育成水の水換え理由
アクアリウムや養殖など、水生生物を閉鎖的な空間である水槽で育成する場合、その育成水の定期的な水換えは基本的な必須事項となります。
至極当然ではありますが、その主な理由は「水が汚れる」からとなるでしょう。
また、対象種などの条件によっては、水中に含まれる必須成分の欠乏などの理由から水換えを必要とする場合もあります。
ここでは、水槽飼育における水換えの理由について少し掘り下げつつ、Mauerが行う無換水飼育を行うための条件について再考したいと思います。
増える物質
水換えを必要する最大の理由は、「水が汚れる」ことですが、この「汚れ」とはなんでしょう？
水が汚れる主な原因は、育成する対象種の糞尿などの排泄物や残餌などの有機物です。元を辿れば、育成種そのものの存在であり、なにより、定期的に投入する餌こそが「汚れ」の源泉ということになります。
そんな、「汚れ」の中で特にMauerが現在注目しているのが、自然の水圏生態系では不足しがちですが、水槽内では蓄積する元素である窒素(N）、リン(P）。これと、pHのバランスや水の黄ばみなどの色素成分です。
窒素(N)の状態
汚れの指標として最も一般的で、注目したいのが、生物を構成する主要な元素の一つとなる窒素(N)です。窒素の状態として、大きく「有機窒素」と「無機窒素」に分けることが出来ます。
「有機窒素」は、排泄物や残餌などの不溶性物質から、体液などを由来とした水溶性物質を含みます。
餌を残るほど与えすぎた場合や、生物種を入れすぎていた場合などは、有機窒素が水槽内にあふれ、見た目的にも明らかに「汚れる」ことになります。また、有機窒素は微生物達の分解によってアンモニアなどの無機窒素へと変えていくのですが、この分解過程で有機窒素量が多すぎる場合、腐敗による悪臭や雑菌などを増やすことにもなってしまいます。
「無機窒素」は、アンモニア(NH4)、亜硝酸(NO2）、硝酸（NO3）と呼ばれる「三態窒素」から窒素ガス(N2)などを含みます。
例えば、魚では、糞も含めて窒素排泄物の50％以上がアンモニアとなります。
そして、家庭のアクアリウムや企業が行う陸上養殖の世界でも、一般的に普及している濾過設備では、このアンモニアを亜硝酸、そして硝酸へと変換していく、硝化反応とよばれる微生物の働きを利用した浄化システムとなっています。
硝酸は、アンモニアや亜硝酸に比べると何倍も毒性が低いのですが、蓄積し続けると成長阻害など生体に影響を与えるようになり、藻類の発生も促進します。そのため、定期的な水換えが必要になります。
リン(P)の状態
リン(P)も窒素と同じく重要な指標になります。リンの状態としては、大きく「有機リン酸」と「無機リン酸」に分けられます。
リンは、生物細胞中に約1％の濃度で含まれおり、有機リン酸の形態をとって細胞膜から核酸(DNAやRNA)、ATP(生命にとってのエネルギーの形)まで、その構成成分として欠かせない重要な元素です。
生き餌を与えている場合は、細胞が破壊されていないため溶出を抑えられますが、冷凍餌料やドライペレットである配合飼料などを与えている場合は、細胞が壊れているため容易に水中へ溶け出してしまいます。
この有機リン酸は、微生物などによる分解を受けて無機リン酸へと変換されます。
無機リン酸は、そのほとんどが、オルトリン酸(PO4-P)という、植物プランクトンをはじめとして生物が吸収しやすい小さな形態をとっています。私の使用している市販の簡易検査試薬もこれを測定できます。
一方、リンは窒素と異なり、マグネシウム、カルシウム、鉄などと結合して底砂の中などに蓄積する不溶性の無機リン酸の形態も持ち合わせています（これは、私が持ち合わせている市販薬では検査できません）。
この不溶性無機リン酸は、酸素のない嫌気環境下では、オルトリン酸へと変化して水中へ溶け出し、検出可能な無機リン酸濃度を上げて富栄養化し、藻類が蔓延る原因になります。
pHの低下
低下と聞くと、減少しているように見えますが、pHという指標の場合、これは水素イオン(H＋)の増加を意味し、水質が酸性化していることを意味します。
pHは対数(log)に置き換えて表されているため、1違えば水槽内の水素イオン濃度は10倍異なることになります。
例えば、海水の場合pHを8.1前後の弱アルカリ性を維持することをベストとしています。
水槽飼育では、アンモニアから硝酸までの硝化反応や呼吸による二酸化炭素(CO2)の増加により、水中の水素イオンの濃度が上昇するためpHは下がり、酸性化する方向へ進みます。
