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〔Vol. 19Balanced
aquariumに
お け る窒 素 循 か ん と
魚 の適 正 飼 育 密 度 に つ い て
(挿図1-4)
佐
伯
有
常
On the nitrogen
cycle
and cultivable
capacity
of
fish in the balanced
aquarium
By Aritsune
SAEKI
1 緒 言 Balancedaquariumで は魚 の 分 泌排 泄 した 窒 素化 合 物 は植 物 や 細 菌 に 同化 され 有 機化 合物 に,細 菌 に よ り酸 化 されnitrateに,或 は脱 窒 素 作 用 で 窒 素 墓asに な るの が主 な 循 か ん 経 路 で あ る.こ の3者 の規 模 の大 小 は魚,植 物 の 量,底 の砂,通 気 の 有無,光 等 の 条 件 に よつ て左 右 され る.例 え ば,魚 の み で植 物 が な い か,あ つ て も光 が 少 い とき は水 中 の 溶 存 酸 素 の有 無,多 少 に従 つ てnitrate又 はammoniaが 増加 し,植 物 が あ り光 が充 分 で あれ ばnitrateの 増加 は著 し くな く,ammoniaの 増 加 蓄 積 は ない 〔1,2,3,4〕.こ こで は 魚 と植 物 とが適 当 に存 在 し,底 に2∼5mm大 の風 化 花 崗 岩 又 は石 灰 岩 砕 石 が 厚 さ0.5cm 以 上 あ り,適 当 な照 明 の あ るbalmced aquariumを 対 象 とし て調 査,研 究 を行 つ た. 魚 の 適正 な飼 育 量 は 水中 の酸 素,炭 酸 ガス,ammonia,溶 存 有 機 物 の量 に よつ て決 定 され る,植 物 の 同化 作 用 や 通 気 に よ るgas交 換 の充 分 な と きはammoniaと 有 機 物 とが 問題 とな るが,そ の毒 性 の強 さ,除 去 の難 易 及 び 魚 の飼 育 実 験 結 果 か らammoniaの 除 去 され る速 度 が これ を決 定 す る もの で あ る 〔5〕. 著 者 は恩 賜 上 野 動 物 園 の熱 帯 魚 のbalmced aquariumに つ い て,こ の窒 素 循 か ん を 調 べ,そ の 適 正 飼育 密 度 の計 算 法 を考案 した.こ れ に つ い て報 告 す る. 種 々の便 宜 を与 え られ た 同 園 の久 田氏,な らび にdenitrfication測 定 に必 要 なargon と窒 素 との 比 の 測 定 に 御 協力 下 さつ た東 大 工 学 部荒 木 助 教 授 に深 謝 す る. 2 実 験,研 究 方 法 (1) Balmced aquariumの 大 さは75×45×45cmで 水量 約130l,通 気 は軽 微 又 は な く(57年10月 現 在 で は相 当 あ り),常 時 螢 光 燈 に よ り照 明 され,水 温 は20° ∼25℃ で あ つ た.こ れ に夫 々総 計30g内 外 のgroumi,neon-tetra,red-swordと100∼150gの Cabomba,Hygrophyla,Myriophillum,Vallisneriaが 飼 育 培 養 され てい た が,全 く植陸
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物 を 含 ま な い も の も あ つ た.
Ammoniaは 減 圧 蒸 溜 法 〔6〕,nitriteはG.R.試 薬,nitrateは 還 元strychinin 試 薬 に よ り比 色,phosphateはDENIGE-ATKINS法,calciumはK)Mno4液 に よ り滴 定 し,alkalinityはB.C.P.に よ り,C.O.D.はalkali所 理 法 〔7〕で 求 め た.
(2) Ammoniaの 酸 化 作 用 はFig.1に 示 す 循 か ん ろ 過 器 にbalanced aquariumの 底
砂(2∼5mm大 の 花 崗 岩 風 化 砂)を 入 れammonia添 加 井 水(pH7.6∼7.9,Ca40脚/z,
alkalinity2∼3mN)を 加 えairlift法 で 循 か ん せ し め,そ の 無 機 窒 素 化 合 物 の 消 長 に よ つ て し らべ た.置 換 性ammoniaは 砂 に20%KC1溶 液 を 添 加 し,30分 振 と う後,溶 液 のammoniaの 測 定 に よ つ て し らべ た.
