鱼菜共生系统的构建与运行稳定性研究 Study on the Construction and Operational Stability of an Aquaponics System
鱼菜共生系统的构建与运行稳定性研究
Study on the Construction and Operational Stability of an Aquaponics System
学校： 徐州市第一中学
班级： 高一（10）班
组长： 张译心
组员： 朱泓桔 高羽琪 李雨涵
指导教师：孙智文
徐州市第一中学
二〇二六年二月
一、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 |
鱼菜共生系统的构建与运行稳定性研究 |
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课题组成员及情况 |
姓名 |
性别 |
班级 |
职务 |
学号 |
张译心 |
女 |
高一（10）班 |
组长 |
zp01g03n01 |
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朱泓桔 |
女 |
高一（10）班 |
组员 |
zp01g03n04 |
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高羽琪 |
女 |
高一（10）班 |
组员 |
p01g03n03 |
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李雨涵 |
女 |
高一（10）班 |
组员 |
zp01g03n02 |
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指导教师 |
孙智文 |
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课题研究的目的及主要内容 |
目的： 针对全球水资源短缺、化肥污染加剧等环境问题，探究鱼菜共生系统的运行机理与稳定条件，验证鱼-硝化细菌-菜三者协同作用的生态循环机制，为家庭阳台、校园农场等小型场景提供可推广的绿色农业模式。 主要内容： 实验一、探究生存环境（氧气、细菌屋）对硝化细菌降解氨氮效率的影响； 实验二、探究硝化细菌对鱼菜共生系统中植物生长的影响； 实验三、探究鱼菜共生系统中硝化细菌对水环境稳定性和植物生长的影响。 |
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研究假设 |
1.充足的氧气和细菌屋能显著提高硝化细菌降解氨氮的效率； 2.硝化细菌能将鱼粪中的有毒氨氮转化为植物可利用的氮素，促进植物生长； 3.稳定的鱼菜共生系统依赖于鱼-硝化细菌-菜三者协同作用。 |
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研究方法 |
实验法、观察法、对比分析法、数据统计法 |
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研究步骤（各阶段的主要内容和时间安排） |
一、9月1日-9月5日： 领取“科探方舟”实验箱，组建课题小组，加入课题微信群，参加课题第一课，检查实验物资。 二、9月6日-9月10日： 1.登录在线学习平台，完成探究性学习导论课程； 2.学习鱼菜共生系统相关知识，查阅文献资料； 3.制定详细实验方案，完成先备知识学习任务。 三、9月11日-9月30日： 1.完成课题一实验：探究生存环境对硝化细菌降解氨氮效率的影响； 2.记录氨氮、亚硝酸盐变化数据； 3.完成实验报告初稿。 四、10月1日-10月31日： 1.完成课题二实验：探究硝化细菌对植物生长的影响； 2.记录植物株高、鲜重、茎粗等生长指标； 3.完成实验报告初稿。 五、11月1日-11月30日： 1.完成课题三实验：探究鱼菜共生系统整体稳定性； 2.定期检测氨氮、亚硝酸盐、pH值变化； 3.记录植物生长指标，完成实验报告初稿。 六、12月1日-12月15日： 1.整理实验数据，绘制图表； 2.撰写研究报告，制作科学海报； 3.准备PPT，进行预答辩。 七、12月16日-12月20日； 参加成果汇报与表彰。 |
