鐵肥與紅色水草

大部分的草友都知道，
水草之所以能夠變成紅色，
與體內所含的花青素（Anthrocyanin）有很大的關係，
就植物學的角度來看，
花青素的化學結構本身並不含有鐵質。
但令人不解的是，
鐵肥能促進水草變紅的說法，
至今世界各地的水草愛好者之間廣為流傳。
鐵肥能令水草變得更紅的由來，
一方面是水草玩家的片面經驗之談，
另一方面可能是水族肥料業者的炒作。
而美國的水草博士 Tom Barr 則認為，
鐵肥能激紅水草看法，
是個沒有事實根據的觀點（myth）。

鐵肥的確是水草所需的重要元素，
對於葉綠素和花青素的合成都有幫助。
但我們今天想要探討的，
並非水草因鐵肥中毒時所發生的色彩變化，
正如我們在水草對鐵肥的吸收一文中所提到過的，
根據 van Wijck 等人於 1992 年的研究報告， 
眼子菜（Potamogeton pectinatus）在底床添加過多的氯化鐵（FeCl3）時， 
成長速率會降低 75% 而且會變成棕色的。 
而根據 Cooly 等人於 1980 年的研究報告， 
黑藻（Hydrilla verticullata）在水中鐵濃度高達 1.2 ppm 時， 
會變成棕色並且開始腐爛。 
水草在發生「鐵中毒（iron toxicity）」時葉片也會變成紅棕色的！
但鐵肥中毒導致水草病態變紅甚至死亡，
顯然不是大部分水草玩家所追求的目標。

紅金魚草（Cabomba piauhyensis）在低肥料狀態下反而更紅。

我們今天打算探討的是，
鐵肥在實際上對於水草變紅到底有沒有幫助。
其實我在 1992 年所發表的水草為什麼會變紅？一文之中，
就提到了有些水草在低肥料狀態下反而更紅，
例如紅金魚草（Cabomba piauhyensis）和紅絲青葉（Hygrophila polysperma "rosaenervig"）。
此外在 2007 年的水草與花青素一文當中，
提到了 Tom Barr 博士更認為很多水草變紅其實是「缺氮」的症狀。
我向來很佩服 Tom Barr 博士的思維，
絕對不是因為 Tom Barr 研究水草取得了博士學位，
我們就因此對其論點不加思索全盤接受。
而是他點出了「關聯性」不等於「因果關係」的重要科學邏輯，
這也是 Tom Barr 能夠推翻許多水族界以訛傳訛並且至今屹立不搖的原因，
例如磷酸和硝酸不會爆藻、黑毛藻和二氧化碳的不足和不穩有關、水草缸並不存在毒他作用（allelopathy）等等。

那麼反過來看許多水草愛好者和水族肥料業者的說法：
鐵肥真的能讓水草變得更紅嗎？
姑且先不論美國、德國和台灣的許多水草愛好者，
以自身實際的經驗否定了鐵肥能讓水草更紅這項傳說，
我們也從未見過水草玩家或肥料業者們，
以客觀的研究證據來支持自己的看法。
本文想以現有的研究文獻為基礎，
來看看鐵肥是否真的有助於增加水草的花青素含量。
或許我們能夠藉此機會，
駁倒 Tom Barr 博士認為水草變紅和鐵肥無關的看法，
並還給許多水草玩家和肥料業者一個清白。
雖然至目前為止的相關研究很少，
本文還是想帶領讀者來看看鐵質、花青素和水草的關係。

如何令水草變得更紅，是長久以來很多草友共同追求的目標。

美國的學者 Spencer 和 Ksander 在 1990 年針對禾葉眼子菜（Potamogeton gramineus）所發表的一篇研究，
可說是最廣為美國水族界引用的。
作者在該研究的摘要（abstract）內很明白的寫道：
禾葉眼子菜內的花青素不會因為限制 N 和 P 而增多（也就是說：水草不會因缺氮和缺磷而增加花青素）， 
花青素的累積與 N 和 P 有正相關（positive correlated）（也就是說：水草的花青素會因氮磷的增加而增加）；
此外禾葉眼子菜之所以變紅， 
主要乃是因為葉綠素急遽減少（decreased sharply）， 
而花青素只有稍微增多（increased slightly），
禾葉眼子菜變紅的原因是因為葉綠素相對減少後「揭露（unmask）」了花青素。
然而我們一再的強調一個觀念：
研究文獻絕對不可只看摘要，
必須詳讀其研究方法才可獲得真正的可靠訊息。
我們先來看看溫度和照明的部份。
兩位作者並且利用在五種溫度和五種光照強度下的 25 種環境條件下來做實驗， 
以求證強光低溫會讓水草變紅的說法。
五種溫度分別是 10、15、20、25、30 和 35 °C，
五種光照強度分別是 8、15、21、58 和 189 µmol/m2/s。
很有趣的是，
花青素平均含量最高值出現在 10 °C 搭配 189 µmol/m2/s，
花青素平均含量最低值出現在 30 °C 搭配 21 µmol/m2/s；
葉綠素對花青素的比值，
最高值（最綠）出現在 25 °C 搭配 8 µmol/m2/s，
最低值（最紅）出現在 35 °C 搭配 189 µmol/m2/s。
就整體變化的趨勢而言，
研究發現葉綠素濃度和葉綠素對花青素的比值，
會隨著溫度增高而增加，
但隨著照明增強而減少；
花青素的濃度會隨著溫度增高而減少，
但會隨著照明增加而稍微增加。
簡單的來說，
低溫強光有助於花青素的顯現或水草變紅，
這和水草玩家的經驗是相符合的。