(3) Denitrficationは 水 中 のargonとnitrogen gasの 比 の 測 定 に よ つ て 行 つ た 〔8〕. こ の 比 はWINKLER-菅 原 の炭 酸gas誘 出 法 に よ り得 た 水 中 のgasを 質 量 分 析 器CEC 201Aに よ っ て 測 定 し た 。
3 実 験 結 果 と 論 義
(1) Balanced aquariumに お け る 窒 素 循 か ん に つ い てBalmced aquarimの 水 質 調 査 結 果 をTable1に 示 す.水 温 は19° ∼27℃,pH.6.8∼7.7,alkalinity0.4∼40mN,
Ca25∼30mg/l,C.O.D.1∼3mg/lで,表 の 右 端 に 示 し た 循 か ん 式 水 族 館 の そ れ に く ら べ る と,ammonia80∼200γ/l,nitrite0∼100γ/lで 同 様 に 少 い.Nitrateは 後 者
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〔Vol. 19 Table 1. Water quality of the balanced aquarium.Capacity of tank : 130 1. Cultured fish : about 30 g . of tropical-fish. Plant : 0-150 g. of MyrioPhyllum, Cabornba, Vallisneria or Hygrophila.
の100mg/lよ り少 く数mg/lで あ るが一般 の湖 沼 水 に比 較 す る と多 い。Phosphateは 後 者 の 数mg/lよ り少 く数10γ/lで あ り,両 者 共denitrificationの 結 果 と思 われ る過 剰 な窒 素gasを 含 ん で い る。
即 ち循 か ん ろ過 式 水槽 では 魚 の分 泌 排 泄 した窒 素 化 合 物 の半 分 がnitrateと して,残 り が 有 機 物 と して細 菌 に 同化 され るの に比 し て,balanced aquariumで は1部 がnitrate, 残 りは植 物 と細 菌 とに同 化 され,植 物 の役 割 が 顕 著 とな つ てい ろ.こ の 模 様 をFig.2に 示 す.
従 つ て あ る時 のammonia量 をMA,初 め の量 をA,魚 の 直 接,間 接 分 泌 した量 をF, 細 菌 の酸 化 又 は 同 化 した量 を夫 々X1,X2,植 物 の 同 化 した量 をX3,脱 窒 素 され た量 を 取 とす れ ば
魚 の飼育可能 の状態では
(a) 即 ち,こ の 式 を 解 け ばbalmced aquariumに に お け る 魚 の 飼 育 可 能 乃 至 適 正 密 度 が 推 定 出 来 る. 第1の 魚 の 分 泌 排 泄 す る窒 素 化 合 物 の 割 合 は ニ ジ マ ス,コ イ,金 魚 等 の 飼 育 実 験 の 結 果 に よ る と,温 度20° ∼25℃ の と き,魚100gに つ き1日 にNと し て50mgで あ る 〔5, 15〕. (2) 砂 の 細 菌 に よ るammoniaの 酸 化 と窒 素 化 合 物 の 同 化 作 用 に つ い てBalanced aquariumに お け るammoniaの 酸 化 は 附 着 細 菌 の 作 用 に よ る も の で あ る か ら 大 部 分 は 底 の 砂 に 着 生 した も の に よ る.こ のaquariumの 一 つ 約10gのjewel-fish を10尾,50∼1009のCabomaba,Hygrophilaを 含 む 水 量 約100lの も の の 底 の 砂(花 崗 岩 風 化 砂 大 さ2∼5mm)を よ く洗 つ てdetritusを 除 い た も の66gをFig.1の ろ 過 槽 に 入 れ,硫 酸ammoniaを 添 加 し て10mg/lのammonia ,を 含 ま せ た 井 水.151を 加 え,airlift法 で ろ 過 速 度120m/day,速 度1.5l/min.の 割 合 で 循 かん せ し め た.
