基于科研項目為載體的環(huán)境生態(tài)學研究性創(chuàng)新實驗
——污泥重金屬的生物有效性評價

徐大勇，唐 海，宋珍霞，宮建龍，楊曉凡，顏酉斌，王松凱

環(huán)境生態(tài)學是生態(tài)學和環(huán)境科學之間的一門交叉學科，同時也是環(huán)境工程和環(huán)境科學專業(yè)重要的基礎課程[1,2]，是伴隨著環(huán)境問題的產(chǎn)生、人們嘗試利用生態(tài)學理論來闡明環(huán)境問題以及基于生態(tài)學視角來解決環(huán)境問題的過程而產(chǎn)生的，具有很強的綜合性和實踐性[3].因此，環(huán)境生態(tài)學課程的開設不僅限于培養(yǎng)學生基礎的生態(tài)學理論，更重要的是培養(yǎng)學生利用生態(tài)學理論來解決環(huán)境問題的能力，即學生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng).而要很好的發(fā)揮環(huán)境生態(tài)學課程應有的教學效果，必須重視和強化其實踐教學環(huán)節(jié)尤其是綜合性和創(chuàng)新性實驗的教學[4].

以科研為支撐的教學有助于知識的發(fā)現(xiàn)與傳授[5].實踐表明，以教師科研項目為載體，以項目階段性成果為考核機制的研究性創(chuàng)新實驗，通過對學生自主構思、設計、實施及結果分析的綜合訓練，能有效培養(yǎng)學生學習的積極性和主動性，起到強化創(chuàng)新思維，鍛煉創(chuàng)新技能，提高綜合素質(zhì)的作用[6].基于此，為培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才并結合我校環(huán)境學科科研優(yōu)勢，本文擬以“污泥重金屬的生物有效性評價”為例，設計一個環(huán)境生態(tài)學課程研究性創(chuàng)新實驗，并詳細闡述該創(chuàng)新實驗的項目背景和教學目標、實驗構思及技術路線，實驗材料和方法、樣品測試和數(shù)據(jù)分析，以及科研報告撰寫等.以期為基于科研項目為載體的環(huán)境生態(tài)學課程研究性創(chuàng)新實驗的教學提供借鑒，并為環(huán)境工程高素質(zhì)應用型人才培養(yǎng)奠定基礎.

1 創(chuàng)新實驗的項目背景及教學目標

1.1 創(chuàng)新實驗的項目背景

本研究性創(chuàng)新實驗所依托的科研項目為筆者主持的國家自然科學基金青年項目，項目的一個子課題是評價不同來源污泥重金屬含量及其生物有效性.我國城市污泥普遍存在重金屬污染現(xiàn)象.盡管污泥中重金屬的含量隨城市類型、污水來源的不同而存在較大差異，但相同的是重金屬已成為城市污泥處置及其資源化利用的主要限制因素[7].同時，重金屬對環(huán)境的危害除了與其總量有關，更大程度上取決于其生物有效性.因此，城市污泥重金屬生物有效性評價對于污泥的處置和資源化利用具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

1.2 創(chuàng)新實驗教學目標

本實驗來源于真實的科研項目，因此要基于“問題導向”，圍繞要解決的問題組織和開展實驗，讓學生成為主導，通過回答系列問題激發(fā)和鍛煉學生探究性思維.按照“提出問題—文獻查閱及構思—實驗設計—實驗測試—實驗總結”的順序進行，并以科研論文的形式提交報告，從而鍛煉學生的科研能力和夯實學生的基礎知識.

具體包括：1）了解污泥重金屬污染現(xiàn)狀，分析污泥重金屬含量；2）掌握種子發(fā)芽實驗方法及其用于評價污泥重金屬脅迫的原理；3）了解植物幼苗生長實驗方法及過程；4）掌握常規(guī)生長指標（葉綠素等）和重金屬的測試分析方法，以及相關儀器的操作方法；5）掌握文獻查閱方法，文檔編輯、常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件和方法，了解科研論文的基本組成和寫作.

