在科學(xué)探究中落實(shí)生物學(xué)科素養(yǎng)
——中學(xué)生給玄武湖做“體檢”

章熙東 王天鈺 石昊源 （南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 江蘇南京 210008）

在科學(xué)探究中落實(shí)生物學(xué)科素養(yǎng)
——中學(xué)生給玄武湖做“體檢”

章熙東 王天鈺 石昊源 （南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 江蘇南京 210008）

測(cè)定了玄武湖2017年3月和5月在兩個(gè)采樣點(diǎn)共4次水樣的水體狀態(tài)，包括群落結(jié)構(gòu)、葉綠素a含量、總N含量、總P含量，結(jié)果顯示玄武湖中浮游植物群落結(jié)構(gòu)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(zhì)優(yōu)于5月份，5月份玄武湖水質(zhì)處于IV類(lèi)水。本課題的實(shí)施有助于提高學(xué)生科學(xué)探究和理性思維能力，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)和社會(huì)參與意識(shí)。

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(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》指出：“要注重使學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活的背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中深入理解生物學(xué)核心概念，并運(yùn)用生物學(xué)的原理和方法參與公眾事務(wù)的討論?！边@為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升，開(kāi)拓了廣闊的實(shí)踐空間。生物學(xué)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，教學(xué)已不再局限于常規(guī)課堂，教師可利用選修課組織學(xué)生開(kāi)展各種探究活動(dòng)。筆者以所在城市的著名景點(diǎn)——玄武湖為對(duì)象，帶領(lǐng)學(xué)生給玄武湖水質(zhì)進(jìn)行“體檢”。學(xué)生在探究活動(dòng)中，聯(lián)系社會(huì)與生活，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，培養(yǎng)了科學(xué)探究和理性思維的能力，同時(shí)增強(qiáng)了環(huán)境保護(hù)和社會(huì)參與意識(shí)。

南京玄武湖是國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)，屬于小型城市淺水湖泊，是當(dāng)?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(diào)節(jié)城市氣候、調(diào)蓄城市水資源、保護(hù)城市生物多樣性等重要作用，同時(shí)具有豐富的景觀功能。在南京城市發(fā)展過(guò)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(zhì)惡化，生態(tài)功能逐漸衰退，并多次發(fā)生水質(zhì)污染事件。近年來(lái)，主管部門(mén)采取生態(tài)補(bǔ)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(zhì)獲得部分改善，但水體的富營(yíng)養(yǎng)化還是比較嚴(yán)重。特別是自2010年玄武湖景區(qū)正式免費(fèi)對(duì)外開(kāi)放以來(lái)，人流量激增，在節(jié)假日時(shí)常出現(xiàn)游客“井噴”現(xiàn)象。部分游客的不文明行為在長(zhǎng)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(jié)構(gòu)組成及變化能夠反映水體狀態(tài)。那么近年來(lái)隨著發(fā)展變化，玄武湖中目前浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成、時(shí)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(shí)間對(duì)玄武湖的浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并監(jiān)測(cè)了常規(guī)的水質(zhì)指標(biāo)（總氮、硝氮、氨氮和總磷以及葉綠素a濃度）。結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)，探究了導(dǎo)致浮游植物群落結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shè)定兩個(gè)位點(diǎn)：site 1#和site 2#（圖1），采樣時(shí)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(jié)構(gòu)及測(cè)定葉綠素a濃度。此外，采集500 mL水樣用于水質(zhì)指標(biāo)分析。

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)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(jìn)行浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)《中國(guó)淡水藻類(lèi)——系統(tǒng)、分類(lèi)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(lán)藻。

2.3 葉綠素a濃度測(cè)定

2.3.1 測(cè)量方法及步驟

（1）以離心或過(guò)濾濃縮水樣，在抽濾器上裝好乙頁(yè)碼 電子書(shū)=quot;40quot; 紙書(shū)=quot;38quot;/gt;酸纖維濾膜。倒入定量體積的水樣進(jìn)行抽濾，抽濾時(shí)負(fù)壓不能過(guò)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(shí)，可放入普通冰箱冷凍；如需長(zhǎng)期保存（30 d），則應(yīng)放入低溫冰箱（-20℃）保存。

