人工模拟小型海洋生态系统

李维耕+咸秉辰+王本森+孙睿+宋冠邦

摘 要：本文对在2700L水体中形成稳定生态系统的方法进行了研究。在有限封闭水体内形成较稳定且较具观赏性的海洋生态系统，并在人工调节非生物因素的情况下保持其稳定性。在水温22摄氏度、盐度1.024、每天12小时光照条件下使条石鲷、细刺鱼、多齿新米虾在有限封闭水体内形成较稳定且较具观赏性的海洋生态系统，并在人工调节非生物因素的情况下保持其稳定性。

关键词：生态学；生态系统；实验

课题研究的目的为在有限封闭水体内形成较稳定且较具观赏性的海洋生态系统，并在人工调节非生物因素的情况下保持其稳定性。稳定性方面形成多条食物链以构成食物网，保证形成的生态系统不至于太过脆弱；持续性方面在人工干预非生物因素的条件下，形成的生态系统可持续正常运转至少一月；观赏性方面成型的生态系统有较强的观赏性。研究背景为：2011年我校设立了一个大型海洋水族箱，但因缺乏管理而逐渐荒废，全世界水族爱好者都在探寻人工模拟小型海洋生态系统的方法。

一、研究思路

1.发现问题

学校现有大型水族箱因无人管理已经荒废。

2.课题化

将实际问题（水族箱荒废）转化为课题（人工模拟小型海洋生态系统）。

3.制订计划

第一阶段：收集资料；

第二阶段：制定计划；

第三阶段：实施计划；

第四阶段：分析总结。

4.解决问题

经过综合治理，水族箱已形成较稳定的小型生态系统。

二、生态系统各部分组成

1.非生物因素

（1）温度

水族箱中确定的大部分生物适应温度处于20摄氏度至24摄氏度之间，因此在青岛地区无需考虑制冷问题。通过加装1000瓦特功率的加热棒，并配合使用微电脑智能温度控制系统，可将水体温度稳定控制在22摄氏度至24摄氏度之间。

（2）盐度

水族箱内生物为海水生物，所需盐度为1.024，通过换水，添加海水素等方式逐步调节盐度，使之达到预期值。

（3）酸碱度

通过加入水质稳定剂，有效稳定水体酸碱度，pH值由弱酸性改变至中性。

2.生物因素

（1）生产者——红泥藻

红泥藻在生物分类中属于原核生物界中的蓝绿藻门，在地球上已经存在超过35亿年，遍布地球上任何角落。养分的多寡、光线的强弱及光谱等均为影响颜色的因素。从另一个角度来看，蓝绿藻中有叶绿素、藻蓝素、藻红素等，会影响其颜色呈现的主要就是藻红素的多寡。蓝绿藻所能吸收利用的食物种类很广，所有无机盐（PO4,NO3,NH4等）及有机物都能被其吸收转换成能源。但是这种生物在藻类及植物出现后，生存竞争下通常只会出现在有机溶解物（DOM）高的水域，因为藻类及植物对无机盐的吸收更有效率，相反的蓝绿藻通常会在有机溶解物过剩的水中大量繁殖，蓝绿藻通常也是用来判断水中有机污染的指标生物，有机污染物多时，藻类与植物也会无法存活，因为水中的毒性太强了。蓝绿藻的这种特性很像异营菌类，能将有机物分解转换成无机盐类。菌类无法再使用无机盐类，但是这种生物可以继续利用。因此，当水中有机溶解物已经短缺时，这种生物还能活上很久，直到养分被其他生物吸收完毕为止（蓝绿藻不是直接进食有机物，而是将其分解成无机物后再吸收利用）。而当水中缺乏氮素时，蓝绿藻还可以将水中溶解的氮气（N2）转换成NH4（固氮作用），以形成其快速繁殖所需的养分。当蓝绿藻缺乏某些元素时都有能力寻找其他替代元素，因此生存能力、环境适应力与繁殖力极强。光照的长短、波长都会影响蓝绿藻的生存，强光下一般都会被藻类等生物所占据，因此弱光中较容易看到这类生物。而影响最大的首推波长的影响。一般来说，在波长560nm以下的蓝光、绿光、紫光对其光合作用没有助益，560nm~700nm之间的光照只要一点点就足以让这类生物暴增，长光照对蓝绿藻的生命周期延续有很大的影响，24h的光照下生长最旺，蓝绿藻每20分钟分裂一次，24小时后就会有2^72（2的72次方）个个体，大概是4.7*10^21个，这种分裂速度实在太恐怖了！在每日只有8~10小时的光照下较不会形成其生长优势，较能维持缸中的生态平衡。

红泥藻绝大多数的情形下只会出现在水流缓慢的地方。其实在水流强的地方依旧能生长，水流缓慢的地区代表该处容易形成有机物沉积区，这些沉积区提供红泥藻源源不绝的食物来源，因此红泥藻特别喜欢长在水流差的地方。水流还会影响其抗紫外线的能力，因为水流会带走其上方的气泡，这些气泡是帮助其抗紫外线或强光的屏障，不过某些种类却又不受影响。

