人工模擬小型海洋生態系統

李維耕+咸秉辰+王本森+孫睿+宋冠邦

摘 要：本文對在2700L水體中形成穩定生態系統的方法進行了研究。在有限封閉水體內形成較穩定且較具觀賞性的海洋生態系統，并在人工調節非生物因素的情況下保持其穩定性。在水溫22攝氏度、鹽度1.024、每天12小時光照條件下使條石鯛、細刺魚、多齒新米蝦在有限封閉水體內形成較穩定且較具觀賞性的海洋生態系統，并在人工調節非生物因素的情況下保持其穩定性。

關鍵詞：生態學；生態系統；實驗

課題研究的目的為在有限封閉水體內形成較穩定且較具觀賞性的海洋生態系統，并在人工調節非生物因素的情況下保持其穩定性。穩定性方面形成多條食物鏈以構成食物網，保證形成的生態系統不至于太過脆弱；持續性方面在人工干預非生物因素的條件下，形成的生態系統可持續正常運轉至少一月；觀賞性方面成型的生態系統有較強的觀賞性。研究背景為：2011年我校設立了一個大型海洋水族箱，但因缺乏管理而逐漸荒廢，全世界水族愛好者都在探尋人工模擬小型海洋生態系統的方法。

一、研究思路

1.發現問題

學校現有大型水族箱因無人管理已經荒廢。

2.課題化

將實際問題（水族箱荒廢）轉化為課題（人工模擬小型海洋生態系統）。

3.制訂計劃

第一階段：收集資料；

第二階段：制定計劃；

第三階段：實施計劃；

第四階段：分析總結。

4.解決問題

經過綜合治理，水族箱已形成較穩定的小型生態系統。

二、生態系統各部分組成

1.非生物因素

（1）溫度

水族箱中確定的大部分生物適應溫度處于20攝氏度至24攝氏度之間，因此在青島地區無需考慮制冷問題。通過加裝1000瓦特功率的加熱棒，并配合使用微電腦智能溫度控制系統，可將水體溫度穩定控制在22攝氏度至24攝氏度之間。

（2）鹽度

水族箱內生物為海水生物，所需鹽度為1.024，通過換水，添加海水素等方式逐步調節鹽度，使之達到預期值。

（3）酸堿度

通過加入水質穩定劑，有效穩定水體酸堿度，pH值由弱酸性改變至中性。

2.生物因素

（1）生產者——紅泥藻

紅泥藻在生物分類中屬于原核生物界中的藍綠藻門，在地球上已經存在超過35億年，遍布地球上任何角落。養分的多寡、光線的強弱及光譜等均為影響顏色的因素。從另一個角度來看，藍綠藻中有葉綠素、藻藍素、藻紅素等，會影響其顏色呈現的主要就是藻紅素的多寡。藍綠藻所能吸收利用的食物種類很廣，所有無機鹽（PO4,NO3,NH4等）及有機物都能被其吸收轉換成能源。但是這種生物在藻類及植物出現后，生存競爭下通常只會出現在有機溶解物（DOM）高的水域，因為藻類及植物對無機鹽的吸收更有效率，相反的藍綠藻通常會在有機溶解物過剩的水中大量繁殖，藍綠藻通常也是用來判斷水中有機污染的指標生物，有機污染物多時，藻類與植物也會無法存活，因為水中的毒性太強了。藍綠藻的這種特性很像異營菌類，能將有機物分解轉換成無機鹽類。菌類無法再使用無機鹽類，但是這種生物可以繼續利用。因此，當水中有機溶解物已經短缺時，這種生物還能活上很久，直到養分被其他生物吸收完畢為止（藍綠藻不是直接進食有機物，而是將其分解成無機物后再吸收利用）。而當水中缺乏氮素時，藍綠藻還可以將水中溶解的氮氣（N2）轉換成NH4（固氮作用），以形成其快速繁殖所需的養分。當藍綠藻缺乏某些元素時都有能力尋找其他替代元素，因此生存能力、環境適應力與繁殖力極強。光照的長短、波長都會影響藍綠藻的生存，強光下一般都會被藻類等生物所占據，因此弱光中較容易看到這類生物。而影響最大的首推波長的影響。一般來說，在波長560nm以下的藍光、綠光、紫光對其光合作用沒有助益，560nm~700nm之間的光照只要一點點就足以讓這類生物暴增，長光照對藍綠藻的生命周期延續有很大的影響，24h的光照下生長最旺，藍綠藻每20分鐘分裂一次，24小時后就會有2^72（2的72次方）個個體，大概是4.7*10^21個，這種分裂速度實在太恐怖了！在每日只有8~10小時的光照下較不會形成其生長優勢，較能維持缸中的生態平衡。

