第一章
硝化細菌簡介
1-1:硝化細菌的由來
1989年，俄國微生物學家維諾格雷斯基(Winogradskyi) 無意中發現一類奇特的好氣性(喜歡氧氣)細菌，他們的生長方式與一般細菌極為不同，一般細菌通常必須供養有機物才能生長及增值，但是這類細菌不能利用有機物培養，卻能夠在通氣的狀態下，利用無機培養液在黑暗中培養，因此格外引起他研究的興趣。
在研究的過程中，維諾格雷斯特基(Winogradskyi)曾經証明這類細菌類似植物一般，能進行無機營養生長。即當細菌被培養在完全無機營養液，並供應二氧化碳作為唯一的碳源時，它們能夠利用二氧化碳合成有機物，以作為菌體生長及細胞分裂的基質。這種現象與植物利用二氧化碳合成有機物返應極為相似，所不同的主要是:植物用於進行有機物合成反應的能源是光能，但這類細菌所利用的能源顯然並非光能，而是某種形式的化學能。
維諾格雷斯基(Winogradskyi)從無機培養意液的取樣分析中，檢驗出銨鹽有逐漸被細菌消耗之現象，以及被消耗之銨鹽最後均轉化成硝酸鹽。
另外，若無機培養液缺乏銨鹽，則細菌分裂立即停止，因此他乃據以斷定這類細菌所利用的能源，應是一種銨鹽被氧化成硝酸鹽所產生的化學能。它們巧妙地運用此種化學能進行有機物的合成反應，因此不需要依靠任何有機物就能生存。後來他進一步確認這種反應屬於硝化作用(nitrification)的結果，同時也將這類能進行硝化作用的細菌給予命名為硝化細菌(nitrifying bacteria)。
1-2:硝化細菌的種類
維諾格雷斯基(Winogradskyi)認為探討硝化細菌的種類是認識硝化細菌的基本程序，因此他決定在這個領域中繼續探索。他在無機培養液的取樣分析中，察覺到銨鹽的氧化程序是分二階段完成的:第一階段是銨鹽先氧化亞硝酸鹽，第二階段是亞硝酸鹽再氧化成硝酸鹽。因此他進一步推測硝化作用(nitrification)應是由兩類在生理機能為互不相隸屬的細菌，發生連續性作用的結果，此種推測可依據它們進行氨氧化的順序步驟加以鑑定。
維諾格雷斯基(Winogradskyi)依據健定結果，將硝化細菌納歸為二類:分別是亞硝酸俊(Nitrosomons)及硝酸菌(Nitrobacter)。亞硝酸菌屬於能將銨鹽氧化成亞硝酸鹽的細菌;硝酸菌屬於能將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的細菌。
無論亞硝酸菌(Nitrosomons)或硝酸菌(Nitrobacter)，它們都不是單一菌株或菌種，而是各由一群血緣相近的細菌所組成，因此亞硝酸菌或硝酸菌僅僅是分類上的一種「泛名詞」而已，它不代表同類的細菌有相似的生理或行為之特徵。其實，有許多屬亞硝酸菌或硝酸菌的菌株，常有著迴然不同的生理性及生活習性。
1-3:硝化細菌的型態
硝化細菌的大小與一般細菌差不多，約0.3~3.5微米之間，依種類不同而異
。在普通倍數光學顯微鏡下觀察，可看到其基本形態也與一般細菌類似，主要有：桿狀、球狀、螺旋狀等(圖1-2)。因此，光憑顯微鏡的觀察，通常無法區分硝化細菌與一般細菌的差異性。不過若將硝化細菌純化，分出亞硝酸菌及硝酸菌，由其型態不同的觀察，約略可據以區分硝化細菌的種類是否相同或類似。
