獅子曾在〈各式水族培菌濾材概述〉與〈各式水族培菌濾材對水質之影響〉文內，介紹常見的培菌濾材種類及對水質之影響，以往舊時代根深蒂固的觀念中，為求不讓生物遭逢水體中有毒物質迫害，總認為培菌濾材的表面積越大越好，且盡可能朝向建置龐大的生物過濾以求心安，最後層層堆疊搞得彷彿是建屋蓋樓。
水族缸的養水歷程
於〈水族生物過濾的發展沿革〉提及我們水族所採用的生物過濾便是源自於環境工程，俗話說：「養魚先養水」，而這所謂的養水，簡單講就是要培養足量的硝化菌執行硝化作用移除水中的萬惡的氨及亞硝酸鹽，進而減少水中生物的傷亡及延長換水的期程。
▲上圖為養水歷程示意圖，養水的操作有數種，新手可能搞不清楚什麼是養水？像獅子剛入門時就缺乏相關知識，誤認只要在水族缸安裝過濾器讓水一直循環，期間什麼都不做，經過一段時間就自然完成養水流程。
▲總括來說，養水最主要的核心觀念，就是在初期培養足量的硝化菌能夠讓氨及亞硝酸鹽歸零，最後使硝酸鹽濃度漸漸地上升便算完成，此時始放養生物最安全。硝酸鹽的毒性雖然不高，只是水族缸長期不換水又沒有其他對應策略，長期累積過量的硝酸鹽易生其他飼養問題，詳見〈關於水族缸換水之必要性〉的內容。
用環境工程作為借鏡
以往堅信生物過濾的培菌濾材配置數量越多越好，同時也盡可能追求表面積大的培菌濾材，為能讓這兩者最大化，某些水草缸會用一個具備動力的桶式過濾器串聯數個前置空桶，或是在底部過濾建立超大過濾槽，有的過濾槽尺寸甚至還比主缸還大，然後在裡面塞得滿滿的培菌濾材，此等光景彷彿冷戰時期的軍備競賽，深怕自己的生物過濾規模比別人少一些，就會使水族缸內生物聽見死神的呼喚。
前面提到水族的生物過濾應用是來自於環境工程，在現今該領域借助微生物處理廢水、污水的主流操作仍是活性污泥法，隨著時代不停演進也出現多樣形態的改良，當中在活性污泥法中導入膜濾法的薄膜生物反應器（Membrane bioreactor，MBR）就屬其一改良方式。
▲凡是利用微生物處理水中污染物的手段，系統中的食微比（Food to microorganism ratio，F/ M）會是一個十分重要的項目，從上圖可看出食微比的定義，實務上要求得它還須取得其他數據才能獲得結果。
水處理設施在面臨污染物過多而來不及處理時，食微比就會上升，顯示系統運轉負荷提升，造成處理效果不彰；而污染物不足等同於微生物的食物趨於匱乏，這時食微比會下降，長期下來系統容易出現老化現象，可知食微比過高或過低都未嘗是件好事，環境工程在利用微生物處理廢水、污水的食微比有制定其容許區間，這在台灣《建築物污水處理設施設計技術規範》、《下水道工程設施標準》等法令有明確規定。用食微比作為切入探討，有些人可能認為拿此觀念套用在水族似有不妥，但莫忘水族的生物過濾就是源自環境工程的擴張應用，正所謂他山之石，可以攻錯，引入食微比的觀念更有助於我們從側面領會一些事物。
水中的溶氧量
透過前述來認識養水及食微比的輪廓後，緊接著再來談談撐起整個硝化系統的硝化菌，影響硝化菌生長的各式條件，像是溫度、碳源、pH、光線、提供附著的載體、有機物含量、水流及溶氧量等諸多因素，若僅單獨提出溶氧量（Dissolved oxygen，DO）來看，硝化菌本屬好氧菌的一種，將氨最終轉成硝酸鹽的硝化作用即是一種氧化過程，必須要氧氣參與才能完成，所以它的生理代謝亦不可缺少氧氣，故水中溶氧量是個相當重要的參數。