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成果形式 |
研究报告（论文）、科学海报、PPT、实验记录表、活动照片 |
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论证小组意见 |
论证人签名：年月日 |
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二、徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题题目：鱼菜共生系统的构建与运行稳定性研究 |
编号：zp01g03n01 |
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活动时间：11月15日 |
第5次 |
活动地点：生物实验室 |
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指导教师：孙智文 |
班级：高一（10）班 |
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参加活动成员 组内:张译心、朱泓桔、高羽琪、李雨涵 组外:无 |
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活动内容： 1.目的（解决什么问题）：验证鱼菜共生系统中鱼-硝化细菌-菜三者协同作用对水环境稳定性的影响，比较鱼+菜以及鱼+菜+硝化细菌两组条件下氨氮、亚硝酸盐、pH值的变化规律。 2.形式（小组讨论、试验、查阅资料、调查、实地测量）：实验、小组讨论、数据记录、查阅资料。 3.过程：① 检查实验装置：确认三组实验装置（菜组、鱼+菜组、鱼+菜+硝化细菌组）运行正常；② 水质检测：使用氨氮、亚硝酸盐、pH检测试剂，对三组水样进行检测，记录数据；③ 观察记录：观察鱼类活动状态、植物生长情况，拍照记录；④ 小组讨论：对比三组数据变化趋势，分析硝化细菌的作用机制；⑤ 查阅资料：查找硝化细菌转化氨氮的生化原理，验证实验现象。 4.结果（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题）：① 结论：仅鱼+菜+硝化细菌组能使氨氮和亚硝酸盐水平从峰值下降并维持低位平衡；而鱼+菜组两者持续上升。系统的pH在经历初期波动后恢复并稳定，说明系统本身有缓冲能力。② 解决了硝化细菌是否真的能帮鱼净化水质的问题，验证了硝化细菌在系统中的核心作用。③ 完成了预定目标和计划。④ 新问题：实验初期硝化细菌+氧气组处理氨氮速度反而比硝化细菌+细菌屋+氧气组更快，分析原因可能是硝化细菌在细菌屋上定植需要时间（1-2周）。 记录者:张译心 |
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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。
三、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：鱼菜共生系统的构建与运行稳定性研究 |
编号：zp01g03n01 |
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课题组成员 |
组长：张译心 |
组员：朱泓桔、高羽琪、李雨涵 |
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指导教师：孙智文 |
报告执笔人：张译心 |
完成时间：2025年12月20日 |
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主导课程：生物学 |
