STEM理念下的中學(xué)生科學(xué)探究實踐
——超聲與電解聯(lián)合工藝除藻效果的評價

章熙東 譚嘯 （南京外國語學(xué)校 江蘇南京 210008）

1 引言

STEM教育將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）等整合在一起，強調(diào)對知識的應(yīng)用和對學(xué)科之間關(guān)系的關(guān)注。STEM教育源于美國，是為提高全球競爭力而推行的一種美式素質(zhì)教育，以“基于項目、跨學(xué)科、動手做”為主要特征。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可不斷評估自己的興趣和才能，進行個性發(fā)展。STEM教育絕非學(xué)科之間的簡單加減，而是把各學(xué)科的知識綜合起來，在真實的問題情境中進行運用，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作能力以及解決問題的能力。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也指出，學(xué)科教學(xué)要高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程的實踐經(jīng)歷，讓學(xué)生積極參與動手動腦活動，通過探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對學(xué)科概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和真實情境下的問題解決能力。生物學(xué)教師可以積極思考教學(xué)中的拓展點，聯(lián)系學(xué)生的生活實際，鼓勵學(xué)生拓展思維進行獨立思考，開展探究。

水是生命之源，但是水污染的問題越來越嚴重，受到了人們的重視。我校“關(guān)注水污染”的選修課為學(xué)生提供了科學(xué)探究的舞臺。藍藻作為一類原核生物，在高中生物教科書《必修1·分子與細胞》中被重點提及，藍藻水華等水污染現(xiàn)象在高中生物教科書《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中也是重點，為本探究的開展提供了理論基礎(chǔ)。藍藻水華是多年來的水環(huán)境熱點問題，很多研究者探索安全高效的應(yīng)急處理措施。針對常見的水華優(yōu)勢種銅綠微囊藻，各種物理、化學(xué)、生物方法應(yīng)運而生，大多處理技術(shù)都是以單一工藝為主，對聯(lián)合工藝關(guān)注較少。一方面，超聲技術(shù)是近年來一項較為成熟的除藻技術(shù)，已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。另一方面，由于藻細胞對電流作用較為敏感，電解除藻技術(shù)近年來受到越來越多的關(guān)注。因此，學(xué)生在查閱資料后，提出設(shè)想：可以聯(lián)合電解與超聲技術(shù)，研究銅綠微囊藻的去除工藝，為為藻水分離站和污水處理廠的應(yīng)急除藻提供參考與借鑒。

2 材料與方法

2.1 藻種的選擇與培養(yǎng)

實驗所用的銅綠微囊藻藻種（Microcystis aeruginosa FACHB-469）購買自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫。實驗中采用BG-11培養(yǎng)基進行接種培養(yǎng)。待接種完成，將藻液放置在光照培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)（25℃、光照2 000lx、光暗周期比12h∶12h），每日適當(dāng)搖勻，待銅綠微囊藻長至對數(shù)期進行實驗。

2.2 實驗方法

本研究設(shè)置超聲、電解、超聲電解聯(lián)合處理3組實驗，對藻液取樣進行流式細胞儀分析，實驗時間設(shè)為60 min，取樣間隔設(shè)為10 min，測量樣品中藻細胞濃度、藻藍素（APC）、葉綠素含量等數(shù)據(jù)。實驗過程中保證反應(yīng)體系的溫度不超過25℃（超過25℃要及時冷卻控溫），同時記錄每次到達溫度閾值所需要的時間，觀察處理前后藻液的顏色變化。

2.2.1 超聲組

實驗所用超聲波反應(yīng)器為醫(yī)用水浴式超聲波清洗儀。改變超聲功率強度時對銅綠微囊藻進行以下實驗，具體操作步驟如下：

（1）取適量原始藻液，經(jīng)過離心機離心取底部藻細胞沉淀，加蒸餾水稀釋，用流式細胞儀測量新配藻液的藻細胞濃度。待藻細胞濃度為2×106個/mL時，即取藻液開始實驗。

（2）取3組240 mL的銅綠微囊藻液，加入10 mL的0.25 mol/L氯化鎂溶液，實驗時超聲頻率為35 kHz，功率強度分別為0.017 2、0.021 3和0.022 6 W/mL，后持續(xù)超聲60 min，每次取樣間隔為10 min，實驗結(jié)束時用流式細胞儀進行分析。