​有關氮肥（N）和磷肥（P）的部份就更有趣了。
作者除了在溝渠內進行實驗以外，
也在溫室內進行了一部分的實驗。
作者雖然在摘要內寫著：
禾葉眼子菜內的花青素不會因為限制 N 和 P 而增多， 
花青素的累積與 N 和 P 有正相關（positive correlated）。
但從溫室這一部分的實驗來看，
卻有著很不一樣的結果。
作者在溫室研究的這一部份，
提供了 0、6、11 和 22 mg/L 等四種濃度的硝酸氮（NO3）底床，
結果發現花青素含量與葉綠素對花青素的比值，
是會受到底床內無機氮濃度所影響的！
花青素在底床硝酸氮濃度 ≦ 11 mg/L 時含量較高，
花青素含量最高點的硝酸氮濃度為 6 mg/L；
葉綠素對花青素的比值，
則會隨著底床氮淝濃度增高而增加，
也就是水草會變得比較不紅。
反觀溝渠組的底泥硝酸氮濃度始終都 > 11 mg/L，
可是溝渠水體內的硝酸氮濃度卻僅有 0.4 mg/L，
也就是說，
即使水體內的硝酸氮濃度很低，
只要底床內的硝酸氮夠高（> 11 mg/L）的話，
水草也會變得不紅。
我們不清楚為何美國的學者在摘要內不去提這麼重要的發現。
畢竟對於水草玩家而言，
這個資料實在極具參考價值！
從這個溫室的研究成果來看，
底床氮肥的多寡的確會影響水草是否能變紅，
而且在底床氮肥越低的環境，
花青素就越多且水草越紅！
我們如果回頭來看德國所做的 ADA 黑土營養成分分析一文，
發現 ADA 黑土內含有豐富的氮肥，
因此有許多草友使用了黑土栽培水草導致水草不易變紅，
那就根本不會覺得意外了。
因為早在距今二十三年以前，
就有美國的學者證實了底床無機氮肥對於水草變紅與否的影響力！

禾葉眼子菜（Potamogeton gramineus）的研究發現鐵肥對於花青素含量並無明顯影響。

我們回到水草愛好者最關注的鐵質來看，
實驗所使用的螯合 EDTA 的鐵質劑量有 0、0.6、1.2、1.8、2.4（mg/100 g）等五組，
結果發現螯合鐵質的添加與否，
可說對於花青素的含量並無明顯的影響！
不僅如此，
葉綠素的含量也不因為鐵質的使用與否而增加。
在此要特別提醒的是，
作者進行實驗的地點是在溝渠和溫室兩處，
螯合鐵質的添加是透過泥土底床（低氧化還原電位），
也就是說在這個研究當中，
我們並不需要擔心水草吸收不到鐵肥。
況且我們在水草對鐵肥的吸收一文中提到過，
水草每日約可吸收 0.06 ppm 的鐵質。
就水草對鐵質的吸收的部位來看，
可分為葉面和根部兩個部分。
一般來說，
水草對於鐵質的吸收主要發生在根部。
研究結果很明確的告訴我們，
禾葉眼子菜內部的花青素和葉綠素濃度，
不會因為底床使用鐵肥與否而有所改變。


