浮游植物熒光儀在水生生物學設計教學中的應用

張坤,李越,鄧道貴

(淮北師范大學 生命科學學院,安徽 淮北 235000)

浮游植物熒光儀是基于葉綠素熒光原理設計,對浮游植物進行定性分類及葉綠素含量和光合特性定量測定,具有測定方法簡單、快捷,樣品量小且對浮游植物無害等特點.可以在一定程度上監(jiān)測水環(huán)境質量變化,被廣泛應用于淡水生態(tài)學、海洋與湖沼學以及水質監(jiān)測等多個領域,能將潛在未知的水體前沿知識具體化,尤其是水生系統(tǒng)中維持水體能量流動和物質循環(huán)的初級生產者浮游植物.浮游植物熒光儀作為測定浮游植物光合活性的重要儀器,已成為環(huán)境類專業(yè)大學生了解浮游植物前沿動態(tài)的重要手段之一.近三十年來,浮游植物熒光儀測定浮游植物生長狀況已在室內和野外研究中得到了廣泛應用[1].

新時代對高校人才培養(yǎng)提出了多元化的要求,要培養(yǎng)扎實的專業(yè)知識能力,還要加強理論應用能力培養(yǎng).水生生物學作為我校環(huán)境類的專業(yè)方向課,是學生了解水體生物養(yǎng)殖及水環(huán)境變化的基礎,是為國家和地區(qū)發(fā)展?jié)O業(yè)資源、保護水生生物多樣性、實施可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)文明建設培養(yǎng)專業(yè)人才的重要途徑[2-3].為實現(xiàn)專業(yè)應用型人才培養(yǎng)目標,對水生生物學課程設計教學方式的探索,使環(huán)境類專業(yè)本科生在專業(yè)知識學習過程中如何學會實現(xiàn)理論轉換實踐應用成為教學的重難點.淮北師范大學本科教學中通過應用浮游植物熒光儀(Phyto-PAM-ED,Walz,Effeltrich,Germany) 來測定浮游植物光合作用活性特征等形式,使大學生在本科學習階段以大型設備為媒介進行實踐操作,正確認識浮游植物生理特性和結構,從而進一步加深對水生生物學知識的理解和學習,為未來從事水生態(tài)環(huán)境保護提供實踐經驗.

1 浮游植物熒光儀的功能特征

浮游植物熒光儀主要對水體中浮游植物進行定性和定量分析.利用4種不同波長(藍色470 nm、綠色520 nm、橙紅色645 nm和紅色665 nm)的LED作為檢測光源(圖1),通過利用檢測器電倍增管的光譜,對水體藍藻門、綠藻門、硅藻門或者甲藻門等浮游植物進行辨別分類(圖2),同時測量浮游植物葉綠素濃度和光合活性,如浮游植物的實時熒光值Ft、光下熒光值F、基礎熒光值Fo、最大熒光值Fm、最大光化學效率Fv/Fm ( maximum quantum yield of PSⅡ) ,其他熒光參數還包括非光化學淬滅 NPQ (nonchemical quenching) 、 快速光響應曲線(rapid lightresponse curve)和光合有效量子產量(effective quantum yield) 等(圖3).

圖1 不同波長信號下浮游植物類群光合變化

圖2 綠藻門葉綠素含量

圖3 浮游植物快速光響應曲線

由于浮游植物熒光儀只能對已知幾類浮游植物進行定性描述,因此,在樣品測定過程中需要學生擁有扎實的水生生物學理論知識,通過熟練操作浮游植物熒光儀獲取的光合參數,能夠為觀察浮游植物的生長狀況以及水質監(jiān)測等長期研究項目提供較好的技術支持.學生在獨立操作浮游植物熒光儀時需要確保每次樣品體積應統(tǒng)一(≤2 mL),且進行暗處理5-10 min;同時,所測樣品濃度應小于300 μg/L,若濃度過大,則會影響測試參數.由此可見,浮游植物熒光儀的使用不僅能夠輔助學生理解理論知識,還能在學生進行科研活動的過程中鍛煉其嚴謹、端正的科研態(tài)度.無論是在科研中還是野外實踐中,浮游植物熒光儀均有廣泛的應用.

