底沙和充水层的实验对比.doc

底沙和充水層的實驗對比By Robert Toonen, Ph.D., Christopher Wee，原載于June 2005，Advanced Aquarist翻譯說明：哦，不說了，直接看文章吧。 在Jean Jaubert博士和Monaco水族館一起轉移了紅海珊瑚碉的一個完整部分用于水族館展覽后，充水層系統得到了廣泛的接受。Jaubert博士用自然采集的珊瑚底石做了更多的工作，以增強封閉水族箱的生物過濾，并因充水層設計而在1980s后期獲得了德國專利及在1990s早期獲得了美國專利。很大程度上是因為Monaco水族館“微型海洋”展示的成功，這種充水層水族箱設計成了世界范圍內公共水族館的一種主要設計方法，近十年來在愛好者維護家庭水族箱方面幾乎同樣流行。 但是過去幾年里在美國的愛好者中，“厚底沙”設計很大程度上排擠了充水層系統。碳酸沙厚底床與充水層系統在本質上是相同的，但是沙層下面的空隙使用，則被強烈質疑。厚底沙的支持者辯論說，具有營養物處理能力的是沙子本身而不像是下面的空隙（如Toonen2000a，2000b）。關于這兩種再循環系統設計的優點和缺點，有很多水族愛好者撰寫的文章和書籍（如 Adey & Loveland 1991，Tullock 1997，Auger 1999，Goemans 1999，Shimek 2001，Hovanec 2003，Delbeek & Sprung正在付印）。關于再循環系統中處理營養物的最有效的沙床設計，仍然有相當多的爭論，但到今天為止，這些爭論幾乎全部是基于個人觀點和道聽途說的證據。 盡管這個話題存在觀點分歧，事實上所有公共水族館繼續沿用充水層設計。家庭水族愛好者中，“柏林”系統和“Jaubert”系統在歐洲逐漸成為常用設計，而“厚底沙”和“Miracle Mud”系統在北美更流行。同樣地，沙粒的理想大小、沙層厚度、沙層下的空隙有還是無，都在公開文獻中被激烈爭論。 然而對于沙層厚度、顆粒大小以及是否有底層空隙等因素相對于沙層本身的效果，始終沒有一個對比實驗來判斷。盡管這些方法已經應用到研究所、展覽館、公共水族館以及家庭水族箱，針對不同厚度、不同顆粒大小、有或無充水層時的沙床的營養物處理能力，依然沒有進行綜合測試。我們第一個完成了這種測試，在Aquaculture月刊（Toonen & Wee 2005）上發表了我們的發現。在這個分為兩部分的系列文章中，我們將介紹實驗情況。針對作為再循環水族缸的獨立過濾方法時表現出的營養物處理能力和性能，我們對以下情況進行科學檢驗并給出實驗結果：(1)充水層（有或無充水層的沙床）；(2)沙床厚度（2.5cm 對 9.0cm）；(3)沙粒的平均大小（2.0mm 對 0.2mm平均直徑）。實驗方法和材料a）設立水族箱和滴入營養物 我們針對每個因素（有和無充水層、深和淺、粗砂和細砂）使用3個一樣的微缸（長寬高27x17x30cm），建立了一個共24個水族缸的因素設計實驗（Fig.1a,b）。全部實驗運行在25攝氏度的溫控室內環境中，除了只在水質測試時才打開的一盞頭頂上的熒光燈，全部保持黑暗。根據隨機數產生器決定每個水族箱使用哪種處理方式。如果做完了一個水族箱的處理，另一個隨機數產生，直到所有處理方式全部施加到單個水族箱上。圖1a、1b 無充水層厚底沙處理方式是把沙粒直接鋪在缸底。