水の黄ばみ
換水を行わず同じ水を使い続けていると、窒素やリンとは別に、検査薬上は問題が無くても、水が黄ばむという問題が発生します。
水の黄ばみの原因は色々とあるのですが、最終的には、餌の色素などに由来する腐食物質のフミン酸などの難分解性物質が蓄積して黄色くなります。
毒性が特に指摘されている分けではありませんが、見た目的に美しくないことと、自然界の水圏では、基本的に透明で美しく保たれています。無換水のためには解決していきたい要素です。
減る物資
育成対象種にもよりますが、生物達は、与えられる餌からの栄養素だけではなく、水中からの栄養素(特にミネラル成分)も吸収します。そのため、水中のミネラルバランスなどは、一定に保つ必要があり、どんなに水を綺麗に保っていても、原因不明な成長阻害や最悪は死を招くことがあります。
そのため、失われる物質の添加か、水換えの選択が迫られることになります。
Mauerとしては、カルシウムと鉄の2点に注目しています。
カルシウム(Ca)
育成対象種にもよりますが、カルシウム骨格をつくるサンゴなどや、石灰藻などの種は、水中のカルシウムを消費します。カルシウム不足になると成長が阻害されます。
鉄(Fe)
藻類や水草などの植物は、光合成に欠かせない葉緑素（クロロフィル)を窒素から合成する時に鉄分が必要となります。鉄不足になるとクロロフィルを作れなくなり、成長阻害要因となります。
無換水のための条件と環境作り
無換水を実現させるための条件は、先に述べた「増える物質」を増やさない、そして「減る物資」は減らさない様に、維持させる必要があります。
お金を掛ければ、水処理技術を応用した機械設備を入れた科学的な処理などの方法もありますが、家庭レベルでは現実的ではありません。
そこで、なるべく低コストで省力かできる方法でのアプローチを採用し、浄化設備としての機械装置は使用せず、大きく3点の環境づくりを行い、現在試験育成を行っている所です。
無酸素環境の構築
水槽内に無酸素環境(嫌気環境)を作ることで、嫌気性細菌による硝酸の窒素ガス化による脱窒を行い、硝酸を増加させない様にします。
嫌気環境は、厚く敷き詰めた底砂環境下と、ライブロックなどの多孔質な石内部での嫌気環境により脱窒を促進しています。
海藻、水草による栄養塩固定
海藻や水草を育てることで、水中内の窒素やリンの固定を促します。
鉱物及び土壌による溶出と固定
例えば、サンゴ砂や石灰積などは、カルシウムを主成分にした鉱物となり、水中へのカルシウム供給とpH調整作用の働きがあります。
土壌には、リンや黄ばみ成分の吸着効果や鉄分の供給効果があります。溶出速度などの問題もありますが、環境条件の複雑な作用もからむため、どれほど効果が得られるのかは未知数ですが、材料を色々と試しながらトライしています。
おわりに
現在行っている水槽作りは、無換水水槽を実現するためには何が必要なのかを考えながら、実験的にアプローチしている内容となります。
基本的には、自然の生物圏を最大の教科書として、その再現に力を入れた水槽作りです。
今、行っている無換水のための条件と環境作りが、正解がどうかは分かりませんが、現状では、海水、淡水共に無換水のまま1年を越えた所で、特に問題は発生していないいため、少なくとも1年は余裕で無換水可能であることは証明できました。
また、自然の生物圏をモデルにしているため、微生物から植物、無脊椎動物に脊椎動物と多様性を持たせた水槽になります。
管理としては、毎日の餌やり以外は、週1、2回のコケ掃除と蒸発分の給水程度で、手間は掛かりません。
環境の多様性が功を奏しているのか、少なくとも、子供の頃に行っていた浄化設備を用いていたアクアリウムよりも、水質の安定化が容易なように感じているところです。
参考資料： ＜書籍＞ ・矢田貞美(2004)『養殖・畜養システムと水管理』恒星社厚生閣． ・和田洋六(2012)『よくわかる最新水処理技術の基礎と仕組み［第2版］』秀和システム． 〈論文、他資料〉 ・鈴村昌弘(2019)『水圏(海洋)生態系におけるリンの循環』第23回 国立環境研究所琵琶湖分室セミナー. ・鈴木 淳・井上 麻夕里(2012)『造礁サンゴ類の石灰化機構と地球環境変動に対する応答』海の研究(OceanographyinJapan),21(5),17- 188.
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