紅泥藻絕大多數的情形下只會出現在水流緩慢的地方。其實在水流強的地方依舊能生長，水流緩慢的地區代表該處容易形成有機物沉積區，這些沉積區提供紅泥藻源源不絕的食物來源，因此紅泥藻特別喜歡長在水流差的地方。水流還會影響其抗紫外線的能力，因為水流會帶走其上方的氣泡，這些氣泡是幫助其抗紫外線或強光的屏障，不過某些種類卻又不受影響。

（2）消費者

①條石鯛。條石鯛主要分布在我國福建、廣東、浙江等海水較深的清水、太平洋和印度洋沿岸，大部分棲息在溫帶、亞熱帶水域。溫熱帶沿近海魚類，棲于巖礁區。肉食性，齒銳利，可咬碎貝類或海膽等堅硬的外殼。產下的卵一日半即孵化，幼魚在大洋中成長，隨著海藻漂移。長大后則在海岸邊生活，分布于太平洋區。條石鯛體延長而呈長卵圓形，側扁而高。頭小，前端鈍尖。吻短，眼大，側位，上頜達眼之前緣下方。頜齒愈合成鸚鵡喙嘴狀，鋤骨無齒。前鰓蓋骨后緣具鋸齒；鰓蓋骨上具1扁小棘。體被細小櫛鱗，吻部無鱗，頰部具鱗，各鰭基底均被小鱗；背鰭及臀鰭基底均具鱗鞘；側線完全，與背緣平行。背鰭單一，硬棘部和軟條部間具缺刻，硬棘XII，軟條數16；臀鰭硬棘III，軟條數13；尾鰭內凹形。體黃褐色，含體側及頭部眼帶，共有7條黑色橫帶。胸鰭、腹鰭黑色；余鰭較淡而有黑緣。

②細刺魚。細刺魚分布于太平洋區，該物種的模式產地在日本。細刺魚體呈卵圓形，側扁。頭甚小而眼較大。體金黃色，體側有4~6條較寬的黑褐色縱帶，形成黃黑相間的明顯對比。體被小型弱櫛鱗，背鰭和臀鰭基部亦被小鱗所形成的鱗鞘。齒刷毛狀，尖銳，腭骨一般有齒。鰓膜連合，跨越喉峽部。背鰭硬棘10~11枚、軟條17~18枚；臀鰭硬棘3枚、軟條14~16枚。側線鱗片數56至60枚。體長可達16厘米。細刺魚常三五成群在低潮線下之淺水巖礁或珊瑚礁覓食，一般生活在水深0~10米的水域，很少離岸太遠，潮池也可發現其幼魚。幼魚以浮游生物為食，成魚以底棲生物為食，屬于近海暖溫性魚類。

③多齒新米蝦。多齒新米蝦（學名：Neocaridina denticulate），是指蝦科新米蝦屬的一個品種，與其他多種蝦類同被稱為“黑殼蝦”，屬于淡水蝦，生活在干凈的溪流里。常用來被當作清除藻類的蝦類，但清藻功力不敵大和藻蝦。