相关课程：化学、数学 |
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（一）书面材料 |
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课题成果： 1.预期的成果： 成功完成三个实验，验证研究假设，获得鱼菜共生系统稳定运行的关键条件。 2.课题实际取得的成果： 实验一结果：探究生存环境对硝化细菌降解氨氮效率的影响 通过设置对照组、硝化细菌组、硝化细菌+氧气组、硝化细菌+细菌屋组、硝化细菌+细菌屋+氧气组五组实验，连续监测氨氮和亚硝酸盐含量变化，结果如下： v氨氮降解速率：硝化细菌+氧气组>硝化细菌+细菌屋+氧气组>硝化细菌+细菌屋组>硝化细菌组>对照组； v亚硝酸盐生成量：硝化细菌+细菌屋+氧气组>硝化细菌+氧气组>硝化细菌+细菌屋组>硝化细菌组>对照组。 结论：充足的氧气是硝化细菌保持高活性的关键条件，细菌屋为硝化细菌的大量繁殖和定植提供了必要的附着界面。 实验二结果：探究硝化细菌对鱼菜共生系统中植物生长的影响 设置三组实验：鱼粪稀释液组（对照组1）、清水组（对照组2）、鱼粪稀释液+硝化细菌组（实验组），培养20天后测量鸡毛菜生长指标：
结论：硝化细菌通过将鱼粪中的有毒氨氮转化为植物可利用的氮素，有效解除水质胁迫，显著促进了鸡毛菜的生长。 实验三结果：探究鱼菜共生系统中硝化细菌对水环境稳定性和植物生长的影响 设置三组实验：菜组、鱼+菜组、鱼+菜+硝化细菌组，连续监测水质变化，21天后测量植物生长指标： 水质变化： v氨氮浓度：仅鱼+菜+硝化细菌组能从峰值下降并维持低位平衡； v亚硝酸盐浓度：仅鱼+菜+硝化细菌组能从峰值下降并维持低位平衡； vpH值：三组均在初期波动后趋于稳定，说明系统具有缓冲能力。 植物生长指标：
结论：稳定的鱼菜共生系统依赖于鱼-硝化细菌-菜的协同：鱼类提供养分来源，硝化细菌承担净化与转化的核心枢纽，植物完成最终吸收，三者共同实现了系统的生态平衡与高效生产。 |
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参考书目及资料： [1]李珊，曾令洋，张钊等.鱼菜共生的现状与未来发展路径[M].耕作与栽培, 2025，45（12）：57-63. [2]陆喜瞻,张静涵，苏宁等. 鱼菜共生系统下种养密度对泥鳅生长、生菜产量及经济效益的影响[J].上海农业科技, 2025, (06):87-91. [3] 徐睿，高上，李森等.鱼菜共生智慧化系统：可持续高密度水产养殖与种植的新范式[J].中国水产, 2025,(09):46-47. [4] Dinev T, Velichkova K, Stoyanova A,et al.Microbial Pathogens in Aquaponics Potentially Hazardous for Human Health.Microorganisms[J]. 2023,11(12):2824. [5]Wirza R, Nazir S.Urban aquaponics farming and cities- a systematic literature review.Rev Environ Health[J].2020,36(1):47-61. |
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附录材料： 实验过程与装置实景记录（3）份；科学海报（1）份 |
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（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等
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（三）演示课题成果所需条件： 需要多媒体设备播放PPT；需要展板展示科学海报；如果可行，需要实物展示台展示鱼菜共生系统模型。 |
