生物ろ過（１）－鑑賞魚水槽

目次

Table of contents

 観賞魚用水槽の管理は初心者にとって、微生物利用の水浄化の理解をする上でとても参考となる。ここでは、観賞用水槽の浄化方法について、概要を説明する。
 さらに専門的に興味ある訪問者は、重要事項について、本サイト内の他ページにリンクしてあるので、参考とされたい。

 The management of a ornamental fish aquarium is very helpful for beginners in understanding water purification using microorganisms. Here, the outline of the method for keeping the small aquarium of ornamental fish will be described.
 Visitors with more specialized interests may refer to the other important pages linked on this site.

１．準備する水槽・器具

 使用する水槽・器具などは、専門店、ホームセンターまたはインターネットで入手できる。水槽は様々なサイズがあるが幅60cm、容量60Lのものが標準的である。このサイズの水槽・器具などが適切な価格で入手可でき、生物浄化の理解を深める上で適切であろう。これ以下のサイズは生物ろ過器が小型となりあまり参考とならない。これ以上のものは、水槽・器具・餌代・電気代などの経費が高くなり、設置場所も問題となる。実験に必要な水槽及び必要な器具等を次に示す。
 1) 水槽（約幅60×奥行30×高さ36cm／約60L）、2) 上部ろ過器（またはフィルター）（水槽幅60cm用）、ポンプは浸漬型が望ましい, 1～2台、3) ろ過材（大磯砂　細目、3～5mm程度）、4) 酸素補給用のエアポンプ（ダイヤフラム式）・エアーストーン（曝気器具：60L水槽用）、5) 温度調節用ヒーター（熱帯魚飼育の場合、固定温度式100～200W程度でよい）。
 ろ過器は水槽上部に設置するタイプが、観察や維持管理の容易さから適切である。ろ過材（充填材、充填した部分をろ床という）は様々なものが開発・市販されているが、本水浄化実験の目的から大磯砂（3～5mm前後）が最適である。ろ材を保持する容器（底部がすのこ状）は、取り外し可能なものが管理上便利である。ろ過器への通水・循環用の吸水ポンプは浸漬型（マグネットローター型インペラー方式）が耐久性（軸受がないので、無給油・無摩耗）・消音性に優れている。
 その他、必要品ではないが、水交換時の排水用小型水中ポンプ（吐水量：8L/分程度、洗濯機などへ風呂水を注入するときに使用するもので、ホームセンターで入手可能、写真１の左下にピンクのホースが接続した一部が見える）があれば便利である。

1. Aquarium and equipment to be prepared

 The aquarium and equipment used can be obtained from specialty stores, home centers, or the Internet. Aquariums come in various sizes, but the standard size is 60cm wide and 60L capacity. a set of aquarium and equipment of this size is available at an appropriate price, and would be appropriate for deepening understanding of biological purification system. The size smaller than this is not so useful as the biological filter is small. If it is more than this, the cost of the aquarium, equipment, food, electricity, etc. will be high, and the location will be a spacial problem. The aquarium and necessary equipment required for the experiment are shown below.
 1) Aquarium (approx. width 60 x depth 30 x height 36 cm, approx. 60L), 2) upper biofilter or filter (for water tank width 60cm), one or two units of pumps are preferably immersion type, 3) filter material (sand gravels, diameter of about 3 to 5 mm), 4) air pump (diaphragm type), air stone (for 60L aquarium), 5) temperature control heater (fixed temperature type of 100 to 200W for tropical fish breeding is enough).
 It is appropriate to install a filter above the aquarium because it is easy to observe and maintain. Various types of filter media (the part of filled gravels is called filter bed) have been developed and marketed, but sand gravels (around 3 to 5 mm) is most suitable for the purpose of this water purification experiment. It is convenient in terms of management to use a removable container for holding the filter medium (the bottom of which is shaped like a slats). The water pump for circulation through the filter is a submersible type (impeller type driven by magnet rotor) that has excellent durability (no bearing, no lubrication) and excellent noise reduction.
 Although not required, a small submersible pump for draining water when exchanging water (spout volume: about 8L/min, used when pouring bath water into a washing machine, etc., available at a home center (an example, which color is pink and conected pink tube, is shown at the bottom left of Photo 1).

