尋找解磷菌
——核心素養視域下的“微生物分離與培養”教學實踐

章熙東 錢 亮 蔣瑀霽

（1.南京外國語學校 江蘇南京 210008）

（2.中國科學院南京土壤研究所 江蘇南京 210008）

在課堂中如何落實學科核心素養已成為每一位生物學教師面臨的重大課題。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確指出，新課程理念下的課堂應高度關注學生學習過程中的實踐經歷，強調要讓學生主動參與學習過程，通過動手動腦的探究性學習活動，加深對生物學概念的理解，提升知識應用和問題解決能力，培養創新精神。因此，在教學中，教師要關注基于真實情境下的探究性活動設計，開展可操作、原創性的實驗，更利于發展學生的核心素養。體驗性、互動性強的課堂將會成為課堂教學改革的一種趨勢。

“微生物的分離與培養”是《選擇性必修3·生物技術與工程》中的內容，是開展科學探究的很好素材。此專題涉及培養基配制、微生物培養、分離純化（平板劃線法、稀釋涂布平板法）、無菌操作等技術。蘇教版《選修1·生物技術實踐》教材提供了“分解尿素土壤微生物的分離培養”“分離土壤中能分解纖維素的微生物”2個探究實例，能讓學生在實際操作中了解微生物分離與培養的常規流程和基本方法。但是，學生在開展探究時，往往會提出“我們分離出這些微生物有什么更重要的意義”的深層次問題。同時，有部分學生聯想到必修3所學到的水體N、P超標所造成的富營養化，提出了能否分離出用于“除磷”的細菌。還有學生提到，農業生產中為什么要通過施用磷肥來“增磷”，如何解決土壤“缺磷”？面對學生富有社會責任感的問題，筆者決定通過“尋找解磷菌”的項目化學習，拓展“微生物分離與培養”的教學實踐。

1 確定課題

教師引導學生從多種途徑查閱資料，使學生了解相關信息：磷（P）元素是構成細胞的重要元素，存在于磷脂、核酸等有機物中，在生物的生長發育過程中發揮著重要作用。自然界的P元素主要通過植物的吸收進入生物群落，進而流向動物等其他生物。水體富營養化是水體中N、P等營養鹽含量過多所引起水質污染現象，其實質是由于營養鹽的輸入與輸出失去平衡性，破壞了水生生態系統的物質與能量的流動，使整個水生態系統逐漸崩潰。由于磷固定的存在使土壤缺磷現象在世界范圍內廣泛存在。據統計，我國有3/4的耕地土壤缺少生物可利用磷。解決這一問題有兩條途徑：①增加磷源投入（施磷肥），但磷資源有限，而且磷元素容易被Al3+等金屬離子結合生成難溶性磷，降低了磷肥利用率。②篩選出土壤中具有適生性的高效解磷的微生物，并制成生物菌劑，提高難溶性磷的利用率。解磷菌是土壤中的一類功能微生物，種類繁多，主要有細菌、真菌和放線菌。其中，細菌在土壤中的數量占絕大多數。根據解磷菌作用對象不同，可以分為有機磷微生物和無機磷微生物。解磷菌通過自身分泌的有機酸和磷酸酶等代謝產物，能使土壤中難溶性或不溶性的磷轉化成易于被植物吸收利用的有效態磷，從而提高土壤供磷水平，提高作物產量；同時還能促進農作物根系對鋅、銅等其他營養元素的吸收，增強植物抗病能力，并減少環境污染。因此，利用解磷菌制成的菌劑具有重大開發應用價值及社會意義。

學生分析收集的資料后，確定“尋找解磷菌，分離出土壤中具有高效解磷功能的細菌”作為研究課題，為解決土壤磷缺乏問題提供一些參考。

2 實驗方法

2.1 土壤樣品采集

本研究所用樣品采集于我校校園內的黃棕壤。樣品采集時，隨機選擇較少人為干擾處，分別劃定2 m×2 m樣方，在該樣方內隨機設置3個取樣點，取樣器鉆取土壤，混合均勻后，用四分法留取2 kg的土用于后續的實驗。