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〔Vol. 19尚 この 装 置 は21℃ に保 つ た恒 温 水 槽 に入 れ 黒紙 で光 を遮 つ た.Set後6日 間毎 日そ の 無 機 窒 素 化 合 物 の 測 定結 果 をFig.3に 示 す.Ammcniaは6日 目に0.05mg/lに 減 少
し,nitriteは 同 じ く4mg/l,nitrateは3.5mg/lに 増 加 し た.こ の 増 加 の 模 様 は1三分 子 反 応 で 表 わ さ れ る 〔10〕.
Aa,AN… 初 め のammonia.又 は 最 大 のnitrate量
Fig. 3 Nitrification by percolating procedure
Sand : 65g. weathered granite sand 2-5 mm in size from the bottom
of the balanced aquarium.
Water : 1.5 1. well-water added ammonium sulphate.
Circulating velosity is about 150 cc per minute by air lift. Water
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X,Y…t時 の夫 々の 量 t1,t2夫 々 の半 減 又 は 増 期 KA,KN… 夫 々の 反応 速 度 恒 教
とす れ ば
KAの 値 はammoniaが 消 失 し た 時 更 に こ れ を 補 給 し く り返 し,循 か ん せ し め る と10×10-3 以 上 と な る がbalanced aquariumを ら採 取 した 直 後 はFig.3の 実 験 の 示 す 様 に1.5× 10-3程 度 で あ る.但 し砂wet重 量309に 対 し循 か ん 水1lを 用 い た 場 合 の 値 で あ る 。 又 こ の 砂 中 に は 常 に 若 干 のdetritusが 含 ま れ て い る が これ もnitrficationを 行 う 〔5〕. こ のKAの 値 は0.5×10-3程 度 で あ る.従 つ てbalanced aquariumた お い て は 一 定 の 平 衡 状 態 に 達 し た 後 は こ の 反 応 速 度 恒 数 は2×10-3と し て 計 算 さ れ よ う.
魚 が 飼 育 可 能 な 水 中 のammonia量 は 経 験 に よ る とTable1の 如 く100∼300γ/lで あ る.KUHL等 〔3〕に よ る と鯉 科 のSqualius cephalusは1.0∼1.2mg/l以 下,.Phoxinus laevisは0.6mg/l,ニ ジ マ ス は0.3∼0.4mg/l程 度 以 下 で あ る とい う.従 つ て0.5 mg/lと し て 計 算 し て よい で あ ろ う.
又 ∼二の 式 はammoniaが 次 第 に 減 少 す る 場 合 の も の で あ る が,balmced aquariumの 如 く 絶 え ず そ れ が 補 給 さ れ る と き は 始 め のammonia量 の 代 りに そ の 酸 化 さ れ たnitrate 量 を 以 て 大 略 現 わ さ れ よ う.Table1に お い てAは 換 水 直 後,Bは 同 じ く12ヵ 月,C, D,Eは3ヵ 月 で,そ の 内Cのdenitrficationが 特 に 著 しい こ と か らC,Dのnitrate 量1.5∼2.2mg/lがaquariumが 平 衡1に 達 し た と き の 値 とみ な す と,こ のammonia 酸 化 過 程 で は 約70%がnitrate化 す る こ と 〔5,10,11〕 か ら も こ の 値 と し て2mg/1が だ 当 と考 え ら れ る.こ の 値 は 循 か ん ろ 過 式 水 槽 の1/10程 度 の も の で あ る.従 つ て 水11に つ き 底 面 積100cm2で 裏 面 か ら0.3cmの 深 さ の 砂 がnitrficationに あ ず か る と し て 水 温21℃ の と き のmmonia酸 化 速 度 は 次 の よ う に な る. (b) 次 に細 菌 に よ る窒 素 同化 速 度 が 問題 とな る.完 全 なbalmced aquariumに お い ては 窒 素 同化 した 細 菌 やdetritusは 一 定 量 以 上 に達 しない か らそ の 速度dx2/dtは0で あ る.併 し一 定 期 間 毎 に底 のdetritusを 除去 す る と きはdx2/dtはdx1/dtの70%位 として計 算 出 来 よ う 〔5〕.