２．魚飼育前の準備

 磯砂をバケツに入れて、撹拌・洗浄する。バケツを傾斜して洗浄水を除き、これを数回繰り返して磯砂を清浄化する。水槽の底部に、厚さ3～5cm程度に磯砂を敷き詰める。生物ろ過器本体には、磯砂をろ材容器の高さの70～80%程度まで充填する。
 水槽に、浸漬ポンプに示されている水位に達するまで水を注入する。吸水ポンプに電源を入れて、ろ過器に水を通水・循環する。

2. Preparation before fish breeding

 Put the gravels in a bucket, stir and wash. Tilt the bucket to remove the wash water and repeat this several times to clean the gravels. Spread the gravels around the bottom of the aquarium to a thickness of 3 to 5 cm. The main body of the biological filter is filled with gravels up to about 70 to 80% of the height of the filter medium container.
 Fill water into the aquarium until the water level indicated on the immersion pump is reached. Turn on the water pump and let water pass through the filter.

３．微生物の育種

 準備した直後の水槽には、水を浄化する微生物が存在しないので、ろ過器及び底部の磯砂層に微生物を移植する。これには、次に示すいずれかの方法がある。
 （１）脱脂粉乳のスプーン数杯程度を、毎日、数週間、投入し、微生物群を育種する。稼働開始直後は、水が汚濁しているが、日数の経過とともに清浄化してくれば、準備完了である。
 （２）下水処理場の返送汚泥１～1.5L程度を水槽に投入する。
 （３）畑地などの土1L程度をバケツに移し、撹拌、その懸濁液を沈降・傾斜・採取し、水槽に移す。
 （４）河川（淡水魚）または海岸（海水魚）の砂地・低泥を2L程度バケツに移し、（３）の方法で採取、水槽に移す。
 （２）～（４）の方法では、半日から1日で、懸濁物（微生物群）がろ過器・底砂に固定・保持され、水槽内の水が澄めば、直ちに飼育魚を移す準備が完了する。

3. Microbial breeding

 Immediately after the setup, there are no microorganisms for purifying water, so microorganisms are transplanted to the filter bed and the gravel bottom layer in the aquarium. Some of the methods are follows.
 (1) Skim milk powder and about one or two cup of spoon are added daily for several weeks to breed the microbial community. Immediately after the start of operation, water is polluted, but if it is cleaned with the passage of days, it is ready.
 (2) Add about 1 to 1.5 L of returned sludge from the sewage treatment plant to the aquarium.
 (3) About 1L of soil such as farm field is transferred to a bucket, stirred, the settled suspension is sloped and collected with draining water, and transferred to an aquarium.
 (4) Transfer about 1L of bottom sands or mud from river (freshwater fish) or coast (seawater fish) to a bucket, collect by the method of (3), and transfer to an aquarium.
 In the method of (2) to (4), if the suspension (microorganism group) is fixed and retained in the filter bed and bottom gravel layer within half a day to one day, and the water in the aquarium is clear, the breeding fish are OK to be immediately transferred. All preparation is complete.

４．魚の飼育方法

 魚のサイズ及び飼育数、給餌などに関しては、他書やインターネットから情報を参考にするとよい。金魚、ヒブナ、オイカワ（河川で採取、Photos ２と３）、中小サイズ熱帯魚（専門店・インターネットから購入）など、淡水魚が飼育し易い。熱帯魚や海水魚も興味ある観賞魚であるが、大型に成長する魚類は餌・水槽に課題があり、初心者には向かない。海水魚では水の冷却装置が必要である。観賞池や生け簀料理店用の大型水槽の設備・水質管理については、別途解説している。

4. How to raise fish

 Regarding fish size, number of breeding, feeding, etc., it is recommended to refer to information from other books and the Internet. Freshwater fish such as goldfish, Hibuna, Oikawa (collected in rivers, see Photos 3 & 4) and small- and medium-sized tropical fish (purchased from specialty stores and the Internet) are easy to breed. Tropical fish and seawater fish are also interesting ornamental ones, but large-sized fish to grow up are not suitable for beginners due to problems in food and aquarium. A seawater fish needs a water cooling system. Facilities and water quality management for large aquariums, ornamental ponds and fish tanks at markets and restaurants are explained separately.

