探究水污染對生物的影響及生物的凈化作用

黃春曉 伯海英

（1 福建省廈門第一中學 福建廈門 361001 2 廈門市教育科學研究院 福建廈門 361001）

人教版7年級《生物學》下冊第4 單元第7 章第2 節(jié)“探究環(huán)境污染對生物的影響”前半部分內(nèi)容圍繞大氣污染安排模擬探究活動“酸雨對生物的影響”，后半部分則介紹了我國的水污染情況及水污染防治措施，但教材未設置相應的探究活動。受“酸雨對生物的影響”探究實驗的影響和啟發(fā)，一些學生要求再試一試水污染對生物的影響。為了滿足學生的探究熱情，教師組織學生小組合作設計并實施實驗“探究水污染對生物的影響”。有一組學生在實驗方案中提出“水草能否凈化污水”的問題，受到該組學生的啟發(fā)，教師將實驗拓展到“生物對污染水質(zhì)的凈化作用”，這有利于幫助學生深刻理解生物與環(huán)境的關系。本實驗充分體現(xiàn)了學習中教學相長的樂趣。

沉水植物對污水凈化效果顯著，因其通氣組織特別發(fā)達，能在水中空氣極度缺乏的情況下通過光合作用增加水體中的溶解氧含量［1］，并且為適應水中生活，莖、葉和表皮都與根一樣具有吸收作用，能直接吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，有效降低污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量水平［2-3］。硝化細菌是一類化能自養(yǎng)好氧型細菌，包括亞硝化細菌和硝化細菌，亞硝化細菌能將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮，硝化細菌能將亞硝酸氮最終轉(zhuǎn)化為硝酸氮，從而凈化水體水質(zhì)［4］。

由于該實驗是學生自己想做的，學生自主性強，參與度高，積極參與共創(chuàng)最優(yōu)實驗方案。從發(fā)現(xiàn)問題、選取實驗材料，設計實驗思路，再到數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖分析等，在科學探究過程中運用理性思維，實現(xiàn)了在教材基礎上的深度學習。

1 實驗設計思路

1.1 實驗1：探究水污染對生物的影響 家庭洗滌類污水是學生最常見的污水，本實驗在學生討論的基礎上，選取洗滌劑溶液（洗衣粉、洗手液、洗潔精）模擬洗滌污水。選取水蚤作為水污染指示生物，水蚤身體透明，對污染物敏感，在短時間內(nèi)就能表現(xiàn)出變化，是污染生態(tài)學領域的模式生物。選取水蚤，受到人教版8年級下冊教材“探究酒精對水蚤心率的影響”的啟發(fā)，也為該實驗積累經(jīng)驗。

1.2 實驗2：探究生物對污染水質(zhì)的凈化作用結(jié)合家庭養(yǎng)魚的經(jīng)驗，選取沉水植物、硝化細菌制劑對模擬污水進行凈化，觀察水蚤的心率變化。

1.3 小組合作設計并實施實驗 學生小組根據(jù)興趣選擇模擬洗滌污水的種類及凈化生物（表1），體現(xiàn)了實驗的開放性，極大地調(diào)動了學生積極思維、主動參與學習的積極性；選取同種模擬洗滌污水的小組之間可共享實驗數(shù)據(jù)，不僅節(jié)省了重復實驗的時間，還可進行生物凈化效果的橫向?qū)Ρ取?/p>

表1 學生分組實驗

1.4 收集和分析數(shù)據(jù) 在數(shù)碼互動實驗室組織實驗觀察，收集水蚤在培養(yǎng)液、模擬污水及凈化水中的心率變化，進一步在Excel 軟件中完成作圖分析，有效提高課堂效率。有3 個亮點：一是運用數(shù)碼顯微鏡的實時拍攝技術，突破水蚤心率計數(shù)難點； 二是有助于教師實時反饋各小組的實驗進度，及時給予指導和幫助；三是有利于學生之間的共享和交流。

2 方法

1）配制模擬污水梯度溶液。選取一種生活洗滌用品，根據(jù)預實驗（以出現(xiàn)水蚤致死效應為界）確定污水濃度梯度，例如洗衣粉選取4 個濃度：0.25%、0.5%、1%、2%。

2）第1 次水蚤心率計數(shù)。觀察水蚤在對照組（培養(yǎng)液）和實驗組（模擬污水）中的心率變化，具體操作如下： 用膠頭滴管吸取培養(yǎng)液中的水蚤置于載玻片中央，撕取少量棉絮置于液滴中，靜置1 min 后置于數(shù)碼顯微鏡下觀察，用計數(shù)器輔助記錄水蚤心率；吸干載玻片上的培養(yǎng)液，迅速向水蚤滴加污水，靜置1 min 后置于數(shù)碼顯微鏡下觀察，記錄水蚤心率。

3）生物凈化處理。選取沉水植物（水蘊草）或硝化細菌制劑或兩者混合進行污水凈化，分別向200 mL 污水中加入20 g 水蘊草或2 mL 硝化細菌制劑，靜置24 h。