觀察時，除了注意個別細菌的形態外，亦須注意細菌的群體形態。在水族缸中，硝化細菌極少有懸浮性單離菌體生長的種類，絕大部分硝化細菌種類均屬於附著性種類，它們通常在避光的固體表面生長，並集體形成黏性集合體，被一層黏膜所包含，形成所謂的凝聚箘膠團(zoogloeae)或菌囊(cysts ) 。藉由凝箘膠團的大小，顏色、和形狀所顯現之特徵，也可以作為區分硝化細菌種類的重要依據。
大多數悍狀及螺旋狀種類，在水體中皆有運動性，能從一處移動到另一處。此種活動性之肇因，乃硝化細菌的細胞長有鞭毛(flagella)之故(圖1-3)。藉由鞭毛的震動，菌體即可發生運動現象。鞭毛相當細長，若不染色，僅以普通顯微鏡觀察，則無法觀見。不具鞭毛的菌種，不能作主動遷徒，只能隨著水流漂移作被動遷徒。
1-4:硝化細菌的生態
由於硝化細菌可以在完全無機的環境中生長，因此被認為是古老細菌之一，理由是古老地球是屬於無機世界，此種環境只適合這類不必靠有機物才能生長的細菌生存。歷經億萬年以來的演化，硝化細菌仍然不改變其謀生的本能，依賴氧化氨所獲得之化學能來生存，迄今它們已經成為地球生物圈結構中不可或缺的一個組成份子。
從生態平衡的功能來看，硝化細菌能將有機物腐敗後所釋放出來的氨消弭掉，使其他物免受於受到氨的毒害。已知地球上大量含氮有機廢棄物或殘骸被微生物分解時，所產生的氨數量極為可觀，若非由硝化細菌加以利用並引入氮環境(nitrogen cycle)系統，氨必會在自然界造成累積現象，導致許多生物難以生存。
在地球上任何地方幾乎都有硝化細菌生存的蹤跡，它們在自然界鮮少大量出現，卻廣佈於土壤、淡水、鹽水、海水，和污染水處理系統中(圖1-4)。雖然今日的地球環境和古老以前不一樣，有些地區的環境極端惡劣，但是仍有一些特殊的硝化細菌可以生活在各種惡劣環境中，例如，即使永遠寒冷的兩極、極為乾旱的漠、溫度很高的溫泉、永遠黑暗同時承受無比壓力的深海海底，甚至海底的火山附近，都有硝化細菌在其中討生活。
1-5: 硝化細菌的生長
硝化細菌的生長速度相當緩慢，通常每隔24~36小時才能增殖一倍(圖1-5)，相較於一般細菌的世代時間僅需要約20分鐘，顯然慢得極多。兩者之間會有如此巨大的差異，主要因為它們的維生能源不同所致。
一般細菌以攝取地球上即成的有機物維生，這些有機物經過菌體消化後，可以生產它們生活所需的能量，以及可以用於築構它們的細胞組成，甚至轉化於細胞分裂上。假使它們的生活環境中有源源不絕的有機物作為食物，那麼這類細菌就能快速生長及增殖。如果再加上其他的生活條件也都能配合得好的話，即使只有一個細菌存在，經過約一天左右的光景，即能增殖出億個細菌來，此種增殖速率極為驚人。
反觀硝化細菌的情況就不是如此，它們不能分解地球上即成的有機物(如魚的排謝物及殘餌)，自然也不能以這些有機物為食物，它們所需要的有機物，幾乎都是靠自己利用氧化氨或亞硝酸鹽所獲的的化學能，進行有機合成反應獲得。
硝化細菌靠自己的能力，將無機物(如二氧化碳及營養元素)合成有機物，此種生物合成反應與植物類似，需要耗費相當時間方能完成，也因為這樣，才導致硝化細菌的生長及增殖變得極為緩慢。例如，通常一個細菌在生活條件配合得很好的情況下。經過一天之後，約只能增殖出二個細菌來，相當於一般腐生
細菌可增殖的速度可謂慢得驚人，甚至比單細胞綠藻還來得慢許多。
第二章
硝化細菌需要什麼
2-1:需要獲得無機化學能
所有生物都需要先獲得適合的能源之後才能生存。在自然界終最容易獲得的能源是太陽能，因此一般植物皆以光能作為能量的來源，但是硝化細菌的細胞內因不具有光合色素(如細菌葉綠素)，不能利用光能，只能利用化學能。
