1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

课题名称	鱼菜共生
课 题 组 成 员 及 有 关 情 况	姓名	性别	班级	职务	学号
	戚书颜	女	高一9	组长	Zp01g02n04
	王馨阳	女	高一9	组员
	贾潇若	女	高一9	组员
	张诗苒	女	高一9	组员
	王子扬	女	高一9	组员
	指导教师	孙智文
课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容	目的： 亲手搭建并维持一个稳定运行的鱼菜共生微型生态系统，理解自然界物质循环（氮循环）的基本原理 主要内容： 实验一、探究生存环境对硝化细菌降解氨氮效率影响 实验二、硝化细菌对鱼菜共生系统中植物生长影响 实验三、建立一个完整鱼菜共生系统，观察生存和稳定时间
研 究 假 设	1、系统稳定性假设： 鱼菜共生系统启动后，氨氮与亚硝酸盐浓度将先后出现峰值后回落，硝酸盐浓度持续上升，表明硝化系统成功建立。 2、鱼类健康假设： 在水质指标（氨氮<0.5mg/L，亚硝酸盐<0.2mg/L）稳定范围内鱼类存活率可达90%以上，且摄食行为与水温呈正相关。
研 究 方 法	实验、查找资料。
研 究 步 骤 （各 阶 段 的 主 要 内 容 和 时 间 安 排）	一 、8月22日-8月25日 领取科学盒子和科学海报 录制开箱视频，拍摄开箱照片   二、8月26日-8月27日 领取姓名专属条码，加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课   ，检查物资。 三、8月29日-9月10日 1. 登录在线学习平台 2. 完成探究性学习导论，合作讨论课程学习； 3. 完成先备知识课程学习和课题任务的节点任务提交；   4. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交；   5. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、9月11日-9月12日 1. 进行课题研究进展汇报 2. 成果制作指导课程学习 五、9月13日-9月18日 成果制作和修改 六、9月14日-9月28日 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、9月底 闭幕式，进行成果的汇报与表彰
成 果 形 式	PPT,论文
论 证 小 组 意 见	论证人签名：   年 月 日

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

题目： 鱼菜共生系统生存和稳定性					编号：
课题组成员	组长：戚书颜			组员：王子扬、贾潇若、王馨阳、张诗苒
指导教师：孙智文		报告执笔人： 戚书颜			完成时间：9月28日
主导课程：跨学科综合实践课程			相关课程：生物学
（一）书面材料
课题成果： 1） 预期的成果： 三个实验均成功，符合预定推测。 2） 课题实际取得的成果：   实验一结果：通过课题一实验通过以上实验，可知在相同的自然条件下， 硝化细菌最需要的是氧气，其次是细菌层（附着场所）。 实验二结果：硝化细菌组的植物生长状况显著优于两个对照 实验三结果：通过实验，鱼菜共生系统运行稳定，实现了“鱼粪→微生物转化→植物吸收→清水回鱼缸”的完整物质循环，验证了项目的可行性。
参考书目及资料：孙锐康,付京花,徐民俊.鱼菜共生复合系统研究进展[J].中国农业科技导报,2023,25(9):131 - 140.
附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份  访谈表（ ）份  实验记录（   ）份 调查表（ ）份 测量数据记录（ ）份
（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等    编号：   名称：   制作者：   内容： 功能：
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）：

4.鱼菜共生系统中硝化细菌作用与系统构建的实践研究

徐州市第一中学高一9班 戚书颜、王子扬、王馨阳、张诗苒、贾潇若

【摘要】

 本实验通过三个递进式探究，系统研究了硝化细菌在鱼菜共生系统中的关键作用及完整系统的构建。实验一探究了不同环境条件（氧气、附着层）对硝化细菌降解氨氮效率的影响，结果表明“硝化细菌+细菌层+氧气组”的氨氮降解效率最高，144小时降解率达99%；实验二对比了有无硝化细菌对植物生长的影响，结果显示添加硝化细菌组的植物平均鲜重是对照组的2.38倍；实验三综合运用前序成果，成功搭建并运行了一套完整的鱼菜共生系统，实现了“鱼-微生物-植物”的稳定物质循环。本研究验证了硝化细菌是鱼菜共生系统的核心驱动者，为校园开展此类跨学科实践提供了科学依据和实操参考。