4）第2 次水蚤心率計數(shù)。方法同步驟2。

5）數(shù)據(jù)處理與繪圖。將水蚤在培養(yǎng)液、模擬污水、 凈化水中的心率記錄整理在Excel 實驗報告里，繪制折線圖（圖1）。

圖1 用Excel 軟件繪制的水蚤心率變化圖

6）分析數(shù)據(jù)。對比分析水蚤在3 種溶液中的心率變化。

3 結(jié)果

以水蘊草凈化洗衣粉溶液為例（圖2）。

圖2 水蚤心率變化圖（水蘊草凈化洗衣粉梯度溶液）

在培養(yǎng)液中，水蚤的平均心率為140 次/min左右。在0.25%洗衣粉溶液中，水蚤心率受到明顯的抑制，從第1 min 的113 次下降到第3 min的92 次； 而在經(jīng)過凈化后的污水中水蚤心率受到的抑制作用減弱，從第1 min 的121 次到第3 min 的110 次，均高于前者。與0.25%洗衣粉溶液相比，0.5%洗衣粉溶液對水蚤心率的抑制作用更加明顯，從第1 min 的96 次下降到第3 min的65 次，在凈化水中水蚤心率從第1 min 的112次到第3 min 的100 次，受到的抑制作用減弱。在1%洗衣粉溶液中水蚤心率則從第1 min 的96 次迅速下降到第3 min 的49 次，在2%洗衣粉溶液中水蚤心率受到的抑制明顯高于前者，在第1 min 時僅66 次，到第3 min 時已下降到42次；以上2 種濃度的洗衣粉溶液經(jīng)凈化后均對水蚤心率的抑制作用減弱，前3 min 的平均心率均高于未經(jīng)凈化的洗衣粉溶液?？偟膩碚f，隨著洗衣粉溶液濃度的增加，水蚤心率受抑制的程度逐漸加深，而經(jīng)過凈化的洗衣粉溶液對水蚤心率的抑制作用明顯減弱。

圖3 水蚤心率變化圖（硝化細菌凈化洗潔精梯度溶液）

圖4 水蚤心率變化圖（硝化細菌凈化洗手液梯度溶液）

其他模擬洗滌污水，例如洗潔精（圖3）、洗手液（圖4）等對水蚤心率的影響與洗衣粉溶液相似，生物凈化效果也相似。

實驗結(jié)果顯示，生活洗滌類污水（洗衣粉、洗潔精、洗手液等）對水蚤心率有明顯的抑制作用，經(jīng)生物凈化后的污水對水蚤心率的抑制作用減弱。

4 討論

學生受“酸雨對生物的影響”探究實驗的影響和啟發(fā)，提出“探究水污染對生物的影響”的探究設想，在教師的指導下，合作設計解決方法，進而利用科學、技術、數(shù)學等知識解決問題，并運用理性方法驗證解決效果。從實驗設計到實施，班級成員匯聚集體的理解、努力和分工尋求問題的解決?？偟膩碚f，本實驗的創(chuàng)新價值主要表現(xiàn)在以下4個方面：

1）源于生活。關于人類活動對環(huán)境造成的影響，相對于大氣污染而言，家庭洗滌類污水更貼近學生的生活。本實驗選取洗滌劑溶液作為模擬生活污水，模擬探究水污染對生物產(chǎn)生的影響，同時調(diào)動學生家庭養(yǎng)魚經(jīng)驗提出污水凈化方法，有效激發(fā)了學生的探索欲望。

2）創(chuàng)新思路。在教師的指導下，學生從生活中的實際問題出發(fā)，改進已有研究方法用于解決新問題，組內(nèi)分工、組間分享，從模仿“探究酸雨對生物的影響”所做的“探究水污染對生物的影響”，到進一步“探究生物對污染水質(zhì)的凈化作用”，拓展出全新的實驗。同時，借助數(shù)碼互動實驗室大幅提高了實驗教學的效率，體現(xiàn)出技術創(chuàng)新對教學的促進作用。

3）深度學習。生活中的問題往往是復雜的問題，本實驗立足于培養(yǎng)學生在真實情境下通過合作解決現(xiàn)實問題的能力，在實驗過程中，學生小組合作、充分運用理性思維共同完成實驗的設計、實施、分析和交流，并進一步深刻理解生物與環(huán)境的關系，這種深度學習正是學生成長所需要的。

4）感悟責任。通過對本實驗的探究過程，學生直接觀察到生物與環(huán)境相互影響的現(xiàn)象，感悟到生活中習以為常的習慣也有可能對環(huán)境造成不良影響，需要做一些改進。從小處說，這是個人習慣的小改變，從大處看，如果人人都自覺踐行環(huán)保生活，人類對生物圈產(chǎn)生的負面影響一定會大幅降低，由此增進學生的社會責任。