探究不同光质和光照强度对小球藻光合作用的影响

◎王爱东

光合作用是植物代谢的重要部分，是高中生物必修一“分子与细胞”模块的重点内容，也是难点。探究环境因素对光合作的影响是本节课的重要组成部分，在理论上和生产实践中均有重要意义。但实际上绝大多数高中生物教师在进行此探究实验教学，大多以讲述为主，学生则是被动的接受。究其原因：一是部分教师本身对探究实验教学的态度较为消极；二是不同地区实验条件不同，人教版教材中提供的探究的装置较为繁杂，三对学生实验素养、操作能力要求高。综合上述诸多限制因素，导致上述探究很难以班级为单位全面开展，多数情况只能作为演示实验展示。针对以上问题，笔者带领学生对教材实验做系列改进和创新，以期达到良好的教学效果。

一、实验改进

1．绿叶的替代 本实验利用小球藻为实验材料替代教材中所推荐的菠菜叶等绿叶植物的叶片，对高中生而言选取“生长旺盛的绿叶”的标准难以把控，试剂操作时选取的叶片长势差异较大，另外，打孔和抽取校园叶片中的气体等操作效果不理想。笔者受卡尔文的探究实验启发，决定选用小球藻（Chlorella sp．）开展本实验，小球藻是一种单细胞藻类，属于绿藻门小球藻属，分布广泛，在水体和土壤等环境中均有分布，具有易获取、繁殖快等优点。小球藻可自养或异养培养，其中自养培养时仅需在蒸馏水中添加适当比例的各种无机盐即可，培养条件简单。结果较为均一。本实验将以小球藻的种群数量变化为因变量。

2．不同光照强度和不同光质的创设 在影响植物光合作用的诸多因素中，光是最重要的因素之一，其中光照强度和光质这两个因素更为重要。如何创设不同的光照强度和光质？问题的解决得益于对生活的观察和反思。我市曾经举办过灯光展，利用不同颜色的LED灯带，组合出各种图案。受此启发笔者用相同规格、相同长度（3 m）、不同颜色（白光、蓝光、紫光、红光、绿光）的LED灯带创设不同光质。用统一规格的白光LED灯带裁剪成1 m、2 m长创设不同光照强度。将上述灯带用铁丝固定在相同规格的纸箱中备用。

二、实验材料与方法

1．藻种 小球藻（Chlorella sp．）藻种由笔者带领学生利用利用稀释涂布平板法和平板划线法从环境中分离获得，并扩增培养。

2．BG11培养基的配制 通常利用BG11培养小球藻［1］，BG11培养基成分如下（L）：NaNO31．5g、K2HPO40．04g、MgSO4·7H2O 0．075g、CaCl2·7H2O 0．036g、Na2CO30．02g、柠檬酸 0．006g、柠檬酸铁 0．006g微量元素溶液A5 1ml、蒸馏水1000ml。微量元素溶液A5：H3BO42．86g、MnCl2．4H2O 1．81g、ZnSO40．222g、Na2MoO40．39g、CuSO4．5H2O 0．079g、Co（NO3）2·6H2O 49．4g。为方便教学，先配制 100倍母液，使用再按照比例稀释。

3．小球藻的种群数量统计方法 小球藻的计数可采用抽样检测法，即将待测样品震荡混匀后，吸取样品进行显微计数，具体方法可参照必修三P68探究培养液中酵母菌种群数量的变化，这一方法适合于绝大多数地区；也可以用分光光度计测定在波长为680 nm时的吸光度（OD）值，用OD680表示［2］。本实验采用第二种方法，每隔24h测定一次。

4．不同光照强度对小球藻的种群数量变化的影响 用100m L三角瓶培养小球藻，每瓶放藻液50 mL。接种后放在固定有0m、1m、2m的LED灯带的灯箱内培养，温度24±1℃，pH值为7．0±0．05，光暗周期为14 h∶10h。测定小球藻（Chlorella sp．）的种群数量变化，每次测定设3个平行样。

