對沉水植物黑藻光合作用速度的實(shí)驗(yàn)探究

戚智河 （廣州市從化區(qū)城郊中學(xué) 廣東廣州 510925）

在學(xué)?？萍蓟顒庸?jié)中，生物學(xué)教師展示了“植物光合作用產(chǎn)生氧氣”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。展示實(shí)驗(yàn)用沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）作為實(shí)驗(yàn)材料，以LED 燈光為光源，通過增加溫度、光照強(qiáng)度和培養(yǎng)液CO2濃度的方法，增加植物光合作用的速度。黑藻莖的斷截面會連續(xù)不斷地冒出氣泡。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中黑藻的光合作用速度非常快，其制造淀粉的速度是否也會加快？在人教版7 年級教材中的“綠葉在光下制造有機(jī)物”實(shí)驗(yàn)中，將盆栽的天竺葵放到暗處24 h，用黑紙片將葉片的一部分從上、下面遮蓋，然后移至陽光下照射幾小時(shí)[1]。該實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長，且受天氣情況影響較大。在教師指導(dǎo)下，科技活動小組的學(xué)生，針對沉水植物黑藻光合作用的速度問題，開展了研究性學(xué)習(xí)，以期縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谥付ㄕn時(shí)內(nèi)完成。

1 實(shí)驗(yàn)裝置、儀器藥品與材料

器具：500 mL 燒杯2 只，550 ml 礦泉水瓶1 只，100 mL、50 mL 燒杯各1 只，50 W LED 射燈2 盞，溫度計(jì)，剪刀，玻璃棒，鑷子，電開水器，培養(yǎng)皿等。

藥品與材料：沸水、自來水、無水乙醇、碘酒、550 mL CO2、多條黑藻等。

實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置由1 個500 mL 燒杯、500 mL 碳酸水稀溶液（CO2與水體積比為1∶5）、長5 cm 左右的帶頂芽黑藻多條、2 盞50 W LED 射燈組成（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)前1 d，將新鮮的沉水植物黑藻置于黑暗處，用自來水培養(yǎng)24 h 以上，使葉片內(nèi)的淀粉消耗盡。在室內(nèi)溫度和水溫都高于20℃時(shí)，用稀HCl 與大理石反應(yīng)制取CO2，用向上排空氣法將CO2收集在裝有100 mL 水的550 mL 礦泉水塑料瓶中。收集滿后密封振蕩1 min，使CO2充分溶于水，形成100 mL 飽和碳酸水溶液（在常溫常壓下，CO2溶于水的體積比為1∶1）。向500 mL 燒杯中加入400 mL 自來水，加入上述100 mL 飽和碳酸水溶液后攪拌均勻，配制成20℃的CO2與水的體積比為1∶5 的碳酸水稀溶液500 mL。

將3 條長5 cm 左右，經(jīng)過暗處理和帶頂芽的黑藻放入500 mL 碳酸水稀溶液中，用1 盞50 W LED 燈照射。約3 min 后，黑藻莖的斷截面會有氣泡排出。選定1 條排出氣泡的體積較大、排出氣泡數(shù)目可計(jì)數(shù)的黑藻完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)，其余黑藻用鑷子取出。

2.1 外界條件對黑藻光合速度的影響

2.1.1 溫度對黑藻光合作用速度的影響 將1 盞50 W LED 燈緊貼著燒杯照射，測量低溫下1 min內(nèi)黑藻莖的斷截面排出氣泡的數(shù)目，共3 次。低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出黑藻，用沸水將培養(yǎng)液的溫度調(diào)節(jié)至30℃左右，將黑藻放回?zé)?。用相同的方法，測量高溫下黑藻光合作用產(chǎn)生氣泡的速率。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提高溫度，黑藻莖的斷截面排出氣泡的速率會加快，即植物光合作用速度會加快。

表1 溫度對黑藻光合作用產(chǎn)生氣泡速率的影響

2.1.2 光照強(qiáng)度對黑藻光合作用速度的影響溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，移動LED 燈，使光源與燒杯的間距為10 cm，測量黑藻1 min 內(nèi)排出氣泡的數(shù)目，共3 次。然后，再增加光源與燒杯的間距至20 cm、30 cm、40 cm、50 cm 分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。LED燈下實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將燒杯置于陽光下照射，測量在陽光下黑藻1 min 排出氣泡的數(shù)目，共3 次。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燒杯中的黑藻越遠(yuǎn)離光源，每分鐘排出氣泡的數(shù)目就越少，即光照越弱，光合作用速度越慢，反之就越快。此外，黑藻在陽光下光合作用的速度比1 盞50 W LED 燈下的要快。

