この水を綺麗にしてくれるバクテリアは硝化細菌と呼ばれ、その活動に酸素が必要なことから好気性バクテリアとも呼ばれます。これらのバクテリアは、空気中など到るところに存在するため、餌となる有機物があれば自然と水槽内でも増殖し、フィルターを設置することで効率よく水中の汚れを分解してくれます。
まず、有機物から変化したアンモニアが、ニトロソモナスと呼ばれるバクテリアの働きにより、亜硝酸へと変化します。更にニトロバクターとよばれるバクテリアが、亜硝酸を硝酸塩へと変化させます。この過程で、魚の排泄物などの有機物は、徐々に毒性の弱い物質へと変化していっています。この一連の働きが硝化作用になります。
では、バクテリアが汚れを分解してくれるのに、なぜ水換えが必要なのでしょう？
バクテリアの働きに拠り、魚にとって比較的無害な硝酸塩に変化した有機物も、過度に水槽内に蓄積するとそれはそれで弊害がおこります。一般的なフィルターシステムでは、魚の排泄物が分解されるほど、水槽内には硝酸塩の蓄積がおこります。
例え毒性の弱い硝酸塩でも、大量に蓄積することで魚にとって有毒になってしまうのです。
硝化作用に頼った現状のフィルターシステムのことを、NO3ファクトリー（硝酸塩製造工場）と揶揄されることもある位です。
その一部は水草に吸収、また還元作用によって窒素ガスとなり空気中に放出されます。けれども、水槽の中には、非常に多くの魚たちがいれられているため、硝酸塩が自然に排出される量は、蓄積していく量からすれば微々たるものです。
このように水槽内に溜まった硝酸塩を除去するためには、還元作用――硝化作用とは逆の行程で分解する事も可能なのですが、システムの構築が一般的ではないことと、硝化過程では酸素を必要とするのに対し、還元反応は酸素が殆ど無い状況下での反応になるため維持が非常に難しいものとなってしまいます。
厳密には、底床内やろ材の酸素が行き届かない部分で還元反応は行われているのですが、それに頼って水槽を維持する為には高度なテクニックと経験が必要になるため、一般的には水換えによって硝酸塩を除去する方法が取られています。
飼育経験を積み、より深く水槽内でのミクロの世界を理解したら、硝化還元に頼った維持管理をしてみるのも面白いかもしれませんね。実際にハイレベルな飼育者の中には、水換えを殆どせずに管理している方も存在します。ただし、それは意図的に還元作用をコントロールしているのであって、通常水換えをしなければ魚にとって有害です。
