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水草水槽におけるフィルターの働き

04.03.21　04.11.20改訂

１．フィルター（濾過器）の４つの働き

　水草水槽でフィルター（＝濾過器）が果たす働きをまとめてみました。知っておくとフィルターを選ぶときや改造を行うときなどに役立つはずです。

　水草水槽におけるフィルターの働きは、大きく分けると、次の４つです。

・「水を浄化する」 　・「水温を均一化させる」 　・「水槽内にCO2や栄養分を拡散させる」 　・「生体の好む環境を作る」

　では、この４つを以下で詳しく見てみましょう。

２．「４つの働き」の詳解

（１）１つ目の働き＝「水の浄化」

　水草水槽では、魚の排泄物や残餌などから発生するアンモニアや、アンモニアが分解されてできる亜硝酸など、生体にとって有害なものが必ず発生します。そしてそれをそのまま水槽内に放置しておくと魚やエビの酸素欠乏や病気を招いてしまいます。
　したがって、これらの有害物を速やかに無害化・浄化することが水槽維持の絶対条件となります。
　そこで登場するのが“フィルター（＝濾過器）”です。フィルターを用いて水の中の有害物を浄化します。
　フィルターには様々な形や方式・サイズがありますが、水槽に対して果たす役割は基本的にはみな共通です。
　

　有害物を無害化・浄化する働きですが、さらに、その“方法”によって４つに分けることができます。

　（Ａ）毒性の高い物質を速やかに分解して比較的無害な物質に変える（分解されたものはそのまま水槽内に残る）
　（Ｂ）濾材に吸着させて濾材ごと水槽外へ取り出す（取り出した濾材は再生/交換する）
　（Ｃ）不要物を濾して水槽外へ取り出す
　（Ｄ）分解したりガスに変えて水槽外へ放散させる

　以上の４つです。

（Ａ）「毒性の高い物質を無害な物質に速やかに分解する」方法

　これは、濾過槽内を硝化バクテリアの棲みつきやすい状態にし、そこに水を通すことによってバクテリアに有毒物質を無毒化させる方法です。
　分解にあたる硝化バクテリアは、種類毎に、アンモニア（有毒）を→亜硝酸（有毒）→硝酸（ほぼ無毒）と分解していきます。したがって、硝化バクテリアが定着しているところに、有毒のアンモニアや亜硝酸イオンを含んだ水を通せば、無毒の硝酸イオンを含んだ水が出てくるしくみです。
　硝化バクテリアは底床やガラスの表面にも着いて活動していますが、フィルターの濾過槽内にもっと棲みつきやすい形状の濾材を入れ、そこに強制的に水を通せばさらに効率的に無毒化できます。バクテリアにとっては餌となるアンモニアや亜硝酸が次々とバクテリアに供給されるのですから、バクテリアの分解能率も当然上がります。
　“フィルター”はこのようにして水を「急速に無毒化」する働きもっています。
　ちなみに、この方法は一般に「生物濾過」と呼ばれていて、次に説明する浄化方法（物理濾過）とは区別して取り扱われることがあります。（※１）

※１　この「生物濾過」ですが、「生物濾過器」というような特別な濾過器が売られているわけではありません。濾過器の仕組みや機種とは関係なく、その濾過槽の中で起きている現象（＝バクテリアによる分解）に対して「生物濾過」という名前がつけられているだけです。

