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        利用手持技術(shù)進(jìn)行“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”定量檢測(cè)

        2016-08-20 09:35:06鄭耀賢
        生物學(xué)教學(xué) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:探究實(shí)驗(yàn)

        鄭耀賢

        (北京師范大學(xué)(珠海)附屬高級(jí)中學(xué) 519080)

        手持技術(shù)也稱掌上技術(shù),是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和相配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù),并與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)[1]。本文以“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”定量檢測(cè)為例,探索將數(shù)字化傳感技術(shù)與生物科學(xué)探究有機(jī)結(jié)合,為中學(xué)生物學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇 ①水綿是多細(xì)胞藻類植物,含有螺旋狀葉綠體,能進(jìn)行光合作用。利用水綿作為實(shí)驗(yàn)材料,開展科學(xué)探究具有材料易得、實(shí)驗(yàn)因變量測(cè)量具可操作性和易于肉眼觀察等明顯的優(yōu)點(diǎn),還能為水稻生境的適應(yīng)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(shí)開始分解出CO2。用NaHCO3加入水綿培養(yǎng)液中,能為水綿緩慢提供CO2,是開展“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的一種重要材料。

        1.2 變量的明確與控制 本實(shí)驗(yàn)的自變量是水綿培養(yǎng)液中NaHCO3的濃度,因變量是光合作用的強(qiáng)度。通過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)原料的消耗或產(chǎn)物生成的數(shù)量來(lái)定量表示光合作用強(qiáng)度, 以單位時(shí)間內(nèi)溶解氧的增加量表示光合作用的強(qiáng)度。水培的水綿在光照下產(chǎn)生氧氣,氧氣可以通過(guò)肉眼觀察到氣泡,同時(shí)氧氣可以溶于水中形成溶解氧,溶解氧可以通過(guò)傳感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。利用傳感技術(shù),量化溶解氧的增加量,同時(shí)通過(guò)肉眼觀察記錄氣泡的產(chǎn)生量,以定量為基礎(chǔ),定性輔助??刂坪脽o(wú)關(guān)變量水綿的質(zhì)量也是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn),由于水綿的生存特點(diǎn),要做到每個(gè)組的水綿量的一致必須做一定的處理??赏ㄟ^(guò)將水綿撈出水用吸水紙反復(fù)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(wèn)題。

        1.3 NaHCO3濃度梯度的設(shè)定 查閱文獻(xiàn)資料,先以0 g/100 mL和4 g/100 mL(恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h)為梯度做預(yù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 g/100 mL的NaHCO3溶液組中水綿基本枯黃糜爛,而對(duì)照組則正常生長(zhǎng),說(shuō)明過(guò)高濃度的NaHCO3會(huì)引起細(xì)胞脫水過(guò)多而死。繼續(xù)設(shè)置0 g/100 mL、1 g/100 mL和2 g/100 mL(恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h)為梯度做預(yù)實(shí)驗(yàn),預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,說(shuō)明2 g/100mL的濃度依然過(guò)大。因此,本實(shí)驗(yàn)最終確定以0.3 g/100 mL為1個(gè)梯度,設(shè)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(gè)梯度。

        表1 NaHCO3濃度對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響(25℃,24 h)

        1.4 儀器的使用 溶解氧的含量是評(píng)價(jià)水體、水質(zhì)和水體自凈能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本研究用溶解氧傳感器測(cè)定,能實(shí)時(shí)量化呈現(xiàn)溶液的溶解氧濃度(精確到0.01)變化情況直至穩(wěn)定,就可記錄數(shù)據(jù)。其具有方便、快速和準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

        2 實(shí)驗(yàn)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(yīng)式是2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O。

        3 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

        3.1 實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)材料 NaHCO3、水綿。

        4 實(shí)驗(yàn)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(gè)梯度的NaHCO3溶液各100 mL。

        4.2 水綿準(zhǔn)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(zhì)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(yǎng)。

        4.3 連接傳感器 將數(shù)據(jù)采集器和溶解氧傳感器以及電腦連接好,并進(jìn)行調(diào)試(數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為手動(dòng),數(shù)據(jù)采集器調(diào)出溶解氧0~15 mg測(cè)試項(xiàng)目,數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1 s 10個(gè)數(shù)據(jù),測(cè)定1000個(gè)數(shù)據(jù),輸出形式為數(shù)字),分別測(cè)定6個(gè)裝置中的溶解氧濃度,作為第0 h的數(shù)據(jù)。

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

        4.5 測(cè)定數(shù)據(jù) 在培養(yǎng)16 h、24 h和32 h后用溶解氧傳感器(數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為手動(dòng),數(shù)據(jù)采集器調(diào)出溶解氧0~15 mg測(cè)試項(xiàng)目,數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1 s 10個(gè)數(shù)據(jù),測(cè)定1000個(gè)數(shù)據(jù),輸出形式為數(shù)字)分別測(cè)定每個(gè)組中的溶解氧濃度,根據(jù)軟件生成圖形和數(shù)字讀取數(shù)據(jù)和記錄(表2)。重復(fù)試驗(yàn)3次,整理相關(guān)數(shù)據(jù)并用Origin繪圖軟件繪制圖形。

        5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

        不同濃度的NaHCO3和處理時(shí)間的長(zhǎng)短都對(duì)水綿光合作用強(qiáng)度產(chǎn)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(jìn)水綿的光合作用強(qiáng)度,說(shuō)明適量補(bǔ)充CO2能促進(jìn)植物光合作用強(qiáng)度。另外,CO2補(bǔ)充的時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好,數(shù)據(jù)表明處理時(shí)間長(zhǎng)度為24h時(shí)對(duì)植物的光合作用強(qiáng)度的促進(jìn)作用最好,CO2補(bǔ)充時(shí)間為32h時(shí),對(duì)水綿的光合作用強(qiáng)度的促進(jìn)作用呈下降趨勢(shì),這可能是因植物長(zhǎng)期生活在高濃度CO2下導(dǎo)致植物光合能力下降,也即產(chǎn)生光合適應(yīng)。

        表2 NaHCO3濃度對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響(25℃,“+”數(shù)目表示量多少)

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

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