運用生物基礎實驗促進高中生核心素養的培養
——咖啡因對植物生長的影響研究

趙 婕 葉 琦

（江蘇省南京田家炳高級中學 江蘇南京 210037）

生活中，經常會看到這樣的現象:在家或辦公室里，喝剩的茶水會隨手倒入花盆中。那么，茶水會影響植物生長嗎？上網查詢，說法不一。茶水中到底是什么物質對植物的生長有影響呢？通過查閱文獻，得知:茶葉生物堿中，最重要的是咖啡因、可可因、茶葉堿。咖啡因含量一般占成品茶的2%～4%。咖啡因，又名咖啡堿，學名為1，3，7-三甲基黃嘌呤，純品為白色或帶極微黃綠色、無臭、味苦有光澤的針狀結晶體。咖啡因普遍存在于茶葉、咖啡、可可等食品飲料中。由于這些食品越來越多地被廣泛應用，咖啡因也因生產的排污和攝入者的排泄，越來越多地釋放到自然水體環境中。因此，咖啡因對環境的影響也可看作人類活動對自然環境影響的一個指標。

本研究分為兩部分，首先通過茶葉水對生菜種子萌發的影響實驗，初步探究了咖啡因對植物生長的作用。接著，單獨研究咖啡因的作用效果，設計并實施了咖啡因對藻類生長影響的探究實驗。

1 茶葉水對生菜種子萌發的影響

1.1 實驗材料用具

生菜種子120粒、鐵觀音茶葉6 g、培養皿、濾紙、保鮮膜、光照培養箱等。

1.2 實驗過程

1.2.1 制備咖啡因溶液

稱取1 g、2 g、3 g茶葉，100 mL沸水浴浸提配制不同質量濃度的茶多酚溶液。根據所查資料中所述的成品茶中咖啡因的含量約為2%～4%，因此配制三組咖啡因濃度分別約為200 mg/L、400 mg/L和600 mg/L的茶多酚溶液。

1.2.2 生菜種子萌發

在培養皿內附兩張濾紙，放入30粒生菜種子，分別加入清水和不同濃度的茶多酚溶液。用保鮮膜覆蓋培養皿，以減少水分散失。將實驗裝置放于光照培養箱內，溫度沒為18℃～22℃。每天定期觀察，添加溶液，使培養皿內的濾紙保持濕潤狀態。實驗分為4組，每組3個重復，測定生菜種子萌發過程中的發芽率和根長度的變化。

1.3 實驗結果

1.3.1 不同濃度茶葉水對生菜種子發芽率的影響

從圖1可以看出，與清水相比，低濃度的茶葉水可促進生菜種子的萌發，而高濃度的茶葉水對生菜種子的萌發有抑制作用。

圖1 不同濃度茶葉水對生菜種子的發芽率

1.3.2 不同濃度茶葉水對生菜幼苗根長生長的影響

通過連續測定生菜種子萌發后第3天、第6天和第9天根長的變化。從圖2結果可知，不同茶葉水對根的生長具有不利影響，且隨著茶葉水濃度越大，根的生長速度越緩慢。在實驗過程中還發現根尖變黃、變黑甚至腐爛的情況，尤其是高濃度的茶葉水（約600 mg/L的咖啡因濃度），根幾乎不生長。

圖2 不同濃度茶葉水對生菜幼苗根長生長的影響

1.4 實驗結果分析

從實驗結果可得，200 mg/L咖啡因的茶葉水對生菜種子的萌發幾乎沒有影響，但咖啡因濃度再升高就會明顯抑制生菜種子的萌發。主要原因可能是外界溶液濃度過高，種子吸水困難，導致萌發率下降；也可能是因為茶葉水中的物質對種子的萌發產生毒害作用，但這要經過進一步實驗驗證。

通過連續測定生菜幼苗根的生長情況，發現經過不同濃度茶葉水處理后，根的生長速度均減緩，高濃度的茶葉水甚至完全抑制根的生長。萌發后第9天觀察發現根尖變黃、變黑，出現腐爛，可見茶葉水中物質對根確實產生了毒害效應。

茶葉水中除了咖啡因之外還有其他的生物堿，因此上述實驗只是初步探究咖啡因對植物生長的影響。為了進一步驗證咖啡因對植物生長的毒害效應，又做了咖啡因對藻類生長的影響研究。