充水層處理是把沙粒鋪在用細尼龍黑布覆蓋的箅子上，箅子是熱熔粘接的1cm塑料透光柵。箅子懸空架在離缸底1.5cm處，通過5個PVC環支撐（4個在角落和1個在中心）。在向缸里加海水之前，把細沙粒小心地鋪在箅子上，以防止沙粒漏過尼龍網進入充水層空隙。 厚沙處理方式用9升濕沙來產生約9cm厚的沙層。薄沙處理方式用2.5升濕沙產生約2.5cm的沙層。佛羅里達的碎珊瑚砂（0號，基本為橢圓形，平均2x4mm，平均直徑2mm）用作粗砂，Southdown Tropical Play沙（平均直徑0.2mm）用作細沙。從當地寵物商店各買了50磅的兩種砂，在使用之前用高壓鍋消毒。消毒后的兩種砂被分別放進一個大容箱中，加入400升經過過濾的天然海水，然后加入30ml冷凍魷魚縻汁，作為營養源以促進沙子中的細菌生長。每兩天用手攪拌沙子，持續8周，直到容箱中的氨測不到。 把沙子放進每個缸里后，用滴入的方式把8升經過過濾的天然海水加到每個水族缸里，以避免沙床被擾動。把Cataline水族CAP-180水泵設在50%的效率上，對缸內水進行循環，水泵固定在每個缸的頂端，水泵上部與水面齊平。第二天，3M的氯化銨被滴入到每個缸，直到濃度達到8mg/L。初次加到8mg/L濃度后，過21天，再以每天0.5mg/L的速率重新開始滴入3M氯化銨。 我們知道這些數據對大多數愛好者沒有意義，我們想把數據放到使用真實海洋生物負載的情境中。熱帶珊瑚碉魚平均的廢物排泄率約為0.5+-0.1微克氨/g/Hr，而3英寸的黃倒吊差不多是10.5+-2.2g。這樣，我們在8升水的缸里每天添加0.5mg/L相當于兩只成年黃倒吊。大多數高密度的碉巖缸產生的氨少于0.5mg/L/天這個水平相接近高密度人工水族系統，其典型產生量為每天0.62.0mg/L。 經過使用魷魚糊的初次循環階段后，沙子用過濾的天然海水沖洗，分配到每一個測試缸里。然后在不換水的情況下系統運行111天。為解決實驗缸的水蒸發問題，在每個測試階段之后添加去離子的蒸餾水，保持鹽度在約53ms。b）缸內水的測試譯注：這部分沒有翻譯c）統計分析譯注：這部分沒有翻譯實驗證據與道聽途說的證據譯注：這部分沒有翻譯我們的實驗結果譯注：這部分沒有翻譯討論和結論 公共水族館和家庭愛好者長期以來一直使用基于某種沙濾形式的再循環系統，目的是解決缸中生物產生的營養廢物。這些再循環系統的沙濾單元的設計，大致分為幾大類型：柏林系統、充水層系統以及底沙系統。然而，這些系統可以看成是沒有沙子而完全依賴活石和蛋分的柏林系統，到使用大量沙子而無蛋分的厚底沙系統的連續統一體。盡管存在關于這些設計的效用的觀點分歧，每個類型的相關應用和最有效的設計方式，仍然是大量爭論的話題。有一些研究在比較每種設計的相關性能，但這些研究都是不可重復的，他們給出的結果的基礎，是對采用一種設計的單個缸子的比較。我們前面說過，即便在實驗室里設立的實驗，在沒有任何活的動物、只是滴入氨來模擬同樣的生物負載的情況下，要從一個缸子里得出任何結論也存在相當大的變數。我們重申這個很多作者先于我們提出的觀點：我們要針對任何缸子設計的相關優點做出結論時，需要實驗性的證據而不是基于道聽途說的證據。 關于這個話題的不同觀點和持續爭論，使得我們開始這個實驗。這里我們要給出直接比較不同再循環設計的實驗數據。我們設計了一個可控的、可復制的因素設計實驗，來判斷有無充水層、不同底沙厚度、不同沙粒大小的相關營養物處理效果。