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了解水生动物

本章从第 1 章对水生生物学的初步解释为基础，讨论水生生物学单元内发生的生物过程。 首先，本章解释所涉及的主要概念和工艺，包括硝化工艺。 然后，它审查了细菌的重要作用及其关键的生物过程。 最后，讨论了平衡由鱼类、植物和细菌组成的水生生态系统的重要性，包括如何在保持水生单位的同时实现这一目标。

Food and Agriculture Organization of the United Nations — Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus, and Alessandro Lovatelli.

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  1. 平衡水生态系统

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations

    术语 * 平衡 * 用于描述水生养殖者为确保鱼类、植物和细菌生态系统处于动态平衡而采取的所有措施。 无论怎么强调都不过分的是，成功的水生动物主要是关于维持一个平衡的生态系统。 简单地说，这意味着鱼的数量，植物的数量和生物过滤器的大小之间存在平衡，这真正意味着细菌的数量。 通过实验确定的生物过滤器尺寸、种植密度和鱼类放养密度之间的比率。 超出这些最佳比率而不会给整个水生生态系统带来灾难性后果的危险，是不明智的，也非常困难的。 我们邀请高级水上乐园从业者进行试验和调整这些比率，但建议按照这些比例开始进行水肺疗程。 本节简要介绍了平衡系统的重要性。 第 8 章详细介绍了生物滤清器的尺寸和储存密度。

    # 硝酸盐平衡

    水生系统中的平衡可以与平衡秤进行比较，其中鱼类和植物是站在相反武器的重量。 天平的手臂是由硝化细菌制成的 因此，至关重要的是，生物过滤具有足够的坚固性，足以支持其他两个成分。 这与图 2.10 中的拉杆厚度相对应。 请注意，武器不足以支持鱼类废料的数量和手臂断裂。 这意味着生物过滤不足。

    如果鱼类生物量和生物过滤器的大小保持平衡，水生装置将充分处理氨成硝酸盐。 但是，如果植物成分不足，那么系统将开始积累营养物质（图 2.11）。 实际上，较高的营养物质浓度对鱼类和植物都不会有害，但这表明该系统在植物一侧的性能不佳。

    一个常见的管理错误是，如图 2.12 所示的第三种情况所示，使用的是植物太多，鱼类太少。 在这种情况下，氨是通过硝化细菌处理的，但由此产生的硝酸盐和其他营养物质的含量不足以满足植物的需求。 这种情况最终导致养分浓度逐步减少，从而降低植物产量。

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    这两个例子的主要经验教训是，要实现最大限度的水生产，就需要在鱼类废物和蔬菜养分需求之间保持适当的平衡，同时确保足够的表面面积来种植细菌群，以便转化所有鱼类废物。 此平衡方案如图 2.13 所示。 鱼类和植物之间的这种平衡也被称为生物量比例。 成功的水生单位具有相对于植物数量适当的鱼类生物量，或者更准确地说，鱼饲料与植物养分需求的比例是平衡的。 尽管遵循建议的比例对于良好的水生食品生产很重要，但是有一个广泛的可行比例，经验丰富的水生农民会注意到水生动物如何成为一个自我调节系统。 此外，随着系统开始失衡，水质指标和鱼类和植物健康状况的形式，该系统为一个细心的农民提供了警告信号，在整个出版物中详细讨论了所有这些信号。

    进给速率比

    平衡系统时需要考虑许多变量（参见框 2），但广泛的研究简化了将单位平衡到称为 * 进给率比率 * 的单一比率的方法。 饲料率比率是三个最重要变量的总和，即：每日鱼饲料量（克）、植物类型（植物与果实）和植物生长面积（以平方米为单位）。 这个比率表明金额

    为每平方米的生长空间提供每日鱼类饲料。 平衡系统进入系统的饲料量比直接计算鱼量更有用。 通过使用饲料量，就可以根据他们的平均每日消费量计算多少鱼。

    只要有充分的生物滤过，饲料率比将为鱼类、植物和细菌提供平衡的生态系统。 在设计水子系统时使用此比例。 值得注意的是，饲料速率比仅仅是平衡水生单元的指导，因为其他变量在季节的不同阶段可能会产生更大的影响，例如水温的季节性变化。 与绿叶蔬菜相比，结果蔬菜的饲料率较高，这些植物生产花卉和水果所需的营养物质更多。

    除了进料率比之外，还有两种其他简单和互补的方法来确保系统的平衡：健康检查和氮气测试。

    # 鱼类和植物的健康检查

    不健康的鱼类或植物往往是一个警告，该系统是失衡的。 植物缺乏症状通常表明鱼类废物产生的营养物质不足。 营养素缺乏常常表现为生长不良、黄叶和发育不良，所有这些都在第六章中讨论。 在这种情况下，鱼放养密度，饲料（如果被鱼吃）和生物过滤器可以增加，或者植物可以被移除。 同样，如果鱼类出现压力迹象，例如在表面喘气、在水槽两侧摩擦、鳍、眼睛和鳃周围出现红色区域，或在极端情况下死亡，往往是因为有毒氨水或亚硝酸盐水平的积聚。 当生物过滤器成分过多的溶解废物无法处理时，这种情况通常会发生。 任何这些症状在鱼类或植物表明，农民需要积极调查和纠正原因。

