“植物根際纖維素分解菌的分離”實驗教學設計與實施

左 山 李 霞

（1 北京市廣渠門中學 北京 100062 2 東城區(qū)教師研修中心 北京 100009）

人教版高中生物學選修1 《生物技術(shù)實踐》專題2“微生物的培養(yǎng)與應用”中設計了“分解纖維素的微生物的分離實驗”。教材介紹了分離土壤中纖維素分解菌的實驗原理及方法。學生通過對該專題前2 課時的學習，已初步掌握微生物的實驗室培養(yǎng)技術(shù)，以及從土壤中分離微生物的基本方法。課程標準要求學習從土壤中分離分解纖維素的微生物的方法，討論這類微生物的價值，并提出“從土壤中分離纖維素分解菌”的活動建議。由于城市土壤污染所致的重金屬超標及有毒有害物質(zhì)積累等原因，近幾年筆者很難從城市土壤中分離獲得纖維素分解菌資源，開展該實驗活動難度有所上升、實驗課程教學效果不理想。此外，本專題包含的“尿素分解菌的分離與鑒定”實驗和本課實驗在知識、技術(shù)方面有所重復，簡單開展2 節(jié)實驗課亦難以實現(xiàn)專題教學的課程效果與精華。

根據(jù)已有教學經(jīng)驗，提出相關問題：①目前學生對城市土壤中纖維素分解菌分離效果較差，是否改變采樣方式？②如何通過本節(jié)實驗達到對專題知識、技術(shù)、情感的升華？因此，在新課程標準倡導探究性學習理念的指導下，完成教材內(nèi)容中理論知識學習后，引導學生設計探究實驗，利用易獲得且經(jīng)濟、安全的實驗材料和試劑，開展科學研究。學生通過調(diào)查文獻、歸納探討出實驗方案，從中培養(yǎng)理性思維。

1 引導學生閱讀文獻并探索實驗設計思路

1.1 研究背景 鼓勵并指導學生通過互聯(lián)網(wǎng)檢索文獻，發(fā)現(xiàn)有關纖維素分解菌及根際微生物的相關研究： 全世界每年大約形成近千億噸植物有機物質(zhì)，其中有一半是纖維素物質(zhì)。我國每年僅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中形成的農(nóng)作物殘渣（稻草、秸稈等）就約有7 億噸，工業(yè)生產(chǎn)中還有數(shù)百萬噸的纖維素廢棄物。目前對農(nóng)作物秸稈的利用還未達到令人滿意的水平，其主要原因是缺乏能完全降解農(nóng)作物秸稈這種天然纖維素的高活性菌株。植物根際是細菌的良好生境，植物根為細菌提供了良好的生態(tài)位。能在植物根際持續(xù)穩(wěn)定地定殖、受植物影響的細菌稱為根際細菌（Rhizobacteria）。根際細菌利用植物釋放的營養(yǎng)物質(zhì)（根分泌物、裂解物）進行生長繁殖，同時也合成代謝產(chǎn)物分泌到根際。

1.2 實驗設計思路 師生共同討論得出以下實驗改進思路：植物根際微生物種類豐富，包括固氮菌、纖維素分解菌等。菠菜等蔬菜便于學生取材，富含纖維素，其根際微生物可能包含纖維素分解菌。剛果紅能與培養(yǎng)基中的纖維素形成紅色復合物，當纖維素被纖維素酶分解后，該紅色復合物無法形成，培養(yǎng)基中會出現(xiàn)以纖維素分解菌為中心的透明圈。測量透明水解圈與菌落直徑的比值可初步確定產(chǎn)纖維素酶活性高的菌株。學生分組對不同蔬菜進行根際纖維素分解菌分離，比較不同常見蔬菜根際纖維素分解菌數(shù)量及纖維素酶產(chǎn)率。

2 指導學生根據(jù)設計思路實施探究實驗

2.1 實驗材料與儀器設備

表1 實驗材料及儀器清單

2.2 實驗教學組織與實驗步驟 組織學生課前準備所選擇的植物材料（自購蔬菜），裝入密封袋后低溫保存，并進行分組，每組3～4 人。課前由各小組配置以纖維素為唯一碳源的培養(yǎng)基，并由學生小組代表進行培養(yǎng)基、器材等滅菌工作。

