわけではありませんのでこの辺は不確かです・・・・・）
ちなみに、メタノールを基質とした場合の脱窒素の反応過程は以下のようになります。
５ＣＨ３ＯＨ（メタノール）＋６ＮＯ３−（硝酸イオン）＋６Ｈ＋（水素イオン）⇒５ＣＯ２＋３Ｎ２↑（窒素ガス）＋７Ｈ２Ｏ
この反応式を見ても分かるように、この反応が成り立つには硝酸イオンと同量の水素イオンが必要になります。
どうやら、ディスカス愛好家や大型魚の飼育者の方々が脱窒素濾過に対して真剣に取り組んでおられることのポイントがここにありそうです。
（これについては後述致します。）
余談ですが、自然界においては、脱窒素菌にも色々あって、亜硝酸イオンまでにしか還元しないものや、または逆にアンモニアを生成しようとするものや、好気的な環境での脱窒素菌もあるようです。
脱窒素菌はどれが代表的なものなのか良く分かっていないようですが、シュードモナス属やニトロバクター属にも硝酸イオンの存在する環境では脱窒素菌として生育するものがあるとのことです。
とは言っても、アクアリウムにおいて、ある程度の通水性のある嫌気的な環境さえ整えて、基質となる有機物さえあれば、必要とする脱窒素菌が繁殖するようなので、どれかの脱窒素菌を選択して培養するなどと言うことではないようです。
＜脱窒素濾過＞
さて、脱窒素菌に関することはこのぐらいにして、実際問題として、どのようにすれば脱窒素濾過が可能なのかを考えていきたいと思います。
先にも記述しましたが、脱窒素菌の基質として、食べ残しの餌や生体からの排出物の有機物をその基質として繁殖するとのことですが、それならば、既存の濾過槽内や底床内でも生育できると言うことになります。
当然、基本的に嫌気的な環境が必要になりますので、既存のシステムにおいて、その様な環境の場所となりますと、かなり限られた場所と言うことになります。
想像するに濾過槽内にある多気孔な濾材の奥の方や底床内における水がよどんだような場所、と言った所でしょうか。
以前に多気孔濾材において脱窒素濾過が期待できると記述したのもこのためで、実際幾分かの脱窒素菌の繁殖はこのような場所に置いてすでにあるものだと思われます。
しかし、どれぐらいの脱窒素菌が繁殖しているか、と言えばその量はごくわずかであるはずです。
これを１つのちゃんとしたシステムとして稼働させるためには、それなりの基本的な嫌気的環境を作り得るシステムが必要となるのは明白です。
気休め程度に効いているのかどうなのか良く分からないような状態であれば、このようなことに取り組む価値は薄く、出来ることならば、生成される硝酸イオンを全て処理できるようなシステムとして稼働させたいものです。
それが現実となってこそ、初めて夢のナチュラル水槽への第一歩となるように思えます・・・・？？
（脱窒素濾過が可能になったからと言ってナチュラル水槽＝水換え不要の水槽、と成るわけではないですが・・・・・）
システムを考える上で、基本的なことをまとめておきますと、通常の硝化菌による酸化作用の後の段階において、脱窒素菌による還元濾過を組み込むやり方が最も簡単に嫌気的な環境を作りやすい、と思います。
こうなりますと、先に挙げた脱窒素菌に対する基質が不足してしまうと言うことが考えられます。
要するに、食べ残しの餌や生体からの排出物による有機物は前段階の硝化菌の基質となり、後段階の脱窒素菌の基質分として絶対量が不足するのではないか、と言うことです。
と言うことは、硝化作用の終わった水がいくら脱窒素菌の繁殖を促すようなシステムに送り込まれたとしても、基質となる物質がなければ（硝化菌の場合はアンモニアがその基質）脱窒素菌の生育も望めないと言うことになります。
そうであるならば、脱窒素濾過を目指すシステムにおいて、その始めに（脱窒素濾過槽の始めの部分に）その基質となるような物質を供給すれば可能であると考えられます。
＜デニボール＞
ここで登場するのが、還元濾過と言えばまず名前が出てくるデニボールと言う商品です。
このデニボールは以前は１つの商品しかなかったようですが、現在では数種類の類似品が存在するようです。
このデニボールもアクア業界の悪しき慣習か、その実体はベールに包まれており、説明書通りに使用した方の多くの意見としてはそれなりに効果があるようだという程度です。
その使用方法は底床内に数個埋め込むだけと言うことらしいですが、嫌気的な環境での脱窒素菌の繁殖、と考えれば納得できることのようです。
ただ、誤解してはいけないのは、このデニボールが還元濾過を直接行ったり、これに脱窒素菌がとりついて繁殖しているのでは、どうやらなさそうであると言うことです。
結論としてはデニボールは脱窒素菌に対する基質の供給源である、と言うことに成ります。
このデニボールを底床内に埋め込んでも大きな効果が得られない原因としては通水性が上げられると思います。
脱窒素菌は水の流れがあれば生育できないわけではなく、通水性の嫌気性細菌ですからある程度の通水性があった方がその還元できる硝酸イオンの量も多くなり、その方が有効的であるはずです。
ただし、硝化菌に対する流量と比べますと、先に記述しましたように脱窒素菌に対する基質供給源を前段階におくと仮定した場合には、その流量が大きすぎますと供給された基質を取り込むまもなく通り過ぎていくのではないかと言う懸念が生じます。
よって、最大処理効果を上げるための流量がとても難しいこととなるようです。
この流量の目安としては使用する多気孔濾材によって違ってくるようです。（これは単なる発売元の脱窒素菌に対する考え方の違いからかもしれませんが・・・・）
デニボールの関連商品として発売されているデニファと言う濾材は、その気孔口径が大きいことからか、毎分５リットルほどの流量が良いとされています。
また、シポラックスと言う濾材は、脱窒素濾過を試みるならば、バイパス経由の形にして毎時２リットル程度が良いとされているようです。
毎分と毎時では大きな違いですが、基本的な脱窒素菌に対する考え方とその処理能力を考えた場合、デニファの方が優れているように思えてしまいます。
ちなみにデニファの気孔口径は６０〜５００μｍだそうですが、シポラックスは残念ながらパッケージにも表記されていませんので分かりません。
ただ、シポラックスの場合、その特長として、バクテリアの住みかとしての有効表面積の広さが売り文句ですから、デニファよりも小さい可能性が大きいのではないかと想像出来ます。
また、これらの他にも現在ではたくさんの連続した多気孔濾材というものがあるようですので、何もデニファという濾材でなければダメだと言うことはないと思います。
尚、参考までに、デニボールボックスと言う物をバイパスフィルターとして用い、デニボールとデニファを用いて還元濾過システムとする方法が発売元より紹介されているようです。