关键词： 鱼菜共生；硝化细菌；氨氮降解；植物生长；氮循环

一、研究背景

鱼菜共生是一种将水产养殖（养鱼）与水耕栽培（种菜）相结合的循环农业模式。其核心原理是：鱼类代谢产生的氨氮（有毒）经硝化细菌转化为硝酸盐（无毒、植物可吸收），植物吸收硝酸盐实现生长，同时净化水体回流至鱼缸，形成“鱼-微生物-植物”的协同共生系统。

然而，在实际操作中，我们面临两大问题：一是硝化系统建立缓慢甚至失败，导致氨氮积累、鱼类死亡；二是植物生长不良，无法有效吸收养分。因此，探究硝化细菌的作用机制及如何构建高效稳定的系统，是本研究的核心问题。

本实验分为三个部分：

实验一： 探究氧气和附着层对硝化细菌降解氨氮效率的影响

实验二： 验证硝化细菌对鱼菜共生系统中植物生长的促进作用

实验三： 综合运用前序成果，搭建完整的鱼菜共生系统

二、实验材料

（一）通用器材名称 规格/型号 用途

水质检测试剂盒 氨氮、亚硝酸盐、pH 水质监测

电子天平 精度0.01g 称量植物鲜重

游标卡尺 精度0.01mm 测量茎粗

直尺 30cm 测量株高

记录本 - 数据记录

（二）实验一专用材料

名称 规格 数量

锥形瓶 500mL 15个

硝化细菌液 市售 1瓶

氨氮标准液 1000mg/L 1瓶

增氧泵 小型 3台

细菌层载体 生化棉/陶粒 若干

去氯水 - 足量

（三）实验二专用材料

名称 规格 数量

生菜幼苗 株高70mm 15株

种植容器 1L 15个

营养液（鱼水） 取自鱼缸 足量

硝化细菌液 同实验一 1瓶

（四）实验三专用材料

名称 规格 数量

鱼缸 50L 1个

种植床 40L整理箱 1个

潜水泵 300L/h 1台

PVC管路 20mm 若干

虹吸装置 自制 1套

陶粒 5-10mm 30L

生化滤材 细菌屋、生化棉 若干

金鱼 体长5cm 2条

生菜苗 5cm高 4株

空心菜苗 6cm高 4株

三、研究过程与详细步骤

实验设计

设置5个组别，每组3个平行样，连续监测144小时氨氮和亚硝酸盐浓度

实验一：生存环境对硝化细菌降解氨氮效率影响

组别	硝化细菌	氧气(增氧泵)	细菌层(载体)
对照组	否	否	否
硝化细菌组	是	否	否
硝化细菌+氧气组	是	是	否
硝化细菌+细菌层组	是	否	是
硝化细菌+细菌层+氧气组	是	是	是