2.2.2 電解組

實驗所用電解裝置電源為可調(diào)穩(wěn)壓電源，3種電流強度分別為：0.01、0.02和0.03 A，換算成單位體積電流密度為0.25、0.50和0.75 A/L。實驗中所用電極為鉑片電極（規(guī)格為10×10×0.1 mm3）。改變單位電流體積密度對銅綠微囊藻進行下列實驗：

（1）與超聲組一樣，實驗開始保證電解組各組實驗藻液初始藻細胞濃度在2×106個/mL開始進行實驗。

（2）同樣取3組240mL的銅綠微囊藻液，加入10mL的0.25 mol/L氯化鎂溶液作為電解質(zhì)增強導(dǎo)電能力，電解實驗體積電流密度分別為0.25、0.50和0.75 A/L，后持續(xù)電解60 min，每次取樣間隔為10 min，實驗結(jié)束時用流式細胞儀進行樣品分析。

2.2.3 超聲電解聯(lián)合組

實驗裝置由超聲和電解裝置組裝而成，在對藻液進行單一方法處理時，關(guān)閉另一裝置；在對藻液進行聯(lián)合處理時，同時打開兩個裝置。將上述超聲強度和體積電流密度進行兩兩組合，處理時間和取樣時間同上。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置

2.3 實驗除藻效果評價方法

采用葉綠素和藻藍素的破壞率來表示除藻效果。每次實驗前測量所用藻液的藻細胞濃度，盡量保證每組實驗開始的生物量相等以減少生物量對實驗結(jié)果帶來的影響。實驗時，將每個樣品中所有藻細胞的葉綠素和藻藍素值進行相加，以此方便對各組實驗進行量化比較。具體計算及比較方法如下：

葉綠素（藻藍素）剩余百分比為：Pt=，其中C為每組時間t時測定的剩余葉zt綠素（藻藍素）總量，Cz0為每組實驗前測定的初始葉綠素（藻藍素）總量。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 超聲組的除藻效果

3.1.1 葉綠素和藻藍素含量變化

圖2和圖3的實驗結(jié)果表明，在超聲時間0～40 min時，隨著超聲強度的增加，藻細胞的去除效果增加：0.0172W/mL＜0.0213W/mL＜0.0226W/mL。但在40min之后，0.0172 W/mL的藻藍素和葉綠素去除效果和去除效率相反上升，在三組中藻細胞色素出現(xiàn)大量破壞時（40 min），0.022 6 W/mL的超聲對色素的破壞效果最好。

圖2 超聲過程中藻藍素?zé)晒獾淖兓?/p>

圖3 超聲過程中葉綠素?zé)晒獾淖兓?/p>

3.1.2 前向角和側(cè)向角的變化

細胞的SSC（側(cè)向散射光）能反應(yīng)細胞內(nèi)部顆粒度和精細結(jié)構(gòu)的變化，而前向散射光FSC（前向散射光）能反應(yīng)被測細胞的體積大小。綜合二者變化情況及鏡檢情況來判斷藻細胞的外觀結(jié)構(gòu)變化。圖4為超聲組超聲過程中的FSC（實心）和SSC（空心）變化趨勢圖。

圖4 超聲過程中前向角（實心）和側(cè)向角（空心）的相對值變化

由上圖可以看出隨著超聲時間的延長，3組超聲強度下藻細胞的SSC呈現(xiàn)下降趨勢，且在10和40 min出現(xiàn)明顯變化。三組藻細胞的FSC有兩組（0.022 6 W/mL和0.017 2 W/mL）在10 min發(fā)生了明顯的變化，同時在40 min時出現(xiàn)明顯的下降，在40 min后無明顯變化，超聲60 min后的藻細胞鏡檢顯示大量藻細胞已經(jīng)裂解。

3.2 電解組的除藻效果

3種體積電流密度下電解組中樣品中的藻細胞藻藍素（APC）和葉綠素（Percp）總量隨時間變化情況如圖5所示。

圖5 電解過程中葉綠素和藻藍素?zé)晒獾淖兓?/p>

由上圖得知，藻液在電解處理下藻藍素和葉綠素在10 min左右就發(fā)生了劇烈變化，表示10 min左右藻細胞內(nèi)部的色素就已經(jīng)遭到了劇烈的破壞，而實驗過程中藻液的顏色變化也可以證明藻細胞的生理活性遭到了嚴重的損傷。