硝化細菌所利用的化學能係得自硝化作用(nitrification)，因此它們需要氨源或亞硝酸鹽以產生化學能(圖2-1)。這種能源屬於「無機化學能」的一種，與一般腐生細菌分解有機廢務所得的「有機化學能」不同。一般腐生細菌可以直接利用有機化學能來組織自己，同時用作生活細胞的代謝能量。在今日有機廢物到處充斥氾濫的地球上，一般腐生細菌想要取得有機化學能相當容易，因此它們能夠快速生長及增殖，並發展成龐大的族群。
由於一般硝細菌的細胞不具備分解有機廢物之能力，因此不能從其生活環境中獲得有機化學能，當然也不能利用有機化學能來組織自己。它們只具利用無機化學能的特徵，而且所能利用的無機化學也僅限於從硝化作用(nitrification)中獲得而已。
硝化細菌要進行硝化作用並不是一件容易的事，它們必須要有硝化酶(nitrifying enzyme)的催化反應才能發生，而硝化酶的生活性又容易受到氨或亞硝酸鹽、溶氧等反應基質濃度之支配，以及若干環境因子的影響，所以必須在各種環境條件皆十分適合的情況下，硝化作用才能順利進行，也因為如此，硝化細菌若要獲得其所需要的化學能，除了主觀因素外，來得受到客觀因素的影響。這點與一般腐生細菌可以從有機物的消化中，可輕易獲得所需要的化學能顯然十分不同。
2-2:需要獲得無機碳源
地球上的生物必須獲得各種不同形式的有機碳(有機物)才能生存，因為有機碳是合成細胞的基礎物質。一般腐生細菌可以從生活環境中輕易攝取到必要的有機碳，但是硝化細菌卻缺乏利用存於在於環境中有機碳的能力，它們所需要的有機碳通常依賴自己生產。
硝化細菌生產有機碳的機制與綠色植物相似。綠色植物可利用光能來進行光合作用，藉以將無機碳合成有機碳;相較之下，硝化細菌利用化學能進行化成作用，亦能將無機碳合成有機碳。茲比較兩者的化學反應式如下:
6CO2+12H2O+光能→C6H12O6+602+6H2O 2-1
6CO2+12H2O+化學能→C6H12O6+602+6H2O 2-2
由上述2-2化學反應式可知，硝化細菌即使獲得所需的化學能，假使無CO2作為合成有機碳反應基質的話，其後果就好像植物徒有光能但缺乏CO2一樣嚴重，因為它們扔然無法進行光合作用，植物終究也會死亡。這種情況一樣會對於硝化細菌造成無法彌補的傷害。
因此，硝化細菌必須獲得化學能才能生存的主要原因，其實只是一種手段而已，其真正目的乃是為了要將這種能量，應用於自製有機碳，以供生存及增殖之需要。換言之，它們是否獲能充分得有機碳作為合成有機碳的基質，應該是其是否能順利生長及繁衍的先決條件。
硝化細菌所需要的無機碳來源不只二氧化碳(CO2)一種而已，還包括可溶性碳酸氫鹽(HCO3¯ )及碳酸鹽(CO32-)等。這跟水草及藻類所需要的無機碳來源一樣。硝化細菌可自環境中攝取不同種類的無機碳，而且通常不虞匱乏，因為水環境中生物的分解、呼吸作用、均能生產多量的二氧化碳釋放於水體中，所以無機碳不致造成硝化細菌生長的限制因子。
2-3:需要獲得營養元素
所謂營養元素是指硝化細菌進行營養生長及增殖的必要物質。嚴格來說，營養素本身並不影響硝化細菌之生理作用，僅是在以離子形態或有機分子組成時，才具有重要性。為簡便起見，通常均用營養元素來表示這些物質，而並不追究它們是以合種形式或組成，對硝化細菌之生理作用所產生之影響。