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四、鱼菜共生系统的构建与运行稳定性研究
徐州市第一中学高一（10）班张译心、朱泓桔、高羽琪、李雨涵
【摘要】：面对全球水资源短缺、化肥污染加剧及粮食安全压力等挑战，鱼菜共生作为一种资源节约型、环境友好型的循环农业模式，具有重要的现实意义。本研究依托“科探方舟”平台，通过三个递进实验，系统探究鱼菜共生系统的运行机理与稳定条件，为小型化、都市化场景下的绿色农业实践提供科学依据。实验一探究生存环境对硝化细菌降解氨氮效率的影响，发现充足的氧气是硝化细菌保持高活性的关键条件，细菌屋为其提供附着界面；实验二探究硝化细菌对植物生长的影响，证实硝化细菌能将鱼粪中的有毒氨氮转化为植物可利用的氮素，显著促进鸡毛菜生长；实验三探究系统整体稳定性，验证了鱼-硝化细菌-菜三者协同作用对水环境稳定和植物生长的促进作用。研究表明，稳定的鱼菜共生系统依赖于三者的动态平衡，为家庭阳台、校园农场等小型场景提供了可推广的绿色农业模式，也为都市农业和低碳生活提供了实践参考。
【关键词】：鱼菜共生；硝化细菌；氨氮降解；水质稳定；生态循环
1.研究背景
水资源短缺与化肥污染是当今全球农业面临的两大挑战。传统农业生产模式耗水量大、化肥使用率高，导致水资源浪费和面源污染问题日益严重。鱼菜共生作为一种将水产养殖与水耕栽培相结合的循环农业模式，通过硝化细菌的转化作用，将鱼类代谢废物转化为植物可吸收的营养物质，同时净化水质回流至鱼缸，实现零排放生产。该模式可节约90%的用水量，减少化学污染，契合绿色农业发展趋势，是应对全球粮食安全、城市可持续发展、碳中和目标等重大议题的潜在解决方案之一。
鱼菜共生系统的核心在于维持鱼-硝化细菌-菜三者的动态平衡。硝化细菌作为连接鱼类与植物的枢纽，其活性直接影响系统的稳定性。硝化细菌将鱼类排泄产生的有毒氨氮（NH₃/NH₄⁺）转化为亚硝酸盐（NO₂⁻），再进一步转化为硝酸盐（NO₃⁻），后者是植物易于吸收的氮素形态。然而，硝化细菌的生长繁殖受多种环境因素影响，如溶氧量、附着基质、温度、pH等。
本研究依托“科探方舟”微型实验室平台，通过三个递进实验，系统探究硝化细菌在鱼菜共生系统中的关键作用及其影响因素，旨在为小型鱼菜共生系统的构建与稳定运行提供科学依据和实践指导。
2材料与方法
2.1 实验材料
v生物材料：1-3cm小型鱼类（斑马鱼）、鸡毛菜种子、硝化细菌培养液
v实验耗材：晾晒两到三天的自来水、鱼类稀释液、细菌屋
v实验仪器：水质测试工具（氨氮、亚硝酸盐、pH检测试剂）、氧气泵、500ml塑料杯、2000ml塑料桶、电子秤、直尺、培养皿
2.2 实验方法
2.2.1 实验一：探究生存环境对硝化细菌降解氨氮效率的影响
实验步骤：
v配制鱼粪稀释液：用量具准确量取4L处理后的自来水，缓慢滴入12滴鱼粪浓缩液，检测初始氨氮与亚硝酸盐含量。
v分组设置：将鱼粪稀释液注入培养杯中，分为5组——对照组（无添加）、硝化细菌组、硝化细菌+氧气组、硝化细菌+细菌屋组、硝化细菌+细菌屋+氧气组。
v数据记录：每隔24小时检测各组培养液的氨氮与亚硝酸盐含量，连续监测7天。
2.2.2 实验二：探究硝化细菌对鱼菜共生系统中植物生长的影响
实验步骤：
v配制鱼粪稀释液，准备1.5L晾晒自来水备用。
v种子催芽：将鸡毛菜种子浸泡催芽24小时。
v选苗移栽：选择长势一致的幼苗移入定制培养栏。
v分组设置：设置3组——鱼粪稀释液组（对照组1）、清水组（对照组2）、鱼粪稀释液+硝化细菌组（实验组）。
v培养管理：连接气泵，保证溶氧充足，培养20天。
v数据记录：测量各组植物的株高、鲜重、茎粗。
2.2.3实验三：探究鱼菜共生系统中硝化细菌对水环境稳定性和植物生长的影响
实验步骤：
v养殖鱼类：将斑马鱼驯养于晾晒自来水中，稳定3天。
v分组设置：设置3组——菜组（仅种植鸡毛菜）、鱼+菜组（养鱼+种菜）、鱼+菜+硝化细菌组（养鱼+种菜+添加硝化细菌）。
v水质监测：每3天测量各组水体的氨氮、亚硝酸盐、pH值，连续监测21天。
v植物测量：生长21天后，取出植物测量鲜重、株高、茎粗并记录。