    氮气测试

    这种方法包括使用简单而廉价的水试验套件测试水中的氮含量（图 2.14）。 如果氨或亚硝酸盐高（\ > 1 毫克/升），则表明生物过滤不足，生物过滤表面积应增加。 大多数鱼是不耐受这些水平超过几天。 需要增加硝酸盐的含量，这意味着植物生长所需的其他营养物质的足够水平。 鱼类可以容忍高浓度的硝酸盐水平，但如果浓度保持很高（\ > 150 毫克/升）数周，则应去除一些水并用于灌溉其他作物。

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    如果在几周内硝酸盐水平较低（\ < 10 毫克/升），鱼饲料可以略微增加，以确保蔬菜有足够的营养物质。 但是，不要将未食用的鱼饲料留在水产养殖槽中，因此可能需要增加鱼的放养密度。 或者，植物可以被删除，以便有足够的营养物质对于那些仍然存在。 这是值得的，建议每周测试氮气水平，以确保系统的正确平衡。 此外，硝酸盐水平是水中其他营养物质水平的指标。

    同样，上述所有计算和比率，包括鱼类放养密度、种植能力和生物过滤器的大小，在以下各章（特别是在第 8 章）中作了更深入的解释。 本节的目的是让人了解平衡水生动物中的生态系统是多么重要，并强调这样做的简单方法和策略。

    • 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *

  2. 水生动物的重要生物成分

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations

    如第 1 章所述，水产养殖是一种综合农业的形式，它结合了两种主要技术：水产养殖和水耕。 在一个连续循环的单元中，养殖水从含有鱼类代谢废物的鱼缸中排出。 水首先通过一个机械过滤器，捕获固体废物，然后通过一个生物过滤器，将氨氧化成硝酸盐。 然后，水通过植物种植床，植物吸收营养物质，最后水将被净化到鱼缸中（图 2.1）。 生物过滤器为细菌提供了一个栖息地，将鱼类废物转化为植物可获得的营养物质。 这些营养物质溶解在水中，然后被植物吸收。 这一过程的养分去除过程可以清洁水，防止水与有害形式的氮（氨和亚硝酸盐）产生毒性，并使鱼类、植物和细菌共生繁荣。 因此，所有生物共同努力，为彼此创造一个健康的生长环境，条件是这个系统是适当的平衡。

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    氮循环

    水生生物学中最重要的生物过程是硝化过程，这是自然界中整个氮循环的一个重要组成部分。 氮 (N) 是一种化学元素，也是所有生命形式的必要组成部分。 它存在于所有氨基酸，它组成了所有的蛋白质，这是许多关键所必需的

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    动物的生物过程, 例如酶调节, 细胞信号传递和建造结构. 氮是所有植物最重要的无机营养物质。 氮，以气体形式，实际上是地球大气中存在的最丰富的元素，约占 78%，氧气只占 21%。 然而，尽管氮非常丰富，但它只存在于大气中，作为分子氮 (N 2 )，这是一种非常稳定的三重氮原子键，植物无法接触。 因此，N 2 形态的氮必须在植物用于生长之前改变。 这个过程被称为固氮。 它是氮循环的一部分（图 2.2），可以看到整个自然（图 2.3）。 通过添加氢气或氧气等其他元素来化学改变 N 2 ，从而产生新的化学化合物，例如氨（NH 3 ）和硝酸盐（NO 3 -），植物易于使用。 此外，大气中的氮可以通过称为 Haber 进程的能源密集型制造工艺来固定，用于生产合成肥料。

    图 2.3 所示动物产生的废物（粪便和尿液）主要由氨（NH 3 ）制成。 自然界中发现的其他腐烂的有机物，如死植物或动物，按真菌和不同的细菌群分解为氨。 这种氨是由一组特定的细菌进行代谢，这是非常重要的水生动物，称为硝化细菌。 这些细菌首先将氨转化为亚硝酸盐化合物（NO 2 -），然后最后转化为硝酸盐化合物（NO 3 -）。 植物能够同时使用氨和硝酸盐来执行其生长过程，但硝酸盐更容易被它们的根源吸收。

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    硝化细菌生活在土壤、沙子、水和空气等多种环境中，是硝化过程的一个重要组成部分，将植物和动物废物转化为植物可获得的营养物质。 图 2.4 显示了与图 2.3 所示相同的过程，但包括一个更复杂的流程图，显示了氮循环的所有阶段。

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    这种自然过程的硝化由细菌发生在土壤中也发生在水中以同样的方式。 对于水生动物来说，动物废物是在培养罐中释放的鱼类粪便。 生活在陆地上的同样硝化细菌也会自然地生成在水中或每一个湿表面上，将鱼类废物中的氨转化为容易吸收的硝酸盐供植物使用。 水生子系统中的硝化可为植物提供营养，并消除有毒的氨和亚硝酸盐（图 2.5）。

