“海洋”特色的生態(tài)毒理學綜合實驗教學架構設計

張來軍，李曉梅，陳永敢

(海南熱帶海洋學院 生命科學與生態(tài)學院 兩棲爬行動物研究省級重點實驗室，三亞 572022)

1 構建生態(tài)毒理學綜合實驗課程的必要性

生態(tài)毒理學是研究環(huán)境中有害有毒因子對生態(tài)系統(tǒng)中非人類生物的危害及其機制的課程。隨著沿海經(jīng)濟的迅速發(fā)展，海洋開發(fā)利用程度的加強，大量農(nóng)業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水和生活污水排入海洋，使得海洋近岸富營養(yǎng)化程度和有毒有害物質污染日趨嚴重，造成生態(tài)環(huán)境破壞和退化現(xiàn)象。我校是一所以海洋、生態(tài)為特色的應用型本科院校，為了適應當前社會經(jīng)濟建設的需要，順應堅持應用技術型人才培養(yǎng)的科學發(fā)展觀，“以學生全面發(fā)展為目標”，加強素質教育，參考辦學條件和學生培養(yǎng)目標，對在生物科學以及生態(tài)學專業(yè)開設具有“海洋”特色的生態(tài)毒理學綜合實驗教學課程做架構設計，以期為以海洋為特色的辦學目標提供參考。

在本科學習階段，各門理論課程及其實驗教學內(nèi)容在教學過程中自成體系，很少會將各門理論知識在教學中融為一體。由于對本專業(yè)知識不能融會貫通，學生難以提高學習興趣，教學效果不理想。針對具體學校具體專業(yè)，將生態(tài)毒理學實驗課程與其它各課程進行有機整合，不僅達到該課程的教學目標，也提高了學生學習的興趣和探索精神，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和開拓能力，以滿足高等教育培養(yǎng)應用型人才、創(chuàng)新型人才，實現(xiàn)素質教育目標的客觀要求。

2 生態(tài)毒理學綜合實驗教學課程的內(nèi)容框架

2.1 選擇合適的實驗材料

指示生物法是生物監(jiān)測中最主要的方法。作為指示海洋污染的受試動物需要具備幾個基本條件：能累積一定的污染物而不會死亡；能代表污染海域的生物群落；種群密度大，易于采集和在實驗室培養(yǎng)存活；較長的壽命；個體足夠大，能提供組織細胞供分析；不同條件下，所有動物個體內(nèi)污染物濃度與環(huán)境的平均濃度表現(xiàn)一致的相關性[1]。合格的實驗動物是保證毒理學實驗質量的基本要求，也是作為環(huán)境危害評估參考的基本條件。目前國內(nèi)外科研人員進行海洋環(huán)境生物監(jiān)測研究時，常用到的實驗動物是魚類[2-6]和軟體動物[7-11]。參考國內(nèi)外的研究資料[12-14]，以及本實驗室?guī)啄甑膶嵺`積累[15-16]，認為海洋多毛類沙蠶完全具備上述實驗動物的特征，是一種優(yōu)良的實驗材料，可以滿足生態(tài)毒理學科研以及實驗教學的需要。

沙蠶棲息于河口、沿海灘涂、潮間帶的沙泥中，成蟲以腐殖質為食。相較于魚類和軟體動物，個體小，易于存活，便于在實驗室飼養(yǎng)，作為休閑垂釣的誘餌可在漁具商店或水產(chǎn)養(yǎng)殖場購買得到。提取沙蠶體腔細胞的方法簡單，所需組織少，細胞數(shù)量多且純凈，能滿足多個實驗的需要[15]。所以沙蠶是對河口，沿海灘涂進行污染監(jiān)測的理想研究材料。我們將生態(tài)毒理學綜合實驗教學的實驗材料確定為沙蠶。

2.2 綜合實驗教學內(nèi)容構架

生物對環(huán)境變化的反應是多層次的，從基因、生物大分子到組織、器官、個體，直至種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)。我們選擇的實驗項目，包括從沙蠶個體水平、細胞水平、分子水平等動物有機體各層次對外界環(huán)境的反應(表1)。

實驗教學內(nèi)容可以分為三部分。第一部分為基礎性實驗，包括沙蠶體腔細胞的提取，細胞大小測定及計數(shù)、細胞死活鑒定。第二部分為綜合實驗，需要在第一部分實驗的基礎上進行，包括中性紅保留實驗，彗星電泳，微核實驗以及抗氧化酶活性分析。所提取的沙蠶體腔細胞，在鑒定完存活率后，用于中性紅保留實驗和彗星電泳實驗；固定后的細胞用于微核實驗；剩余的沙蠶組織妥善保存，用于抗氧化酶活性分析。這樣就通過對同一批實驗材料的不同處理將一系列實驗串在一起，用多個實驗手段解決一個研究課題，成為一個相對系統(tǒng)的實驗，使學生從不同的層次理解沙蠶這種生物在受到外界環(huán)境影響后產(chǎn)生的反應。第三部分為設計性實驗，是在綜合性實驗基礎上進行的探索性實驗，可以聯(lián)系當前熱點問題，與一些科研項目相結合，構建成一個連續(xù)的研究型生態(tài)毒理學綜合實驗；如被重金屬、油類或殺蟲劑等各類污染物污染的河口，碼頭或灘涂對沙蠶的生態(tài)毒理效應實驗，并可進一步分析這些地方的海洋環(huán)境壓力。