2.2 解磷菌的篩選

2.2.1 培養基配制

按規范流程配制蒙金娜無機磷（磷酸三鈣）選擇性培養基（表1）。滅菌，倒平板。

表1 蒙金娜無機磷（磷酸三鈣）選擇性培養基的配方（蒸餾水1 000 mL，pH為7.0～7.5）

2.2.1 分離解磷菌

稱取土壤0.1 g，溶于9.9 mL無菌水中，10倍稀釋法分別將梯度稀釋至10-4、10-5、10-6g/mL，用移液槍吸取100 μL土壤懸液涂布至蒙金娜無機磷（磷酸三鈣）選擇性培養基，每個梯度3個重復，28℃培養5 d。觀察出現解磷圈（透明圈）的菌落、解磷圈直徑（D/cm）、菌落直徑（d/cm），以此初步確定菌株的解磷能力。

本實驗通過對土壤懸液進行6個梯度的稀釋，最終選取10-5、10-6g/mL兩個稀釋梯度，共得到21株具有解磷能力的菌。其中，挑選了10株解磷圈較大較明顯的，編號A1-A10。

3 深入探究

學生在選擇性培養基培養出解磷菌的菌落后，發現解磷圈及菌落大小存在差異，思考可能不同菌落屬于不同的細菌，有不同的解磷能力。因此，求助中科研土壤研究所的研究員，想進一步探究不同解磷菌的解磷能力，并進行如下實驗。

3.1 解磷菌復篩

用接種環挑取少量菌體接入5 mL的LB液體培養基，在28℃、180 r/min下，振蕩培養12 h后，4℃暫存。準備蒙金娜有機磷、磷酸三鈣、磷酸鋁、磷酸鐵培養基平板并列擺放，將在LB液體培養基振蕩培養的菌懸液，依次吸取6 μL點菌至四種難溶性磷培養基，28℃培養4 d。觀察，記錄解磷圈直徑（D/cm）、菌落直徑（d/cm），計算D/d比值，以此確定菌株對不同難溶性磷的解磷能力與解磷效率。

3.2 解磷菌復篩結果

用固體培養基通過劃線的方式純化挑選的10株菌，并通過觀察解磷圈的情況分別記錄每株菌的解磷能力，結果見表2。通過解磷圈的大小，發現大部分菌株解無機磷的能力要大于解有機磷的能力，有些菌株既可以解有機磷又可以解無機磷，其中菌株A3解無機磷的能力高于有機磷，尤其是對于Al-P的分解能力達到了6.67（D/d），菌株A1、A8對于有機磷和無機磷的解磷能力都較強，解有機磷的能力達到了5.5（D/d）以上，解無機磷的能力最高達到了7.71（D/d）。

表2 10株菌的解磷情況

3.3 菌種分離純化

將在LB液體培養基震蕩培養的菌液，梯度稀釋至10-4倍，每梯度在LB固體培養基劃線純化，28℃培養3 d。觀察分離純化效果，如不純，挑取單菌落，重新接入5 mL的LB液體培養基，在28℃、180 r/min時，振蕩培養12 h，菌懸液稀釋重復劃線純化步驟。

3.4 菌種保藏

取純化后重新接種振蕩培養的菌懸液1 mL，與1 mL LB甘油液體培養基（含質量分數為40%的甘油），在2 mL保藏管內混勻（甘油最終質量分數為20%），標記好菌株名稱、日期，保存于-70℃超低溫冰箱。

3.5 實驗結論

土壤中解磷菌豐富存在。通過選擇培養基共篩選出10株具有明顯解磷能力的菌株（A1-A10）。10株菌既有解有機磷的能力,又有解無機磷的能力，其中菌株A1和菌株A8的解磷能力更高效。

4 教學反思

在本次實踐中，學生一直是教學的主體，在不斷思考解決問題中前行。學生通過小組合作，查找資料，尋求幫助，在實踐中培養了關鍵能力和掌握了必備知識，將理論知識聯系生活，發散思維，主動探究，培養了生物學學科核心素養。學生用“問題喚醒問題”，引發深度思考，使學習主動發生。

同時，教師注重教學設計，讓生物學學科核心素養的培養落地。“生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任”是生物學學科核心素養的有機組成部分。生命觀念最具學科屬性，在生物學學科核心素養中處于中心位置；科學探究和科學思維互為倚重，共同指向生命觀念的形成，同時形成一定的社會責任意識。生命觀念的建立需要以概念學習為基礎，其關鍵是分析與綜合、抽象與概括等科學思維活動，以及觀察與質疑、實驗與實證等有效的科學探究活動。生命觀念遵循“事實→概念→觀念”的形成路徑。因此在教學中，教師需要讓學生從“概念的接受者”成為“概念發現的參與者”，讓概念學習成為學生的發現之旅。學生在“尋找解磷菌”過程中，通過“科學思維”和“科學探究”兩個“主動輪”，登上“事實→概念→觀念”的頂峰。