　ちなみに、この「生物濾過」で水を浄化する方法には次に挙げるような短所があります。

○　最大の短所は「アンモニアなどの窒素物質は硝酸などの比較的無害な物質に“変換”されるだけで水槽の中から窒素自体が無くなるわけではない」という点です。外へ排出されないので窒素分は水槽の中にだんだんと蓄積していきます。そして、無害なものでも溜まり続ければ当然いつかは有害になります。
○　また「有害物の分解に必要なだけのバクテリアがフィルターに定着するには時間がかかる」ということも見過ごせない短所です。バクテリアがそれなりに定着して活動するまで最短でも４０日程度はかかります。その状態が“安定”するには更に数ヶ月以上かかります。市販されているバクテリアもありますが、その中で本当に効果がある商品はわずかしかありません。若干の効果がみられる製品も多くは定期的に投入せねばならず、水槽内への定着がほとんど期待できません。したがって空気中などから自然に入り込んで増殖・定着してくれるのを待つしかありません。
○　そして「いったん増えて定着したバクテリアも乱暴な水換えなどのショックを与えれば再び減ってしまう危険性」があります。よって、水槽の底に敷く底床材を交換したり、引越しで運搬したりしたときなどでもバクテリアのダメージに気を遣わなければなりません。けっこう面倒です。

　こういった「生物濾過」には、状況に応じて次のような手当てが要求されます。

○　水槽の中に蓄積する物質を水草などに吸収させ→伸びた水草をトリミング（剪定）して“葉や茎”のかたちで水槽外へ排出する。
○　それでも水草が吸収しきれない、あるいは吸収しない物質は、水換えによって水槽外へ排出する。
○　できるだけ水槽のどこか一部（底床の下層など）に嫌気的な環境ができるようにして、一部でも硝酸が還元されて窒素ガスに戻るようにする。そして緩やかな水の循環と水面の確保などによってガスが水面から放散しやすいようにする。
○　水槽をセットするときはいきなり生体を投入しない。まずはフィルターをセットして一定の期間水を回し、濾過槽内の濾材にバクテリアが自然に定着するのを待つ。それから生体を入れるようにする。
　（・・・すなわち、ある程度手間がかかるのはどうしようもありません。）

（Ｂ）「濾材に水槽内の不要なものを吸着させる」方法

　濾過槽に詰める濾材を吸着性のあるものにして、そこに水を通すことで濾材に有害・不要なものを吸い取る方法です。

　濾材として使うのは、活性炭やゼオライトなど吸着性能が高いものです。濾材を濾過槽に入れて水を通し、水中のアンモニアや亜硝酸に加えて、濁りや匂いの元となる物資も吸着させます。そして吸着の能力が衰えてきたと思われたら新しい濾材と交換します。「吸い取らせて、それごと水槽外に取り出す」というしくみです。ただし、使い終わった濾材は必ず廃棄しなければならないわけではなく、種類や方法によって再生して使うことも可能です。 （※２）

※２　（Ａ）の「生物濾過」に対して、この（Ｂ）と次の（Ｃ）は「物理濾過」と呼ばれています。さらに、（Ｂ）を「化学濾過」、次の濾し取る働きを「物理濾過」と分類する立場も存在します。

　吸着させて取り出す方法の長所は、「すぐに効果が表れる」ところにあります。生物濾過がバクテリアの定着を何日も待たねばならないのに対し、吸着濾材だと濾過槽にセットしてすぐに最大限の働きを得られます。たとえばゼオライトの場合、水を回し始めて３０分もすれば水の中のカルシウムやマグネシウムの大部分を吸着してしまいます。

一方、短所は次の通りです。

○　吸着能力が落ちたら新品と交換したり再生したりといった作業が必要になります。水中に有害・不要な物質が多い水槽では濾材の寿命がすぐにきてしまうので、交換のための費用も時間もある程度かかってきます。
○　濾材の吸着機能はセット直後に最大限となりそのあと徐々に衰えてくるので、交換のたびに水質が急変しがちで生体に悪影響の出ることも珍しくありません。
○　ゼオライトやセラミックの濾材には、多量の物質を吸着したまま水中に放置しておくと吸着した物質を再び水の中に放出し始めてしまうものが存在します。したがって、交換のし忘れが水槽内に致命的なダメージを与えてしまう危険性を孕みます。
○　濾材の吸着機能が高性能であればあるほど、有害・不要な物質だけでなく水槽内で必要とされる物質まで吸着してしまいます。水草が必要としている物質だけを水の中に残しておいてくれたりはしません。水槽の状態に応じた使い方＝選択的な吸着をさせることはまず不可能です。