2 浮游植物熒光儀在水生生物學設計中的應用

在環(huán)境類專業(yè)本科教學過程中,浮游植物熒光儀的應用主要分為:了解浮游植物藍藻、綠藻、硅藻、甲藻分類和種群時空動態(tài);測定浮游植物葉綠素和光合特性參數以及水質監(jiān)測中水華或者赤潮預警.

2.1 浮游植物熒光儀在藻類分類中應用

浮游植物種類繁多,生長繁殖多樣.目前,淮北師范大學使用的水生生物學(趙文 第二版)教材中關于浮游植物分類多依據林氏分類法,通過形態(tài)和生殖等不同方式對浮游植物各類群進行定性和定量分析,在一定程度反映浮游植物的分類和生長狀況,但是此分類方法在鑒定準確性上存在一定的不確定性,其結果主要取決于觀察者掌握的相關知識和分類經驗,這也增加了本科生學習浮游植物知識的難度.浮游植物熒光儀通過不同信號識別不同類群浮游植物變化情況,可以快速辨別水體中占有優(yōu)勢的藍藻、綠藻、硅藻和甲藻,因此浮游植物熒光儀已經成為研究浮游植物定性分類有力工具.

2.2 浮游植物熒光儀在藻類生長測定中的應用

藻類生長光合特性的測定可以反應藻類組成和水環(huán)境因子對其光合作用影響的機理,也為水體初級生產力的估算提供了一種快捷方式.采用浮游植物熒光儀觀察夏季浮游植物光合活性的日變化規(guī)律,可以揭示浮游植物群落優(yōu)勢種形成的機理[4].計算藻類的Fv/Fm可以很好地反映藻類自身光合作用系統(tǒng)結構和功能,比如測定藍藻的Fv/Fm會存在較大波動(0.4-0.8),硅藻的Fv/Fm變化范圍僅在0.6-0.7,而綠藻的Fv/Fm則多維持在0.8.此外,非光化學淬滅表示浮游植物在利用光能過程中散失的能量,體現(xiàn)浮游植物保護光合作用系統(tǒng)的能力.

2.3 浮游植物熒光儀在水華/赤潮中的應用

水華或赤潮問題是我國目前水體研究的重點問題,尤其是在水環(huán)境生態(tài)安全評價方面較為突出.了解我國水體的污染程度并制定相應的評價標準具有重要的水環(huán)境安全意義.研究表明浮游植物在生長過程中,光合特性快速發(fā)生變化,造成葉綠素不斷積累,最終形成細胞數量的變化[5].通過利用浮游植物熒光儀可快速檢測出水體中優(yōu)勢的藍藻、綠藻、硅藻和甲藻的占比以及生長狀況等特點,能夠在藍藻和硅藻水華形成的前5天獲得預警結果.此外,浮游植物熒光儀測定光合參數還可以實現(xiàn)在線監(jiān)測,數據準確度高,作為預警指標在技術上具有可操作性.

3 優(yōu)化水生生物學課程設計體系

水生生物學是環(huán)境類專業(yè)的一門重要的專業(yè)方向課程,描述了浮游植物的形態(tài)分類及其生態(tài)學意義.由于浮游植物種類繁多,分類模糊,使得課堂上學生的知識汲取難度增大,這在一定程度上削弱了教學體系的科學性和先進性.而浮游植物熒光儀在分類鑒定操作過程中,與傳統(tǒng)顯微鏡觀察法相比,能夠協(xié)助學生更快速和準確地辨別水體中藍藻、綠藻、硅藻或甲藻的存在情況.在葉綠素含量和光合參數測定過程中,比傳統(tǒng)分光光度法、放氧法和同位素示蹤法所需樣品含量更少,時間更短,且精確度高,特別是在對水體藻類監(jiān)測(水華預警)過程中大大提高時效性.針對水生生物學課程設計的現(xiàn)狀以及存在的問題,應在注重基礎知識的學習前提下,配合相關儀器的操作練習,從而實現(xiàn)理論知識的可視化,并在實驗儀器的使用過程中不斷提高大學生自身綜合素質.水生生物學的課程設計優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下幾方面.

