基于傳感器技術(shù)的黑藻光合速率定量研究

呂慧明 虞 馳

（浙江省寧波市第四中學(xué) 浙江寧波 315016）

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”是浙科版生物學(xué)必修1 第3 章“細(xì)胞的代謝”第5 節(jié)光合作用的內(nèi)容，是必修1 教學(xué)的重、難點(diǎn)內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容適合學(xué)生進(jìn)行探究活動(dòng)，通過活動(dòng)加深對(duì)光合速率這一核心概念的理解和把握，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。傳統(tǒng)探究活動(dòng)方案中，因變量多通過觀察氣泡產(chǎn)量或液面高度等的變化進(jìn)行測定［1-2］，忽略水中溶解氧的含量，使測定結(jié)果不精確。隨著傳感器技術(shù)引入生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可利用溶解氧傳感器對(duì)光合速率進(jìn)行定量檢測［3］，但又忽略了空氣氧含量的變化。只有同時(shí)測定出溶解氧和空氣氧含量的變化，才可精準(zhǔn)計(jì)算出光合速率。

本文以“探究光照強(qiáng)度對(duì)黑藻光合速率的影響”為例，利用朗威DISLab 傳感器中的溶解氧傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器，測定相應(yīng)數(shù)值，通過理想氣體狀態(tài)方程，即可計(jì)算光合速率的精確數(shù)值。實(shí)驗(yàn)操作更簡單，結(jié)果更精準(zhǔn)，利于激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究興趣。

1 實(shí)驗(yàn)原理

黑藻［Hydrilla verticillata（L.F.）Royle］是一種常見的水生高等植物，光合速率受光照強(qiáng)度影響較大。光合作用釋放的氧氣，一部分溶解在水中，一部分釋放到空氣中。溶解氧傳感器可精確測出水體中氧含量的變化，氧氣傳感器可測出空氣氧氣含量的變化，壓強(qiáng)和溫度（測定氣溫）傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境變化。利用這4 種傳感器測定的結(jié)果，通過理想氣體狀態(tài)方程，計(jì)算單位體積空氣中氧氣質(zhì)量和溶解氧含量，即可精確計(jì)算水生植物表觀光合速率。

黑暗條件下，黑藻進(jìn)行細(xì)胞呼吸，消耗水體中溶解氧和空氣氧。利用4 種傳感器測定值，通過理想氣體狀態(tài)方程，計(jì)算單位體積空氣中氧氣質(zhì)量和溶解氧含量，可精確計(jì)算呼吸速率和真正光合速率。

2 實(shí)驗(yàn)材料、藥品及器材

實(shí)驗(yàn)材料：寧波日湖公園采集的黑藻，清水洗凈實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)1 周后使用。

實(shí)驗(yàn)藥品：1%碳酸氫鈉溶液和凡士林。

實(shí)驗(yàn)器材：分析天平、量筒、430 mL 玻璃實(shí)驗(yàn)瓶、有孔橡膠塞、18 W LED 燈、朗威DISLab 軟件、數(shù)據(jù)采集器、溶解氧傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、電腦、照度計(jì)（特安斯分體TA8133）、遮光布、三層鐵架臺(tái)（每層長133 cm，寬48 cm，高45 cm）。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）傳感器連接：4 個(gè)傳感器探頭放入橡膠塞對(duì)應(yīng)的孔中，并用凡士林密封。將電腦、數(shù)據(jù)采集器和傳感器連接，打開電腦朗威DISLab 軟件，測試30 min，待儀器穩(wěn)定后使用。

2）光照強(qiáng)度設(shè)置：反應(yīng)瓶雙側(cè)等距離各放置1 個(gè)18 W LED 燈，分別控制燈距為5 cm、10 cm、15 cm 及20 cm。黑暗條件，用遮光布包裹反應(yīng)瓶。

3）反應(yīng)體系：取新鮮黑藻，吸干葉片水分，稱量3.629 g。放入量筒中，量取150 mL 1%碳酸氫鈉溶液，放入430 mL 玻璃瓶中。塞上橡膠塞，密閉環(huán)境連續(xù)測定60 min，記錄初始數(shù)值和結(jié)束數(shù)值。

4）實(shí)驗(yàn)裝置放在鐵架臺(tái)第1 層，用遮光布遮擋。電腦放置在第2 層，實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。光照組裝置見圖1，黑暗組裝置見圖2。

圖1 燈距10 cm 光照實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 黑暗處理實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。不同光照強(qiáng)度下，溶解氧和空氣氧濃度均增加，環(huán)境氣溫逐漸升高，壓強(qiáng)值沒有變化；黑暗條件下，溶解氧和空氣氧濃度均下降，壓強(qiáng)和氣溫基本不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光合作用釋放的氧氣一部分溶解在水中，一部分釋放到空氣中。呼吸作用消耗的氧氣，來自于空氣氧和溶解氧2 個(gè)部分。