５．生物ろ過器の維持管理

 砂ろ床内に保持された微生物群が増殖して、ろ床内のろ過抵抗が増加すると、ろ床の仕切板から循環水が越流するようになって、ろ床内の微生物群と水との接触がなくなり、浄化機能を果たさなくなる。ろ床内の磯砂をバケツに移し、水道水を注入し、過剰に増殖した微生物フロックを撹拌・剥離して、傾斜・洗浄水を排出、この洗浄操作を数回繰り返し、磯砂をろ過器へ移す。
 なお、水槽底部の磯砂内には生物フロックが増殖し、掻き混ぜると水が懸濁するが、この微生物フロックを除去する必要はない。ろ過器内磯砂の洗浄直後には、微生物群がいないので浄化機能が働かない。しかし、水槽底部には多量の微生物群が保持されているので、浄化機能は継続して維持される。さらに、余剰の微生物フロックが水槽上部のろ過器に移行・保持され、早急に浄化機能が再開する。特に、後述するアンモニア酸化菌は増殖速度が遅いので、底部磯砂層内の微生物が重要となる。

5. Maintenance of biological filter

 When the microbial group retained in the filter bed grows and the filtration resistance in the bed increases, circulating water overflows from the partition plate of the filter container. The water and microbial group in the filter bed do not contact each other and the purifying function is no longer fulfilled. Transfer the bed gravals to a bucket, inject tap water, stir and exfoliate the microbial flocs that have grown excessively, slope the bucket and discharge the wash water, repeat this washing operation several times, and retun the cleaned gravels into the bed container.
 In addition, biological flocs grow in the gravels at the bottom of the aquarium, and water is suspended when stirred, but it is not necessary to remove the microbial flocs. Immediately after washing the gravels in the filter, the purification function does not work because there are no microbial groups. However, since a large amount of microorganisms are retained in the bottom layer of the aquarium, the purification function is continuously maintained. Furthermore, excess microbial flocs are transferred to and retained in the filter above the aquarium, and the purification function resumes immediately. In particular, since the ammonia-oxidizing bacterium described below has a slow growth rate, the microorganism in the bottom gravel layer is important.

６．水質の測定と管理

 魚飼育水槽の水質管理で最も重要な事項は、溶存酸素濃度 DO、pH、温度である。温度については、飼育魚の最適な温度を維持すればよい。
 溶存酸素、pHは魚にとっても、水浄化を担う好気性微生物の双方にとって大切な管理項目である。エアポンプが正常に稼働すれば、問題となることはない。補給された溶存酸素の大半は、魚の呼吸ではなく、ろ過器および底砂に生息する微生物が消費する。最近のエアポンプのダイヤフラム（電磁石駆動による円盤振動と吸入・吐出弁の組合せにより、空気を送り出す。）は耐久性が高く、約1年間の連続運転が可能であるが、エアストーンからの散気量が少なくなった時点で、ポンプを交換する。
 固形の給餌残渣や固形排泄物（以下、固形有機物）は、底部やろ過器内の微生物によって、分解・可溶化された後、酸化・無機化される。魚から排泄された尿中アンモニア及び固形有機物が分解され生成するアンモニア NH₄⁺は、硝化菌によって硝酸イオン NO₃^–に酸化される。硝化反応によってアルカリが消費されるため、pHの低下が起こる。
 通常、水道水などには炭酸水素イオンが含まれ、pH緩衝作用があるが、これが全て消費されるとpHの低下が起こり、硝化反応が進まず、アンモニアが蓄積する。アンモニア毒性は魚種によりその程度が異なるが、アンモニアが蓄積すると、魚の摂餌活動が低下する。さらに、アンモニア濃度が高くなると、魚が死に至る。
 pHを適正に管理する方法として、次の２つの方法がある。
 （１）重曹（炭酸水素ナトリウム）NaHCO₃または酸化マグネシウム MgO（リンク文献の4.1　一般酸性廃水の中和処理を参照）を添加する。酸化マグネシウムは溶解度が低く、過剰に添加してもpHの急激な上昇がないので、pHの管理には最適である。
 （２）1週間に1回程度、水槽内の水の1/3程度を新しい水道水と交換する。これは、自然水に含まれる炭酸水素イオンを補給するためである。