5．不同光质对小球藻的种群数量变化影响 用100m L三角瓶培养小球藻，每瓶放藻液50 mL。接种后放在固定有同一规格、同一长度（3m）的白光、红光、蓝光、紫光和绿光的LED灯带的灯箱内培养，温度24±1℃，pH值为7．0±0．05，光暗周期为14 h∶10 h。测定小球藻（Chlorella sp．）的种群数量变化，每次测定设3个平行样。

三、实验结果与结论

1．不同光照强度对小球藻种群数量变化的影响 每组锥形瓶中小球藻的OD680初始值均在0．154左右。随着时间延续，小球藻在黑暗环境中种群数量无变化，在2m灯带的灯箱中小球藻种群增殖速率较快。具体结果见表1。

表1 不同光照强度对小球藻光合作用的影响

引导学生利用Excel表格的绘图功能，将上述表格数据绘制曲线，构建数学模型、分析实验结果。绘制曲线如下（图1）。

图1 不同光照强度对小球藻光合作用的影响

实验结论：在一定的光照强度范围内，随着光照强度的增加，小球藻的光合作用更强。

2．不同光质对小球藻的种群数量变化影响 从结果来看，每组锥形瓶中小球藻的初始值较为一致，OD680均在0．028左右。随着实验天数的增加，可以看出小球藻在白光、紫光、蓝光这3种光照下种

天数绿OD680暗红白紫蓝1 0．029 0．029 0．029 0．028 0．027 0．029 2 0．024 0．034 0．037 0．053 0．053 0．054 3 0．018 0．051 0．057 0．116 0．118 0．123 4 0．017 0．072 0．090 0．217 0．228 0．245 5 0．046 0．127 0．142 0．444 0．372 0．468 6 0．049 0．184 0．200 0．704 0．591 0．764 7 0．042 0．224 0．254 0．995 0．864 1．072 8 0．014 0．310 0．326 1．168 1．166 1．301 9 0．012 0．417 0．429 1．502 1．300 1．706 10 0．011 0．368 0．496 1．717 1．599 1．985 11 0．053 0．368 0．445 1．766 1．697 1．866 12 0．013 0．410 0．497 1．904 1．793 2．021

群数量增长较快，光合作用速率较高，其中在蓝光下增殖速度最快，白光次之，在紫光下最慢。小球藻在红光和绿光下下种群数量增长相当，均较慢，光合作用速率较低。小球藻在黑暗情况下基本不生长。具体结果见表2。

引导学生利用Excel表格的绘图功能，将上述表格数据绘制曲线，构建数学模型、分析实验结果。绘制曲线如下（图2）。

图2 不同光质对小球藻光合作用的影响

实验结论：不同光质对小球藻的光合作用的影响不同，在蓝光、白光、紫光下小球藻的光合速率较高，在红光和绿光下小球藻的光合速率较低。在黑暗的环境中小球藻不能进行光合作用。

四、反思

上述两个探究中均使用的实验材料－－小球藻分布广泛、易获取。实验装置简单，实验操作能力要求不高，绝大多数中学生均能完成。另外，利用不同的灯带创设不同的光照强度和光质，有效降低实验条件难度，因此具有较好的推广价值。

本次探究的不同处理引起的实验现象和实验数据均非常直观且差异显著，丰富了学生对光合作用的感性认识，通过教师可进一步引导学生对实验现象的分析、推理过程，将光合作用的概念分解出条件、原料、产物和场所，便于学生对直观的一个个事实进行综合归纳，有助于加深学生对光合作用的认识。

通过带领学生开展上述探究，可引导学生完成对实验命名、原理分析、材料用具的选择、实验步骤的设计、结果的记录分析、实验结论的得出等等各项步骤，对学生的实验操作技能训练、实验现象分析能力的提高和培养严谨求实的科学态度具有重要意义。

参考文献：

［1］葛珍珍．小球藻的筛选、培养和产油脂研究［D］：［硕士学位论文］．江苏无锡：江南大学，2012

［2］吕旭阳，张雯，杨阳，蔡小宁．分光光度法测定小球藻数量的方法研究．安徽农业科学．2009，37（23）：11104－11105