圖1 玄武湖采樣位點(diǎn)分布

（2）取出帶有浮游植物的濾膜，在冰箱內(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(zhuǎn)入容量瓶中，重復(fù)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(jì)上，用1 cm光程的比色皿，分別讀取750 nm、663 nm、645 nm、630 nm波長(zhǎng)的吸光度，并以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的丙酮做空白吸光度測(cè)定，對(duì)樣品吸光度進(jìn)行校正。

2.3.2 計(jì)算方法

葉綠素a的含量按如下公式計(jì)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(zhì)指標(biāo)測(cè)定

水質(zhì)測(cè)定包含總氮，硝氮，氨氮和總磷含量測(cè)定。這些指標(biāo)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》上的方法進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，玄武湖中浮游植物群落結(jié)構(gòu)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(shì)種屬，綠藻以小球藻屬為優(yōu)勢(shì)種屬，其平均藻細(xì)胞濃度分別為2.1×103個(gè)·mL-1和1.58×103個(gè)·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(xì)胞濃度達(dá)3.6×107個(gè)·mL-1，而不同位點(diǎn)的差異不明顯。這說(shuō)明隨著月份的變化，玄武湖中浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。

同時(shí)，通過(guò)對(duì)水體中葉綠素a濃度的測(cè)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(shuō)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(jì)數(shù)法相吻合。接著結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)探究引發(fā)其變化的可能的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子。

圖2 玄武湖中葉綠素a濃度變化

3.2 水質(zhì)指標(biāo)的變化情況

調(diào)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(lái)說(shuō)，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(lái)看，玄武湖水質(zhì)5月份處于IV類(lèi)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(duì)氨氮的利用效率高于硝氮，因此氨氮濃度的上升可能導(dǎo)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(lái)看，玄武湖水質(zhì)5月份處于III類(lèi)水。磷元素被認(rèn)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(dǎo)致玄武湖中5月份浮游生物的異常生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因子之一。

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

圖3 玄武湖的水質(zhì)指標(biāo)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(zhǎng)溫度，如綠藻最適生長(zhǎng)溫度約為20℃。較低的溫度可以顯著抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)，而氣溫的上升可以顯著增加藻類(lèi)的生長(zhǎng)速率。因此較高溫度也可能是驅(qū)動(dòng)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(jié)論

（1）玄武湖中浮游植物群落結(jié)構(gòu)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(shì)種屬，綠藻以小球藻屬為優(yōu)勢(shì)種屬。而5月份主要以超微藻為主。

（3）玄武湖中營(yíng)養(yǎng)鹽水平5月份顯著高于3月份，且5月份水質(zhì)總體水平處于Ⅳ類(lèi)水。

5 結(jié)束語(yǔ)

培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生參與科學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生在實(shí)踐中加深對(duì)知識(shí)的理解、對(duì)技能的掌握、對(duì)學(xué)科思想的領(lǐng)悟，從而促進(jìn)學(xué)生的終身發(fā)展。正如學(xué)生所說(shuō)：“本次實(shí)踐拉近了我與環(huán)境保護(hù)的距離。保護(hù)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(duì)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(guò)程中，我們親自參與，學(xué)習(xí)操作要領(lǐng)，提升實(shí)踐能力?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的縝密細(xì)致，不容差錯(cuò)從中體現(xiàn)。我們不應(yīng)只在教材上接近環(huán)境保護(hù)，只有親臨現(xiàn)場(chǎng)才讓人有感而發(fā)。這次探究活動(dòng)，我開(kāi)始逐漸樹(shù)立了強(qiáng)烈的環(huán)保意識(shí)。一張張觸目驚心的圖片真實(shí)地反映出水污染治理的不足。作為中學(xué)生的我們，理應(yīng)以天下為己任，從我做起，從身邊的小事做起，為環(huán)境保護(hù)出一份力。”

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

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