STEAM｜鱼菜共生中的氮循环｜星岛教室

2024-03-21 12:41

「鱼菜共生」（Aquaponics）是一种结合水培和养鱼的创新方法，近年在学界广受欢迎。它不仅有趣，而且涉及多个学科知识，适合各种年龄的学习者。但是，鱼菜共生并不是一件容易的事，它需要一定的技巧和知识，才能达到理想的效果。今天，我们就来分享一些鱼菜共生的操作要点，让你更了解这个有趣的项目。

生物繁殖关键元素

首先，我们从最基本的养鱼开始。你可能有过这样的经验：你买了一个新鱼缸，安装了过滤系统，种上了美丽的水草，第一天，你看到鱼儿们快乐地游来游去，你心里很开心。但是，一个星期后，你发现鱼儿们突然全都死了，你感到非常难过。你想知道发生了甚么事吗？有人告诉你，原来你忘了定期换水，而且不能把所有水都换掉，要保留三分一的旧水。你可能会问︰为甚么要这样做？为甚么邻居小明，他的鱼缸半年都没有换过水，却没有出现问题？

让我们来解释一下。鱼菜共生的关键是「硝化细菌及氮循环」（Nitrifying Bacteria and Nitrogen Cycle）。空气中有大约78%的氮气，是所有生物必须的元素之一。氮存在于蛋白质和核酸的结构中，对于生物的生长和繁殖至关重要。在植物中，氮被用来制造叶绿素，进行光合作用。氮循环是生物学的重要内容，涉及很多细节，我们今天只讲鱼缸中的氨（Ammonia, NH3）*、亚硝酸盐（Nitrite, NO2-）和硝酸盐（Nitrate, NO3-）的变化（下图），以及它们对鱼和植物的影响（见附表）。

鱼缸中的氮循环

氨、亚硝酸盐和硝酸盐对鱼缸影响

鱼缸换水秘密

新鱼缸中氨、亚硝酸盐和硝酸盐随时间演替进程表

当你的新鱼缸开始运作，氨、亚硝酸盐和硝酸盐随时间开始演替（上图），鱼类会从鱼鳃分泌氨，氨的浓度会不断增加。如果你不及时换水，氨的浓度会达到致命的水平，鱼类会死亡。但是，如果鱼缸中有足够的硝化细菌，它们会把氨转化成亚硝酸盐，这是一种有毒的物质，但比氨要弱一些。

如图所示，当氨的浓度达到最高点（红色线）时，硝化细菌会大量繁殖和工作，把氨的浓度降低，同时亚硝酸盐的浓度会增加（黄色线）。当亚硝酸盐的浓度接近最高点时，另一种硝化细菌会工作，把亚硝酸盐转化成硝酸盐，这是一种对鱼类相对温和的物质，但对植物有益，可以作为肥料（绿色线）。因此，我们可以在鱼缸中种植一些水草，让它们吸收硝酸盐，减少硝酸盐的浓度。当然，如果水草的数量不够，水内硝酸盐浓度过高会增加鱼类受细菌感染的机会；所以我们还是要定期换水，保持鱼缸的水质。

鱼缸中的氨、亚硝酸盐和硝酸盐一般可以用试纸或试剂去测量。你可以在宠物店或线上商店购买水质测试套件。这些套件通常包含用于测量氨、亚硝酸盐和硝酸盐浓度的试纸（图3a及3b）或试剂（图4a至4c）。只要按照测试套件的说明进行操作，便可以知道氨、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度。

微妙平衡比例

如果你发现鱼缸中的氨、亚硝酸盐或硝酸盐浓度过高，可能需要更换部分水或调整饲养条件以改善水质。如果你不确定如何操作，建议谘询宠物店或水族专家的意见。

经过一段时间，若你发现鱼缸水的氨、亚硝酸盐的浓度处于低位，同时硝酸盐的浓度处于标准，而且情况持续至少一星期，那恭喜你了，你的鱼缸的水质已经进入稳定期，只要继续留心，随时3至6个月也不需要换水！

最后，如果情况持续没有改善，最后的方法就是换水。到底要换多少水呢？换水的原因，是因为鱼缸中鱼类大量死亡增加了水中氨的浓度，而透过换水可以降低氨的浓度。但若换水太多，水中的硝化细菌亦同时大量减少，可能需要一段很长时间让硝化细菌繁殖，所以两者必须平衡。根据坊间经验，保留三分一的旧水比较理想，不过你也可以按自己的情况去寻找氨浓度和硝化细菌量的平衡点，这会来得更有科学基础和可行，同学们现在应该懂得怎样做，对吗？！

小思考，大智慧

若鱼缸水出现以下情况，表示鱼缸中某些环节可能出现问题。你现在已初步掌握了氮循环和鱼菜共生的基本原理，所以试找出哪些环节出了问题并提出相应的解决方法。

情况1︰鱼缸水中氨的浓度过高，但亚硝酸盐和硝酸盐的浓度处于低位。

情况2︰鱼缸水中氨和亚硝酸盐的浓度处于低位，但硝酸盐的浓度过高。

参考答案

情况1︰原因是硝化细菌量太少或不活跃，鱼的数目太多亦可引致。前者的解决方法是清理所有死鱼，换入一定程度的新水，主要目的是减低水的不良气味，然后硝化细菌在水中继续繁殖，若它们数量足够，会自动开始投入工作，最后你会发现鱼缸中的水渐渐清澈，不良气味亦渐渐消失；此时，你便可以放入少量新鱼，你会发现鱼缸很快会进入稳定状态。而另外一个问题就是养鱼太多，这个容易解决，减少鱼的数量就可以。

情况2︰主要是因为植物的吸收不足以消化大量的硝酸盐，最好的方法就是增加植物的数量，硝酸盐的浓度自然会减低；当然换水也是一个方法，但只是治标不治本，所以不推荐。

文：英华书院化学科老师陈满坚、英华书院生物科老师黄邵凝及英华书院生物科技术员姚天乐

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