▲所稱溶氧量乃指每公升的水到底溶有多少氧氣，在單位上為1mg/L等於1ppm，至於為何這兩個單位可以互用，在〈TDS在水族的運用〉內有說明，於此不再贅述，本文採用mg/L作為溶氧量的單位。當空氣與水面接觸後，雙方可透過擴散作用進行雙向交換，此過程具可逆性，大氣中氧氣溶解於水的速度與氧氣從水中逸散大氣的速度相同時，現下為動態平衡的狀態。水中最大溶氧量稱為溶氧飽和度，影響溶氧飽和度的因素有氣壓、鹽度及溫度，一般較常用某溫度水體所含溶氧量與理論值的百分比來表達溶氧飽和度。
▲上圖是水體溶氧飽和量與鹽度、溫度的關係，鹽度0%為淡水，0.5%是獅子對淡水魚檢疫的慣用濃度，這已在〈觀賞魚檢疫及老缸症候群〉文內敘明，接著1.5%為汽水域及3.5%海水鹽度，雖然這兩個區域鹽度會有變動，但仍能作為參考之用。
在水族的部分，凡是水中溶氧量滿足5mg/L以上者，缸中生物在這個區間大多不用特別擔心有缺氧危機；溶氧量在3～5mg/L就要有所警戒，這時生物的生長、繁衍易受壓迫；溶氧量低於3mg/L就是步入所謂的缺氧狀態，水族缸內生物隨時都有面臨死亡的風險，只不過這依然要視情況而定，某些物種是可以在低溶氧量環境下生存。據前人研究當水中溶氧量低於2mg/L會嚴重影響硝化菌正常運作，所以維持合於標準又穩定的溶氧量是件刻不容緩的要事。
假如不是像水產養殖追求高集約度飼養，以及戶外日照促使溫度過高或是其他原因，所幸在正常情況下，只要水流經過之處便會攜帶氧氣，一般而言，鮮少會發生氧氣過度短缺，若不幸真遇到這類情形，設置打氣機等增氧設備即可緩和缺氧問題，然而水中氧氣含量也不是越高越好，溶氧量過高導致氣體飽和會引起魚隻的氣泡病，此病症於淡水、海水皆會發生，只不過一般觀賞水族的飼養環境不易出現。
溶氧量在某些時候可推定為判斷水質好壞的判斷基準，通常水體溶氧量愈高，則推定其水質可能就愈好，若遇到某些需要知道生化需氧量（Biochemical oxygen demand，BOD）及化學需氧量（Chemical oxygen demand，COD）的情形時，溶氧量也是一個不可或缺的參數，一般當這兩個數值越大，表示當前水體蒙受越多的污染。
▲如果不知道當前溫度的水中飽和溶氧量，可利用上式估算近似值，但該式僅限用於鹽度範圍0～0.5%的水體，鹽度超過0.5%就會逐漸把誤差級距拉開。
水中厭氧環境的產生
厭氧環境發生於氧氣大量稀缺的區域，關於大自然水中所形成厭氧環境，常出現水體底部有著厚實泥沙、底泥或是堆積大量沉積物導致水中氧氣難以抵達這些地方，久而久之便呈現溶氧量極低的境況，這種厭氧情況在水族同樣會發生。
▲水族缸輸送氧氣最主要是倚賴水流配送，只要是穩定又順暢的水流所經之處就會獲得氧氣，當缸中所鋪設的底砂越厚及底砂粒徑越小時，便會開始阻礙水流中的氧氣向底部滲入，雖然底砂表層或多或少還能收受氧氣，只是越往底部就越難讓氧氣抵達，因此通氣性變差讓溶氧量越趨稀微，最終也就形成所謂的厭氧層。
▲那水族缸內形成厭氧層會怎麼樣？
硝化菌是喜歡居住富含氧氣處所的細菌，故厭氧層必然無法見到它們的身影，取而代之的是不喜歡氧氣的厭氧菌。硝化作用是種把氨轉成硝酸鹽便終止的化學反應，接下來想移除硝酸鹽就得借助換水、水草、藻類或脫氮（反硝化）作用，構成脫氮作用的是住在厭氧環境的脫氮菌，該類細菌可將硝酸鹽一路轉成氮氣回到自然環境之中，如此便滿足生態學上氮循環的意義。水中氮氣過量同樣也對多數生物有害，只是這情形不太會出現在水族缸，至於氮循環的全貌參閱〈過度供給肥料對植物及環境的傷害〉的內文。