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砂 の置 換 性ammoniaと そ の系 全 体 のammoniaと の比 にammoniaの 酸 化 速 度 は比 例 す る 〔11〕.循 か ん ろ過 式 水槽 で は これ に よつ て求 め たammonia酸 化 速 度 は 前 記 の 装 置 に よ り求 め た も の と一 致 す るが,balanced aquariumで はTable2に 示 す 如 く置 換性ammoniaが 多 い た め この 測定 に よつ ては求 め られ ない.こ れ はdetritusの 蓄 積 や 細 菌 が 多 い こ と等 が 原 因 と思 わ れ る.
尚nitriteは 魚 に有 害 で あ る程 蓄積 され るこ とは な い.
(3) 植 物 に よ る窒 素 同化 作 用 に つい て
大 型 水 生 植 物 フサ モ,キ ン ギ ヨモ等 が 窒 素化 合 物 を同 化 す る量 は そ の植 物 体 の有 機 窒 素 量 で示 され る.上 野 のbalanced aquariumのCabomba,Hygrophila及 びRICKETT等
〔13〕の しらべ たMyriophyllum,Vallisneriaの 有機 窒 素 含 有 量 をTable3に 示 す. これ に よ る と生 重 量1gに つ い て2.3,1.5mg又 は2.9,1.2mgと な つ て い る.従 つ て 水 中 に 生 育 し て い る植 物 の 重 さ と生 長 割 合 が わ か れ ばdx3/dtの 単 位 時 問 の 窒 素 化 合 物 の 同 化 速 度 が 計 算 出 来 る.例 え ば,水11に つ きCabomba,Hygrophila夫 々 長 さ10cm,生 重 量1.3,0.59の も の1本 宛 あ り,月 に3倍 に の び る と す れ ば,そ(り 増 加 は 夫 々2.6,1.0g で あ るか ら,合 せ て 乳5mgの 窒 素 が 同 化 さ れ た こ と に な りdx3/dtは250γ/dayと な る. (4) Denitrficationに つ い て 窒 素 化 合 物 か ら窒 素gasが 遊 離 す る 所 謂denitrificationは 天 然 で は 好 気 的 の 所 で も 起 る.こ の 現 象 が あ れ ば 溶 存 窒 素gasのargonに 対 す る 割 合 が 大 き く な る とい う こ と に 着 目 し て 小 穴 〔8〕は1949年 木 崎 湖 の 水 等 に こ れ が 起 る こ と を 証 明 し た 。 年 中 水 温 の 高
Table 2 Exchangeable ammonia of bottom sand of the aquarium
いaquariumで も こ の 現 象 が 起 る と推 定 さ れ る.よ つ てTable1のA-Eの 水 槽 水 か ら WINKLER-菅 原 改 良 法 〔9〕 で 分 離 したgasをpyrogallolに よ り脱 酸 素 し,一 端 に 五 酸 化 燐 を 含 む 真 空 に し た ガ ラ ス 容 器 に 導 入 し た 後 質 量 分 析 器CEC201Aに か け てargon
とargon+nitrogen gasの 比 を 求 め た.そ の 結 果 をTable4に 示 す.
