“植物根际纤维素分解菌的分离”实验教学设计与实施

左 山 李 霞

（1 北京市广渠门中学 北京 100062 2 东城区教师研修中心 北京 100009）

人教版高中生物学选修1 《生物技术实践》专题2“微生物的培养与应用”中设计了“分解纤维素的微生物的分离实验”。教材介绍了分离土壤中纤维素分解菌的实验原理及方法。学生通过对该专题前2 课时的学习，已初步掌握微生物的实验室培养技术，以及从土壤中分离微生物的基本方法。课程标准要求学习从土壤中分离分解纤维素的微生物的方法，讨论这类微生物的价值，并提出“从土壤中分离纤维素分解菌”的活动建议。由于城市土壤污染所致的重金属超标及有毒有害物质积累等原因，近几年笔者很难从城市土壤中分离获得纤维素分解菌资源，开展该实验活动难度有所上升、实验课程教学效果不理想。此外，本专题包含的“尿素分解菌的分离与鉴定”实验和本课实验在知识、技术方面有所重复，简单开展2 节实验课亦难以实现专题教学的课程效果与精华。

根据已有教学经验，提出相关问题：①目前学生对城市土壤中纤维素分解菌分离效果较差，是否改变采样方式？②如何通过本节实验达到对专题知识、技术、情感的升华？因此，在新课程标准倡导探究性学习理念的指导下，完成教材内容中理论知识学习后，引导学生设计探究实验，利用易获得且经济、安全的实验材料和试剂，开展科学研究。学生通过调查文献、归纳探讨出实验方案，从中培养理性思维。

1 引导学生阅读文献并探索实验设计思路

1.1 研究背景 鼓励并指导学生通过互联网检索文献，发现有关纤维素分解菌及根际微生物的相关研究： 全世界每年大约形成近千亿吨植物有机物质，其中有一半是纤维素物质。我国每年仅农业生产中形成的农作物残渣（稻草、秸秆等）就约有7 亿吨，工业生产中还有数百万吨的纤维素废弃物。目前对农作物秸秆的利用还未达到令人满意的水平，其主要原因是缺乏能完全降解农作物秸秆这种天然纤维素的高活性菌株。植物根际是细菌的良好生境，植物根为细菌提供了良好的生态位。能在植物根际持续稳定地定殖、受植物影响的细菌称为根际细菌（Rhizobacteria）。根际细菌利用植物释放的营养物质（根分泌物、裂解物）进行生长繁殖，同时也合成代谢产物分泌到根际。

1.2 实验设计思路 师生共同讨论得出以下实验改进思路：植物根际微生物种类丰富，包括固氮菌、纤维素分解菌等。菠菜等蔬菜便于学生取材，富含纤维素，其根际微生物可能包含纤维素分解菌。刚果红能与培养基中的纤维素形成红色复合物，当纤维素被纤维素酶分解后，该红色复合物无法形成，培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈。测量透明水解圈与菌落直径的比值可初步确定产纤维素酶活性高的菌株。学生分组对不同蔬菜进行根际纤维素分解菌分离，比较不同常见蔬菜根际纤维素分解菌数量及纤维素酶产率。

2 指导学生根据设计思路实施探究实验

2.1 实验材料与仪器设备

表1 实验材料及仪器清单

2.2 实验教学组织与实验步骤 组织学生课前准备所选择的植物材料（自购蔬菜），装入密封袋后低温保存，并进行分组，每组3～4 人。课前由各小组配置以纤维素为唯一碳源的培养基，并由学生小组代表进行培养基、器材等灭菌工作。

培养基配方［1］：0.25 g MgSO4，0.5 g KH2PO，1.88 g CMC-Na，0.2 g 刚果红，18 g 琼脂，用蒸馏水定容至1 000 mL，调节pH 值至7.0。

分离根际微生物的具体方法： ①将菠菜根所带的土壤样品混匀后取约10 g，置于含200 mL无菌 水 的 三 角瓶中；②30℃、150 r／min 震荡摇匀5 min（室温下手动混匀亦可）；③静置30 s 后取1 mL 菌液进行梯度稀释； ④涂布于分离培养基上，接种量为50 μL，每个处理设置3 个重复。

测定纤维素分解菌分解效果的具体方法：①用刻度尺测量目的菌落的直径大小，记录数据；②用刻度尺测量纤维素分解圈（以菌落为圆心）直径大小，记录数据；③计算数据，纤维素分解圈直径/菌落直径，求比值［2］。

2.3 实验观察记录及分析 组织学生48 h 后到实验室进行实验结果观察记录，并进行小组内结果分析与讨论，提交小组研究报告。由学生小组代表进行班级结果汇总（表格汇总、利用软件数据分析），并向全班进行汇报。报告内容包括：①纤维素分解菌的分离与筛选； ②计算纤维素分解圈直径/菌落直径。

表2 高二某班级实验报告汇总表

图1 高二某班级实验数据分析

图2 菠菜根际纤维素分解菌产生透明圈

3 小结与反思

本实验选择的几种生活中常见的植物材料，均由学生自主取材，包括菠菜、小白菜、香菜、香葱、蒿子秆等，且具有富含纤维素、保留根部等特点。通过分离和培养根际细菌，对其中的纤维素分解菌进行分离、鉴定。几组实验材料根际均得到纤维素分解菌，通过刚果红鉴别培养基可清晰观察到透明圈。而校园土壤中纤维素分解菌十分罕见，多个学生实验小组未能成功分离得到目的菌株。通过对实验获得的纤维素分解菌不同菌株进行革兰氏染色鉴定，发现既有革兰氏阳性菌株，也有革兰氏阴性菌株，证明本实验获得的纤维素分解菌包含不同菌种。比较几种实验材料纤维素分解菌的有效菌落筛选结果及透明圈与菌落直径比值，发现菠菜所包含的纤维素分解菌分解能力较高，可能对生产生活有一定的应用价值。菠菜作为生活中的常见蔬菜，学生取材便利，有利于实验推广。

该实验取材便利，紧密联系学生生活，实验效果良好，从富含纤维素的植物根际中分离纤维素分解菌可辅助学生认识生物与环境之间的关系。所运用的实验方法既包含了本专题已有的相关内容，又进行了适度开放、创新，有助于专题教学的深度挖掘。具体的创新之处包括：①材料创新。本实验采用蔬菜材料，生活中取材方便。与城市土壤相比，蔬菜根际微生物中纤维素分解菌的分布较多，增加实验成功率。②方法创新。根际微生物的分离方法：操作简单，可实施性高；纤维素分解菌活力评价： 测量纤维素分解圈直径/菌落直径；初步鉴定纤维素分解菌：革兰氏染色。以上几种方法的共同特点是简单易行，不会给实验增加更多的技术难点，对大型仪器的要求不高，因此有很强的推广度，适合课堂教学实施。③形式创新。探究实验设计作为对本专题知识的提升，也是对学生科学探究能力的进一步培养。实验当中初步解决的问题，与环境保护、健康生活关系密切，符合学生发展的需要。

本实验还可进一步挖掘，例如采用滤纸条分解实验测定不同菌种纤维素分解能力； 结合必修1“酶”［3］，设计探究实验“不同温度对纤维素分解菌分解能力的影响”；尝试开发选修综合实验“纤维素分解菌的遗传学鉴定”。