STEAM｜魚菜共生中的氮循環｜星島教室
發佈時間：12:41 2024-03-21
「魚菜共生」（Aquaponics）是一種結合水培和養魚的創新方法，近年在學界廣受歡迎。它不僅有趣，而且涉及多個學科知識，適合各種年齡的學習者。但是，魚菜共生並不是一件容易的事，它需要一定的技巧和知識，才能達到理想的效果。今天，我們就來分享一些魚菜共生的操作要點，讓你更了解這個有趣的項目。
生物繁殖關鍵元素
首先，我們從最基本的養魚開始。你可能有過這樣的經驗：你買了一個新魚缸，安裝了過濾系統，種上了美麗的水草，第一天，你看到魚兒們快樂地游來游去，你心里很開心。但是，一個星期後，你發現魚兒們突然全都死了，你感到非常難過。你想知道發生了甚麼事嗎？有人告訴你，原來你忘了定期換水，而且不能把所有水都換掉，要保留三分一的舊水。你可能會問︰為甚麼要這樣做？為甚麼鄰居小明，他的魚缸半年都沒有換過水，卻沒有出現問題？
讓我們來解釋一下。魚菜共生的關鍵是「硝化細菌及氮循環」（Nitrifying Bacteria and Nitrogen Cycle）。空氣中有大約78%的氮氣，是所有生物必須的元素之一。氮存在於蛋白質和核酸的結構中，對於生物的生長和繁殖至關重要。在植物中，氮被用來製造葉綠素，進行光合作用。氮循環是生物學的重要內容，涉及很多細節，我們今天只講魚缸中的氨（Ammonia, NH3）*、亞硝酸鹽（Nitrite, NO2-）和硝酸鹽（Nitrate, NO3-）的變化（下圖），以及它們對魚和植物的影響（見附表）。
魚缸換水秘密
當你的新魚缸開始運作，氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽隨時間開始演替（上圖），魚類會從魚鰓分泌氨，氨的濃度會不斷增加。如果你不及時換水，氨的濃度會達到致命的水平，魚類會死亡。但是，如果魚缸中有足夠的硝化細菌，它們會把氨轉化成亞硝酸鹽，這是一種有毒的物質，但比氨要弱一些。
如圖所示，當氨的濃度達到最高點（紅色線）時，硝化細菌會大量繁殖和工作，把氨的濃度降低，同時亞硝酸鹽的濃度會增加（黃色線）。當亞硝酸鹽的濃度接近最高點時，另一種硝化細菌會工作，把亞硝酸鹽轉化成硝酸鹽，這是一種對魚類相對溫和的物質，但對植物有益，可以作為肥料（綠色線）。因此，我們可以在魚缸中種植一些水草，讓它們吸收硝酸鹽，減少硝酸鹽的濃度。當然，如果水草的數量不夠，水內硝酸鹽濃度過高會增加魚類受細菌感染的機會；所以我們還是要定期換水，保持魚缸的水質。
魚缸中的氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽一般可以用試紙或試劑去測量。你可以在寵物店或線上商店購買水質測試套件。這些套件通常包含用於測量氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的試紙（圖3a及3b）或試劑（圖4a至4c）。只要按照測試套件的說明進行操作，便可以知道氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽的濃度。
微妙平衡比例
如果你發現魚缸中的氨、亞硝酸鹽或硝酸鹽濃度過高，可能需要更換部分水或調整飼養條件以改善水質。如果你不確定如何操作，建議諮詢寵物店或水族專家的意見。
經過一段時間，若你發現魚缸水的氨、亞硝酸鹽的濃度處於低位，同時硝酸鹽的濃度處於標準，而且情況持續至少一星期，那恭喜你了，你的魚缸的水質已經進入穩定期，只要繼續留心，隨時3至6個月也不需要換水！
最後，如果情況持續沒有改善，最後的方法就是換水。到底要換多少水呢？換水的原因，是因為魚缸中魚類大量死亡增加了水中氨的濃度，而透過換水可以降低氨的濃度。但若換水太多，水中的硝化細菌亦同時大量減少，可能需要一段很長時間讓硝化細菌繁殖，所以兩者必須平衡。根據坊間經驗，保留三分一的舊水比較理想，不過你也可以按自己的情況去尋找氨濃度和硝化細菌量的平衡點，這會來得更有科學基礎和可行，同學們現在應該懂得怎樣做，對嗎？！
小思考，大智慧
若魚缸水出現以下情況，表示魚缸中某些環節可能出現問題。你現在已初步掌握了氮循環和魚菜共生的基本原理，所以試找出哪些環節出了問題並提出相應的解決方法。
情況1︰魚缸水中氨的濃度過高，但亞硝酸鹽和硝酸鹽的濃度處於低位。
情況2︰魚缸水中氨和亞硝酸鹽的濃度處於低位，但硝酸鹽的濃度過高。
參考答案
情況1︰ 原因是硝化細菌量太少或不活躍，魚的數目太多亦可引致。前者的解決方法是清理所有死魚，換入一定程度的新水，主要目的是減低水的不良氣味，然後硝化細菌在水中繼續繁殖，若它們數量足夠，會自動開始投入工作，最後你會發現魚缸中的水漸漸清澈，不良氣味亦漸漸消失；此時，你便可以放入少量新魚，你會發現魚缸很快會進入穩定狀態。而另外一個問題就是養魚太多，這個容易解決，減少魚的數量就可以。
情況2︰主要是因為植物的吸收不足以消化大量的硝酸鹽，最好的方法就是增加植物的數量，硝酸鹽的濃度自然會減低；當然換水也是一個方法，但只是治標不治本，所以不推薦。
文：英華書院化學科老師陳滿堅、英華書院生物科老師黃邵凝及英華書院生物科技術員姚天樂
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
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