拋開花言巧語和觀點不談，我們的實驗證明，充水層的存在相較于簡單地在缸底鋪上同樣的沙子，沒有表現出可測量的貢獻（至少在我們測試的幾個月里）。 在處理缸內生物產生的廢物（尤其是氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽）方面，沒有一種處理方式（充水層對底沙、厚沙對薄沙、粗沙對細沙）表現出明顯優勢。經過初期的穩定階段后，所有試驗過的處理方式，對連續以0.5mg/L/天的量加入氨，其表現都是差不多的。正如前面提到的，這種加入速度差不多等于高密度養殖的水族系統，甚至超過大多數存欄率很高的水族缸。這個實驗中處理方式之間的明顯差異，根本不在處理營養廢物上，而主要表現為沙子給循環水帶來的緩沖能力（譯注：碳酸鹽堿度）。在這實驗中，沙層厚度和沙粒大小所起的作用使整體系統表現產生了最大差異，有或無充水層則沒有對所測實驗數據表現出明顯作用。 沒有一個系統表現出它們達到了營養廢物處理的最大能力，因為實驗開始的頭兩周里，直到實驗結束都沒有在水中測到氨和亞硝酸鹽。同樣地，實驗缸中硝酸鹽的增長速度也遠小于向缸里添加的速度。因此，這里測試的每種沙濾設計都顯示了處理生物負載的能力，而沒有哪個設計表現出更突出的氮氧廢物處理能力。 反硝化作用肯定發生在每一種處理方式中，因為在整個滴入氨的過程或放養動物的過程（在第二部分介紹）中，硝酸鹽濃度沒有繼續爬升。盡管實驗中以0.5mg/L/天的速度持續滴入氨（這個速度能保證代謝足夠快，使得氨和亞硝酸鹽保持在不可測的水平上），在實驗的后60天里，每個缸的硝酸鹽都保持在相當穩定的水平上。然而，與我們看到的氨和亞硝酸鹽處理結果一樣，在降低封閉系統中硝酸鹽含量的能力方面，任何一種處理方式（充水層對厚底沙，厚沙對薄沙，粗沙對細沙）都沒有明顯差異。 處理方式之間的明顯差異幾乎只是在沙子的緩沖能力上，而不是在生化降解營養廢物上。處理方式之間的最大區別是磷酸鹽的最終濃度：使用粗沙的缸子中的濃度差不多是使用細沙的17倍！因為我們不是從一個產地篩選不同大小的沙子，所以不能說緩沖能力的不同僅僅是因為沙子的大小不同。實際上，緩沖能力的不同可能是由于所選沙子的化學成分不同，而不是沙子大小的直接結果。需要做更多的實驗來搞清楚為什么粗沙中的磷酸鹽濃度會如此高，但是不管最終原因是什么，我們建議愛好者在向缸里加入大量沙礫前，先測試一下沙礫的溶解度。摘要 我們的實驗沒有表現出支持充水層設計的任何證據。實驗結果給出的建議是，是沙子本身在起作用而不是沙層下的充水空隙。 即便在實驗室里設立的沒有任何活的動物的相同缸子，一個缸子與另一個缸子在性能上也表現出巨大的差異。這個結果凸顯了缺乏復制性而且不可控的實驗所存在的問題。道聽途說的證據只表達了在一些案例下的看法，對這種看法的頑固防守導致了超過5年的激烈爭論。 我們強烈建議愛好者要有很好的洞察力，它會讓你質疑那些沒有任何實驗證據支持的信息。 第二部分的實驗，是把動物放進這24個缸里產生營養廢物，而不再滴入氨。動物實驗過程與人工滴入氨得到了相同的結論，另外增加了以下三點意見：1）生物負載的大小和動物死亡對水質的影響，遠大于缸子采用哪一種設計所產生的影響。2）關于動物死亡率。實驗顯示，不同的處理方式引起不同的動物死亡率。使用薄底沙時動物的死亡率差不多是使用厚底沙的2倍。實驗中死亡率最高的是帶有充水層的薄粗沙。最低