表2 光照強(qiáng)度對黑藻光合作用產(chǎn)生氣泡速率的影響

2.1.3 光照方向?qū)谠骞夂献饔盟俣鹊挠绊戧柟庹丈鋵?shí)驗(yàn)結(jié)束后，將燒杯放回LED 燈下，并將LED 燈緊貼著燒杯照射。調(diào)整光源的方向，使光線分別照射在黑藻的葉面、葉背和葉側(cè)面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究光照方向?qū)谠骞夂献饔盟俣鹊挠绊?。將?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光照方向?qū)谠骞夂献饔卯a(chǎn)生的氣泡速率影響不大。

表3 光照方向?qū)谠骞夂献饔卯a(chǎn)生氣泡速率的影響

2.1.4 CO2濃度對黑藻光合作用速度的影響 光照方向?qū)嶒?yàn)結(jié)束后，將培養(yǎng)液換成30℃的自來水（CO2含量較少），測量自然環(huán)境下黑藻光合作用的速度。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加黑藻培養(yǎng)液CO2的含量，植物光合作用產(chǎn)生的氣泡速率會加快。

表4 培養(yǎng)液CO2 含量對黑藻光合作用產(chǎn)生氣泡速率的影響

綜上所述，培養(yǎng)液的溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度都會影響黑藻光合作用的速度，但光照方向?qū)谠骞夂献饔盟俣扔绊懖淮蟆Ｔ诠庹?、溫度比較合適的條件下，CO2的濃度明顯影響沉水植物光合作用的放氧量。光照充足溫度適宜時(shí)，沉水植物光合速率高[2]。在后續(xù)“黑藻光合作用制造有機(jī)物淀粉的速度”實(shí)驗(yàn)探究中，影響黑藻光合作用的3 個要素選定為：培養(yǎng)液溫度為30℃、光照強(qiáng)度為2 盞50 W LED 燈（略大于太陽光的強(qiáng)度）和培養(yǎng)液CO2濃度為CO2與水的體積比等于1∶5。

2.2 黑藻光合作用制造淀粉的速度 ①挑選5 條大小相近、生長旺盛、葉片狹長的經(jīng)過24 h 暗處的黑藻，從頂芽往下剪取長5 cm 左右的小段，共5 段。然后將4 段黑藻平分至2.1.3 和2.1.4 實(shí)驗(yàn)后的30℃的碳酸水稀溶液和30℃的自來水中。并將2 個燒杯移至2 盞50 W LED 燈之間或陽光下照射。

②淀粉檢測：將①中余下的1 段黑藻放入100 mL 沸水中1 min，然后用水浴加熱無水酒精的方法除去黑藻的葉綠素。水浴加熱時(shí)，用100 mL 沸水加熱3 min。取出黑藻，在熱水中漂洗一下，放入培養(yǎng)皿中，滴入3～5 滴碘酒反應(yīng)1 min后，再將黑藻放熱水中漂洗一下，祛除浮色（紅棕色）后平放于培養(yǎng)皿中，用于比較黑藻顏色的變化情況。

③每隔30 min 各取出1 條黑藻，用上述②的方法進(jìn)行淀粉檢測實(shí)驗(yàn)，共2 次。將黑藻平放在同一培養(yǎng)皿中比較。

④比較5 條黑藻產(chǎn)生氣泡和與碘反應(yīng)后顏色的變化，填寫表5。

表5 黑藻光合作用制造有機(jī)物淀粉的速度比較

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著光照時(shí)間的增長，培養(yǎng)液的溫度會逐漸升高。增加黑藻培養(yǎng)液CO2的濃度至CO2與水的體積比為1∶5，提高培養(yǎng)液的溫度至30℃左右，并用2 盞50 W LED 燈光照射，沉水植物黑藻光合作用制造有機(jī)物淀粉的速度會加快。光照30 min 后，黑藻光合作用制造的有機(jī)物淀粉，就能被碘檢測出，顯色效果明顯；而自來水中的黑藻，光照30 min 后，沒有檢測到有機(jī)物淀粉的存在，60 min 后才有少量的淀粉生成（圖2，見插頁2）。