雖然生活在厭氧層的脫氮菌能將硝酸鹽變成氮氣，但實務上仍伴隨著硫化氫的隱憂，硫化氫之生成主要是發生在厭氧層，它是透過硫化菌分解硫酸鹽所代謝出的物質，本身具有毒性，容易被魚隻從體表或其他組織吸收產生毒害反應，且在pH越低的時候其毒性越強！硫在天然水中最普遍存在的形式就是硫酸鹽，因此日常使用的自來水也會含有硫酸鹽，受到台灣《自來水水質標準》及《飲用水水質標準》之規範，限制自來水中硫酸鹽含量以250mg/L為最大容許值。
改用RO水飼養生物是否就此得免於硫化氫的襲擾？RO水的純淨度已經很接近蒸餾水，使用RO水除了無法滿足補充微量元素的需求，還會因滲透壓的改變而對物種生理造成負擔，這就跟嘗試把海水魚淡化長期養在淡水中相仿，關於滲透壓議題，可參考〈滲透作用存於水族的影響力〉的內容。
水族缸鋪設底砂不外乎就是供水草種植或是造景之用，在水草缸的情形，可考慮栽種像是皇冠草、椒草等根系發達的水草，讓根部深入底層以減緩厭氧層產生，也就是我們習慣上常講的防止底床敗壞，假如是純硬景的造景，無論是淡水或是海水，除非所飼養的生物或造景需要厚砂，不然建議底砂厚度不宜超過2公分，而且要定期用虹吸管之類的工具吸底部及死角處穢物，以減少各式營養鹽、病原囤積於底砂內。
胡亂估測水中厭氧環境的溶氧量
一直以來獅子都很好奇，水族缸要形成脫氮作用的厭氧層的溶氧量到底落在什麼範圍？一般我們水族測量水中溶氧量可用試劑或氧化還原電位（Oxidation reduction potential，ORP）進行測量，假如我們今天臨時想要測量底砂的溶氧量，利用這些方法要取得厭氧層的溶氧量數據似乎有些困難。
▲基於個人好奇，獅子先用理想氣體方程式求出每公升的氧氣含量的理論值為1.429g/L，順便再算一下大氣中的氧氣含量，若不計稀少氣體總含量，大氣中的氮氣占有4/5，剩下的1/5則是氧氣，本文設定大氣中氧氣含量為21%，再來就是環境為標準溫度及壓力（Standard temperature and pressure，STP）的狀態，也就是0°C（273°K）與1atm（760 torr）的環境，最終可算出大氣中每公升空氣中的氧氣所含重量約為300mg，由此可看出大自然長時間物種慢慢演化，水中生物氧氣需求量遠比陸地生物低。
針對厭氧環境有人認為其氧氣含量低於0.5%，惟這0.5%的溶氧量是7.15mg/L，可以清楚明白此數字顯不合理！因為7.15mg/L放在水中簡直就是十分良好的溶氧狀態，推測這0.5%應該是指在大氣環境，也就是一般陸上情況的數據，會有這樣的差異也不奇怪，主因為氧氣本身的性質就很難溶於水的緣故，所以要另尋其他方式求解。
▲開啟利用數據胡亂估測，已知無論是在大氣或水中，氧氣在這兩種環境皆有一個共通特色，那就是環境溫度越低，含氧量越高；環境溫度越高，含氧量越低，利用這個自然性質，先找出一個尺度因子為它們先寫出第一條方程式，再透過相關數據資料丟給電腦模擬運算，最終推估出「可能」落於0.36～0.88mg/L區段，故先「假定」水中厭氧環境的氧氣含量會發生在低於0.9mg/L，也就是溶氧量為0.063%以下，只是不清楚這個數字跟真實狀況到底有多少差距？再次強調，此運算是個人用電腦胡亂估算的結果，本質上毫無任何操考價值，好孩子不可以學喔！獅子叔叔腦筋不正常才會幹這種奇怪的事。
