🐟물고기🐠 먹이는 인간 음식처럼 단백질, 탄수화물, 지방과 같은 탄소화합물로 구성된다. 탄소화합물을 구성하는 질소는 자연에서 질소 순환과정nitrogen cycle에 따라 순환한다. 유기물 → 암모니아NH3 → 아질산염 이온NH2- → 질산염 이온NH3-으로 분해되는 질화 과정nitrification, 질산염 이온이 질소분자로 환원되는 탈질화 과정denitrification이다.
해수어항은 이 자연계의 순환과정을 어항 속에 구겨넣기 위한 부단한 고뇌의 연속이다.
암모니아화 ammonification
어항 내 먹이 잔여분, 물고기 배설물이나 사체 등 탄소화합물은은 자연스럽게 나타나는 찌꺼기다. 생육을 위해 탄소화합물을 섭취하는 종속영양세균heterotrophic bacteria이 암모니아 기체로 분해한다.
암모니아는 상온에서 본래 기체이지만, 물에 가수분해되어 암모늄 이온과 수산화 이온으로 분리된다. PH가 높을 수록 암모늄 이온으로 더 쉽게 가수분해된다.
\[ NH_3+ H_2 O \longleftrightarrow NH_4^+ + OH^- \]
시중의 박테리아제는 대개 암모니아화를 하는 종속영양세균을 포함하고 있다. 종속영양세균은 매 15~20분마다 분열하여 근시간에 폭발적으로 증식한다.
질화 nitrification
암모늄 이온은 수생생물에 치명적인 독성이 있다. 빠른 제거나 산화가 필요하다. 질화 세균은 암모늄 이온 또는 암모니아를 산화시킨다. 대체로 산소를 이용하기에 호기성이고, 독립영양세균으로서 유기화합물을 합성할 때 아질산, 질산염을 이용하는 것이다.
충분한 생태계를 갖춘 Nitrosococcus는 암모늄 이온을 아질산염 이온으로 산화시킨다.
Nitrosomonas도 언급되곤 하는데,
민물에서만 서식한다는 지적도 있다.
\[ 2NH_4+ 3O_2 \longrightarrow 2NO_2^- + 4H^+ + 2H_2 O \]
아질산염 이온은 Nitrococcus, Nitrobacter, Nitrospina에 의해 질산염 이온으로 산화된다.
\[ 2 NO_2^- + O_2 \longrightarrow 2 NO_3 \]
위 두 반응을 종합하면 질산화 과정은 산소를 소모하고 어항의 PH를 높일 것으로 보이는데, 어항의 용존산소량과 PH에 유의미한 수준인지는 잘 모르겠다.
\[ NH_4^+ + 2 O_2 \longrightarrow NO_3^- + H_2 O + 2 H^+ \]
종속영양세균에 비하여 독립영양세균은 증식하는데 시간이 필요하다. 번식에 24~36시간이 소요된다고 한다. 해수어항에서 물잡이를 day-scale로 하는 이유인 것 같다.
탈질화 Denitrification
탈질화는 질산염을 환원시키는 과정이다. 크게 박테리아를 이용하거나 식물을 이용한다.
탈질화 세균은 종류가 아주 많고 특징도 다양하다.
가령, Psuedomonas 속의 Pseudomonas aeruginosa은 혐기성인데,
Stenotrophomonas 속의 어떤 종은 호기 조건에서 질산염을 낮춘다.
두껍게 깔린 모래deep sand 안의 산소가 희박한 환경에서 혐기성세균을 이용하는 방법이 알려져 있다.
이 외에 모종의 세균이 속성작용diagenesis에 필요한 수준보다 산소가 부족한 경우 질산염을 이용하는 특성을 고려한 보드카 요법이 있다. 보드카, 설탕 등 탄소화합물을 투여해 종속영양세균을 폭발적으로 번식시켜서 세균이 무기호흡하며 질산염을 소모하도록 하는 보드카 요법 등이 거론된다. 공간 제약 문제로 쉽지 않은 방식이다.
수생식물은 질산염을 소모하여 광합성을 한다. 알게 필터Algae Scrubber, 리퓨지움을 통해 수초/해초가 질산염을 소모하도록 할 수 있다.