3.3 超聲電解聯(lián)合組的除藻效果

實驗證明大部分經(jīng)過聯(lián)合處理的藻細胞葉綠素和藻藍素去除率均比均比單一方法處理的高，圖7為三組的葉綠素（Percp）和藻藍素（APC）的去除情況對比。下面通過保證超聲強度相同，觀察聯(lián)合組中各小組的葉綠素（Percp）和藻藍素（APC）去除率來對藻類的去除效果進行比較。

同一超聲強度時變化體積電流密度時聯(lián)合組內(nèi)藻細胞內(nèi)的葉綠素（Percp）和藻藍素（APC）去除率變化情況。葉綠素（Percp）和藻藍素（APC）的變化情況如圖7所示。

綜合藻藍素和葉綠素的剩余百分比來說，聯(lián)合組中，二者在20 min時9組的剩余比基本到達最低點，但當(dāng)超聲強度為0.021 3 W/mL時，藻藍素的下降速率最快，在10 min左右便下降到8%左右，且隨電流密度增大去除效果增加。而葉綠素的在超聲強度為0.021 3 W/mL體積電流密度為0.50 A/L時達到最佳效果。綜合上述結(jié)果，采用聯(lián)合工藝處理銅綠微囊藻時，保證超聲強度和體積電流密度分別為0.021 3 W/mL和0.5 A/L，處理時間為10 min，對銅綠微囊藻去除效果最為明顯且處理效率最高。

4 實驗結(jié)論

本探究主要研究了不同工藝處理下銅綠微囊藻的生理變化情況，同時對比了單一、聯(lián)合工藝處之間的除藻效果。學(xué)生討論后，得出以下主要結(jié)論：

（1）單一的超聲處理對能對藻細胞內(nèi)的色素產(chǎn)生一定的破壞效果，且隨著超聲強度的增強及超聲時間的延長破壞效果增加。

（2）超聲對細胞的大小及內(nèi)含物影響較大，超聲60 min后的藻細胞鏡檢圖顯示，細胞已基本裂解。

（3）單一的電解處理對藻細胞對藻內(nèi)的色素破壞效果極為明顯，10 min左右破壞率達到最高，且隨體積電流密度和處理時間而增加。

（4）電解對細胞大小及內(nèi)含物的影響沒超聲處理的影響明顯。

（5）實驗中發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理的效果大多優(yōu)于單一的工藝處理，綜合處理效率及能耗等方面的考慮，超聲強度0.021 3 W/mL、電流密度0.5 A/L，處理時間10 min為最佳處理參數(shù)。

5 實驗反思

本課題源于學(xué)生在對南京市玄武湖進行一次“體檢”后，針對“有污染該如何治理”的問題，查閱資料，提出了自己的設(shè)想。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過主動探究來驗證自己的設(shè)想。學(xué)生從單一方法處理銅綠微囊藻聯(lián)想到聯(lián)合方法處理是否更有效，然后通過確定研究項目、實驗設(shè)計、分工協(xié)作、開展實驗、問題解決、產(chǎn)生新問題等環(huán)節(jié)進行了一次項目式學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生應(yīng)用跨學(xué)科知識解決實際問題，進行團隊合作，培養(yǎng)興趣，鍛煉能力。這樣在解決項目的過程中，學(xué)生充分表達的是素養(yǎng)，而不是孤立的知識與技能。

與高中生物必修教材實驗不同的是，STEM教學(xué)是基于現(xiàn)實生活中的問題情景，探索未知問題，比教材中的實驗（驗證實驗，探究已知問題的實驗）更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力，因而是教材實驗的很好補充，利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和社會責(zé)任等生物學(xué)科核心素養(yǎng)。生物學(xué)教師要注意將知識的學(xué)習(xí)與學(xué)生生活實踐結(jié)合起來，使學(xué)生通過科學(xué)探究的實踐解決現(xiàn)實生活的實際問題，提升學(xué)生的實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)收集和分析等科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生形成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等重要概念，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類所生存的環(huán)境現(xiàn)狀及應(yīng)采取的措施。