超量的培菌濾材
建立溶氧量的觀念後，大家總希望硝化系統可以迅速地將萬惡的氨給消滅，穩定運作的硝化系統可以一路順暢將氨變成亞硝酸鹽，最後再變成硝酸鹽，這時人們會很直觀認為培菌濾材越多越好，試想，假如今天僅用一個單位數量的培菌濾材便能移除氨對生物的迫害，那為何有人要用到兩個、三個甚至更多單位數量的培菌濾材？如果用超量的培菌濾材沒有等比例增益，那又會變得怎麼樣？
參照先前食微比的概念，視情況而定，或許增加培菌濾材的數量確實可增加生物過濾的效能促使食微比下降，但這是原先的食微比偏高之故，也就等同污染量多到硝化菌來不及處理或培菌濾材數量真的不足，適度增加培菌濾材確有助益；然而加入超量的培菌濾材易形成不暢通的水流，這不單阻擋提供食物給硝化菌及妨礙帶走細菌所產生的代謝物之外，超量的培菌濾材所提供過剩的空間，會被其他我們不想要的雜菌或是病原入住用來繁衍子嗣，最後硝化菌可能因食物、水流、溶氧量不足等諸多因素難以壯大其自身群簇，乃至成為系統步向老化的推手，如果再加上長期不清洗濾材，日常操作的容錯率會大幅降低，未來只要稍有不慎就可能碰到疾病大爆發等各式棘手問題，如此豈不同邯鄲學步，失其故步？
▲接著再引入溶氧量的觀念，已知硝化菌生長及執行硝化作用十分仰賴氧氣，它們在處理每1mg/L的氨就需要4.5mg/L的氧氣，可知硝化作用對氧氣的需求量著實不容小覷！當飼主加入超量的培菌濾材後，由於前面喜愛氧氣的硝化菌及其他可能像是腐生菌等好氧性微生物已消耗部分氧氣，導致越到後面的水流所蘊含氧氣也跟著相對貧乏。
水族缸堆疊超量的培菌濾材是否會在過濾設備內形成厭氧區？針對這點，先排除像是硝酸鹽化除器在自身內部形成厭氧區等相關特殊設備，或是刻意利用厚砂促使砂層底部形成厭氧區這種有別傳統安排的環境，以及因細菌本身的作用讓生物膜內部形成厭氧環境外，按一般飼養環境，理應不用過度擔憂過濾設備內部空間會出現厭氧區，凡只要有水經（穿）過之處，無論是經過物理、生物、化學濾材都會因接觸水流而獲得氧氣，只不過當遇到濾棉嚴重髒污不清洗造成堵塞，以及堆疊超量的培菌濾材或是別種原因引起水流前進困阻，釀成水流緩速不順暢、水流死角等狀況讓可獲得的氧氣減少，以至於增加繁衍硝化菌族群的難度或讓其他兼性厭氧的雜菌生長，但水中溶氧量應不至於低到實質意義的厭氧環境。
讓我們進行反向思考，硝化菌正常行硝化作用的溶氧量不得低於2mg/L，構成水中厭氧區的本質勢必要遠低於2mg/L才成立，要是環境真的長期維持在這麼低的溶氧量，缸內生物早就非死即傷！假如只針對提升溶氧量著手，面對水體溶氧量低到跟厭氧環境一樣，當流經過濾設備的水再次回流到水族缸時，飼主該如何在這須臾之間將溶氧量提高至安全區間？因為我們無法在短短數秒內把溶氧量迅速提升好幾倍，故推定尋常過濾設備中不會存在實質的厭氧區，如此也無法形成脫氮作用把硝酸鹽轉成氮氣來滿足氮循環。
▲除了前面講的特例外，如果有人主張傳統形式的過濾設備會形成厭氧環境，藉此可滿足執行脫氮作用之所須，那請對方提出科學證據加以證明，水族終歸是科學而非玄學，不是單靠一張嘴隨便亂講。
培菌濾材數量配置