就如同植物一般，硝化細菌的生長作用也不能缺乏營養元素。硝化細菌必須吸收外界的營養元素，才能在體內合成其生長所需的複雜有機物，如蛋白質、脂肪、酵素及維生素等。從營養學觀點來看，硝化細菌用於生長所要求的營養元素，其實與一般水草並無多少差異，因此只要想到水草需要怎樣的營養元素，通常硝化細菌大概也需要這些營養元素。硝化細菌依各種營養元素需求量及重要性不同，也分成主要元素及微量元素兩類，它們可由生活環境中攝取獲得。假如環境中缺乏某種必要元素，硝化細菌也惠受到所謂「缺素症」的危害，使其生長受到影響或引起病變死亡。職是之故，在培養硝化細菌時，必須充分供應具有完整營養元素之無機培養液，讓細胞能加以吸收利用，否則難有培養成功之機會。
2-4:需要獲得著床底質
底質(sudstratum)是一種可供生物居住和移動的物體之表面，它與生物之關係非常密切，很多生物需要底質提供生活的場所，甚至食物來源。例如，許多細菌以腐生或寄生的方式生活於有機體上，此種有機體就是它們的底質，除了提供其生活的場所外，底質同時也是它們賴以為生的食物。硝化細菌非常需要底質，但不同的是，它們的目的不在於覓食，而是是底質可以提供附著、掩蔽和獲得其所需要的氨源及營養源，因此底質對硝化細菌的生存具有相當重要的意義。
有時候底質亦可提供保護作用，讓硝化細菌能躲藏其中，免於受天敵如輪崇(rotifora)、原生動物(protozoa)或甲穀類(crustacean)幼蟲的捕食。甚至，許多硝化細菌種類沒有找到適當底質前，就不能進行硝化作用，以及不能吸收營養元素及發生增殖現象。因此，硝化細菌對底質有很高的趨向性。在自然界的水體中，硝化細菌主要附著生長於岩岸(rocky shore)、砂礫底層(sudstratum of sand or gravel)、泥漿底層(mud bottom)或深海軟泥(soft mud)與沉積物等底質的表面。在水族缸中，主要附著生長於過濾系統的濾材、底床砂礫，及缸璧等底質的表面。
2-5:需要獲得適當水流
無論在自然界的水體或水族缸中，硝化細菌通常均集體生活在底質表面上，並多數凝聚成團(laggregates)而行成凝菌膠團(zoogloeae)或菌囊(cysts)。這種固著生活方式有一個極為重要的特徵，即它們所需要的氨源或亞硝酸鹽、溶氧及營養元素幾乎全靠物質的擴散作用或水流運送來供應。
由於西硝化細菌具有此種不尋常的特徵，因而使其尋找生存資源的方式，總是被動供應多於主動出擊。在此種情況下，水流與否自然會深深影響它們的生長作用與增殖行為。
通常水流之處比沒有水流之處，可獲得比較多生存資源，因此硝化細菌較喜歡生活在有水流的底質表面上，可由採樣分析證明之(圖2-5)。依此推論，在水族缸中硝化細菌主要生活在過濾器下層濾材的表面上，理由是在此種環境中，可以由濾水帶來源源不絕的氯源或溶氧、亞硝酸鹽及營養元素。
為適應在急流中的生活方式，硝化細菌已經演化出一種特有的行為模式，以克服及流的生活環境。原來生活在水體中的硝化細菌，個個都是能黏於底質表面的高手，只要它們一碰到底質表面，馬上就會分泌出一種黏性很強的脂多醣類(lipopolysasscharide)的化學物質，把自己給粘在上面。隨著菌體彼此黏著在一起而組成凝菌膠團(zoogloeae)，使硝化細菌更經得起激流之沖刷。
摘自硝化細菌與水族缸
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