利用手持技術進行“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”定量檢測

鄭耀賢

(北京師范大學(珠海)附屬高級中學 519080)

手持技術也稱掌上技術，是由數據采集器、傳感器和相配套的軟件組成的定量采集數據，并與計算機連接的實驗技術系統[1]。本文以“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”定量檢測為例，探索將數字化傳感技術與生物科學探究有機結合，為中學生物學科學探究實驗提供參考。

1 實驗設計

1.1 實驗材料的選擇 ①水綿是多細胞藻類植物，含有螺旋狀葉綠體，能進行光合作用。利用水綿作為實驗材料，開展科學探究具有材料易得、實驗因變量測量具可操作性和易于肉眼觀察等明顯的優點，還能為水稻生境的適應性研究提供思路。②NaHCO3可用于食品加工，易溶于水，受熱易分解，在潮濕空氣或水中能緩慢分解，其水溶液在20℃時開始分解出CO2。用NaHCO3加入水綿培養液中,能為水綿緩慢提供CO2，是開展“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”的一種重要材料。

1.2 變量的明確與控制 本實驗的自變量是水綿培養液中NaHCO3的濃度，因變量是光合作用的強度。通過測定一定時間內原料的消耗或產物生成的數量來定量表示光合作用強度, 以單位時間內溶解氧的增加量表示光合作用的強度。水培的水綿在光照下產生氧氣，氧氣可以通過肉眼觀察到氣泡，同時氧氣可以溶于水中形成溶解氧，溶解氧可以通過傳感技術進行測量。利用傳感技術，量化溶解氧的增加量，同時通過肉眼觀察記錄氣泡的產生量，以定量為基礎，定性輔助。控制好無關變量水綿的質量也是本實驗的一個難點，由于水綿的生存特點，要做到每個組的水綿量的一致必須做一定的處理。可通過將水綿撈出水用吸水紙反復吸干其周圍的水分，再用天平稱取平均分成若干份樣品，解決該問題。

1.3 NaHCO3濃度梯度的設定 查閱文獻資料，先以0 g/100 mL和4 g/100 mL(恒溫光照培養箱培養24 h)為梯度做預實驗，結果發現4 g/100 mL的NaHCO3溶液組中水綿基本枯黃糜爛，而對照組則正常生長，說明過高濃度的NaHCO3會引起細胞脫水過多而死。繼續設置0 g/100 mL、1 g/100 mL和2 g/100 mL(恒溫光照培養箱培養24 h)為梯度做預實驗，預實驗結果如表1，說明2 g/100mL的濃度依然過大。因此，本實驗最終確定以0.3 g/100 mL為1個梯度，設置0 g/100 mL、0.3 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.9 g/100 mL、1.2 g/100 mL和1.5 g/100 mL 6個梯度。

表1 NaHCO3濃度對植物光合作用強度的影響(25℃，24 h)

1.4 儀器的使用 溶解氧的含量是評價水體、水質和水體自凈能力的一項重要指標。本研究用溶解氧傳感器測定，能實時量化呈現溶液的溶解氧濃度(精確到0.01)變化情況直至穩定，就可記錄數據。其具有方便、快速和準確等特點。

2 實驗原理

影響植物光合作用的因素很多，主要是光、CO2和溫度等方面；NaHCO3在室溫下能緩慢分解為CO2，其反應式是2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O。

3 實驗儀器與藥品

3.1 實驗儀器 數據采集器、溶解氧傳感器(0～15 mg/L)、電腦、一次性透明塑料杯、量筒、天平。

3.2 實驗材料 NaHCO3、水綿。

4 實驗步驟

4.1 溶液配制 0 g/100 mL、0.3 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.9 g/100 mL、1.2 g/100 mL和1.5 g/100 mL 6個梯度的NaHCO3溶液各100 mL。

4.2 水綿準備 將野外獲取的水綿用清水多次沖洗，用鑷子將夾雜在水綿中的雜質去掉，然后用吸水紙多次吸水，盡可能將水綿表面的水分吸干，吸干后的水綿非常輕，將水綿平分為6份，每份0.3 g。稱完后盡快分別放回水體中培養。

4.3 連接傳感器 將數據采集器和溶解氧傳感器以及電腦連接好，并進行調試(數據采集器設置為手動，數據采集器調出溶解氧0～15 mg測試項目，數據采集間隔設置為1 s 10個數據，測定1000個數據，輸出形式為數字)，分別測定6個裝置中的溶解氧濃度，作為第0 h的數據。

4.4 培養箱培養 將6個裝置全部置于光溫穩定的培養箱中培養(800 Lux，25℃)16 h、24 h和32 h。

4.5 測定數據 在培養16 h、24 h和32 h后用溶解氧傳感器(數據采集器設置為手動，數據采集器調出溶解氧0～15 mg測試項目，數據采集間隔設置為1 s 10個數據，測定1000個數據，輸出形式為數字)分別測定每個組中的溶解氧濃度，根據軟件生成圖形和數字讀取數據和記錄(表2)。重復試驗3次，整理相關數據并用Origin繪圖軟件繪制圖形。

5 實驗結果與數據分析

不同濃度的NaHCO3和處理時間的長短都對水綿光合作用強度產生不同的影響(表2)。0.3～0.9 g/100mL的NaHCO3在處理16 h、24 h、32 h后都能明顯促進水綿的光合作用強度，說明適量補充CO2能促進植物光合作用強度。另外，CO2補充的時間并不是越長越好，數據表明處理時間長度為24h時對植物的光合作用強度的促進作用最好，CO2補充時間為32h時，對水綿的光合作用強度的促進作用呈下降趨勢，這可能是因植物長期生活在高濃度CO2下導致植物光合能力下降，也即產生光合適應。

表2 NaHCO3濃度對植物光合作用強度的影響(25℃，“+”數目表示量多少)

綜上所述，0.3 g/100 mL NaHCO3處理水綿24 h對水綿的光合作用強度的促進作用最明顯。建議進一步探究：①CO2對水生植物與陸生植物光合作用強度的促進作用是否存在差異；②CO2補充引起的光合適應是否存在周期性解除。