利用手持技术进行“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”定量检测

2016-08-20郑耀贤

生物学教学 2016年7期

郑耀贤

(北京师范大学(珠海)附属高级中学 519080)

手持技术也称掌上技术，是由数据采集器、传感器和相配套的软件组成的定量采集数据，并与计算机连接的实验技术系统[1]。本文以“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”定量检测为例，探索将数字化传感技术与生物科学探究有机结合，为中学生物学科学探究实验提供参考。

1 实验设计

1.1 实验材料的选择 ①水绵是多细胞藻类植物，含有螺旋状叶绿体，能进行光合作用。利用水绵作为实验材料，开展科学探究具有材料易得、实验因变量测量具可操作性和易于肉眼观察等明显的优点，还能为水稻生境的适应性研究提供思路。②NaHCO3可用于食品加工，易溶于水，受热易分解，在潮湿空气或水中能缓慢分解，其水溶液在20℃时开始分解出CO2。用NaHCO3加入水绵培养液中,能为水绵缓慢提供CO2，是开展“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”的一种重要材料。

1.2 变量的明确与控制本实验的自变量是水绵培养液中NaHCO3的浓度，因变量是光合作用的强度。通过测定一定时间内原料的消耗或产物生成的数量来定量表示光合作用强度, 以单位时间内溶解氧的增加量表示光合作用的强度。水培的水绵在光照下产生氧气，氧气可以通过肉眼观察到气泡，同时氧气可以溶于水中形成溶解氧，溶解氧可以通过传感技术进行测量。利用传感技术，量化溶解氧的增加量，同时通过肉眼观察记录气泡的产生量，以定量为基础，定性辅助。控制好无关变量水绵的质量也是本实验的一个难点，由于水绵的生存特点，要做到每个组的水绵量的一致必须做一定的处理。可通过将水绵捞出水用吸水纸反复吸干其周围的水分，再用天平称取平均分成若干份样品，解决该问题。

1.3 NaHCO3浓度梯度的设定查阅文献资料，先以0 g/100 mL和4 g/100 mL(恒温光照培养箱培养24 h)为梯度做预实验，结果发现4 g/100 mL的NaHCO3溶液组中水绵基本枯黄糜烂，而对照组则正常生长，说明过高浓度的NaHCO3会引起细胞脱水过多而死。继续设置0 g/100 mL、1 g/100 mL和2 g/100 mL(恒温光照培养箱培养24 h)为梯度做预实验，预实验结果如表1，说明2 g/100mL的浓度依然过大。因此，本实验最终确定以0.3 g/100 mL为1个梯度，设置0 g/100 mL、0.3 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.9 g/100 mL、1.2 g/100 mL和1.5 g/100 mL 6个梯度。

表1 NaHCO3浓度对植物光合作用强度的影响(25℃，24 h)

1.4 仪器的使用溶解氧的含量是评价水体、水质和水体自净能力的一项重要指标。本研究用溶解氧传感器测定，能实时量化呈现溶液的溶解氧浓度(精确到0.01)变化情况直至稳定，就可记录数据。其具有方便、快速和准确等特点。

2 实验原理

影响植物光合作用的因素很多，主要是光、CO2和温度等方面；NaHCO3在室温下能缓慢分解为CO2，其反应式是2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O。

3 实验仪器与药品

3.1 实验仪器数据采集器、溶解氧传感器(0～15 mg/L)、电脑、一次性透明塑料杯、量筒、天平。

3.2 实验材料 NaHCO3、水绵。

4 实验步骤

4.1 溶液配制 0 g/100 mL、0.3 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.9 g/100 mL、1.2 g/100 mL和1.5 g/100 mL 6个梯度的NaHCO3溶液各100 mL。

4.2 水绵准备将野外获取的水绵用清水多次冲洗，用镊子将夹杂在水绵中的杂质去掉，然后用吸水纸多次吸水，尽可能将水绵表面的水分吸干，吸干后的水绵非常轻，将水绵平分为6份，每份0.3 g。称完后尽快分别放回水体中培养。

4.3 连接传感器将数据采集器和溶解氧传感器以及电脑连接好，并进行调试(数据采集器设置为手动，数据采集器调出溶解氧0～15 mg测试项目，数据采集间隔设置为1 s 10个数据，测定1000个数据，输出形式为数字)，分别测定6个装置中的溶解氧浓度，作为第0 h的数据。

4.4 培养箱培养将6个装置全部置于光温稳定的培养箱中培养(800 Lux，25℃)16 h、24 h和32 h。

4.5 测定数据在培养16 h、24 h和32 h后用溶解氧传感器(数据采集器设置为手动，数据采集器调出溶解氧0～15 mg测试项目，数据采集间隔设置为1 s 10个数据，测定1000个数据，输出形式为数字)分别测定每个组中的溶解氧浓度，根据软件生成图形和数字读取数据和记录(表2)。重复试验3次，整理相关数据并用Origin绘图软件绘制图形。

5 实验结果与数据分析

不同浓度的NaHCO3和处理时间的长短都对水绵光合作用强度产生不同的影响(表2)。0.3～0.9 g/100mL的NaHCO3在处理16 h、24 h、32 h后都能明显促进水绵的光合作用强度，说明适量补充CO2能促进植物光合作用强度。另外，CO2补充的时间并不是越长越好，数据表明处理时间长度为24h时对植物的光合作用强度的促进作用最好，CO2补充时间为32h时，对水绵的光合作用强度的促进作用呈下降趋势，这可能是因植物长期生活在高浓度CO2下导致植物光合能力下降，也即产生光合适应。