よって、以下のような対応が必要となります。

○　吸着濾材を使う場合は、そもそも水質の急変で頂葉がすぐに縮れてしまうような敏感な水草をレイアウトに用いない。あるいは逆に、そういう水草を植えている水槽では吸着濾材を使わない。
○　まめに水質や濾材の状況をチェックして吸着濾材の交換時期を見過ごさない。あるいは定期的な交換を実行する。
○　吸着され過ぎて不足気味になったと思われる物質（水草の生長に必要な物質など）については、濾材を取り出した後で改めて水槽に添加する。
○　常に交換用の濾材を予備として用意しておく。

といった対応です。


（Ｃ）「不要物を濾して水槽外へ取り出す」方法

　吸着濾材ではなく、目の細かい化繊のウールやネットを濾材に用いればフィルターは「浮遊物などを濾し取る」力を発揮します。用いる濾材の目の細かさを目的に応じて変更すれば、融通の利く便利な機能と言えるでしょう。水の白濁を減らしたいときはできるだけ細かい目の濾材を詰めれば良いですし、大きな浮遊物を濾し取りながらも目詰まりを避けたいときには目の大きな濾材に変えれば済みます。また吸着濾材と同様に、セットすればすぐにその働きが実感できるのも水槽のキーパーにとって心強いです。
　ただし、濾し取る方法が“最大の”効果を上げるのは、濾材に微生物が着いて粘液を出すようになってからです。分泌された粘液で濾材が少しドロドロ・ネバネバしてくると、目のごくごく細かい濾材でも濾し切れないような微細な浮遊物まで濾し取れるようになります。そうなると水槽の透明感が格段に良くなり、いわゆる「輝く水」になります。昔は微細な浮遊物を濾し取る目的で、外部密閉式フィルター用の微細なメッシュ状濾材が販売されていましたが、あまり目が細か過ぎると、今度はすぐに目が詰まって水が流れなくなってしまうという別の問題が発生してしまいます。
　したがって、実際上、フィルターの濾して取り出す方法は、微生物が定着してからのことも考慮に入れた“目の細かさ”と、そして“通水性”との妥協点で用いていくことになります。

○　弱点としては、濾し取る方法には上述のように濾材の目が詰まって水が流れなくなってしまう危険性が常にあります。詰まると水槽の中に悪影響が出るだけでなくフィルターの部品の寿命を縮めてしまいます。
○　したがって、フィルターに濾し取る働きをもたせた場合は定期的に通水性を点検することが必須となります。


（Ｄ）「水槽内の有害なもの・不要なものを分解・放出する」方法

　水槽を維持していると、アンモニアや亜硝酸だけでなく様々な物質が水槽内に蓄積してきます。たとえば、投入した肥料や添加剤のうち使われなかった成分や、底床材から溶け出してくる物質、レイアウトに用いた石や木から染み出てくる物質、微生物に分解されにくい枯葉のリグニンやセルロースなどなど、種種雑多な物質が毎日毎日水槽に蓄積してきます。したがって、水槽のキーパーとしてはそのような有害・不要なものをすべて分解して消し去ってくれるフィルターがあればたいへん助かります。水換えといった面倒な作業から解放されて鑑賞に時間を振り向けられるからです。