美國的學者 Fang 等人在 1999 年針對越橘（Vaccinium pahalae）發表了一篇花青素的研究，
雖然研究的對象並不是水草，
但卻是和螯合鐵相關的探討，
很值得我們好好的了解一下。
作者使用了生物性和非生物性的誘引劑（elicitor），
來看看使否能增加花青素的產量。
兩種生物性的誘引劑分別是 Beta-葡聚糖（β-glucan）和幾丁聚糖（chitosan）；
兩種非生物性的誘引劑則是螯合鐵（Fe-EDDHA）和硫酸銅（CuSO4）。
結果發現，
使用了10 mg/L 的 Beta-葡聚糖以後，
花青素的產生較對照組增加了 1.9 倍；
使用了 100 mg/L 的幾丁聚糖以後，
花青素的產生較對照組增加了 1.6 倍；
使用了 90 µM 的 Fe-EDDHA 以後，
花青素的產生較對照組增加了 1.8 倍；
使用了 20 µM 的硫酸銅以後，
花青素的產生較對照組增加了 1.5  倍。
研究中還發現添加了 0.5 µM 茉莉酮酸甲酯（methyl jasmonate），
便能使花青素的產生增加 2-3倍。

花青素在底床低硝酸氮（NO3）的環境下含量較高，且葉綠素／花青素的比值較低（比較紅）。

​不過我們本次的討論重點在於鐵肥，
因此要來好好的了解一下，
為何鐵肥能增加花青素的產量。
鐵質之所以能促進花青素的產量，
並非花青素的結構內含有鐵質，
而是鐵質扮演著花青素生成時的催化作用，
除此以外，
螯合鐵增加了可用的鐵質，
促進了植物的生長，
據推測也可能是鐵質減緩了花青素的降解作用，
導致花青素含量的累積。
不過我們要強調的是，
這個研究是針對細胞培養（cell culture）所得到的成果，
這完全不是複雜的水族大環境所可以相提並論的。


從現有的兩份花青素和鐵肥的研究文獻來看，
細胞培養的環境發現鐵質能促進花青素的產量，
但鐵質在水族複雜環境下對於花青素的含量卻無影響。
這就是我們一再強調的一個觀念，
不可以任意套用不同條件下的研究成果，
換句話說，
絕對不可以任一套用細胞培養的成果至複雜的大環境之中。
我們的水草缸環境，
肯定不是實驗室的純淨細胞培養條件，
而是屬於複雜的水中大環境。
也就是說，
在真實的水族環境中，
螯合鐵肥的添加，
較可能並不會提高花青素的含量。

紅蝴蝶（Rotala macrandra）非得紅通通的才能叫做漂亮嗎？

類似的場景也發生在另一個很有名的案例，
即水草缸內會不會發生植物的相剋作用（Allelopathy）。
水草缸內的植物相剋作用或毒他作用，
這個話題可說是被天然水草缸的作者 Diana Walstad 女士整個炒熱的，
因為她在著作中以一整章二十幾頁的篇幅大談水草缸內的植物相剋作用或毒他作用。
然而 Diana Walstad 女士雖然引用了研究文獻當成依據，
卻遭到了 Tom Barr 博士的嚴厲批判，
並表示植物的相剋作用是不會發生在水草缸的！
無獨有偶的，
丹麥的水草博士 Ole Petersen 副教授，
針對 Diana Walstad 的觀點還特別撰文澄清，
他提到了兩種不同的實驗領域，
即自然狀況下整株水草的分泌和植物細胞汁液的生產。
至於在水族缸內能否以植物相剋作用來控制藻類的生長，
這位副教授所給的答案是：
No！
簡單的說，
美國的水草專家 Tom Barr 博士和丹麥的水草專家 Ole Petersen 博士，
都不認為在實驗室內所發現的植物相剋作用，
會發生在水族缸大環境之中。


水族世界首度使用螯合鐵（EDTA-Fe）來改善水草的生長，
是前德國 Dupla 公司的創始總裁 Kaspar Horst 先生於 1965 年引入的，
但 Kaspar Korst 先生在許多文章和著述當中，
不論是透過圖片比較和文字闡述，
自始至終都沒提過添加鐵肥能令水草變得更紅。
鐵肥對於水草的生長的確很重要，
不論是葉綠素和花青素的合成，
鐵質都扮演著重要的角色。
坊間認為鐵肥能令水草變得更紅的說法，
最可能的原因並非鐵肥促進水草變紅，
而是鐵質促進水草成長，
加上多年以來水族界受制於磷酸和硝酸會爆藻的觀念，
使得水草很容易因生長加速而發生「缺氮」變紅。
草友間許多促進水草變紅的偏方，
例如強光、打二氧化碳、加強換水和各種微量營養（包含鐵肥）的添加，
說穿了都是在加速水草成長或發生「缺氮」的症狀。
與其費神在有「關連性」的其他因子上進行繁瑣的控制，
為何不直接從有「因果關係」的氮肥來簡單下手呢？

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參考文獻：
Spencer, D.F. & Ksander, G.G.(1990): Influence of temperature, light and nutrient limitation on anthycyanin content of Potamogeton gramineus L. Aquatic Botany 38:357-367.