[【养鱼学而记】氮循环：利用数学函数思想分析鱼缸有毒物质 - 知乎 (zhihu.com)](https://zhuanlan.zhihu.com/p/450535934)
在考虑鱼缸内氮循环的完整过程的时候，需要养鱼者具备动态的思维方式。想到平时我养鱼的时候，脑海中一直都是有清晰的数学函数图像的，特别想把这种通过右脑进行函数图像分析方式清晰地介绍给各位鱼友。于是乎我在国内外网站上搜集了一些鱼缸内氮元素循环的数据图像，我来挨个分析给大家看看，这样就把我们之前的一系列知识点串起来了。
---
我们先来看一组数据，这是同一份数据哦，被不同的改造者重绘图像，并加以标注。 这里我们复习一下重点知识： 根据我们掌握的知识，结合图像，我们头脑中一定要迅速调出这样的转化过程：
$ 蛋白质\xrightarrow[]{异养菌}氨氮（NH_3、NH_4^+）\xrightarrow[]{亚硝酸菌}亚硝酸盐（NO_2^+）\xrightarrow[]{硝酸菌}硝酸盐（NO_3^+） $
> Tip:为什么判断一定有异养菌的作用，而不是单纯的鱼鳃排泄氨氮？因为氨氮增长速度是增加的（函数图像中斜率变大）；如果是单纯的鱼鳃排泄，则差不多是直线，即斜率不变。
然后我们来分阶段思考：
第一阶段：水中异养菌开始爆发，产生氨氮（红色），此时[氨化作用](https://zhuanlan.zhihu.com/p/414725199)凸显。
第二阶段：亚硝酸菌会在氨氮的滋养下，缓慢形成规模，大概在第8天时，[硝化作用](https://zhuanlan.zhihu.com/p/414728325)凸显出来，水中亚硝酸盐浓度（绿色）开始变得明显，氨氮浓度开始下降。
第三阶段：硝酸菌会在亚硝酸盐的滋养下，缓慢形成规模，大概在第18天时，亚硝酸盐浓度开始显著下降，硝酸盐浓度（蓝色）浓度显著上升，此亦为[硝化作用](https://zhuanlan.zhihu.com/p/414728325)的一部分。
两幅图中黄色的区域为氨氮和亚硝酸盐呈现出毒性的浓度值区域。
第四阶段：在前几个阶段过后，毒性最大的氨氮和亚硝酸盐最终会维持很低的水平，即大概在第27天的时候，此时刚一产生一点点氨氮就会立马被转换为亚硝酸盐，然后这一点点的亚硝酸盐会立马转化为硝酸盐，氨氮、亚硝酸盐会维持在很低的水平，但是硝酸盐的浓度在持续增加。维持到这个状态就是我另一篇文章中提到的[第一阶段平衡](https://zhuanlan.zhihu.com/p/415445061)。
![[p1.jpg]]
另一位作者是纯粹对这幅图进行翻译：
![[p2.jpg]]
再换了一位作者后，一模一样的数据被重绘，但请注意图中文字的准确性。
![[p3.jpg]]
我需要对上面这幅图中汉语描述挑挑刺，希望作图人不要介意。首先，严格说来硝酸盐具有毒性，而并非图中标注的“无毒”，但是硝酸盐表现毒性的条件是达到超高的浓度，造成“反水”现象，才能表现出对鱼致死的毒害作用，不同种类的鱼的这个浓度会有所不同；其次对于“硝酸盐是最终产物”的说法，这个只能是大部分鱼缸可以近似这么认为，因为鱼缸很少有不换水的。而硝酸盐在鱼缸中被转化为氮气的过程被称作“[反硝化作用](https://zhuanlan.zhihu.com/p/414737054)”，这个过程会在鱼缸中持续发生，但普通鱼缸可能并没有那么明显；而如果方法得当，硝酸盐含量也维持在较低浓度状态被称为“[第二阶段平衡](https://zhuanlan.zhihu.com/p/415460223)”，因此我们也要考虑后续硝酸盐并非永远一飞冲天的情况。不过图中并没有把接下来的这个阶段表示出来，或者这个鱼缸现有条件并不能营造出这种第二阶段的平衡。如果是高级的玩家，脑海中要补充一个硝酸盐被厚沙系统转化为氮气的过程。
• 原先是
[[鱼缸内物质平衡：维持氮元素第一阶段平衡]]
• 扩展成
[[鱼缸内物质平衡：维持氮元素第二阶段平衡]]
那么，我们画出的图就如同下图这样，硝酸盐也可能会逐渐归零，在第40天左右达到[第二阶段平衡](https://zhuanlan.zhihu.com/p/415460223)：
![[p4.png]] 当然，上面的网图一眼就能认出是一个理论图，现实的图像不能这样呈现完美的正态分布。