3.1 開放式實驗討論教學激發(fā)學生興趣

通過設定參數,讓學生分組使用儀器進行結果觀測,基于測試結果進行分析,開放式的實驗討論能夠有效調動學習主動性.如針對浮游植物這一篇章的講述,安排學生分組實驗,通過演示、操作及討論等手段[6],把復雜繁多的浮游植物分類轉換成最直接的信號或者數字,通過觀察浮游植物生長光合特性圖像的變化進一步加深學生對浮游植物生長的直觀感受.同時,設定相關主題討論,讓學生把理論知識與實踐相結合,提升探索新知識的興趣,在實驗監(jiān)測過程中也能拓展學生的科研眼界,為之后的考研和就業(yè)提供了扎實的基礎.

3.2 科研合作式培養(yǎng)學生專業(yè)素養(yǎng)

只有教學和科研相結合,才能培養(yǎng)出優(yōu)秀的專業(yè)人才[7].在水生生物學教學過程中,以科研課題為依托,將專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于整個教學中.建立興趣合作小組,將環(huán)境專業(yè)類相關課題委托給本科生,在整個過程中不僅能培養(yǎng)本科生學習水生生物學知識能力,還能培養(yǎng)學生專業(yè)素養(yǎng).如陳明耀指出浮游植物生長主要表現(xiàn)為延緩期、指數生長期、相對生長下降期和靜止期不同階段,呈“S”型曲線[8].但在浮游植物熒光儀的實際操作過程中會發(fā)現(xiàn)葉綠素含量曲線還會出現(xiàn)“W”型變化.因此,學生不能為得出“S”型曲線的結果,而對數據進行修飾.應該通過儀器使用及數據分析尋找實驗失敗原因,從而培養(yǎng)學生的實驗分析能力以及尊重科學事實的專業(yè)素養(yǎng).

3.3 以賽帶學式參與大學生創(chuàng)新研究項目

目前淮北師范大學面向環(huán)境類專業(yè)的本科生開展了多種大學生創(chuàng)新研究項目,例如“互聯(lián)網+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、大學生生命科學競賽創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、創(chuàng)新計劃項目等.這些項目的開展,離不開教師科研項目與平臺的支持.在水生生物學課堂上,教師通過將浮游植物熒光儀與浮游植物實驗相結合,鼓勵學生利用所學知識與儀器測試結果參加各類項目比賽,對實驗進行設計與創(chuàng)新,提出自己的想法與觀點.教師通過運用“提出問題-分析問題-解決問題-創(chuàng)新實踐”模式[9],優(yōu)化學生的實驗方案并與學生進行深入討論,直至確定最終的可行路線.各類學科競賽的獲獎結果作為評價教學效果的方式之一,不僅能夠鼓勵學生積極參與,還能提升學生的科研實踐能力,有效培養(yǎng)了學生的科研素養(yǎng)與科研思維.

4 結 語

在以“綠水青山”為主題的時代發(fā)展趨勢中,浮游植物熒光儀廣泛應用于淡水生態(tài)學、海洋與湖沼學以及水質監(jiān)測等多個領域.通過分析浮游植物熒光儀在水生生物學教學中的應用優(yōu)勢,能夠拓展基礎知識的講授途徑、有效實現(xiàn)理論知識的圖像化、豐富教學活動、并能有效打破科研與教學的技術壁壘.對于當代環(huán)境類專業(yè)的本科生而言,通過了解并掌握浮游植物熒光儀的相關參數指標涵義可以更好地完成有關實驗操作,增強學生的自主學習能力和動手能力,強化環(huán)保意識和科學養(yǎng)殖理念,為我國生態(tài)文明建設貢獻力量.