2 咖啡因對藻類生長的影響研究

藻類是水體生態系統中初級生產者，是重要的水生生物類群組成成分，因而咖啡因會通過影響不同藻類生長和生理代謝，進而影響水體生態系統。Bowne Jun早在1964年就發現在鹽介質中，咖啡因可以抑殺藻類培養物中的真菌、非光合原生動物等物種，甚至可以起到促進藻類生長的作用。Domozych 1989年的研究發現，1～2 mg/L濃度的咖啡因作用于綠色鞭毛藻Gloeomonas kupfferi，就會破壞其內質網的完整性。本實驗選擇了水體生態系統中最常見的綠藻小球藻Chlorella sp.和藍藻集胞藻Synechocystis sp.PPC6803為實驗材料，設置了不同的咖啡因濃度，以觀察不同的咖啡因濃度對不同藻類生長的影響。

2.1 實驗材料

2.1.1 咖啡因母液

稱量5g咖啡因，溶于100 mL去離子水中配制成10 000 mg/L的咖啡因母液，使用時按實際需要量加入培養基。

2.1.2 實驗藻株和培養

實驗藻株為綠藻小球藻Chlorella sp.和藍藻集胞藻Synechocystis sp.PPC6803。

培養采用藍綠藻培養常用培養基BG11，培養方法為:

取一定體積生長對數期的新鮮藻液以10 000 g離心5 min，倒掉上清液，轉移至75 mL滅菌的BG11培養液中，依次加入0、0.75、2.25、3.75 mL的咖啡因母液，形成0、100、300、500 mg/L濃度梯度。置于光照培養架上，24 h連續光照培養，光源由2支白色日光燈提供，光照強度為2 500 lx。靜置培養，培養期間定期震蕩搖動。

2.1.3 生長測定

用分光光度計測定藻的生長狀況，選擇700 nm為測定波長，以OD700測量藻生長濃度。

2.2 實驗結果

2.2.1 不同濃度的咖啡因溶液對小球藻生長的影響

不同濃度咖啡因溶液對小球藻生長的影響的實驗結果見表1。

表1 不同濃度的咖啡因溶液處理下小球藻生長測定（OD700）

從生長測定的數據可見，在實驗選擇的濃度范圍內，不同濃度的咖啡因溶液對小球藻的生長有促進作用，咖啡因濃度越高，越有利于小球藻生長。經過5 d培養，500 mg/L實驗組的藻濃度幾乎是對照組的6倍。

2.2.2 不同濃度咖啡因溶液對集胞藻生長的影響

不同濃度咖啡因溶液對集胞藻生長影響的實驗結果見表2。

通過藻細胞濃度的變化可見，在培養液中加入較低濃度的咖啡因溶液，即100、300 mg/L時，咖啡因對集胞藻6803的生長有促進作用，而在較高濃度500 mg/L的溶液下，對藻類生長有顯著的毒害作用，咖啡因對藍藻的作用效應，顯然不同于對綠藻的作用。

2.3 實驗結果分析

從表1可以看出，咖啡因能夠促進小球藻的生長。隨著咖啡因溶液濃度的增大，小球藻生長受到的促進效應越來越明顯；而從表2可以看出，咖啡因對集胞藻6803具有低濃度促進，高濃度抑制效應。隨著咖啡因溶液濃度的增大，在100 mg/L濃度前后時，對6803的生長促進作用最大，而后隨著咖啡因溶液濃度的增大，呈現高濃度抑制生長的作用。

由此可見，咖啡因對于綠藻和藍藻的作用效果是不一致的。綠藻和藍藻均廣泛分布于自然界的水體中，藍藻和綠藻種群存在一定的平衡，咖啡因的大量排放會造成綠藻相對于藍藻的種族優勢，進而破壞生態系統的穩定性。

表2 不同濃度咖啡因溶液處理下集胞藻生長測定（OD700）

3 分析討論

關于咖啡因對植物細胞產生影響的作用機理目前了解得并不多。劉光珍等對小麥種子的研究發現，咖啡因對大麥種子γ射線輻射后的損傷修復有明顯抑制作用。王振英等發現，咖啡因對小麥種子萌發，幼苗生長和胚根長度均有明顯毒害作用。這些研究表明，對于高等植物，咖啡因可能有更強的毒害作用。這些結果也提示，有可能在水體生態系統中，咖啡因可抑制水生高等植物的生長，從而導致藻類失去營養和光照的競爭者，導致水華產生。因此，應通過加強污水處理控制，盡量減少和消除咖啡因向水體環境中的排放。