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付説
 リンク文献の図-３の上図の（○）に示すように、中和または水交換なしで魚を飼育すると、経過日数の経過とともにpHは低下する。この実験では、20日～30日においてpHが低下し、30日以降はpH 4.7前後で一定となっている。この値以下にpHが低下しないのは、H⁺ + HCO^–(aq)
⇄ H₂CO₃(aq) → CO₂(gas) + H₂O の反応から分かるように、酸性では溶解度の低い炭酸ガス CO₂へ変化し、それが曝気により大気中へ放出されるからである。
 この試験魚はヒブナである。魚種にもよるが、一般に淡水魚はpHの変動（藻類や水草が繁殖している浅池では、夏期・晴天日の午後にはpH 10を超える値まで上昇し、夜間にはpH 5程度まで低下することは珍しくない。）に対してかなりの耐性があるが、海水魚はpH変化への耐性が低い。
 上図と下図の（●）を比較すると、餌の摂取量に大きな差異が認められ、食欲不振となっている。メダカなどでは、動きが鈍くなり、餌を摂取しなくなる。

6. Water quality measurement and management

 The most important items for water quality control in fish aquariums are the dissolved oxygen concentration DO, pH and temperature. Regarding the temperature, the optimum temperature of the breeding fish may be maintained.
 Dissolved oxygen and pH are important control items for both fish and aerobic microorganisms responsible for water purification. If the air pump works normally, there will be no problem. Most of the supplemented dissolved oxygen is consumed by microorganisms inhabiting the filter bed and bottom gravel layer, not the respiration of fish. The diaphragm of a recent air pump (which sends out air by the combination of the disk vibration driven by an electromagnet and the suction/discharge valves) has high durability and can be continuously operated for about 1 year or more. But when the amount of air diffused from the air stone is low, replace the pump with a new one.
 Solid feed residues and solid excrements (hereinafter referred to as solid organic matter) are decomposed and solubilized by microorganisms in the bottom and the filter, and then oxidized and mineralized. Urine ammonia excreted from fish and ammonia NH₄⁺ produced by decomposition of solid organic matter are oxidized to nitric acid NO₃^– by nitrifying bacteria. As the alkali is consumed by the nitrification reaction, the pH is lowered.
 Normally, tap water contains hydrogen carbonate ions and has a pH buffering effect, but if all of them are consumed, the pH will drop, the nitrification reaction will not proceed, and ammonia will accumulate. The degree of ammonia toxicity varies depending on the fish species, but the accumulation of ammonia reduces the feeding activity of the fish. Moreover, higher ammonia concentrations lead to fish death.
 There are the following two methods for properly managing pH.
 (1) Add baking soda (sodium hydrogen carbonate) NaHCO₃ or magnesium oxide MgO (see 4.1 Neutralization Treatment of General Acid Waste Water in Link Literature). Magnesium oxide has low solubility, and even if added in excess, it does not cause a sharp rise in pH, so it is optimal for pH control.
 (2) About once a week, replace 1/3 of the water in the aquarium with new tap water. This is to replenish the hydrogen carbonate ions contained in natural water.