（3）分解者

①硝化細菌。硝化細菌屬于自養性細菌，包括兩種完全不同的代謝群：亞硝酸菌屬(nitrosomonas)及硝酸菌屬(nitrobacter)，它們包括形態互異的桿菌、球菌和螺旋菌。亞硝酸菌包括亞硝化單胞菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化螺菌屬和亞硝化葉菌屬中的細菌。硝酸菌包括硝化桿菌屬、硝化球菌屬和硝化囊菌屬中的細菌。兩類菌均為專性好氣菌，在氧化過程中均以氧作為最終電子受體。大多數為專性化能自養型，不能在有機培養基上生長，例如亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）、亞硝化螺菌（Ni-trosospira）、亞硝化球菌（Nitrosococcus）、亞硝化葉菌（Ni-trosolobus）、硝化刺菌（Nitrospina）、硝化球菌（Nitrococcus）等。只有少數為兼性自養型，也能在某些有機培養基上生長，例如維氏硝化桿菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。從形態上看，也有多樣，如球形、桿狀、螺旋形等，但均為無芽孢的革蘭氏陰性菌；有些有鞭毛能運動，如亞硝化葉菌，借周身鞭毛運動；有些無鞭毛不能運動，如硝化刺菌。一般分布于土壤、淡水、海水中，有些菌僅發現于海水中，例如硝化球菌、硝化刺菌。

②亞硝酸細菌（又稱氨氧化菌），將氨氧化成亞硝酸。反應式：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+158kcal(660kJ)。硝酸細菌（又稱亞硝酸氧化菌），將亞硝酸氧化成硝酸。反應式：HNO2+1/2O2= HNO3,-⊿G=18kcal。這兩類菌能分別從以上氧化過程中獲得生長所需要的能量，但其能量利用率不高，故生長較緩慢，其平均代時（即細菌繁殖一代所需要的時間）在10小時以上。硝化細菌在自然界氮素循環中具有重要作用。這兩類菌通常生活在一起，避免了亞硝酸鹽在土壤中的積累，有利于機體正常生長。土壤中的氨或銨鹽必須在以上兩類細菌的共同作用下才能轉變為硝酸鹽，從而增加植物可利用的氮素營養。時至今日，人們尚未發現一種硝化細菌能夠直接把氨轉變成硝酸，所以說，硝化作用必須通過這兩類菌的共同作用才能完成。我們知道，亞硝酸對于人體來說是有害的，這是因為亞硝酸與一些金屬離子結合以后可以形成亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽又可以和胺類物質結合，形成具有強烈致癌作用的亞硝胺。然而，土壤中的亞硝酸轉變成硝酸后，很容易形成硝酸鹽，從而成為可以被植物吸收利用的營養物質。在硝化細菌的作用下，土壤中往往出現較多的酸性物質。這些酸性物質可以提高多種磷肥在土壤中的速效性和持久性，可以防治馬鈴薯瘡痂病等植物病害，甚至可以使堿性土壤得到一定程度的改良。所以說，硝化細菌與人類的關系十分密切。農業上可通過深耕、松土提高細菌活力，從而增加土壤肥力。但硝酸鹽也極易通過土壤滲漏進入地下水，成為一種潛在的污染源，造成對人類健康的威脅。因此農業上既可采用深耕、松土的方法提高細菌活力，亦可通過用施入氮肥增效劑（即硝化抑制劑），以降低土壤硝化細菌的活動，減低土壤氮肥的損失和對環境的污染。

三、結論

本文給出了關于在有限封閉水體內形成較穩定且較具觀賞性的海洋生態系統的方法。在水溫22攝氏度、鹽度1.024、每天12小時光照條件下條石鯛、細刺魚、多齒新米蝦在有限封閉水體內形成較穩定且較具觀賞性的海洋生態系統，并在人工調節非生物因素的情況下保持其穩定性。