实验步骤

1. 准备阶段： 取15个500mL锥形瓶，编号1-5组（每组3个平行），各加入400mL去氯水。

2. 初始调节： 向每瓶加入氨氮标准液，使初始氨氮浓度均为2.00mg/L；加入微量亚硝酸盐（0.05mg/L）作为基线。

3. 变量添加：

第2-5组：每瓶加入等量硝化细菌液5mL

第3、5组：放入增氧泵气管，持续曝气

第4、5组：放入等量细菌层载体（生化棉块）

4. 监测记录： 于0h、24h、48h、72h、96h、120h、144h分别取样，检测氨氮和亚硝酸盐浓度。

5. 数据整理： 计算每组平均值，绘制变化曲线。

实验二：硝化细菌对鱼菜共生系统中植物生长影响

实验设计

设置3个组别，每组5株生菜幼苗，培养周期15天。

组别	编号	培养液	硝化细菌
对照组1	苗1-5	鱼缸水（含鱼粪）	否
对照组2	苗1-5	鱼缸水（含鱼粪）	否
硝化细菌组	苗1-5	鱼缸水（含鱼粪）	是

实验步骤

1. 准备阶段： 选取15株长势一致的生菜幼苗（初始株高70mm，茎粗0.05mm，鲜重0.05g），编号分组。

2. 移栽： 将幼苗分别移栽至装有1L鱼缸水的种植容器中，水培固定。

3. 变量添加： 硝化细菌组每容器加入5mL硝化细菌液；对照组不加。

4. 日常管理： 所有组别置于相同光照、温度条件下，每天补充蒸发水分，不更换营养液。

5. 数据测量： 第15天收获，测量每株的茎粗、株高、鲜重。

6. 数据分析： 计算各组平均值，对比生长差异。

实验三：鱼菜共生系统综合搭建与运行验证

实验设计

综合运用前序实验结论，搭建一套完整的媒体床式鱼菜共生系统，运行25天，监测水质变化和生物生长。

搭建步骤

第1-2天：系统搭建

1. 组装结构： 将鱼缸置于下层，种植床置于上层（需加固承重）。

2. 安装管路：

水泵放入鱼缸，出水管连接至种植床顶部

种植床底部安装虹吸装置（“潮汐式”排水），出水口引回鱼缸

3. 填充滤材： 鱼缸内放置生化棉、细菌屋；种植床填充陶粒（厚20-25cm）

4. 注水调试： 向鱼缸注水至满，启动水泵，检查管路是否漏水，调试虹吸装置使其每30分钟左右自动排水一次

5. 空运行： 系统空运行2天，去除杂质，稳定水流

第3天：引入鱼类

1. 养水： 放入2条金鱼，投喂少量鱼食，开始“养水”（培养硝化细菌）

第3-17天：硝化系统建立期

1. 每日检测： 检测水质（氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、pH），记录数据

2. 2. 日常维护： 每天投喂1次（少量），观察鱼的状态

第18天：移栽植物

1. 种植： 待水质稳定（氨氮<0.5mg/L），在种植床陶粒中移栽生菜4株、空心菜4株

第18-25天：系统运行期

1. 持续监测： 继续每日检测水质，每周测量鱼体长、植物株高

2. 收获： 第25天收获部分蔬菜，称量产量

四、结果与分析

实验一结果：生存环境对硝化细菌降解氨氮效率影响

表1 各组氨氮浓度变化 (单位：mg/L)

组别 0h 24h 48h 72h 96h 120h 144h

1对照组 2.00 1.98 1.95 1.93 1.90 1.88 1.86

2硝化细菌组 2.00 1.80 1.50 1.10 0.75 0.45 0.25

3硝化细菌+氧气组 2.00 1.60 1.10 0.60 0.25 0.10 0.05

4硝化细菌+细菌层组 2.00 1.70 1.35 0.95 0.60 0.35 0.15

5硝化细菌+细菌层+氧气组 2.00 1.50 0.90 0.40 0.15 0.05 0.02

表2 各组144小时氨氮降解率

组别 氨氮剩余量 降解率 排名

1对照组 1.86 7% 5

2硝化细菌组 0.25 87.5% 4

3硝化细菌+氧气组 0.05 97.5% 2

4硝化细菌+细菌层组 0.15 92.5% 3

5硝化细菌+细菌层+氧气组 0.02 99% 1

表3 亚硝酸盐峰值对比 (单位：mg/L)

组别 峰值浓度 出现时间 144h浓度

2硝化细菌组 0.95 96h 0.60

3硝化细菌+氧气组 0.75 48h 0.10

5硝化细菌+细菌层+氧气组 0.70 48h 0.08

实验一分析

1. 氧气是关键因素： 对比第2、3组，提供氧气的第3组氨氮降解率（97.5%）显著高于无氧的第2组（87.5%）。硝化作用是严格的好氧过程，氧气是硝化细菌进行能量代谢的必要条件。

2. 附着层提升效率： 对比第2、4组，添加细菌层的第4组降解率（92.5%）高于无附着层的第2组（87.5%）。细菌层为硝化细菌提供了稳定的附着场所，形成生物膜，增强了细菌活性和抗冲击能力。

3. 最优条件组合： 第5组（硝化细菌+细菌层+氧气）表现最佳，144小时氨氮降解率达99%，亚硝酸盐积累最少（峰值0.70mg/L，144h降至0.08mg/L）。说明氧气和附着层具有协同增效作用。

4. 亚硝酸盐转化： 第2组因条件不佳，亚硝酸盐大量积累（峰值0.95mg/L）且转化缓慢；而氧气充足的3、5组，亚硝酸盐峰值更低且下降更快，证明完整硝化过程需要充足能量。

实验二结果：硝化细菌对植物生长影响

表4 各组植物生长指标对比

组别 平均茎粗(mm) 平均株高(mm) 平均鲜重(g)

对照组1 0.062 81.2 0.062

对照组2 0.064 82.4 0.064

硝化细菌组 0.120 118.8 0.150

表5 硝化细菌组与对照组对比（倍数）

指标 对照组平均值 硝化细菌组 增长倍数

茎粗 0.063 mm 0.120 mm 1.9倍

株高 81.8 mm 118.8 mm 1.45倍

鲜重 0.063 g 0.150 g 2.38倍

实验二分析

1. 对照组分析： 两个对照组的植物生长缓慢，各项指标增长微弱。原因是系统中虽然有鱼粪提供的氨氮，但缺乏硝化细菌将其转化为植物可直接吸收的硝酸盐，植物处于“氮饥饿”状态。

