章熙東 王天鈺 石昊源 （南京外國語學校 江蘇南京 210008）

在科學探究中落實生物學科素養(yǎng)
——中學生給玄武湖做“體檢”

章熙東 王天鈺 石昊源 （南京外國語學校 江蘇南京 210008）

測定了玄武湖2017年3月和5月在兩個采樣點共4次水樣的水體狀態(tài)，包括群落結構、葉綠素a含量、總N含量、總P含量，結果顯示玄武湖中浮游植物群落結構存在顯著的月份差異，且5月份浮游植物生物量顯著高于3月份；從總氮、總磷含量看，3月份水質優(yōu)于5月份，5月份玄武湖水質處于IV類水。本課題的實施有助于提高學生科學探究和理性思維能力，增強學生的環(huán)境保護和社會參與意識。

玄武湖 葉綠素a 總N含量 總P含量

1 引言

《普通高中生物課程標準（實驗）》指出：“要注重使學生在現(xiàn)實生活的背景中學習生物學，倡導學生在解決實際問題的過程中深入理解生物學核心概念，并運用生物學的原理和方法參與公眾事務的討論?！边@為促進學生核心素養(yǎng)的提升，開拓了廣闊的實踐空間。生物學作為一門實驗學科，教學已不再局限于常規(guī)課堂，教師可利用選修課組織學生開展各種探究活動。筆者以所在城市的著名景點——玄武湖為對象，帶領學生給玄武湖水質進行“體檢”。學生在探究活動中，聯(lián)系社會與生活，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，培養(yǎng)了科學探究和理性思維的能力，同時增強了環(huán)境保護和社會參與意識。

南京玄武湖是國家4A級旅游景區(qū)，屬于小型城市淺水湖泊，是當?shù)鼐用窈屯獾赜慰土鬟B忘返的地方。該湖景色宜人，具有調節(jié)城市氣候、調蓄城市水資源、保護城市生物多樣性等重要作用，同時具有豐富的景觀功能。在南京城市發(fā)展過程中，曾因大量工業(yè)廢水、生活污水偷排入湖，造成玄武湖的水質惡化，生態(tài)功能逐漸衰退，并多次發(fā)生水質污染事件。近年來，主管部門采取生態(tài)補水、清淤疏浚、法制宣傳等方式綜合治理玄武湖環(huán)境，取得一定效果，玄武湖的水質獲得部分改善，但水體的富營養(yǎng)化還是比較嚴重。特別是自2010年玄武湖景區(qū)正式免費對外開放以來，人流量激增，在節(jié)假日時常出現(xiàn)游客“井噴”現(xiàn)象。部分游客的不文明行為在長年累月逼玄武湖“吃”下各種“垃圾”食品，使得玄武湖污染加重。

通常，水體中浮游植物群落結構組成及變化能夠反映水體狀態(tài)。那么近年來隨著發(fā)展變化，玄武湖中目前浮游植物群落結構組成、時空分布如何呢？且受何種環(huán)境因子影響？為探究目前玄武湖水體的狀態(tài)，我校生物興趣小組利用選修課時間對玄武湖的浮游植物群落結構進行了分析，并監(jiān)測了常規(guī)的水質指標（總氮、硝氮、氨氮和總磷以及葉綠素a濃度）。結合水質指標，探究了導致浮游植物群落結構變化的可能原因。

2 材料與方法

2.1 水樣采集

本研究的地點為玄武湖，水面面積約3.7 km2，平均水深 1.14 m（118°47'E,32°04'N），為南京市的四大水系之一。本研究設定兩個位點：site 1#和site 2#（圖1），采樣時間分別為2017年3月和2017年5月。水樣采集使用水樣采集器收集水下0.5 m處的水樣各5 L，富集后用于分析水中浮游植物群落結構及測定葉綠素a濃度。此外，采集500 mL水樣用于水質指標分析。

2.2 浮游植物群落結構分析

采集后的水樣加入適量的魯哥試劑固定后富集，取富集后的水樣進行浮游植物群落結構分析。根據《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》和顯微鏡觀察分析，將浮游植物主要分為綠藻硅藻和藍藻。

2.3 葉綠素a濃度測定

2.3.1 測量方法及步驟

（1）以離心或過濾濃縮水樣，在抽濾器上裝好乙頁碼 電子書=quot;40quot; 紙書=quot;38quot;/gt;酸纖維濾膜。倒入定量體積的水樣進行抽濾，抽濾時負壓不能過大（約為50 kPa）。水樣抽完后，繼續(xù)抽1～2 min，以減少濾膜上的水分。如需短期保存1～2 d時，可放入普通冰箱冷凍；如需長期保存（30 d），則應放入低溫冰箱（-20℃）保存。

圖1 玄武湖采樣位點分布

（2）取出帶有浮游植物的濾膜，在冰箱內低溫干燥6～8 h后放入組織研磨器中，加入少量碳酸鎂粉末及2～3 mL的質量分數(shù)為90%的丙酮溶液，充分研磨，提取葉綠素a，在3 500 r/min下離心10 min。將上清液倒入5 mL容量瓶中。

（3）再用2～3 mL的質量分數(shù)為90%的丙酮溶液，繼續(xù)研磨提取，在3 500 r/min下離心10 min，并將上清液再轉入容量瓶中，重復1～2次，用90%丙酮定容為5 mL搖勻。

（4）將上清液在分光光度計上，用1 cm光程的比色皿，分別讀取750 nm、663 nm、645 nm、630 nm波長的吸光度，并以質量分數(shù)為90%的丙酮做空白吸光度測定，對樣品吸光度進行校正。