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Appendix
 As indicated by (○) in the upper part of Fig.3 in the link literature, if fish are raised without neutralization or water exchange, the pH will decrease with the passage of days. In this experiment, the pH decreased in 20 to 30 days, and after 30 days, it became constant around pH 4.7. The pH does not drop below this value because of the reaction: H⁺ + HCO^–(aq) ⇄ H₂CO₃(aq) → CO₂(gas) + H₂O. As can be seen from the reaction above, carbonic acid changes into carbon dioxide CO₂, which has low solubility in acidic water, and is released into the atmosphere by aeration.
 This test fish are Hibuna. Although it depends on the fish species, the pH of freshwater fish generally fluctuates (in shallow ponds where algae and aquatic plants breed, the pH rises to over 10 in the afternoon of summer and sunny days, and to around pH 5 at night. However, seawater fish are less tolerant of changes in pH.
 Comparing (●) in the upper and lower gigures, a large difference was observed in the intake of food, resulting in anorexia. In medaka fish, they become sluggish and do not eat food.

７．微生物による水浄化の機構

 底部表層部及びろ過器のろ床内に生息する微生物群により、次のような過程により、生物学的に有機物が酸化される。
 （１）固形有機物（餌残渣や排泄物）は、微少動物・カビ類・細菌類により、低分子状に分解・可溶化される。
 （２）可溶化された有機物（炭素、窒素、燐、硫黄の化合物）は、好気性微生物により、二酸化炭素、アンモニア、リン酸イオン、硫酸イオンなどに酸化・無機化される。リン酸イオンは、カルシウムやマグネシウムと不溶性の化合物を形成し、水中濃度は低い。
 （３）アンモニアは、窒素酸化菌により、亜硝酸イオンを経て硝酸イオンに酸化される。
 （４）有機物（炭水化物、タンパク質、脂肪、繊維素など）は、単糖類、ペプチド・アミノ酸、グリセリン・脂肪酸、単糖類などに加水分解・低分子化される。
 （５）底部磯砂層の深さが10cm程度以上になれば、そこに嫌気性微生物群の生息が可能となり、上記の低分子化有機物は嫌気分解（メタン発酵）されてメタン、二酸化炭素、アンモニア、硫化水素などへ無機化される。しかし、深さ5cm程度では、低分子化された有機物の大部分は水中へ移行し、（１）～（４）で述べたように表層部やろ床内の好気性微生物により無機化される。
 ここで留意しべき事項は、（３）の過程で、アンモニアの亜硝酸への変換で、pH依存性が高く、pHが中性付近に維持されないと、前述したようにアンモニアが蓄積する（上記＜付説＞のリンク文献の図-３の（▼）で示す。）。

7. Mechanism of water purification by microorganisms

 By the microorganisms inhabiting the bottom surface layer and the filter bed of the filter, organic matter is biologically oxidized by the following processes.
 (1) Solid organic matter (bait residue and excrement) is decomposed and solubilized in a low molecular form by small animals, molds and bacteria.
 (2) Solubilized organic substances (compounds of carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur) are oxidized/mineralized into carbon dioxide, ammonia, phosphate ions, sulfate ions, and the like by aerobic microorganisms. Phosphate ion forms an insoluble compound with calcium and magnesium, and its concentration is low in water.
 (3) Ammonia is oxidized to nitric acid ion through nitrite ion by nitrogen-oxidizing bacteria.
 (4) Organic substances (carbohydrates, proteins, fats, fibrin, etc.) are hydrolyzed into low molecular weight compounds such as monosaccharides, peptides/amino acids, glycerin/fatty acids.
 (5) If the depth of the bottom sand layer is about 10 cm or more, anaerobic microorganisms can live in it, and the above-mentioned low-molecular weight organic matter is anaerobically decomposed (methane fermentation) to produce methane, carbon dioxide, and ammonia and hydrogen sulfide, etc. However, at a depth of about 5 cm, most of the low-molecular-weight organic matter migrates into water and is mineralized by aerobic microorganisms in the surface layer and the filter bed as described in (1) to (4).
 The point to be noted here is that in the process of (3), the conversion of ammonia to nitrous acid has a high pH dependency, and if pH is not maintained near neutral, ammonia accumulates as described above (above). (Shown with (▼) in Fig.3 in the link document of Appendix).