3结果与分析
3.1实验一结果：生存环境对硝化细菌降解氨氮效率的影响
氨氮浓度变化（图1）：
v硝化细菌+氧气组氨氮降解速率最快，46h后氨氮浓度降至初始值的20%。
v硝化细菌+细菌屋+氧气组次之，96h降至初始值的25%。
v对照组氨氮浓度下降最慢，第7天仍保持与初始值接近。
图1 不同处理下氨氮浓度变化曲线
亚硝酸盐浓度变化（图2）：
v硝化细菌+细菌屋+氧气组亚硝酸盐生成量最多，峰值出现在第5天。
v硝化细菌+氧气组次之，峰值出现在第4天。
v对照组亚硝酸盐生成量最少，全程维持在较低水平。
图2 不同处理下亚硝酸盐浓度变化曲线
分析：
实验初期（1-3天），硝化细菌+氧气组处理氨氮速度反而比硝化细菌+细菌屋+氧气组更快，这是因为硝化细菌在细菌屋上定植、形成生物膜需要一定时间（1-2周）。在定植完成前，漂浮在水中的细菌能更快接触到污染物。待细菌屋定植完成后，其处理效率显著提升。
结论：充足的氧气是硝化细菌保持高活性的关键条件，细菌屋为硝化细菌的大量繁殖和定植提供了必要的附着界面。
3.2实验二结果：硝化细菌对植物生长的影响
表1不同处理下鸡毛菜生长指标对比
组别 |
平均株高（cm） |
平均鲜重（g） |
平均茎粗（mm） |
鱼粪稀释液组 |
8.2 |
1.21 |
1.8 |
清水组 |
6.5 |
0.85 |
1.4 |
鱼粪稀释液+硝化细菌组 |
11.6 |
1.98 |
2.3 |
分析：
鱼粪稀释液+硝化细菌组的各项生长指标均显著优于其他两组，株高较鱼粪稀释液组提高41.5%，鲜重提高63.6%，茎粗提高27.8%。清水组各项指标最低，说明单纯清水无法提供植物生长所需养分。鱼粪稀释液组虽然含有鱼粪中的有机物，但由于氨氮的毒性胁迫，植物生长受到抑制。
结论：
硝化细菌通过将鱼粪中的有毒氨氮转化为植物可利用的氮素，有效解除水质胁迫，显著促进了鸡毛菜的生长。
3.3实验三结果：鱼菜共生系统整体稳定性
3.3.1水质变化分析
氨氮变化（图3）：
v鱼+菜+硝化细菌组：氨氮浓度在第7天达到峰值（0.8mg/L），之后迅速下降，第15天后稳定在0.2mg/L以下
v鱼+菜组：氨氮浓度持续上升，第21天达到2.5mg/L
v菜组：氨氮浓度始终维持在0.1mg/L以下
图3 三组处理下氨氮浓度变化曲线
亚硝酸盐变化（图4）：
v鱼+菜+硝化细菌组：亚硝酸盐浓度在第9天达到峰值（0.78mg/L），之后下降，第21天后稳定在0.2mg/L以下
v鱼+菜组：亚硝酸盐浓度持续上升，第16天达到1.1mg/L
v菜组：亚硝酸盐浓度始终维持在0.05mg/L以下
图4三组处理下亚硝酸盐浓度变化曲线
pH变化（图5）：
三组pH值在实验过程中均出现小幅波动（6.8-7.5），之后趋于稳定（7.0-7.3），说明系统具有一定的缓冲能力。
图5三组处理下pH变化曲线
3.3.2植物生长分析（表2）
表2不同处理下鸡毛菜生长指标对比
组别 |
平均鲜重（g） |
平均株高（cm） |
平均茎粗（mm） |
菜组 |
1.85 |
12.4 |
2.1 |
鱼+菜组 |
2.12 |
11.8 |
2.3 |
鱼+菜+硝化细菌组 |
2.56 |
12.1 |
2.6 |
分析：
鱼+菜+硝化细菌组的平均鲜重和茎粗最优，分别比菜组提高了38%和24%。鱼+菜组的株高略低于菜组，可能是因为水体中氨氮积累对植物产生了一定胁迫。菜组株高最高，但鲜重和茎粗较低，说明缺乏养分供应，植株徒长。
结论：
稳定的鱼菜共生系统依赖于鱼-硝化细菌-菜的协同作用。鱼类提供养分来源，硝化细菌承担净化与转化的核心枢纽，植物完成最终吸收，三者共同实现了系统的生态平衡与高效生产。
4讨论
4.1硝化细菌的作用机制再认识
本研究表明，硝化细菌在鱼菜共生系统中的核心作用不是“施肥”，而是“解毒”。鱼粪不能直接用于种菜，因其含有的氨氮对植物具有毒性，高浓度会“烧坏”植物根系，抑制其生长。硝化细菌的真正价值在于将这些有毒的氨氮转化为植物可吸收的硝酸盐营养液，通过改善水质为植物创造安全的生长环境。
4.2系统平衡的关键因素