2. 硝化细菌组分析： 添加硝化细菌的实验组，植物生长显著优于对照组。硝化细菌将有毒氨氮转化为硝酸盐，为植物提供了充足的氮素养分，从而极大促进生长。

3. 结论： 在鱼菜共生系统中，硝化细菌是决定植物生长效率的关键因素。它通过驱动氮循环，将动物蛋白中的废物转化为植物营养，实现了资源的循环利用。

实验三结果：完整鱼菜共生系统运行

表6 水质变化记录

时间 pH值 氨氮(mg/L) 亚硝酸盐(mg/L) 硝酸盐(mg/L) 阶段

第1天 7.5 0 0 0 清水启动

第3天 7.4 0.5 0 0 放入2条金鱼

第7天 7.2 1.5(峰值) 0.3 5 氨氮达峰

第12天 7.0 0.3 1.2(峰值) 15 亚硝酸盐达峰

第18天 6.8 0.1 0.2 30 移栽植物

第25天 6.7 0 0.1 45 系统稳定

表7 生物生长记录

生物 初始状态 第25天状态 变化

金鱼(2条) 体长5cm/条 体长5.8cm/条 增长16%

生菜(4株) 苗高5cm 苗高22cm，已采收 增长340%

空心菜(4株) 苗高6cm 苗高35cm，已采收2次 增长483%

表8 系统稳定性指标

指标 结果

鱼类存活率 100% (2条全部存活)

系统运行天数 25天（持续稳定）

水质达标天数 第18天后持续达标

实验三分析

1. 硝化系统建立规律：

氨氮在第7天达到峰值1.5mg/L，随后下降

亚硝酸盐在第12天达到峰值1.2mg/L，随后下降

第18天后两项指标均降至安全范围，硝化系统成功建立

硝酸盐持续积累至45mg/L，为植物提供养分

2. 生物生长验证：

鱼类存活率100%，体长增长16%，说明水质安全

蔬菜生长旺盛，生菜340%、空心菜483%的增长，证明硝酸盐供应充足

空心菜生长快于生菜，可多次采收，适合鱼菜共生系统

3. 系统稳定性： 成功运行25天且持续稳定，验证了实验一、二的结论在实际系统中的应用价值。

五、结论

通过三个递进式实验，本研究得出以下结论：

1. 硝化细菌的最佳生存条件（实验一）

硝化细菌降解氨氮需要氧气和附着层的共同作用

最优组合“硝化细菌+细菌层+氧气”的144小时氨氮降解率达99%

单独使用硝化细菌效率较低，且会导致亚硝酸盐大量积累

2. 硝化细菌对植物生长的促进作用（实验二）

添加硝化细菌可使植物鲜重增加2.38倍，株高增加1.45倍

硝化细菌将氨氮转化为植物可吸收的硝酸盐，是连接“鱼”与“菜”的核心桥梁

缺乏硝化细菌的系统，植物处于“氮饥饿”状态，生长受限

3. 完整系统的构建与运行（实验三）

成功搭建并运行了一套稳定的鱼菜共生系统，验证了前序实验结论

系统经历了“氨氮峰值→亚硝酸盐峰值→硝酸盐积累”的典型硝化建立过程

鱼类存活率100%，蔬菜产量增长340%-483%，实现了“鱼-微生物-植物”的协同共生

4. 综合结论

鱼菜共生系统的核心是硝化细菌驱动的氮循环。构建高效系统需要：

提供充足氧气（增氧泵或水流曝气）

提供附着场所（陶粒、生化棉等滤材）

耐心等待硝化系统建立（约2-3周）

保持适量生物负载（鱼与菜的比例平衡）

本研究为校园开展鱼菜共生实践活动提供了完整的科学依据和实操指南，也为探索可持续农业模式积累了有益经验。

参考文献

[1] 刘鹰. 循环水养殖系统工程[M]. 北京: 海洋出版社, 2017.

[2] Rakocy, J.E. Aquaponics: Integrating Fish and Plant Culture[M]. 2012.

[3] 陈家长. 水产养殖水质调控技术[M]. 北京: 中国农业出版社, 2015.

[4] 王武. 鱼类营养与饲料学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2018.