　しかし実際のところ、そんな便利な機能を備えたフィルターや濾材は存在しません。市販されている製品にはそのような機能を備えているかのごとく謳っているものも存在しますが、間違いなく誇大広告です。
　水槽の中で必要とされる物質と不要になる物質は水槽ごとに異なります。入れられている生体の種類も、使われている肥料や餌の種類も量も、水槽の維持の仕方も、水槽１本１本で異なるのですから当然です。過剰になる物質も不足している物質も水槽それぞれです。どの水槽も同じ状況であるはずがありません。
　「これを使えば水換えが不要に！」などというフィルターや濾材があるとすれば、そのフィルターや濾材は水槽ごとに異なる事情を自動で判断し、不足している物質は触らないようにしながら余分な物質だけを分解しなければならないわけです。
「あ、この水槽にはグッピーがいるな。だから硬度を下げ過ぎたらダメだからカルシウムはそのままにしておかないとな。」
「おお〜、この水槽は設置された直後だな。水草がまだ根付いていないだろうから鉄分は置いておかないとな。だけど窒素分は過剰になりそうだから今のうちに分解しておこう」などと、自動的に判断することが求められます。
　しかし、もちろんそんなこと、フィルターや濾材が単独でできるわけありません。
　したがって、実際は、人間がその役目を果たさなければなりません。
　とは言っても、底床から染み出して過剰になっている物質を見分けたり、水草に不足している物質を突き止めたりするのは非常に困難です。ほぼ不可能と言っても良いでしょう。
　よって、どんな水草水槽でも一定の水換えが不可欠になります。水換えによって、蓄積してきている物質も含め色々な物質をまとめて一緒にいったん水槽の外へ出すのです。そしてそれぞれの水槽で不足しているであろう物質の種類を推理し、改めてその物質だけを添加するのが通常の対応です（もちろん実際はすでに足りている物質も併せて添加することにはなります）。
　現状、この人間の働きを、フィルターが代わって果たすのが不可能なのは容易に想像できるでしょう。

　ちなみに、有害・不要なものを分解・放出する方法として現在唯一存在するものがあります。それはアンモニア-亜硝酸から産まれてくる硝酸だけを分解するフィルター（しくみ）です。硝酸を分解（還元）し、窒素ガスとして水面などから放散させます。水の溶存酸素量が少ない状態を作り、生分解性プラスチックやエタノールなど加えることでバクテリアに分解を促すしくみです。このしくみは“嫌気性濾過”とか“脱窒濾過”と呼ばれています。
　しかし、脱窒には専用の回路や装置などが要求されたり専用の濾材が必要になったりと、少し面倒な部分があります。
　また、水草が旺盛に生長している水槽では水草が硝酸をどんどん分解・吸収しますし、硝酸除去のために特別な装置を取りつけなくても底床を敷いてから時間が経っていたりフィルターが詰まり気味になっていたりすると自然に硝酸の量が減ってくることがよくあります。これは底床下や濾過槽の一部分で溶存酸素量が減り自然と脱窒反応が起きているからだと想像されます。したがって、水草が繁茂している水槽や、セットしてから時間が経って安定・調和している水草水槽では、そもそも脱窒の必要性が低いわけです。
　よって 、許容性と必要性の両面から見て、水草水槽でこの働きを検討する余地はほとんどない、と言えるでしょう。（※３）

※３　脱窒濾過について詳しく知りたい場合は、肉食魚や大型魚、ディスカスのブリーディングについて詳しいサイトに行ってみて下さい。これらの飼育では窒素化合物の蓄積とその処理が大きな問題になるため脱窒は重要なテーマとなります。したがって扱っているサイトの多くで脱窒が取り上げられていて情報も豊富にあります。また海水魚の飼育でも同じように重要なテーマとなっているので海水魚のサイトでも情報が見つかるはずです。

　以上のように、浄化の方法の４種類を並べて比べた場合、水槽内に余分なものを残さない（Ｄ）の方法が一番良さそうに思えますがこの方法はあまり現実的でありません。したがって、まずは現在の水草水槽で主流となっている（A）（B）（Ｃ）の３の方法をしっかり把握するのが良いと思います。

　