2.3.2 計算方法

葉綠素a的含量按如下公式計算。

式中：V—水樣體積（L）;

D—吸光度；

V1—提取液定容的體積（mL）;

δ—比色皿光程（cm）。

2.4 常規(guī)水質指標測定

水質測定包含總氮，硝氮，氨氮和總磷含量測定。這些指標根據《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》上的方法進行測定。

3 結果與分析

3.1 浮游植物群落結構的變化

通過分析發(fā)現(xiàn)，玄武湖中浮游植物群落結構存在顯著的月份差異。其中，3月份主要以硅藻和綠藻為主，且硅藻以直鏈藻屬為主要優(yōu)勢種屬，綠藻以小球藻屬為優(yōu)勢種屬，其平均藻細胞濃度分別為2.1×103個·mL-1和1.58×103個·mL-1。然而，5月份的浮游植物生物量顯著高于3月份，且主要以超微藻為主，其細胞濃度達3.6×107個·mL-1，而不同位點的差異不明顯。這說明隨著月份的變化，玄武湖中浮游植物群落結構發(fā)生了顯著的變化。

同時，通過對水體中葉綠素a濃度的測定發(fā)現(xiàn)，5月份玄武湖中的生物量顯著高于3月份（圖2）。3月份葉綠素a濃度為0.10 μg·L-1，而5月份葉綠素a濃度劇增到43.7 μg·L-1（該值是3月份的437倍）。說明玄武湖在5月份出現(xiàn)了浮游植物暴發(fā)的情況，這與顯微計數(shù)法相吻合。接著結合水質指標探究引發(fā)其變化的可能的環(huán)境驅動因子。

圖2 玄武湖中葉綠素a濃度變化

3.2 水質指標的變化情況

調查發(fā)現(xiàn)，玄武湖中除硝氮以外，氮含量在5月份均顯著高于3月份（圖3）。其中，就1#和2#的平均值來說，總氮從0.77 mg·L-1升高至1.16 m·L-1，氨氮從0.14 mg·L-1增至0.69 mg·L-1。從總氮角度來看，玄武湖水質5月份處于IV類水。然而，3月份的硝氮濃度反而略高于5月份，從0.34 mg·L-1降至 0.28 mg·L-1。有研究表明浮游植物對氨氮的利用效率高于硝氮，因此氨氮濃度的上升可能導致了玄武湖中5月份生物量的異常暴發(fā)。此外，總磷也呈現(xiàn)出顯著月份差異。其濃度從0.091 mg·L-1增至0.13 mg·L-1。從總磷角度來看，玄武湖水質5月份處于III類水。磷元素被認為是淡水水體中浮游植物主要的限制因子，因此磷濃度的上升可能也是導致玄武湖中5月份浮游生物的異常生長的驅動因子之一。

此外，不同采樣點的氮磷濃度具有一定差異，其中2#點的氮磷濃度均略高于1#點（圖3）。這可能與水體流動性有關，1#點處于相對較開放水域，水體流動略高，而2#點處于灣部，水體滯留時間較1#點長，更加有利于浮游植物生長。葉綠素a濃度分析結果佐證了這一觀點。

圖3 玄武湖的水質指標變化

3.3 采樣期間平均氣溫的變化情況

采樣期間玄武湖區(qū)域的平均氣溫從3月份的約13℃劇升至約24℃。而浮游生物通常具有較高的適宜生長溫度，如綠藻最適生長溫度約為20℃。較低的溫度可以顯著抑制藻類生長，而氣溫的上升可以顯著增加藻類的生長速率。因此較高溫度也可能是驅動5月份玄武湖中浮游植物快速繁殖的環(huán)境因子之一。

4 結論

（1）玄武湖中浮游植物群落結構存在顯著的月份差異，且5月份浮游植物生物量顯著高于3月份。

（2）玄武湖中3月份主要以硅藻和綠藻為主，且硅藻以直鏈藻屬為優(yōu)勢種屬，綠藻以小球藻屬為優(yōu)勢種屬。而5月份主要以超微藻為主。

（3）玄武湖中營養(yǎng)鹽水平5月份顯著高于3月份，且5月份水質總體水平處于Ⅳ類水。

5 結束語

培養(yǎng)學生的生物學科素養(yǎng)，鼓勵學生參與科學實踐，使學生在實踐中加深對知識的理解、對技能的掌握、對學科思想的領悟，從而促進學生的終身發(fā)展。正如學生所說：“本次實踐拉近了我與環(huán)境保護的距離。保護環(huán)境，緩解水污染，不一定要我們做出卓有成效的工作。我們從身邊的玄武湖入手，從生活中相對熟悉的事物入手，也許這就可以成為我們邁向科研的第一步。在提取綠藻樣品的過程中，我們親自參與，學習操作要領，提升實踐能力?？茖W實驗的縝密細致，不容差錯從中體現(xiàn)。我們不應只在教材上接近環(huán)境保護，只有親臨現(xiàn)場才讓人有感而發(fā)。這次探究活動，我開始逐漸樹立了強烈的環(huán)保意識。一張張觸目驚心的圖片真實地反映出水污染治理的不足。作為中學生的我們，理應以天下為己任，從我做起，從身邊的小事做起，為環(huán)境保護出一份力?！?/p>

[1] 胡鴻鈞,魏印心.中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)[M].科學出版社,2006.

[2] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學出版社,2002.

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