如果天氣晴好，將碳酸水稀溶液中的黑藻置于中午12 時(shí)（室外溫度29℃）的太陽光下照射，實(shí)驗(yàn)效果更佳（圖3，見插頁2）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度對沉水植物黑藻光合作用速度都有影響。提高培養(yǎng)液溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度，均能提高黑藻光合作用速度，包括排放氣泡速度和制造有機(jī)物淀粉的速度。光線照射黑藻的葉面、葉背和葉的側(cè)面，對黑藻光合作用的速度影響不大。增加培養(yǎng)液溫度至30℃左右，CO2濃度至CO2與水的體積比為1∶5，用2 盞50 W LED 燈照射30 min 后，黑藻光合作用制造的有機(jī)物淀粉，就能被碘檢測出。

4 實(shí)驗(yàn)反思

通過對沉水植物黑藻光合作用速度的實(shí)驗(yàn)探究，反思如下：

①用沉水植物黑藻作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行“植物光合作用速度的探究”實(shí)驗(yàn)，比陸生植物更容易調(diào)控影響光合作用速度的外界因素，例如，溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等，從而調(diào)控光合作用的速度。

②實(shí)驗(yàn)時(shí)，用燈光代替陽光照射植物，排除了天氣因素的影響，可在室內(nèi)隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2盞50 W LED 燈的光照強(qiáng)度略強(qiáng)于中午11 時(shí)的太陽光。若燈光強(qiáng)度過強(qiáng)，水溫過高時(shí)，可通過增加燒杯與燈的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

③沉水植物黑藻頂芽段葉片薄而狹長，不易爛、易脫色、易顯色，且顯色時(shí)間短。用沸水燙黑藻1 min 可殺死細(xì)胞，有利于酒精溶解葉綠素，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。水浴加熱時(shí)，用沸水加熱無水酒精，溫度高達(dá)65～70℃，溶解葉綠素的效果好。用熱水代替冷水漂洗實(shí)驗(yàn)材料，加快去除葉片上浮色的速度，既節(jié)約時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效果又明顯（圖4，見插頁2）。

④光照方向?qū)谠骞夂献饔盟俣扔绊懖淮?。因?yàn)槌了参锏娜~片薄，葉綠體體積大，數(shù)量也多，葉綠素含量也多。在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量越多，光合作用越強(qiáng)[3]。無論葉面、葉背或葉的側(cè)面接受光照，吸收光能進(jìn)行光合作用的效率都很高。黑藻頂端10～15 cm 長的一段生長旺盛，光合能力強(qiáng)，選用頂端5 cm 的黑藻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，便于統(tǒng)計(jì)氣泡數(shù)目，并節(jié)約黑藻、沸水、酒精、碘液等實(shí)驗(yàn)材料，不影響實(shí)驗(yàn)效果。

⑤由于實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)過24 h 的暗處理，葉片內(nèi)的淀粉已消耗盡，需進(jìn)行較長時(shí)間的光合作用，植物細(xì)胞內(nèi)才會有淀粉的積累。所以，在自然條件下探究“綠葉在光下制造有機(jī)物”的實(shí)驗(yàn)，需將天竺葵、小白菜[4]、車前子[5]等陸生植物置于太陽光下照射幾小時(shí)才有效。光照時(shí)間過短，淀粉不足，效果不明顯；時(shí)間過長，淀粉通過篩管運(yùn)輸，同樣也會影響實(shí)驗(yàn)效果[6]。用沉水植物黑藻進(jìn)行“綠葉在光下制造有機(jī)物”實(shí)驗(yàn)，易調(diào)控實(shí)驗(yàn)條件，光合作用速度快，能將光照時(shí)間縮短至30 min內(nèi)。因此，課內(nèi)完成該實(shí)驗(yàn)成為可能，即課前準(zhǔn)備4 min，光照30 min，沸水燙1 min，水浴加熱3 min，與碘反應(yīng)和漂洗1 min，清洗儀器1 min，合計(jì)共40 min。

總之，探究沉水植物黑藻光合作用的速度時(shí)，既可從黑藻放出氣泡的速度判斷光合作用的速度，也可通過黑藻產(chǎn)生淀粉的速度判斷。提高培養(yǎng)液的溫度、光照強(qiáng)度和CO2的濃度等，均能提高黑藻光合作用的速度。