探究不同光質(zhì)和光照強(qiáng)度對(duì)小球藻光合作用的影響

◎王愛(ài)東

光合作用是植物代謝的重要部分，是高中生物必修一“分子與細(xì)胞”模塊的重點(diǎn)內(nèi)容，也是難點(diǎn)。探究環(huán)境因素對(duì)光合作的影響是本節(jié)課的重要組成部分，在理論上和生產(chǎn)實(shí)踐中均有重要意義。但實(shí)際上絕大多數(shù)高中生物教師在進(jìn)行此探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大多以講述為主，學(xué)生則是被動(dòng)的接受。究其原因：一是部分教師本身對(duì)探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的態(tài)度較為消極；二是不同地區(qū)實(shí)驗(yàn)條件不同，人教版教材中提供的探究的裝置較為繁雜，三對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)、操作能力要求高。綜合上述諸多限制因素，導(dǎo)致上述探究很難以班級(jí)為單位全面開(kāi)展，多數(shù)情況只能作為演示實(shí)驗(yàn)展示。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)教材實(shí)驗(yàn)做系列改進(jìn)和創(chuàng)新，以期達(dá)到良好的教學(xué)效果。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1．綠葉的替代 本實(shí)驗(yàn)利用小球藻為實(shí)驗(yàn)材料替代教材中所推薦的菠菜葉等綠葉植物的葉片，對(duì)高中生而言選取“生長(zhǎng)旺盛的綠葉”的標(biāo)準(zhǔn)難以把控，試劑操作時(shí)選取的葉片長(zhǎng)勢(shì)差異較大，另外，打孔和抽取校園葉片中的氣體等操作效果不理想。筆者受卡爾文的探究實(shí)驗(yàn)啟發(fā)，決定選用小球藻（Chlorella sp．）開(kāi)展本實(shí)驗(yàn)，小球藻是一種單細(xì)胞藻類(lèi)，屬于綠藻門(mén)小球藻屬，分布廣泛，在水體和土壤等環(huán)境中均有分布，具有易獲取、繁殖快等優(yōu)點(diǎn)。小球藻可自養(yǎng)或異養(yǎng)培養(yǎng)，其中自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)僅需在蒸餾水中添加適當(dāng)比例的各種無(wú)機(jī)鹽即可，培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單。結(jié)果較為均一。本實(shí)驗(yàn)將以小球藻的種群數(shù)量變化為因變量。

2．不同光照強(qiáng)度和不同光質(zhì)的創(chuàng)設(shè) 在影響植物光合作用的諸多因素中，光是最重要的因素之一，其中光照強(qiáng)度和光質(zhì)這兩個(gè)因素更為重要。如何創(chuàng)設(shè)不同的光照強(qiáng)度和光質(zhì)？問(wèn)題的解決得益于對(duì)生活的觀察和反思。我市曾經(jīng)舉辦過(guò)燈光展，利用不同顏色的LED燈帶，組合出各種圖案。受此啟發(fā)筆者用相同規(guī)格、相同長(zhǎng)度（3 m）、不同顏色（白光、藍(lán)光、紫光、紅光、綠光）的LED燈帶創(chuàng)設(shè)不同光質(zhì)。用統(tǒng)一規(guī)格的白光LED燈帶裁剪成1 m、2 m長(zhǎng)創(chuàng)設(shè)不同光照強(qiáng)度。將上述燈帶用鐵絲固定在相同規(guī)格的紙箱中備用。

二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．藻種 小球藻（Chlorella sp．）藻種由筆者帶領(lǐng)學(xué)生利用利用稀釋涂布平板法和平板劃線法從環(huán)境中分離獲得，并擴(kuò)增培養(yǎng)。

2．BG11培養(yǎng)基的配制 通常利用BG11培養(yǎng)小球藻［1］，BG11培養(yǎng)基成分如下（L）：NaNO31．5g、K2HPO40．04g、MgSO4·7H2O 0．075g、CaCl2·7H2O 0．036g、Na2CO30．02g、檸檬酸 0．006g、檸檬酸鐵 0．006g微量元素溶液A5 1ml、蒸餾水1000ml。微量元素溶液A5：H3BO42．86g、MnCl2．4H2O 1．81g、ZnSO40．222g、Na2MoO40．39g、CuSO4．5H2O 0．079g、Co（NO3）2·6H2O 49．4g。為方便教學(xué)，先配制 100倍母液，使用再按照比例稀釋。

3．小球藻的種群數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法 小球藻的計(jì)數(shù)可采用抽樣檢測(cè)法，即將待測(cè)樣品震蕩混勻后，吸取樣品進(jìn)行顯微計(jì)數(shù)，具體方法可參照必修三P68探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化，這一方法適合于絕大多數(shù)地區(qū)；也可以用分光光度計(jì)測(cè)定在波長(zhǎng)為680 nm時(shí)的吸光度（OD）值，用OD680表示［2］。本實(shí)驗(yàn)采用第二種方法，每隔24h測(cè)定一次。