不同實驗內(nèi)容彼此之間具有相關性及連續(xù)性。這些實驗項目既是國內(nèi)外生態(tài)毒理學研究常規(guī)的實驗技術，也緊密聯(lián)系于動物學、細胞生物學、遺傳學及生物化學等本科期間必修課程的內(nèi)容，需將各門課程有機聯(lián)系起來。學生連續(xù)完整地體驗了以同一種實驗動物為研究對象，通過其個體、細胞、DNA分子及蛋白質分子方方面面，認識海洋環(huán)境中的污染物對生物個體各個層次可能產(chǎn)生的影響。

通過系列實驗，學生系統(tǒng)地學習和掌握了海洋環(huán)境污染生物監(jiān)測中常用的實驗技術方法，又從生物整體角度對實驗內(nèi)容進行理解和分析，強化了相關課程的基礎理論知識，成為既懂理論又精通設計綜合性實驗方案，并具備獨立工作能力和科技創(chuàng)新能力的人才。

表1 生態(tài)毒理學綜合實驗內(nèi)容構架

3 生態(tài)毒理學綜合實驗課程的教學安排

3.1 教學安排

基礎性實驗部分的細胞計數(shù)，細胞大小測定都是細胞生物學課程傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容，只是所用的實驗材料各有特色，一般選用動物血細胞、培養(yǎng)的單胞藻、原生動物或者是細胞的永久裝片作為實驗材料。所以，這個綜合性實驗順利開展的關鍵在于實驗材料的選擇；確定以沙蠶作為實驗材料，提取沙蠶體腔細胞進行細胞計數(shù)，細胞測量及細胞存活率的測定?；A性實驗開設之后，綜合性實驗的開展就得心應手了，尤其是中性紅保留實驗，微核實驗，這些實驗操作步驟不多，只需要仔細觀察和計數(shù)。綜合性實驗模塊順利進行面臨的另一個教學改革是需要實驗室全天開放。以全天候開放、教師指導、學生獨立完成實驗的研究項目方式進行，參考學時為18。

基礎實驗模塊可以在大學二年級，與動物學及細胞生物學實驗課程結合進行；綜合實驗模塊放在大學三年級，與學年論文結合開展，以及大學四年級與畢業(yè)設計結合。從教學內(nèi)容上和教學時間上都不與其他課程相沖突，沒有對學生造成額外的學習負擔。

3.2 考核方式

本實驗的教學內(nèi)容互相關聯(lián)，是一個綜合實驗項目，可以以科研項目的形式展開，學生在進入實驗室前，提交預習報告，明確實驗方案、實驗計劃及預期實驗結果；完成每一項實驗后，需要記錄實驗數(shù)據(jù)，大多數(shù)實驗還必須照相，保留照片，書寫實驗報告；系列實驗完成后，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理成研究論文的形式，以提交學年論文及完成畢業(yè)論文。

3.3 教學效果和存在的問題

生態(tài)毒理學綜合實驗已經(jīng)完整運行了一屆學生，歷時兩年，取得了良好效果。學生通過這個實驗模式參與科研項目，所取得的實驗數(shù)據(jù)和結果經(jīng)過整理被核心期刊認可和接受[15-16]。

所選擇的實驗項目中，內(nèi)容所涉及的理論課程都是學生的必修課，使學生易于理解實驗原理。但是個別實驗操作上具有一定難度，如彗星電泳。在眾多的檢測DNA鏈損傷的實驗中，彗星電泳具有其他實驗技術，如微核實驗、姊妹染色體交換無法替代的優(yōu)勢，微核檢測是在DNA鏈損傷后，產(chǎn)生的染色體斷片獨立于子細胞核外成為較小的細胞核或微核；姊妹染色單體交換實驗也是在DNA鏈損傷后，對姊妹染色單體之間的染色體片段交換進行了評估，這兩種檢測都是在DNA鏈損傷之后造成下游畸變的計數(shù)。而彗星電泳能夠測量單個細胞的DNA損傷；只需要少量細胞進行檢測(<10 000)；幾乎可以對任何真核細胞類型進行檢測；而且是一種非常敏感的DNA損傷檢測方法[17]。但是常規(guī)的彗星實驗步驟中的 “三明治”鋪膠方法[18]操作難度高，學生不易掌握而難以普及。運用專利技術[19-20]對彗星電泳的鋪膠過程進行了改良，簡化步驟，避免操作過程中繁瑣費時及脫膠率高等不足，學生在短時間內(nèi)可以快速掌握，熟練應用。

4 小結

由于這個綜合性實驗的實驗內(nèi)容相互關聯(lián)，對同一批實驗材料沙蠶用不同實驗技術處理反映了問題的不同方面，容易引起學生的探索和求知欲；并且大多數(shù)實驗項目是以真實的圖像，直觀生動地呈現(xiàn)在學生面前，提高了學生做實驗的興趣。所以將這些實驗課程融入常規(guī)的教學中，不僅培養(yǎng)了學生的動手能力和創(chuàng)新能力，也給學生們提供了充分展示自己運用知識和才能的空間。