（2）消费者

①条石鲷。条石鲷主要分布在我国福建、广东、浙江等海水较深的清水、太平洋和印度洋沿岸，大部分栖息在温带、亚热带水域。温热带沿近海鱼类，栖于岩礁区。肉食性，齿锐利，可咬碎贝类或海胆等坚硬的外壳。产下的卵一日半即孵化，幼鱼在大洋中成长，随着海藻漂移。长大后则在海岸边生活，分布于太平洋区。条石鲷体延长而呈长卵圆形，侧扁而高。头小，前端钝尖。吻短，眼大，侧位，上颌达眼之前缘下方。颌齿愈合成鹦鹉喙嘴状，锄骨无齿。前鳃盖骨后缘具锯齿；鳃盖骨上具1扁小棘。体被细小栉鳞，吻部无鳞，颊部具鳞，各鳍基底均被小鳞；背鳍及臀鳍基底均具鳞鞘；侧线完全，与背缘平行。背鳍单一，硬棘部和软条部间具缺刻，硬棘XII，软条数16；臀鳍硬棘III，软条数13；尾鳍内凹形。体黄褐色，含体侧及头部眼带，共有7条黑色横带。胸鳍、腹鳍黑色；余鳍较淡而有黑缘。

②细刺鱼。细刺鱼分布于太平洋区，该物种的模式产地在日本。细刺鱼体呈卵圆形，侧扁。头甚小而眼较大。体金黄色，体侧有4~6条较宽的黑褐色纵带，形成黄黑相间的明显对比。体被小型弱栉鳞，背鳍和臀鳍基部亦被小鳞所形成的鳞鞘。齿刷毛状，尖锐，腭骨一般有齿。鳃膜连合，跨越喉峡部。背鳍硬棘10~11枚、软条17~18枚；臀鳍硬棘3枚、软条14~16枚。侧线鳞片数56至60枚。体长可达16厘米。细刺鱼常三五成群在低潮线下之浅水岩礁或珊瑚礁觅食，一般生活在水深0~10米的水域，很少离岸太远，潮池也可发现其幼鱼。幼鱼以浮游生物为食，成鱼以底栖生物为食，属于近海暖温性鱼类。

③多齿新米虾。多齿新米虾（学名：Neocaridina denticulate），是指虾科新米虾属的一个品种，与其他多种虾类同被称为“黑壳虾”，属于淡水虾，生活在干净的溪流里。常用来被当作清除藻类的虾类，但清藻功力不敌大和藻虾。

（3）分解者

①硝化细菌。硝化细菌属于自养性细菌，包括两种完全不同的代谢群：亚硝酸菌属(nitrosomonas)及硝酸菌属(nitrobacter)，它们包括形态互异的杆菌、球菌和螺旋菌。亚硝酸菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化叶菌属中的细菌。硝酸菌包括硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的细菌。两类菌均为专性好气菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体。大多数为专性化能自养型，不能在有机培养基上生长，例如亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌（Ni-trosospira）、亚硝化球菌（Nitrosococcus）、亚硝化叶菌（Ni-trosolobus）、硝化刺菌（Nitrospina）、硝化球菌（Nitrococcus）等。只有少数为兼性自养型，也能在某些有机培养基上生长，例如维氏硝化杆菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。从形态上看，也有多样，如球形、杆状、螺旋形等，但均为无芽孢的革兰氏阴性菌；有些有鞭毛能运动，如亚硝化叶菌，借周身鞭毛运动；有些无鞭毛不能运动，如硝化刺菌。一般分布于土壤、淡水、海水中，有些菌仅发现于海水中，例如硝化球菌、硝化刺菌。

②亚硝酸细菌（又称氨氧化菌），将氨氧化成亚硝酸。反应式：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+158kcal(660kJ)。硝酸细菌（又称亚硝酸氧化菌），将亚硝酸氧化成硝酸。反应式：HNO2+1/2O2= HNO3,-⊿G=18kcal。这两类菌能分别从以上氧化过程中获得生长所需要的能量，但其能量利用率不高，故生长较缓慢，其平均代时（即细菌繁殖一代所需要的时间）在10小时以上。硝化细菌在自然界氮素循环中具有重要作用。这两类菌通常生活在一起，避免了亚硝酸盐在土壤中的积累，有利于机体正常生长。土壤中的氨或铵盐必须在以上两类细菌的共同作用下才能转变为硝酸盐，从而增加植物可利用的氮素营养。时至今日，人们尚未发现一种硝化细菌能够直接把氨转变成硝酸，所以说，硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。我们知道，亚硝酸对于人体来说是有害的，这是因为亚硝酸与一些金属离子结合以后可以形成亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可以和胺类物质结合，形成具有强烈致癌作用的亚硝胺。然而，土壤中的亚硝酸转变成硝酸后，很容易形成硝酸盐，从而成为可以被植物吸收利用的营养物质。在硝化细菌的作用下，土壤中往往出现较多的酸性物质。这些酸性物质可以提高多种磷肥在土壤中的速效性和持久性，可以防治马铃薯疮痂病等植物病害，甚至可以使碱性土壤得到一定程度的改良。所以说，硝化细菌与人类的关系十分密切。农业上可通过深耕、松土提高细菌活力，从而增加土壤肥力。但硝酸盐也极易通过土壤渗漏进入地下水，成为一种潜在的污染源，造成对人类健康的威胁。因此农业上既可采用深耕、松土的方法提高细菌活力，亦可通过用施入氮肥增效剂（即硝化抑制剂），以降低土壤硝化细菌的活动，减低土壤氮肥的损失和对环境的污染。

三、结论

本文给出了关于在有限封闭水体内形成较稳定且较具观赏性的海洋生态系统的方法。在水温22摄氏度、盐度1.024、每天12小时光照条件下条石鲷、细刺鱼、多齿新米虾在有限封闭水体内形成较稳定且较具观赏性的海洋生态系统，并在人工调节非生物因素的情况下保持其稳定性。