    • 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *

  3. 维持健康的细菌菌落

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations

    在维持健康的生物过滤器时，影响细菌生长的主要参数是足够的表面面积和适当的水条件。

    # 表面积

    细菌菌落将在任何材料上生长，例如植物根，沿鱼缸壁和每个生长管道内。 这些细菌可用的总面积将决定它们能够代谢多少氨。 根据鱼类生物量和系统设计，植物根部和储罐壁可以提供足够的面积。 养鱼密度高的系统需要一个单独的生物过滤组件，其中包含高表面积的材料，例如惰性生长介质-砾石、凝灰岩或膨胀粘土（图 2.7）。

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    水 pH 值

    pH 值是水的酸性或基本性。 水的 pH 值对硝化细菌的生物活性及其转化氨和亚硝酸盐的能力有影响（图 2.8）。 以下两个硝化组的范围已被确定为理想的范围，但有关细菌生长的文献表明，由于细菌具有适应周围环境的能力，其耐受范围也大得多（6-8.5）。

    | ** 硝化细菌 ** | ** 最佳 pH 值 ** | | — | — | | * 硝基糖 * spp. | 7.2-7.8 | * 硝酸菌 * spp. | 7.2-8.2 |

    然而，对于水生动物来说，更合适的 pH 值范围为 6-7，因为这个范围对于植物和鱼类更好（第 3 章讨论了水质参数的折衷）。 此外，细菌效率的损失可以通过增加细菌来抵消，因此生物过滤器应该相应地调整大小。

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    水温

    水温是细菌的一个重要参数，也是一般水生物的重要参数。 细菌生长和生产率的理想温度范围为 17-34 °C，如果水温降至 17 °C 以下，细菌生产率会降低。 低于 10 °C，生产率可以降低 50% 或更多。 低温对冬季单位管理产生重大影响（见第 8 章）。

    # 溶解氧

    硝化细菌需要在水中任何时候都有足够水平的溶解氧 (DO)，以保持高水平的生产力。

    硝化是一种氧化反应，其中氧被用作试剂；没有氧气，反应停止。 DO 的最佳水平为 4-8 毫克/升。 如果溶氧化物浓度降至 2.0 毫克/升以下，硝化将会降低。 此外，如果没有足够的溶氧浓度，则会生长另一种细菌，这种细菌将在厌氧过程中将有价值的硝酸盐转化为无法使用的分子氮。

    紫外线

    硝化细菌是光敏生物，这意味着来自太阳的紫外线（紫外线）光是一种威胁。 在建立一个新的水生系统时，细菌群落的初始形成期间尤其如此。 一旦细菌已经殖民表面（3-5 天），紫外线不会造成重大问题。 消除这种威胁的一个简单方法是用紫外线防护材料覆盖鱼缸和过滤部件，同时确保水培成分中的水不暴露在阳光下，至少在细菌群完全形成之前。

    硝化细菌将在表面积较大的材料上生长（图 2.9），使用紫外线防护材料进行遮蔽，并在适当的水条件下生长（表 2.1）。

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    #表2.1
    硝化细菌的水质耐受范围

    | | ** 温度（摄氏度）** | pH | ** 氨（毫克/升）** | ** 亚硝酸盐（毫克/升）** | ** 硝酸盐（毫克/升）** | ** DO（毫克/升）** | | — | — | — | — | — | — | | 公差范围

    • 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *

  4. 生物过滤器

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations

    硝化细菌对于水生装置的整体运作至关重要。 第 4 章介绍了每种水生方法的生物过滤器组件的工作原理，第 5 章描述了在水生装置中运作的不同细菌群。 硝化过程中涉及两大类硝化细菌：1）氨氧化细菌（AOB），2）亚硝酸氧化细菌（NOB）（图 2.6）。 它们按以下顺序代谢氨：

    1. AOB 细菌将氨 (NH) 转化为亚硝酸盐 (NO₂ -)

    2. NOB 细菌然后将亚硝酸盐 (NO2-) 转化为硝酸盐 (NO-)

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    如化学符号所示，AOB 将氨氧化（添加氧气）并产生亚硝酸盐（NO2 -），NOB 进一步氧化亚硝酸盐（NO2 -）成硝酸盐（NO-）。 * 硝基体 * 属是水生学中最常见的 AOB，* 硝基杆菌 * 属是最常见的 NOB；这些名称在文献中经常互换使用，并在本出版物中使用。

    总之，水生单元内的生态系统完全依赖于细菌。 如果细菌不存在，或者如果它们不能正常运作，水中的氨浓度会杀死鱼。 为了使氨水平接近零，始终保持和管理系统中健康的细菌菌落至关重要。

    • 资料来源：联合国粮食及农业组织，2014 年，克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利，小规模水生粮，http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *