笔者所在学校开设有生态缸设计与制作实践课程，据此各班均成立研究小组，其任务是完成从构建到长期维护生态系统平衡的全过程，需要投入大量的人力与物力。经师生长期观察发现，生态平衡常因某些物种的爆发性增长而被破坏，其中约60%以上生态缸系统的崩溃是由生产者——水绵的过度繁殖所致。一旦生态缸遭受水绵污染，其生长速度非常快，会迅速覆盖水面导致水体缺氧，同时水绵在腐败时会分解产生大量氨氮类物质，使得水质变差，通常在一至数月内即可导致缸内动植物死亡，从而使得生态系统完全崩溃。
目前，常见的水绵防治方法有3类：物理法、化学法与生物法。以“水绵净”为代表的化学药剂副作用强，其成分与除草剂类似，对鱼虾等水生生物具有毒害作用，同时会杀害其他景观水草，存在化学残留风险并污染水环境，因而不是生态缸治理水绵的首选；生物法一般是引入食用水绵的水生生物，但这些生物往往会对观赏鱼类造成干扰的同时，也会啃食布景的水草。
某小组从“流水不腐，户枢不蠹”中获得灵感，决定改进生态缸的水循环系统，设计出一套3D立体水循环系统。该系统能够有效过滤水质并提高水流速度，对水绵丝状体施加机械力，既破坏其结构，又干扰丝状体生长繁殖，并抑制水绵根状体的附着与贴壁生长，能及时收集并清除被打碎的水棉。该物理法在防治水绵污染方面效果显著，能有效减少厌氧菌的增长，改善水质。实践表明，该循环系统可以使生态缸维持一年以上时间。
1 3D立体水循环系统的设计
1.1 实验器材设计
实验使用3个体积均为20 L的鱼缸，每个缸中均放入小鱼、小虾、水草、石砂等常规生态布景材料，并分别植入5 g水绵；照明使用3支3 W LED日光灯。水循环系统配置如下：1个挂壁瀑布式过滤器（流速350 L/h，功率5 W），1个潜水式过滤器（流速300 L/h，功率3 W），2个顶置盒式循环过滤器（流速400 L/h，功率5 W）。养殖用水为经3 d暴晒除氯的自来水，实验期间室温与水温均控制在20 ℃。检测设备与器材包括：溶解氧传感器与溶解氧精确测定试剂盒、pH计与pH精确测定试剂盒、氨氮测定试剂盒、数码显微镜、电子天平、比色器、试管若干、滴管若干、小烧杯若干、载玻片与盖玻片若干、镊子一把、电脑一台，数码相机一台，记录本一本。
1.2 自变量/因变量设计
（1） 自变量：1号生态缸为对照组，无过滤器；2号生态缸为实验A组，采用常规生态缸设计，加顶置盒式循环过滤器（流速400 L/h，功率5 W）；3号生态缸为实验B组（采用学生设计的3D立体水循环生态缸），在顶置盒式循环过滤器的基础上，外加上潜水式过滤器（流速300 L/h，功率3 W）以及挂壁瀑布式过滤器（流速350 L/h，功率5 W），通过沿缸体长、宽、高三个方向布设的水流，构建3D立体式水循环，如
图1所示。生态缸放置于通风阴凉处，加入纯净过滤水进行饲养，过滤器24 h通电。
（2） 因变量：定期观察动植物，监测水质。动植物观察采取肉眼观察和显微镜观察两种方式，水质检测采用传感器与试剂盒（河南南华干牧生物科技有限公司生产）组合的方法。
2 实验方法及数据处理
2.1 运用显色反应/传感器检测生态缸水质的方法
水质是表征生态缸无机环境的重要数据，在该实验中为因变量。学生分为6个实验小组，在12周内持续监测。每周每组随机选取两个生态缸进行检测，取两组数据的平均值作为最终结果。
（1） pH的测量方法：使用电子pH计与pH试剂盒（配合电子比色杯比色法）。例如：在第12周时，1号缸由于生态系统崩溃，大量动植物死亡并腐烂，氨氮浓度上升，矿质离子浓度上升，使得pH呈碱性，其余实验组仍然保持中性。
（2） 矿物质含量的测量方法：使用矿物质电子笔与矿物质检测试剂盒。尽管自来水经过纯水机净化，但当地水质硬度较高，效果并未达到预期。试剂紫色显色越深，表示矿物质含量越高。第12周时，1号缸硬度高达120 mg/L，主要源于水绵污染后生物残体溶解所致。
（3） 活性（细菌含量）检测：使用生态活性试剂盒进行检测，颜色越深，则活性越强，细菌含量越高。第12周时，1号缸颜色最深，由于水绵污染，生态系统崩溃，动植物腐烂导致厌氧菌大量增殖，所以颜色最深。
（4） 溶解氧含量检测：使用溶解氧传感器和溶解氧试剂盒，试剂盒颜色越黄，证明含氧量越高。溶解氧的浓度直接影响到水生动物的生存状况和厌氧菌的繁殖。第12周时，1号缸溶解氧含量下降到1.5 mg/L左右，证明溶解氧的含量是维系生态系统的关键因素，当低于3.0 mg/L时动物就会死亡。
（5） 氨氮含量检测：使用氨氮检测试剂盒，颜色越深，氨氮含量越高。第12周时，1号缸由于大量动植物死亡并腐烂，氨氮含量上升到1.0 mg/L，而氨氮过高对动物有毒害作用，且氨氮含量与pH密切相关。
（6） 水质检测表：以第12周的数据为例，在6个实验组中，每组均测一个生态缸的数据，且每组有两组数据，并取平均值，如
表1所示。
2.2 观察法
每个实验组每周记录一次生态缸中动植物的变化状态。
3 实验结果及分析
3.1 实验结果
（1） 1号对照组：因无循环过滤系统，水体完全静止。4周后水绵长出根状体并附着贴壁生长，且丝状体大量繁殖，水质呈弱酸性，溶解氧含量正常，生态系统较正常。8周后水绵铺满水面，水生植物表面附着水绵，被剥夺营养开始死亡；水体缺氧，溶解氧下降到4 mg/L左右，动物开始死亡并腐烂；氨氮含量上升到0.5 mg/L，pH为7.6呈碱性，矿物质离子含量上升至100 mg/L，生态系统开始崩溃；12周后水绵占据整个水体并腐烂冒泡，动植物全部死亡并腐烂；水质变差，pH上升至8.0，溶解氧下降到1.5 mg/L，水体严重缺氧，矿物质离子含量上升到120 mg/L，厌氧菌大量繁殖，氨氮浓度达1.0 mg/L，导致生态系统完全崩溃。显微观察发现：12周时，水绵丝状体黏腻发黄，开始腐烂。
（2） 2号实验A组：具有一组单向水循环，4周后水绵略有贴壁，8周后水绵未铺满水面，12周后生态系统基本正常，仅水生植物表面略有水绵附着并出现萎黄现象，动物活动正常。溶解氧略有下降，但影响不大。显微观察发现：12周时，水绵有根状体形成，丝状体粗壮、绿色、健康。
（3） 3号实验B组：具有3D立体水循环，4周后水绵略有减少，8周后水绵明显减少，12周后水绵消失，动植物均健康生长。可见，适当提高水流速度，可以干扰水绵的根状体生长，即水流机械力会破坏丝状体，从根本上防止了水绵污染，厌氧菌也无法大量繁殖，从而维持生态稳定。
3.2 实验结果分析
（1） 生物学分析。
水绵（
Spirogyra），是一种常见的绿色真核生物，其分类学归属为绿藻门、接合藻纲、双星藻目、双星藻科、水绵属。水绵为多细胞丝状结构个体，叶绿体呈带状，有真正的细胞核，含有叶绿素，可进行光合作用
［1］。藻体是由一列圆柱状细胞连成的不分枝的丝状体，水绵通过根状体附着在池塘壁上。
显微观察水绵的形态特征发现：在高速水流环境中，水绵丝状体易受机械损伤而发生断裂，根状体难以形成，且其叶绿体数量较少，形态较小，丝状体细弱，颜色呈浅绿色；在低速水流环境中，水绵能快速形成根状体并附着在壁上，通过增强光合作用形成更多、更大的叶绿体，且在充足营养供应下，丝状体生长粗壮，颜色呈深绿色。但是，当水绵过度增殖并覆盖水面时，会导致溶解氧含量下降，水绵自身的生长也会受到影响，表现为藻体萎黄、黏腻并逐渐腐烂，最终引发整个生态系统的崩溃。
（2） 物理学分析。
3D立体水循环系统是沿生态缸的长、宽、高3个方向控制水流速度，使得水绵在任何一个缸壁平面都不能附着生长，在给水绵造成一定机械损伤的同时，减少其光合作用，进而导致水绵丝状体因缺乏营养而不能繁殖。若再配合饲养一些以水绵为食的小河虾和清洁工鱼类，则水绵难以爆发式生长，生态系统可维持长时间稳定。
将生态缸A、B、C的3组设备的水流速度相加，再与缸体积相比，得到每升水体的平均水流速度为：S=（A+B+C）/V=（400+300+350）/20=52.50 L/h。经过反复对比，S的取值范围应当控制在20~100 L/h。在长期实验观察的过程中发现，当S的值超过100 L/h时，虽能有效抑制水绵，但同时会对其余水生动植物造成机械损伤，必然加速生态系统失衡；若S的值低于20 L/h时，则难以阻止水绵根状体附着与丝状体的快速增殖。
当然，循环系统配置应与缸体容积保持动态协调，即：缸体越大，选取的水循环器的功率应该增大，缸体越小则应该相应降低水循环器的功率。因此，将每升水体的平均流速控制在50~70 L/h范围内为最佳。
4 实验改进与展望——智能3D生态缸的设想
当前，生态缸采用的3D水循环系统存在的问题是：循环泵需持续24 h通电且功率不可调节，浪费能源；设备运行产生的噪声对工作和生活环境造成干扰。为解决这些问题，实验小组又加装了时间定时器，实现了定时的开启与关闭，节约了能源并减少了噪声。
小组进一步提出设计一款“水循环泵（变频）—单片机—物联网—传感器自动化控制”的智能3D生态缸。该设想基于溶解氧含量这一指标，即溶解氧含量对于整个生态环境最为重要，且溶解氧传感器技术目前已经非常成熟，溶解氧含量的测量已不成问题。选择溶解氧传感器加装芯片，即可随时监控生态缸的溶解氧含量。一旦生态缸水体缺氧低于6 mg/L，则自动开启3D水循环装置；若水体溶解氧能达到6 mg/L且持续1 h以上，则可自动断电。或者由单片机控制3D水循环泵实现变频，改变泵的功率，由大功率转为小功率，达到节能、静音的效果。
在此基础上，我们可进一步设计一款手机App，通过物联网技术将其与溶解氧监控设备相连。此外，还可加装生态缸影像监控摄像头与此款手机App相连，随时使用手机App监控生态缸的动植物生长状态与行为。这种智能3D生态缸一旦研制成功，就能为利用大型生态缸饲养珍稀动植物提供革命性的解决方案，可以大大降低人工成本并实现远程控制。
京公网安备11010202008535号
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