研究根瘤菌土壤細(xì)菌對(duì)氮元素存在與否的影響

科目:地球與空間科學(xué)/土壤

課程時(shí)間:9～10周

適合年級(jí):7～12

材料/技術(shù)

●20顆豆科植物的種子,例如豌豆、四季豆或三葉草。這些種子不能是提前嫁接過(guò)的(如果種子皮是有顏色的,通常表示這個(gè)種子是嫁接過(guò)的)。

●一個(gè)根瘤菌細(xì)菌的接種體,必須是對(duì)選定的宿主植物具有特定指向性的?？梢詮姆N子零售商那里買(mǎi)到合適的宿主種子以及細(xì)菌接種體。

●4個(gè)一樣的或非常類似的花盆(或者其他適合的容器,但必須帶有排水孔),花盆大小以足夠裝下1品脫(大約550毫升)土壤為宜。

●4品脫(大約2200毫升)細(xì)沙。

●1茶匙0-20-20(氮-磷-鉀的成分比)的肥料;或者2茶匙0-10-10或0-10-5的肥料。只要它們不含有或幾乎不含有氮,那么就可以使用不同的比率,例如0-12-6。

●天平。

●小盆,用來(lái)將植物上的土壤洗掉。

安全注意事項(xiàng)

當(dāng)處理肥料以及細(xì)菌接種體時(shí),應(yīng)格外小心。

學(xué)習(xí)成果

學(xué)生們應(yīng)該能夠:

●收集、記錄并分析得到的數(shù)據(jù)。

●鑒別調(diào)節(jié)裝置并確認(rèn)實(shí)驗(yàn)中的變量。

●描述具有以及不具有固氮細(xì)菌植物的生長(zhǎng)情況。

●給那些可以為植物制造氮元素的細(xì)菌命名。

問(wèn)題與目的

像可以影響植物生長(zhǎng)的根瘤菌這樣的硝化細(xì)菌,其作用是什么?

背景與調(diào)查

這一實(shí)驗(yàn)將會(huì)利用一種根瘤菌類土壤細(xì)菌以及一個(gè)宿主豆莢,來(lái)闡釋土壤微生物在土壤多產(chǎn)化及營(yíng)養(yǎng)豐富化方面所起的作用。

假設(shè)

在通讀并理解了實(shí)驗(yàn)步驟后做出假設(shè)。例如:細(xì)菌根本不會(huì)影響豆莢的生長(zhǎng)。

程序

1. 為每個(gè)容器貼上不同的標(biāo)簽

●沒(méi)有附加物(沙子和植物);

●嫁接過(guò)的——沒(méi)有施肥(沙子、細(xì)菌和植物);

●沒(méi)有嫁接過(guò)的——施過(guò)肥的(沙子、肥料和植物);

●嫁接過(guò)的——施過(guò)肥的(沙子、肥料、細(xì)菌和植物)。

2. 將一半沙子(2品脫,大約1100毫升)放入混合碗或用于混合物的容器中,并在沙子中加入1茶匙0-20-20的肥料,攪拌均勻。如果使用0-10-10或0-10-5比率的肥料,就要用2茶匙的量;如果使用其他比率的肥料,也要按比例調(diào)整用量。

3. 向3號(hào)和4號(hào)盆中放入1品脫(大約550毫升)施過(guò)肥的土壤。向1號(hào)和2號(hào)盆中放入1品脫(大約550毫升)沒(méi)施過(guò)肥的土壤。

4. 在每個(gè)盆中都種下5顆種子。

5. 在2號(hào)和4號(hào)盆中的沙子表層加入根瘤菌接種體。注意不要把根瘤菌錯(cuò)放入沒(méi)有接種的盆中從而造成污染。

6. 給所有盆澆水,直到盆中的水剛好從盆底部的小孔溢出為止?？梢允褂米詠?lái)水或蒸餾水。如果你使用的水是加過(guò)氯的,那么最好在使用前先將其在容器中放置一天,讓水中的氯消散掉然后再使用。

7. 將每個(gè)盆分開(kāi)放置于淺盤(pán)子或托盤(pán)中。讓他們共同(以避免環(huán)境因素的影響)處于一個(gè)溫暖、照明良好的位置,并且及時(shí)補(bǔ)充水分以使其保持潮濕。

8. 如果在種子已經(jīng)發(fā)芽并長(zhǎng)出幾英寸高后,其中的一盆或幾盆只有少于5顆的種子發(fā)芽,那么就去掉發(fā)芽最少的那盆,這樣每盆中的發(fā)芽種子就保持一致了。

9. 根據(jù)課前的介紹讓學(xué)生們預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并將這些預(yù)測(cè)記錄下來(lái)。

10. 每周至少2次進(jìn)行觀察測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和發(fā)現(xiàn)。這些植物大概需要6周的時(shí)間生長(zhǎng)出根節(jié)結(jié),所以這一活動(dòng)至少要進(jìn)行9～10周的時(shí)間,這樣才能觀察到使用與不使用根瘤菌的情況下,植物生長(zhǎng)之間的差別。