---
下面这幅图，是根据另一组数据绘制的图。这与第一组数据大同小异。但是氨氮、亚硝酸盐达到最大值、最小值、开始显著攀升等时间节点与第一组数据有明显不同，这是由于鱼缸的尺寸、温度、氮源不同等各类差异造成的。因此网上有人总结【鱼缸一定会在具体第几天某些物质达到具体怎样的值或有怎样的趋势】是不可取的，因为你看到的数据只能代表人家的鱼缸条件具体时间节点，别人的数据只能有参考意义，而不能对于所有的鱼缸把具体的时间都预测出来。
![[p5.png]]
我们要学会根据图像摸规律，然后再拿自己的鱼缸根据现状做推论。最后我们能达到【即便手头没有检测设备的情况下，我也大概能做出一个模糊的推论】的程度，这就够了。
--- 我们再来看下面这组数据： ![[p6.png]]
亚硝酸盐和硝酸盐的攀升呈现明显的对数增长期。这幅图亚硝酸盐（绿色）的全部部分和硝酸盐（紫色）的前半部分的增长情况特别像我们中学期间生物课里学习过的微生物生长曲线，分为：
1. [调整期](https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%B9%E6%95%B0%E6%9C%9F/4482792?fr=aladdin#1) 2. [对数期](https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%B9%E6%95%B0%E6%9C%9F/4482792?fr=aladdin#2) 3. [稳定期](https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%B9%E6%95%B0%E6%9C%9F/4482792?fr=aladdin#3) 4. [衰亡期](https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%B9%E6%95%B0%E6%9C%9F/4482792?fr=aladdin#4)
但是我们知道水中不同代谢方式的菌类数量，只能决定他们产生物质的速度，而不能表示这些产生物质已经积累了多少。上面这幅图每一条曲线：氨氮（红色）、亚硝酸盐（绿色）、硝酸盐（紫色）表示这些物质产生并积累了多少，但是也可以间接体现出【异养菌、亚硝酸菌、硝酸菌的繁殖规律符合微生物生长曲线的规律】。在这幅图中，异养菌由于受制于水中蛋白质的浓度，并没有表现出对数期，因此产生氨氮速度也没有特别明显的对数期；或者说，这里氨氮的产生主要是通过与鱼鳃的代谢，可以基本判断水体是比较干净的（没有悬浮的固体有机物杂质）。而亚硝酸盐、硝酸盐在对数期结束后，有个明显斜率减缓的棱角。但是这些棱角又过分的明显，让我产生了对其真实性的怀疑。我甚至怀疑过，上面的图只能表示氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐的产生速度，而非积累量，不过有个显著的问题是，氨氮不可能在后半段不产生，因此该图只能是表示各物质的积累量。最后一段图中有个换水的动作，图像上显示硝酸盐突然变少了，然后又稳步增加。
我把这个图的来源放出来，有兴趣的朋友可以帮忙看看这幅图是否是基于伪造的数据：
https://thewittyfish.com/nitrogen-cycle/
---
然后，我们就来看看换水对于整个系统的作用。
![[p7.png]] ![[p8.jpg]] 可以发现，在已经达成第一阶段平衡后，此时换水，导致硝酸盐变少，总氮含量也就跟着减少。因此上图硝酸盐（绿色）和总氮（黑色）曲线有个断崖式下降的情况。但是换水是不会影响亚硝酸菌和硝酸菌的数量的，因为它们都附着在滤材上而并非水体中。因此氨氮（红色）和亚硝酸盐（黄色）在换水后并没有突然激增。
---
我们上面一系列的图，都是在表示硝化系统建立期间的过程。下面我们来看一下硝化系统部分建立起来的鱼缸，这种图像是什么样的：
![[p9.jpg]] 很显然，起初氨氮会突然激增，亚硝酸盐在氨氮激增的第一时间激增（因为亚硝酸菌有一定的规模），而并非要等到很久的后期才发挥作用。上图清晰地说明白一件事：我们在开缸的时候可以把别的鱼缸养好的滤材拿来直接使用。