12ヵ 月 又 は3ヵ 月 換 水 し な か つ たaquarium水 の こ の 比 は 正 常 値0.0244(25℃)に 比 し 0.0218,0.0222,0.0218等 と小 さ く,換 水 直 後 の も の は 正 常 値0.0244で,又 比 が0.0218の 水 を30分 間 太 さ6mmの ガ ラ ス 管 で 通 気 した も の は0.0238に 回 復 し て い る 。こ のargon
とargon+nitrogen gasの 比 は 小 山 の 式 A
A+N =0.02528-0.0000356tに よつ て 計 算 し
た.Argonに 対 し過 剰 な 窒 素gasは 同 じ く
⊿N=(A+N)(1-A A+N
0.0244 ),(25℃),に よ つ て 求 め る と表 示 の 如 く12∼3ヵ 月 換 水 し な い 水 槽 で は0.4∼1.4cc/lで,こ の 全 溶 存 窒 素(dissolved inorganic nitrogen)に 対 す る 割 合 は11∼56%平 均30%で あ る. Denitrifyさ れ て 生 じ た 窒 素 ガ ス が 水 面 か ら放 出 さ れ る こ と な く,又 水 槽 中 で 一 様
にde-nitrificationが 行 な わ れ て い る と す れ ば,こ の 水 槽 の 深 さ は45cmで 水1lに 対 す る 砂
の あ る底 面 は 4.5100 cm2で あ る か ら,
Table 4 Denitrfication
in the balanced aquarium (1956)
Aquarium tanks are the same as Table
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〔Vol.19 (c) (5) 魚 の 適 正飼 育 密 度 につ い て 上 記 の 結 果 を用 い て魚 の適正 飼 育密 度 が 計算 出来 る. (a) よ り (1)よ り 底 に-厚さ0.3cm以 上 に2∼5mm大 の砂 が あ れ ば (b) よ り (底 面 積100cm2,毎l) 底 の 掃 除 を しな い とき,底の掃除を時にす るとき
(3) よ り 水1lに つ きCabomba,Hygrophila夫 々10cmの も の1本 宛 あ り,月 に3倍 に の び る とす れ ば (c) よ り11に つ き(底 面 積100cm2,水 深10cm) よつ て この底 面 積100cm2に つ き,植 物 の生 長 の 有無 及 びdetritusの 除去 の有無 に従 っ て夫 に 水深10∼40cmの とき の水1lに つ い て の窒 素化 合 物 の 水 中か ら除去 され る速 さ はTable5の よ うに な る.即 ち植 物 の生 長 の少 い程,detritusの 掃 除 を しな い方 が ,又 水 深 の大 きい 程 そ の 速 さは少 く,上 記 の条 件 内 では 最大1日0.67mg/l,最 少0.08mg/l となつ てい る.魚 の 窒 素化 合 物 の分 泌速 度 か らこれ に対 す るそ の飼 育可 能 な密 度 を計算 す る と水 深20cmで 掃 除 しない ときは植 物 の生 長 の大 小 に よ り0 .3∼0.89/1,水 深30cm の ときは 同 じ く0.2∼0.79/1,掃 除す る ときは夫 々0。4∼0.9,0 .3∼0.89/1と な り, Fig.4の(1),(2),(3)の 直 線 で あ らわ され る. 経 験 に よ る と この魚 の適 正 飼育 密 度 〔12〕は大 さ1inchの もの1尾 を 水1gallonに 又 は表 面積100cm2に つ き1.5∼0.59/1が よい と云 われ て い る.こ れ は 植 物 の ない と き で あ り,そ れ が あ る とき は若 干 多 い だ ろ う と云 われ てい る.著 者 は植 物 の光 合 成 作用 と 呼 吸 作 用 との差 で あ る生 長 に 伴 う酸 素 の 放 出量 が 魚 の 呼 吸 と有 機 物分 泌 に よるそ の消 費 量陸
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に相 当 す る迄 魚 が飼 え る と仮 定 し て次 の 結 果 を得 た。 即 ち上 記 の 割 合 の植 物 が 月 に3倍 と な る とそ の 増加 量 は3.69で あ り,炭 素 と して約50mg〔13〕 で2.7ccの 酸 素 が放 出 さ れ た こ とに な る.魚 の 呼 吸 〔14〕及 び有 機 物 の分 泌 〔15〕に 伴 う酸 素 の消 費 量 は夫 々魚 1墓 に つ き2.5cc/day,0.3cc/dayで あ るか ら この 場 合19の 魚 が飼 え る こ とに な る. これ をFig.4の(4)の 線 で 示 す.こ の結 果 は そ の窒 素 循 か ん か ら求 め た魚 の飼 育適 正 密 度 は従 来 の 経 験 に よ る もの と大 体 一 致 す る。 4 摘 要Balanced aquariumの 窒 素 か ん 即 ち魚 の分 泌排 泄 量,nitrfication,denitrification, 植 物 及 び 細 菌 に よ る同化 量 の 大 さを し らべ,魚 の適 正 飼 育 密 度 を算 定 した。 この結 果 は従 来 の経 験 に よ る もの と略一 致 し,水 槽 の 深 さ30cmで 底 面 積 又 は 表 面 積100cm2に つ き 0.2∼0.3g/lで あ る.但 し底 に2∼5mm大 の石 灰 岩 碑 石又 は風 化 花 崗 岩砂 を厚 さ0.5cm に しい た 場 合 で あ る.浅 い程,植 物 の生 育 の よい程 又 時 に底 にた まつ たdetritusの 掃 除 をす る と この 値 は 大 き くな り,水 深10cm,植 物 の 生長 量 が 月 に2.6g/lで と き どき掃 除す る場 合 は1.3g/l程 度 に ふ え る.