2 實驗構思及技術路線

研究表明，重金屬污染會對植物種子發(fā)芽及其幼苗生長產(chǎn)生脅迫，從而降低種子發(fā)芽率并影響幼苗葉綠素合成和丙二醛含量，最終影響幼苗株高和生物量.據(jù)此，可以根據(jù)種子發(fā)芽和幼苗生長實驗來評價污泥重金屬污染及其生物有效性.另外，黑麥草是一種多用途、抗性強的植物，在對污染物的生物有效性和毒理學試驗中得到了廣泛的應用，可作為土壤重金屬污染指示植物[8].因此，本實驗以含重金屬污泥以及污泥和土壤按一定比例混合為基質(zhì)，進行黑麥草的發(fā)芽試驗和盆栽試驗，觀測在不同處理條件下黑麥草發(fā)芽率及其苗木的生長狀況，分析污泥重金屬對黑麥草苗木生物量、葉綠素和丙二醛含量等指標的影響，評價其生物有效性.本實驗的技術路線如圖1所示.

圖1 基于項目為載體的創(chuàng)新性實驗技術路線

首先根據(jù)問題進行文獻查閱，分析污泥重金屬污染現(xiàn)狀、來源及其危害，了解重金屬生物有效性概念及其評價方法.在此基礎上進行黑麥草種子發(fā)芽及幼苗生長實驗，分析污泥重金屬、種子發(fā)芽率、幼苗葉綠素和丙二醛含量及幼苗生物量等指標，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以綜合評價污泥重金屬生物有效性，最后提交科研論文并提出建議.

3 實驗材料與方法

3.1 黑麥草種子發(fā)芽實驗

黑麥草發(fā)芽實驗如圖2所示.實驗材料包括黑麥草（Lolium perenne L.）種子、含重金屬污泥、田園土壤、培養(yǎng)皿、蒸餾水以及恒溫培養(yǎng)箱.試驗時，設置3個處理，即100%污泥、100%土壤及土壤和污泥1:1混合基質(zhì).每個處理10g風干基質(zhì)（過100目篩）放入培養(yǎng)皿，后準確數(shù)入100粒種子，用蒸餾水浸濕培養(yǎng)皿中的植物種子并保持基質(zhì)約65%的田間持水量.培養(yǎng)皿放在溫度為25℃的恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng).每個處理重復3次，每天定時對種子發(fā)芽數(shù)進行計數(shù).

圖2 黑麥草種子發(fā)芽實驗

3.2 黑麥草幼苗生長實驗

黑麥草幼苗生長采用播種留苗的方式在玻璃房進行，以塑料小盆為培養(yǎng)容器，如圖3所示.實驗設置3個處理（同上），每個處理取500g風干基質(zhì)（同上）放入塑料小盆，加蒸餾水至田間持水量，放置2周后播種.每盆均勻播撒50粒黑麥草種子，發(fā)芽生長5d后留苗至每盆30株，每個處理重復3次.植物生長期間不定期補充蒸餾水，自然光源，溫度在10-25℃間實驗周期20d.

圖3 黑麥草幼苗生長實驗

4 實驗指標及測試分析方法

采用火焰原子吸收法（TAS-990）測污泥重金屬，用乙醇提取法測葉綠素，硫代巴比妥酸法測丙二醛，以及植物生物量用重量法測定.

5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007軟件處理數(shù)據(jù).其中：

6 結果分析及科研報告撰寫

6.1 污泥重金屬含量

經(jīng)分析，本實驗所用污泥中主要重金屬為Cd、Pb、Ni和Zn，含量分別為 16.76、186.85、84.04 和 213.60mg/kg 干污泥，其中Cd含量高于《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》（GB 4284-1984）限值，因此不能直接施用.田園土壤中無重金屬.