８．水質測定と水質管理

 魚飼育水槽の水質の主な測定項目は、1) 温度、2) 溶存酸素、3) pH、4) 無機性アンモニア化合物（アンモニア、亜硝酸イオン、硝酸イオン）である。1)～4)の項目の測定装置は高価であり、これらの機器が完備されている研究室・実験室では可能である。
 しかし、自宅や事務所等では、測定は困難である。今日、簡便な水質測定キット・測定器などが市販されているので、インターネット販売や専門店から、入手可能である。
 適正な水質は飼育する魚種によって異なり、本サイトの目的ではないので、具体的な各項目の数値は他書・インターネット等を参考にされたい。要は、飼育魚の健康状態（捕食活動が正常・活発）が維持できれば、水浄化を担う微生物群は清浄に機能するということである。

8. Water quality measurement and water quality management

 The main measurement items for water quality in quariumss are 1) temperature, 2) dissolved oxygen, 3) pH, and 4) inorganic ammonia compounds (ammonia, nitrite ion, nitrate ion). The measuring devices of items 1) to 4) are expensive, and it is possible in a laboratory equipped with these devices.
 However, it is difficult to measure at home or office. Today, simple water quality measuring kits and instruments are available on the market, and can be obtained from internet sales or specialty stores.
 The appropriate water quality depends on the species of fish to be raised and is not the purpose of this page, so refer to other books, the Internet, etc. for specific numerical values ​​for each item. The point is that the microorganisms responsible for water purification function cleanly if the health of the reared fish (normal/active predation activity) can be maintained.

９．その他

（１）ろ床の磯砂洗浄の回数
 1ヶ月に1回程度、給餌量が多く、数週間ごと洗浄が必要なケースでは、ろ過器を2台設置する。
（２）吸水ポンプのインペラー羽根の洗浄
 磯砂洗浄の折に、吸水ポンプのインペラー羽根も歯ブラシなどで付着した生物膜を擦り落とす。
（３）給餌
 魚種により異なるが、一般的には、5～10分程度で食べ尽くす量の餌を一日1回投与する。浮上性と沈降性があるが、魚種によって異なる。粒径は魚の口サイズに合わせて選ぶ。
（４）水の補給
 水槽内の水は蒸発し、少しずつ減少する。熱帯魚など飼育し、ヒーターを使用しているケースでは、冬期にその減少量が激しい。適宜、水道水を補給する。特別な魚種を除き、水道水中の塩素を除く必要はない。冬期には、生物ろ過器・水槽上部にガラスや透明プラスチック製の板などで覆うと、蒸発量を大幅に減らすことができる。

9. Others

(1) Number of times the gravel in the filter bed is washed.
 Normally, once a month. Two filters are installed in the case where a large amount of food is supplied and cleaning is required every few weeks.
(2) Cleaning the impeller blades of the water absorption pump.
 At the time of cleaning the gravels, the impeller blades of the water pump also scrape off the adhering biofilm with a toothbrush.
(3) Feeding.
 Although it depends on the fish species, generally, the amount of food that is consumed in about 5 to 10 minutes is administered once a day. Floating and sinking, but depends on the fish species. Choose the particle size according to the mouth size of the fish.
(4) Water supply.
 The water in the aquaraum water evaporates and gradually decreases. In the case where a tropical fish is raised and a heater is used, the amount of decrease is severe in winter. Add tap water as appropriate. It is not necessary to remove chlorine in tap water except for special fish species. In winter, if you cover the top of the biological filter and aquarium with a glass or transparent plastic plate, you can significantly reduce the amount of evaporation.

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掲載日：2016年05月07日
更新日：2019年09月07日（本ページは本サイト開設後、早い時期に掲載した。その後、重要な事項についてリンクできるページが多くなったので、その部分に関する加筆を行った。全文を通した内容そのものの修正はない。）
更新日：2020年08月05日（英語版を追加）

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Posted: May 07, 2016
Update: September 07, 2019 (This page was posted early after this site was opened. Since there are many pages that can be linked to important matters, the editor added some corrections to that section. Throughout the full text, there is no modification of the content itself.)
Update: August 05, 2020 (English version added)