Table 5 Velosity of nitrogen compounds removing from the water
by nitification, assimilation and denitrication in the balanced aquarium.
Nitrogen N ƒÁ/1/day/100 cm2 bottom area. Bottom is covered with
2•`5 mm sand O. 5 cm in depth. 3. 6 grams plant (10 cm long
Cabomba and Hygrophila) is contained in a litre and grows 7. 2 g
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〔Vol. 19引
用
文
献
1) KUHL, H. and H. MANN : Arch. f. Hydrobiol. Suppl. 22, 1955.
2) •\ : Z. f. Fischerei, 4, N. F., H. 3/4, 1955. 3) •\ : D. A. T. Z., 9, 99-120, 1956. 4) •\ : D, A. T. Z., 9, 125-129, 1956. 5) 佐 伯 有 常: 魚 介 類 の 循 か ん 過 式 飼 育 法 に つ い て,日 水 誌 (印 刷 中). 6) ― : 水 産 増 殖,4,2,12-21, 1956. 7) ― : 水 産 増 殖,4,1,27-33, 1954 8) 小 穴 進 也: 科 学,岩 波,24,117-121, 1954. 9) 佐 伯 有 常: 水 産 増 殖,5,1,19-25, 1957. 10) 板 野 新 夫:土 壊 学 微 生 物 学.産 業 図 書,1948.
11) LEE, H. and. T. H. QUASTEL, : Biochem. J., 40, 803-828, 1946. Fig. 4 Cultivable fish capacity in the balanced aquarium.
12) INNES, W. T. : Exotic Aquarium Fishes. Pub. Comp. 11th ed., 1952. 13) WELCH, P. S. : Limnology, MCGROW HILL, 1952.
14) 田 村 正:水 産 増 殖 殖 学.紀 元 社, 1956.
15) 佐 伯 有 常:金 魚 の 有 機 物 分 泌 に つ い て.日 水 会 講 演,Oct., 1955.
SUMMARY
The nitrogen
cycle in the balanced aquarium
was
studied
in regard
to the
secretion
of nitrogen
compounds
by fish,
nitrification,
denitrification,
and
assimilation
by plants and bacteria.
And then cultivable
capacity of fish was
estimated.
When the
initial
content of ammonia
in the water
is A, secreted
nitrogen
compounds from fish F, nitrogen
nitrified
by bacteria x1, nitrogen
assimilated
by bacteria x2, by aquatic plants x3, denitrified
nitrogen
x4, and
the ammonia content
at a given time t is M :
When fish is cultured in the healthy and normal condition,
100 grams fish secrets 50 mg of nitrogen compounds per day. When the bottom
of the aquarium is covered with either calcite or weathered granite sand 25mm
in size, the velosity of nitrification by bacteria growing on it is 240 ƒÁ per 100
cm2 per day. And, nitrogen assimilated by bacteria is 170 ƒÁ per day, if the
bottom of aquarium is made clean occasionally. When 1 litre of water contains 1
shoot of Cabornba and Hygrophila 10 cm long respectively, which grows three
times in length during a month, nitrogen assimilated by them is 250 ƒÁ per day .
Denitrification is determined by measuring the ratio of argon to nitrogen gas.
Its velosity per litre is 16 ƒÁ per day.
From these data, the velosities of nitrification, assimilation and denitrification
in the aquarium are 76-674 ƒÁ/day, as shown in Table 5, and cultivable fish in