鱼菜共生系统如一台精密仪器，需要平衡搭配。本研究发现，系统中鱼-菌-菜三者的数量必须匹配：养鱼数量过多会导致氨氮产生量超过硝化细菌的处理能力，系统崩溃；细菌屋体积过小会导致硝化细菌定植空间不足，处理效率降低；植物数量过少会导致硝酸盐积累，影响水质。因此，喂多少鱼→配多大细菌屋→种多少菜，三者必须科学匹配。
4.3实验中发现的问题与改进
问题：实验初期硝化细菌+氧气组处理氨氮速度反而比硝化细菌+细菌屋+氧气组更快。
原因分析：硝化细菌在细菌屋上定植、形成生物膜需要1-2周的定植时间。在定植完成前，漂浮在水中的细菌能更快接触到污染物。
改进措施：
v提前培育：正式实验前，将细菌屋在硝化菌液中预运行一周，为细菌提前定植
v预留缓冲：在投入鱼类后，设置1-2周系统稳定期，待水质平稳后再开始观测记录
v优化匹配：进一步探究鱼类投喂量、滤材与植物数量的最佳比例，提升系统效率
5结论
本研究通过三个递进实验，系统探究了鱼菜共生系统的构建与运行稳定性，得出以下主要结论：
5.1.充足的氧气是硝化细菌高效降解氨氮的关键条件，细菌屋为其提供了大量附着界面，是维持其高活性菌群稳定的基础。
5.2.硝化细菌通过将鱼粪中的有毒氨氮转化为植物可利用的氮素，有效解除水质胁迫，显著促进鸡毛菜的生长。
5.3.稳定的鱼菜共生系统依赖于鱼-硝化细菌-菜的协同作用：鱼类提供养分来源，硝化细菌承担净化与转化的核心枢纽，植物完成最终吸收，三者共同实现了系统的生态平衡与高效生产。
5.4.小型鱼菜共生系统展现出了卓越的可行性，实现了水资源循环利用与废弃物零排放，无需化肥农药，展现出节水、环保、节能的独特优势。
6展望
6.1应用场景拓展
鱼菜共生系统具有广阔的推广应用前景，不仅是家庭阳台、校园农场的理想选择，更是未来都市农业、社区农业、低碳生活的重要实践路径，具有显著的社会推广价值。具体而言，可从以下三个主要场景进行拓展：
v家庭阳台：打造迷你菜园，实现家庭蔬菜自给。
v校园劳动实践基地：作为跨学科教学案例，融合生物、化学、数学、环境科学等知识。
v社区农业：在社区闲置空间建设小型鱼菜共生系统，促进邻里交流与绿色生活。
6.2后续研究方向
v品种拓展：尝试种植不同蔬菜（如番茄、生菜、草莓）、搭配不同鱼类（如罗非鱼、锦鲤），探索系统潜力。
v参数优化：深入研究鱼菜比例、投喂量、滤材体积的最佳配比。
v自动化控制：探索传感器与自动控制系统在水质监测与调控中的应用。
v经济效益分析：评估小型鱼菜共生系统的投入产出比，为推广提供经济依据。
参考文献
[1]李珊，曾令洋，张钊等.鱼菜共生的现状与未来发展路径[M].耕作与栽培, 2025，45（12）：57-63.
[2]陆喜瞻,张静涵，苏宁等.鱼菜共生系统下种养密度对泥鳅生长、生菜产量及经济效益的影响[J].上海农业科技, 2025, (06):87-91.
[3]徐睿，高上，李森等.鱼菜共生智慧化系统：可持续高密度水产养殖与种植的新范式[J].中国水产, 2025,(09):46-47.
[4] Dinev T, Velichkova K, Stoyanova A,et al.Microbial Pathogens in Aquaponics Potentially Hazardous for Human Health.Microorganisms[J]. 2023,11(12):2824.
[5]Wirza R, Nazir S.Urban aquaponics farming and cities- a systematic literature review.Rev Environ Health[J].2020,36(1):47-61.
[6]肖玉林，刘培钦，贾程豪等.鱼菜共生系统的研究进展[J].贵州农业科学，
2025，53（10）：62-71.
[7]周金成，范俊俊，郝振萍等.鱼菜共生技术在乡村旅游产业中的应用前景[J].安徽农学通报，2023，29（10）：169-173.
附录1：实验过程与装置实景记录
附图1-1实验一五组装置对比图：
附图1-2实验二鸡毛菜生长过程记录
附图1-3实验三鱼菜共生系统整体运行状态
附录2：科学海报