培養(yǎng)基配方［1］：0.25 g MgSO4，0.5 g KH2PO，1.88 g CMC-Na，0.2 g 剛果紅，18 g 瓊脂，用蒸餾水定容至1 000 mL，調(diào)節(jié)pH 值至7.0。

分離根際微生物的具體方法： ①將菠菜根所帶的土壤樣品混勻后取約10 g，置于含200 mL無菌 水 的 三 角瓶中；②30℃、150 r／min 震蕩搖勻5 min（室溫下手動混勻亦可）；③靜置30 s 后取1 mL 菌液進行梯度稀釋； ④涂布于分離培養(yǎng)基上，接種量為50 μL，每個處理設置3 個重復。

測定纖維素分解菌分解效果的具體方法：①用刻度尺測量目的菌落的直徑大小，記錄數(shù)據(jù)；②用刻度尺測量纖維素分解圈（以菌落為圓心）直徑大小，記錄數(shù)據(jù)；③計算數(shù)據(jù)，纖維素分解圈直徑/菌落直徑，求比值［2］。

2.3 實驗觀察記錄及分析 組織學生48 h 后到實驗室進行實驗結(jié)果觀察記錄，并進行小組內(nèi)結(jié)果分析與討論，提交小組研究報告。由學生小組代表進行班級結(jié)果匯總（表格匯總、利用軟件數(shù)據(jù)分析），并向全班進行匯報。報告內(nèi)容包括：①纖維素分解菌的分離與篩選； ②計算纖維素分解圈直徑/菌落直徑。

表2 高二某班級實驗報告匯總表

圖1 高二某班級實驗數(shù)據(jù)分析

圖2 菠菜根際纖維素分解菌產(chǎn)生透明圈

3 小結(jié)與反思

本實驗選擇的幾種生活中常見的植物材料，均由學生自主取材，包括菠菜、小白菜、香菜、香蔥、蒿子稈等，且具有富含纖維素、保留根部等特點。通過分離和培養(yǎng)根際細菌，對其中的纖維素分解菌進行分離、鑒定。幾組實驗材料根際均得到纖維素分解菌，通過剛果紅鑒別培養(yǎng)基可清晰觀察到透明圈。而校園土壤中纖維素分解菌十分罕見，多個學生實驗小組未能成功分離得到目的菌株。通過對實驗獲得的纖維素分解菌不同菌株進行革蘭氏染色鑒定，發(fā)現(xiàn)既有革蘭氏陽性菌株，也有革蘭氏陰性菌株，證明本實驗獲得的纖維素分解菌包含不同菌種。比較幾種實驗材料纖維素分解菌的有效菌落篩選結(jié)果及透明圈與菌落直徑比值，發(fā)現(xiàn)菠菜所包含的纖維素分解菌分解能力較高，可能對生產(chǎn)生活有一定的應用價值。菠菜作為生活中的常見蔬菜，學生取材便利，有利于實驗推廣。

該實驗取材便利，緊密聯(lián)系學生生活，實驗效果良好，從富含纖維素的植物根際中分離纖維素分解菌可輔助學生認識生物與環(huán)境之間的關系。所運用的實驗方法既包含了本專題已有的相關內(nèi)容，又進行了適度開放、創(chuàng)新，有助于專題教學的深度挖掘。具體的創(chuàng)新之處包括：①材料創(chuàng)新。本實驗采用蔬菜材料，生活中取材方便。與城市土壤相比，蔬菜根際微生物中纖維素分解菌的分布較多，增加實驗成功率。②方法創(chuàng)新。根際微生物的分離方法：操作簡單，可實施性高；纖維素分解菌活力評價： 測量纖維素分解圈直徑/菌落直徑；初步鑒定纖維素分解菌：革蘭氏染色。以上幾種方法的共同特點是簡單易行，不會給實驗增加更多的技術(shù)難點，對大型儀器的要求不高，因此有很強的推廣度，適合課堂教學實施。③形式創(chuàng)新。探究實驗設計作為對本專題知識的提升，也是對學生科學探究能力的進一步培養(yǎng)。實驗當中初步解決的問題，與環(huán)境保護、健康生活關系密切，符合學生發(fā)展的需要。

本實驗還可進一步挖掘，例如采用濾紙條分解實驗測定不同菌種纖維素分解能力； 結(jié)合必修1“酶”［3］，設計探究實驗“不同溫度對纖維素分解菌分解能力的影響”；嘗試開發(fā)選修綜合實驗“纖維素分解菌的遺傳學鑒定”。