最後要來到決定水族缸培菌濾材用量決定，超量的培菌濾材不單單只是徒增花費、耗費心力維護這般單純，前面已提到設置過多的培菌濾材容易阻礙水流順暢，進而影響硝化菌的生長，甚至會影響生物過濾的菌相等許多短處。網路上早有許多培菌濾材建議對應用量，例如水族缸總水量就對應多少培菌濾材，那些都可以納入考量，獅子也有自己一套常用的粗估方式提供給新手參考，這部分老手可跳過。
▲本人採用選單勾選方式預估水族培菌濾材的初期用量，預設培菌濾材最高用量為總水量的10%，最低為總水量的1%，例如：水族缸總水量100公升最多用10公升，最少用1公升的培菌濾材。接著勾選上圖分隔線的左邊項目越多，便可慢慢減少培菌濾材的用量；反之，勾選分隔線的右邊項目越多，培菌濾材就要設置越多。此圖是提供新手作為大方向考量，不考慮任何細部狀況，若要認真納入各種細項，整個表單又顯複雜許多，倒不如參考網路上其他人的建議還來得比較簡便。
由於新手經驗尚有不足，在邁入養水歷程之後，務必用試劑測得氨及亞硝酸鹽含量歸零，硝酸鹽有穩定上升才算完成養水，實際飼養生物時，同樣要用試劑測量水中氨及亞硝酸鹽含量是否依舊不存在，當氨及亞硝酸鹽數值皆為零，表示目前培菌濾材數量適足；倘若測得氨或亞硝酸鹽的數值大於零，有可能是生物所產生的污染超量、有機物過多或其他操作等原因促使這種情形發生，這時可考慮增添培菌濾材數量或調整某些操作，來使氨及亞硝酸鹽含量歸零。超量的培菌濾材易形成重重妨礙，切記硝化菌不僅須要食物以及氧氣，提供適宜且穩定之水流和減少水流死角也是我們的要務之一，如此才能使整體方方面面達到預期的表現。
▲時代不停地在推進，我們也該跟上腳步摒棄過去某些不合宜時宜的陳舊或錯誤觀念
有一點要強調，本文提供一個大方向的培菌濾材用量基礎做為參考，生物過濾仍會因為所飼養的物種、環境、維護方式、硬體配置等變因而讓結果有所不同，原則上仍不建議採用超量的培菌濾材為依歸。
其他還有各式各樣的狀況要注意，像是某些人不愛清洗培菌濾材，長時間不清洗易導致有機物累積過多，有機物濃度提昇亦會抑制硝化作用，並且也容易累積病原或繁衍過多硝化菌以外的雜菌，或者是物理過濾的濾棉長期不清洗、替換，促使濾棉囤積過量髒污，這時濾棉上容易培養出腐生菌，即便腐生菌製造出氨可提供給硝化菌當食物，然而腐生菌也多為好氧菌的一種，同樣也會消費氧氣，加上繁殖速度遠高於硝化菌，如此又會跟硝化菌爭奪氧氣，促使硝化菌可利用的氧氣相對減少，同樣有機會去限制硝化菌的生長。有關水族會用到的細菌基礎概念，詳見〈清洗培菌濾材的操作概要〉的內容。
順道一提，喜愛氧氣的腐生菌就是我們水族俗稱的消化菌，腐生菌才是最正式名稱，它是種利用動植物殘體、排泄物等來源獲取養分或能量的微生物，而消化菌只是台灣水族界長期積非成是的講法，這個大概永遠無法改掉，只是又常常會被新手們誤以為「硝」化菌跟「消」化菌是一樣的細菌，事實上兩者性質根本差距十萬八千里。某些人還替腐生菌亂取消化菌以外的名詞，請直接忽略這毫無參考價值的講法，因為我們不是最早發現或研究這類細菌的人，不應隨意改名造成後人混淆。本文發布日期為2022年6月6日，未來遇相關法令有所修改，依新法優於舊法、特別法優於普通法原則從其適用。
參考資料
詹哲豪、林綉茹、顏瑞鴻、池彩彤，簡明微生物學（第7版），2006
黃春蘭，水質學，2009
柯清水，養魚先養水，2016
柯清水，水族缸的管理，2016
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