（２）２つ目の働き＝「水温の均一化」

　魚の飼育全般から見ればフィルターの最も重要な働きは上述の「水の浄化」ですが、水草水槽では少し違っています。水草水槽は水を浄化する働きをもつ水草をたくさん抱えているため、水槽自体が水の浄化器のようなものです。ですから水草水槽では、フィルターの「水の浄化」の働きはそれほど重要ではなく、むしろそれ以外の働きの方が重要になります。そのうちの１つが「水槽内の水温を均一化する働き」です。
　熱帯産の生体を維持する場合、水温を一定に保つためにヒーターが必須になります。しかし、ヒーターをただ水槽の中に入れて通電させても水槽全体が均一に温まるわけではありません。水の上層だけが暖まり下層は冷たいままになってしまいます。これは「暖かいものは上に昇る」という性質が水にもあるからです。もちろん、少し工夫してヒーターを水槽の端に設置すれば、暖かい水が上に昇る性質を利用して水槽内に対流を作ることが可能です。水量が数リットルしかない水槽なら、その対流だけで水槽内の水温をある程度均一に保つこともできます。
　しかし、水が５０リットル以上入っている６０センチクラスの水槽になると、対流だけで水槽内の水温を均一化させることは難しいでしょう。上層は魚が泳げないほど熱くなり下層は生存できないほど冷たい状態になりかねません。
　そこで重要なのがフィルターの作り出す“水流”です。フィルターから放出される水が水槽内の水全体を混ぜ合わせて均一な温度分布にしてくれます。

　水草水槽では浄化の働きが必要とされないこともよくありますが、だからと言ってフィルターを着けないですますわけにはいきません。それはこの「水温の均一化」という働きからもフィルターが必要とされるからです。
　“フィルター”と聞けば、ついつい「水の浄化」の働きにばかりに目がいってしまいますが、このような働きがあることも見落としてはいけません。


（３）３つ目の働き＝「CO2などの拡散」

　フィルターの“水流”は水温を均一化させる働きだけでなく、二酸化炭素（CO2）や栄養素を水槽の中に行き渡らせる役割も果たしています。
　CO2の添加は、通常、水槽の中の一地点で行われます。したがって、その地点から水槽の中全体に水流でCO2を運んでやらねばなりません。水草用の添加剤なども同じことです。
　また、水草は消費するCO2の量や栄養分の量が種類や個体によってまったく異なります。多く消費する個体周辺の水は栄養分が不足しがちになります。よって、やはり“水流”でその地点に素早く次の栄養分を送り込んでやる必要があります。もし栄養分がスムーズに供給されないがスペースが水槽内にあると、そこに植わっている水草の生長に障害が出てしまいます。
　さらに、水流には水面から自然に溶け込む酸素を水槽の中に循環させたり、逆に窒素ガスなどを水面から放散させたりするという大切な働きもあります。


（４）４つ目の働き＝「生体の好む環境の実現」

　 フィルターが作り出す水流にはもう１つ重要な働きがあります。それは「魚やエビや水草が好む環境を作り出す」働きです。
　魚や水草は種類ごとにそれぞれ好みの水流があります。たとえば日本産の水草だと、ミクリやバイカモのような種類は一定方向に流れる水流を好むので水流が弱かったり渦を巻いていたりする環境では育てるのが難しくなります。魚でも、たとえば小型のカラシンやコリドラスの一部などはある程度水流があった方が育てやすくなります。ヤマトヌマエビなどもそうです。もちろん逆に、水流があるとうまく育たない生体も存在します。ベタやグラミーの仲間や、ミナミヌマエビ、水草なら蓮の仲間やエキノドルスの仲間などはあまり水流を好みません。強い水流があると寿命が縮まったり繁殖がうまくいかなかったりします。
　したがってフィルターは「水流が強い方が性能が優れている」とは言えません。飼育しようとしている生体の種類に合わせた水流を実現できるものが最適なフィルターです。もちろんそのためにはフィルターの「流量」というスペックの他にも排水口の形状といった部分の検討も必要でしょう。
　このように、フィルターは、飼育する生体の種類によってその好む環境を作り出す重要な働きももっています。

　

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