11. 測(cè)量并記錄下每個(gè)盆中植物在空氣中部分的高度。確定各個(gè)盆中植物的平均高度。在數(shù)據(jù)表中記錄下來(lái)。

12. 觀察植物的外表,包括顏色、葉子大小、葉片間隔,以及其他觀察到的特征,記錄在數(shù)據(jù)表中。

13. 在9周實(shí)驗(yàn)期結(jié)束時(shí),收割實(shí)驗(yàn)植物。在收割時(shí),將容器浸到一個(gè)浴盆中,并小心地把植物根部的泥土洗掉。注意不要在收割的時(shí)候破壞實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

14. 在清洗過(guò)后,記錄下每盆中實(shí)驗(yàn)植物的濕重。

15. 畫(huà)一張草圖或者用語(yǔ)言描述實(shí)驗(yàn)植物根部生長(zhǎng)時(shí)的不同之處,并比較節(jié)結(jié)的形成以及每盆植物生命活力的不同。

16. 將實(shí)驗(yàn)植物在有陽(yáng)光的地方放置幾天風(fēng)干,直到可以稱量出一個(gè)比較穩(wěn)定的干重?cái)?shù)值。記錄下每盆中植物的總干重。

17. 解釋說(shuō)明測(cè)量到和觀察到的結(jié)果,并將其與你的預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比,最后寫(xiě)下你的結(jié)論。

數(shù)據(jù)表(見(jiàn)下頁(yè)表)

結(jié)果與分析

利用在數(shù)據(jù)表中收集到的數(shù)據(jù)制作一張曲線圖,水平軸為時(shí)間,縱軸為植物高度(厘米)。為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,要將4盆植物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都繪制在同一張圖上。只將每盆的平均值繪制其上即可。

利用收割植物時(shí)獲得的數(shù)據(jù)繪制一張條線圖,縱軸為植物質(zhì)量,將每盆的標(biāo)簽貼在水平軸上。將每盆的濕重和干重分別繪制成兩條條線圖。

利用圖表中的數(shù)據(jù)寫(xiě)一段總結(jié),概括出4組植物的不同之處。

結(jié)論

你的假設(shè)成立了嗎?為什么成立或者為什么不成立?

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題是否可以通過(guò)進(jìn)一步研究解決?

如果對(duì)一組豌豆使用根瘤菌接種體,你認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響?在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,如何通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)“根瘤菌細(xì)菌可以增加土壤中的氮元素”這一假設(shè)?

評(píng)估

可能出現(xiàn)的評(píng)估問(wèn)題:

●使用清洗過(guò)的沙子作為“土壤”的目的是什么?

●什么是固氮作用?

●實(shí)驗(yàn)中哪種植物的地上生長(zhǎng)高度最高?

●實(shí)驗(yàn)中哪種植物的根部產(chǎn)生節(jié)結(jié)最多?

●硝化細(xì)菌與豆類例如豌豆植物之間的關(guān)系是什么?

拓展

●使用一種非豆類與一種豆類來(lái)研究更有利的共生關(guān)系。

●檢查植物根部的節(jié)結(jié),并將其放入培養(yǎng)皿中以研究產(chǎn)生的細(xì)菌。

●檢查出現(xiàn)硝化細(xì)菌的土壤和器皿。

Falcon編譯

詞匯表

植物生長(zhǎng)在空氣中的部分——指植物暴露在地表之上的那些部分。

培養(yǎng)皿——指一種帶有培養(yǎng)基的特別器皿,通常是用瓊脂制成,有一個(gè)蓋,用其來(lái)培養(yǎng)細(xì)菌,令細(xì)菌在其內(nèi)生長(zhǎng)。

肥料——指大量天然或人工合成物質(zhì)中的一種,包括肥料和氮、磷、鉀化合物,在土壤表面或內(nèi)部作用,以增長(zhǎng)其生產(chǎn)力,促使植物生長(zhǎng)。

嫁接——指將微生物灌輸?shù)缴飪?nèi)部。

豆莢——指豆類家族中的一種。豆莢可以與根部節(jié)結(jié)上的根瘤菌產(chǎn)生共生關(guān)系。細(xì)菌幫助豆莢固氮,而豆莢則可以為細(xì)菌提供生存的空間。

硝化細(xì)菌——指很多可以參與氮循環(huán)的土壤細(xì)菌之一,循環(huán)過(guò)程包括氧化銨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,或亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。

固氮——指通過(guò)某種土壤微生物的轉(zhuǎn)化過(guò)程,例如根瘤菌就可以把大氣中的氮轉(zhuǎn)化為植物及其他有機(jī)物可以吸收的混合物。

根瘤菌——指眾多根瘤菌類固氮細(xì)菌中的一種,它們可以在豆類植物的根部形成節(jié)結(jié),例如三葉草和豆子。

根部——指植物在地面以下的部分。也就是豆類植物根部形成的節(jié)結(jié),其內(nèi)部含有硝化細(xì)菌。

共生——指兩種或兩種以上不同種類的不同生物體之間,緊密而長(zhǎng)久的聯(lián)系,但并不一定是對(duì)雙方都有利的。