6.2 污泥對黑麥草種子發(fā)芽的影響

有生命力的植物種子在適宜的溫度、水分和有氧環(huán)境下既能發(fā)芽，而環(huán)境中存在的其他物質(zhì)則有可能影響其正常發(fā)芽，尤其是水和土壤中的污染物.因此，種子發(fā)芽實驗可以用于評價環(huán)境污染類型及其程度，屬于植物毒理學實驗范疇.在本實驗中，污泥、田園土壤以及污泥和土壤1:1混合基質(zhì)的黑麥草發(fā)芽實驗結果如圖4所示，第1天3個處理中的種子均發(fā)芽，到第3天土壤基質(zhì)種子發(fā)芽率接近80%，而污泥及污泥和土壤混合基質(zhì)僅分別有16%和63%.到實驗結束時，黑麥草種子在污泥、田園土壤以及污泥和土壤1:1混合基質(zhì)的發(fā)芽率分別為33%、88%和78%，說明污泥重金屬對黑麥草種子發(fā)芽具有明顯抑制作用.

圖4 黑麥草種子發(fā)芽率

6.3 污泥對黑麥草葉綠素的影響

葉綠素是綠色植物所具有的一類最為重要的色素類物質(zhì)，直接參與光合作用，影響植物生長.值得注意的是，除了光、溫和水等生態(tài)因子外，環(huán)境污染也會影響植物葉綠素的合成.研究表明，Cu2+、Pb2+、Cd2+、Hg2+等重金屬離子均能對葉綠體結構造成不同程度的破壞[9]，出現(xiàn)葉綠體收縮或基粒垛疊結構解體等現(xiàn)象[10].本實驗中（圖5），黑麥草在污泥、土壤及污泥和土壤混合基質(zhì)的葉綠素含量分別為1.24、1.45和1.54mg.g-1，說明污泥重金屬含量會影響黑麥草葉綠素合成.

圖5 黑麥草幼苗葉綠素含量

6.4 污泥對黑麥草丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其含量可以準確反映植物遭受逆境傷害的程度，含量越高，受傷害程度就越大[11].本實驗中，黑麥草在污泥、污泥和土壤混合及土壤基質(zhì)的丙二醛含量 （圖 6） 分別為 0.130、0.112和0.110μmol.g-1，依次降低，說明黑麥草幼苗生長受到了污泥重金屬的脅迫.

圖6 黑麥草幼苗丙二醛含量

6.5 污泥對黑麥草幼苗生物量的影響

生物量是植物生長累積指標，在一定條件下植物的生長狀況的綜合體現(xiàn).通過對黑麥草幼苗生物量的觀測發(fā)現(xiàn)（圖7），污泥及污泥和土壤混合基質(zhì)中幼苗生物量僅有土壤的68.2%和84.75，說明污泥重金屬影響了黑麥草幼苗生長，降低了其生物量.

圖7 黑麥草幼苗生物量

6.6 科研報告撰寫

在上述數(shù)據(jù)分析基礎上，要求學生按照科研論文格式撰寫總結報告，這是研究性創(chuàng)新實驗的一個重要環(huán)節(jié)[12].通過科研報告的撰寫，使學生全面總結和回顧該實驗的背景、目的意義、實驗技術路線、實驗材料與方法、數(shù)據(jù)分析和結果結論等內(nèi)容.進一步鞏固和考察學生文獻查閱和分析、文檔編輯、數(shù)據(jù)處理分析和解決實際問題的能力.

7 結論

本文以“污泥重金屬生物有效性評價”為例，設計了一個環(huán)境生態(tài)學研究性創(chuàng)新實驗，詳細闡述了該創(chuàng)新實驗的項目背景和教學目標、實驗構思及技術路線，實驗材料和方法、樣品測試和數(shù)據(jù)分析，以及科研報告撰寫等內(nèi)容，以期為基于科研項目為載體的環(huán)境生態(tài)學課程研究性創(chuàng)新實驗的教學提供借鑒.