4．不同光照強(qiáng)度對(duì)小球藻的種群數(shù)量變化的影響 用100m L三角瓶培養(yǎng)小球藻，每瓶放藻液50 mL。接種后放在固定有0m、1m、2m的LED燈帶的燈箱內(nèi)培養(yǎng)，溫度24±1℃，pH值為7．0±0．05，光暗周期為14 h∶10h。測(cè)定小球藻（Chlorella sp．）的種群數(shù)量變化，每次測(cè)定設(shè)3個(gè)平行樣。

5．不同光質(zhì)對(duì)小球藻的種群數(shù)量變化影響 用100m L三角瓶培養(yǎng)小球藻，每瓶放藻液50 mL。接種后放在固定有同一規(guī)格、同一長(zhǎng)度（3m）的白光、紅光、藍(lán)光、紫光和綠光的LED燈帶的燈箱內(nèi)培養(yǎng)，溫度24±1℃，pH值為7．0±0．05，光暗周期為14 h∶10 h。測(cè)定小球藻（Chlorella sp．）的種群數(shù)量變化，每次測(cè)定設(shè)3個(gè)平行樣。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

1．不同光照強(qiáng)度對(duì)小球藻種群數(shù)量變化的影響 每組錐形瓶中小球藻的OD680初始值均在0．154左右。隨著時(shí)間延續(xù)，小球藻在黑暗環(huán)境中種群數(shù)量無(wú)變化，在2m燈帶的燈箱中小球藻種群增殖速率較快。具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同光照強(qiáng)度對(duì)小球藻光合作用的影響

引導(dǎo)學(xué)生利用Excel表格的繪圖功能，將上述表格數(shù)據(jù)繪制曲線，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。繪制曲線如下（圖1）。

圖1 不同光照強(qiáng)度對(duì)小球藻光合作用的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著光照強(qiáng)度的增加，小球藻的光合作用更強(qiáng)。

2．不同光質(zhì)對(duì)小球藻的種群數(shù)量變化影響 從結(jié)果來(lái)看，每組錐形瓶中小球藻的初始值較為一致，OD680均在0．028左右。隨著實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加，可以看出小球藻在白光、紫光、藍(lán)光這3種光照下種

天數(shù)綠OD680暗紅白紫藍(lán)1 0．029 0．029 0．029 0．028 0．027 0．029 2 0．024 0．034 0．037 0．053 0．053 0．054 3 0．018 0．051 0．057 0．116 0．118 0．123 4 0．017 0．072 0．090 0．217 0．228 0．245 5 0．046 0．127 0．142 0．444 0．372 0．468 6 0．049 0．184 0．200 0．704 0．591 0．764 7 0．042 0．224 0．254 0．995 0．864 1．072 8 0．014 0．310 0．326 1．168 1．166 1．301 9 0．012 0．417 0．429 1．502 1．300 1．706 10 0．011 0．368 0．496 1．717 1．599 1．985 11 0．053 0．368 0．445 1．766 1．697 1．866 12 0．013 0．410 0．497 1．904 1．793 2．021

群數(shù)量增長(zhǎng)較快，光合作用速率較高，其中在藍(lán)光下增殖速度最快，白光次之，在紫光下最慢。小球藻在紅光和綠光下下種群數(shù)量增長(zhǎng)相當(dāng)，均較慢，光合作用速率較低。小球藻在黑暗情況下基本不生長(zhǎng)。具體結(jié)果見(jiàn)表2。

引導(dǎo)學(xué)生利用Excel表格的繪圖功能，將上述表格數(shù)據(jù)繪制曲線，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。繪制曲線如下（圖2）。

圖2 不同光質(zhì)對(duì)小球藻光合作用的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：不同光質(zhì)對(duì)小球藻的光合作用的影響不同，在藍(lán)光、白光、紫光下小球藻的光合速率較高，在紅光和綠光下小球藻的光合速率較低。在黑暗的環(huán)境中小球藻不能進(jìn)行光合作用。

四、反思

上述兩個(gè)探究中均使用的實(shí)驗(yàn)材料－－小球藻分布廣泛、易獲取。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作能力要求不高，絕大多數(shù)中學(xué)生均能完成。另外，利用不同的燈帶創(chuàng)設(shè)不同的光照強(qiáng)度和光質(zhì)，有效降低實(shí)驗(yàn)條件難度，因此具有較好的推廣價(jià)值。

本次探究的不同處理引起的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均非常直觀且差異顯著，豐富了學(xué)生對(duì)光合作用的感性認(rèn)識(shí)，通過(guò)教師可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、推理過(guò)程，將光合作用的概念分解出條件、原料、產(chǎn)物和場(chǎng)所，便于學(xué)生對(duì)直觀的一個(gè)個(gè)事實(shí)進(jìn)行綜合歸納，有助于加深學(xué)生對(duì)光合作用的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展上述探究，可引導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)實(shí)驗(yàn)命名、原理分析、材料用具的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、結(jié)果的記錄分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出等等各項(xiàng)步驟，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析能力的提高和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］葛珍珍．小球藻的篩選、培養(yǎng)和產(chǎn)油脂研究［D］：［碩士學(xué)位論文］．江蘇無(wú)錫：江南大學(xué)，2012

［2］呂旭陽(yáng)，張?chǎng)瑮铌?yáng)，蔡小寧．分光光度法測(cè)定小球藻數(shù)量的方法研究．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)．2009，37（23）：11104－11105