表1 不同光照強(qiáng)度下溶解氧、空氣氧濃度、壓強(qiáng)和氣溫變化值

不同光照強(qiáng)度下，溶解氧、空氣氧濃度和氣溫變化曲線見圖3～圖6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，60 min 之內(nèi)，溶解氧含量先增加后趨平穩(wěn)或略有下降，基本在15～20 min 達(dá)到最大值，并趨于穩(wěn)定。前期溶解氧增加時(shí)，空氣氧濃度基本不變，在溶解氧達(dá)到最大值時(shí)空氣氧濃度開始持續(xù)增加。說明水生植物釋放的氧氣先溶解在水體中，水體氧飽和后向空氣中釋放。因此，若實(shí)驗(yàn)時(shí)間在15 min 左右，可只考慮溶解氧含量變化，測定光合速率。但由于時(shí)間過短，植物可能尚未達(dá)到最佳狀態(tài)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

圖3 5 cm 燈距光強(qiáng)度溶解氧、氧氣濃度及氣溫變化

圖4 10 cm 燈距光強(qiáng)度溶解氧、氧氣濃度及氣溫變化

圖5 15 cm 燈距光強(qiáng)度溶解氧、氧氣濃度及氣溫變化

圖6 20 cm 燈距光強(qiáng)度溶解氧、氧氣濃度及氣溫變化

利用溶解氧和液體體積（150 mL）數(shù)據(jù)，可計(jì)算水中的氧氣質(zhì)量；利用氣體體積值（排水法測定約為280 mL）、氣壓值、氣溫值、氧氣濃度值及理想氣體方程：PV＝nRT（R＝8.28 ×103），計(jì)算空氣中氧氣質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)前、后的氧氣質(zhì)量變化，計(jì)算獲得氧氣總增加量，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)中水體溫度變化為27～31℃。

表2 不同光照強(qiáng)度對(duì)黑藻光合速率的影響

結(jié)果表明：燈距從20 cm 減小至5 cm，光照強(qiáng)度逐漸增大，水中氧含量增量分別為0.55 mg、0.61 mg、0.6 mg 和0.5 mg，水中氧含量增量差異不大，水體溶解氧均已達(dá)飽和；空氣氧含量增加值依次為2.95 mg、3.61 mg、5.87 mg 和2.36 mg，隨光照強(qiáng)度增加，逐漸升高，5 cm 的光照強(qiáng)度除外，空氣氧增量差異較大。將空氣氧增量和水中氧增量相加，再計(jì)算得出光合速率值。發(fā)現(xiàn)隨光照強(qiáng)度增加，光合速率逐漸增大，在10 cm 燈距，即光照強(qiáng)度為22 100 lx 時(shí)，光合速率值最大為2.37 mg O2／（g·h）；燈距為20 cm 和15 cm 時(shí)，光合速率差異不大，分別為1.55 mg O2／（g·h）和1.75 mg O2／（g·h），可能與二者的光照強(qiáng)度差距不大有關(guān)；而燈距為5 cm時(shí)，光合速率最小，僅為1.40 mg O2／（g·h），可能是由于光照強(qiáng)度過大，導(dǎo)致黑藻出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象［4］。由此可見，光合速率受光照強(qiáng)度影響較明顯，要精確計(jì)算水生植物光合速率值，需要同時(shí)考慮溶解氧和空氣氧的含量變化。

5 小結(jié)

本研究表明，水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣以2 種形式存在，即溶解氧和空氣氧。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，只考慮空氣氧含量變化，忽略溶解氧，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是對(duì)光合速率的定性研究。近似于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，興趣不大，不利于激發(fā)學(xué)生積極思維。

利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需實(shí)時(shí)收集整理數(shù)據(jù)，并繪制表格和曲線圖，分析曲線走勢和數(shù)據(jù)變化規(guī)律，這部分內(nèi)容是教材探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很難涉及的。通過學(xué)生的參與，可激發(fā)學(xué)生積極思維，提高探究興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維，在量的變化中深入體會(huì)理解科學(xué)本質(zhì)。以大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，計(jì)算得出精準(zhǔn)數(shù)值，非常有說服力，極大增強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)探究的自信心，且加深學(xué)生對(duì)抽象生物學(xué)概念的理解，在做中學(xué)，提高教學(xué)效率。傳感器在探究性實(shí)驗(yàn)中能準(zhǔn)確讀取大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，靈敏度高，可捕捉到信號(hào)的微小變化和瞬間變化，因此可大幅度地增加實(shí)驗(yàn)可研究范圍的深度、廣度［5］，且操作簡單，有利于學(xué)生掌握。因此可嘗試將傳感器技術(shù)與生物學(xué)科探究實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生多角度、多方向進(jìn)行精準(zhǔn)定量的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，提高學(xué)生科學(xué)探究能力，培養(yǎng)生物學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)。