基于科研项目为载体的环境生态学研究性创新实验——污泥重金属的生物有效性评价

徐大勇，唐 海，宋珍霞，宫建龙，杨晓凡，颜酉斌，王松凯

环境生态学是生态学和环境科学之间的一门交叉学科，同时也是环境工程和环境科学专业重要的基础课程[1,2]，是伴随着环境问题的产生、人们尝试利用生态学理论来阐明环境问题以及基于生态学视角来解决环境问题的过程而产生的，具有很强的综合性和实践性[3].因此，环境生态学课程的开设不仅限于培养学生基础的生态学理论，更重要的是培养学生利用生态学理论来解决环境问题的能力，即学生实践能力、创新能力和综合素质的培养.而要很好的发挥环境生态学课程应有的教学效果，必须重视和强化其实践教学环节尤其是综合性和创新性实验的教学[4].

以科研为支撑的教学有助于知识的发现与传授[5].实践表明，以教师科研项目为载体，以项目阶段性成果为考核机制的研究性创新实验，通过对学生自主构思、设计、实施及结果分析的综合训练，能有效培养学生学习的积极性和主动性，起到强化创新思维，锻炼创新技能，提高综合素质的作用[6].基于此，为培养高素质应用型人才并结合我校环境学科科研优势，本文拟以“污泥重金属的生物有效性评价”为例，设计一个环境生态学课程研究性创新实验，并详细阐述该创新实验的项目背景和教学目标、实验构思及技术路线，实验材料和方法、样品测试和数据分析，以及科研报告撰写等.以期为基于科研项目为载体的环境生态学课程研究性创新实验的教学提供借鉴，并为环境工程高素质应用型人才培养奠定基础.

1 创新实验的项目背景及教学目标

1.1 创新实验的项目背景

本研究性创新实验所依托的科研项目为笔者主持的国家自然科学基金青年项目，项目的一个子课题是评价不同来源污泥重金属含量及其生物有效性.我国城市污泥普遍存在重金属污染现象.尽管污泥中重金属的含量随城市类型、污水来源的不同而存在较大差异，但相同的是重金属已成为城市污泥处置及其资源化利用的主要限制因素[7].同时，重金属对环境的危害除了与其总量有关，更大程度上取决于其生物有效性.因此，城市污泥重金属生物有效性评价对于污泥的处置和资源化利用具有重要的理论和现实意义.

1.2 创新实验教学目标

本实验来源于真实的科研项目，因此要基于“问题导向”，围绕要解决的问题组织和开展实验，让学生成为主导，通过回答系列问题激发和锻炼学生探究性思维.按照“提出问题—文献查阅及构思—实验设计—实验测试—实验总结”的顺序进行，并以科研论文的形式提交报告，从而锻炼学生的科研能力和夯实学生的基础知识.

具体包括：1）了解污泥重金属污染现状，分析污泥重金属含量；2）掌握种子发芽实验方法及其用于评价污泥重金属胁迫的原理；3）了解植物幼苗生长实验方法及过程；4）掌握常规生长指标（叶绿素等）和重金属的测试分析方法，以及相关仪器的操作方法；5）掌握文献查阅方法，文档编辑、常用的数据统计分析软件和方法，了解科研论文的基本组成和写作.

2 实验构思及技术路线

研究表明，重金属污染会对植物种子发芽及其幼苗生长产生胁迫，从而降低种子发芽率并影响幼苗叶绿素合成和丙二醛含量，最终影响幼苗株高和生物量.据此，可以根据种子发芽和幼苗生长实验来评价污泥重金属污染及其生物有效性.另外，黑麦草是一种多用途、抗性强的植物，在对污染物的生物有效性和毒理学试验中得到了广泛的应用，可作为土壤重金属污染指示植物[8].因此，本实验以含重金属污泥以及污泥和土壤按一定比例混合为基质，进行黑麦草的发芽试验和盆栽试验，观测在不同处理条件下黑麦草发芽率及其苗木的生长状况，分析污泥重金属对黑麦草苗木生物量、叶绿素和丙二醛含量等指标的影响，评价其生物有效性.本实验的技术路线如图1所示.

图1 基于项目为载体的创新性实验技术路线

首先根据问题进行文献查阅，分析污泥重金属污染现状、来源及其危害，了解重金属生物有效性概念及其评价方法.在此基础上进行黑麦草种子发芽及幼苗生长实验，分析污泥重金属、种子发芽率、幼苗叶绿素和丙二醛含量及幼苗生物量等指标，进行数据统计分析以综合评价污泥重金属生物有效性，最后提交科研论文并提出建议.

3 实验材料与方法

3.1 黑麦草种子发芽实验

黑麦草发芽实验如图2所示.实验材料包括黑麦草（Lolium perenne L.）种子、含重金属污泥、田园土壤、培养皿、蒸馏水以及恒温培养箱.试验时，设置3个处理，即100%污泥、100%土壤及土壤和污泥1:1混合基质.每个处理10g风干基质（过100目筛）放入培养皿，后准确数入100粒种子，用蒸馏水浸湿培养皿中的植物种子并保持基质约65%的田间持水量.培养皿放在温度为25℃的恒温培养箱培养.每个处理重复3次，每天定时对种子发芽数进行计数.

图2 黑麦草种子发芽实验

3.2 黑麦草幼苗生长实验

黑麦草幼苗生长采用播种留苗的方式在玻璃房进行，以塑料小盆为培养容器，如图3所示.实验设置3个处理（同上），每个处理取500g风干基质（同上）放入塑料小盆，加蒸馏水至田间持水量，放置2周后播种.每盆均匀播撒50粒黑麦草种子，发芽生长5d后留苗至每盆30株，每个处理重复3次.植物生长期间不定期补充蒸馏水，自然光源，温度在10-25℃间实验周期20d.

图3 黑麦草幼苗生长实验

4 实验指标及测试分析方法

采用火焰原子吸收法（TAS-990）测污泥重金属，用乙醇提取法测叶绿素，硫代巴比妥酸法测丙二醛，以及植物生物量用重量法测定.

5 数据处理

采用Excel2007软件处理数据.其中：

6 结果分析及科研报告撰写

6.1 污泥重金属含量

经分析，本实验所用污泥中主要重金属为Cd、Pb、Ni和Zn，含量分别为 16.76、186.85、84.04 和 213.60mg/kg 干污泥，其中Cd含量高于《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284-1984）限值，因此不能直接施用.田园土壤中无重金属.

6.2 污泥对黑麦草种子发芽的影响

有生命力的植物种子在适宜的温度、水分和有氧环境下既能发芽，而环境中存在的其他物质则有可能影响其正常发芽，尤其是水和土壤中的污染物.因此，种子发芽实验可以用于评价环境污染类型及其程度，属于植物毒理学实验范畴.在本实验中，污泥、田园土壤以及污泥和土壤1:1混合基质的黑麦草发芽实验结果如图4所示，第1天3个处理中的种子均发芽，到第3天土壤基质种子发芽率接近80%，而污泥及污泥和土壤混合基质仅分别有16%和63%.到实验结束时，黑麦草种子在污泥、田园土壤以及污泥和土壤1:1混合基质的发芽率分别为33%、88%和78%，说明污泥重金属对黑麦草种子发芽具有明显抑制作用.

图4 黑麦草种子发芽率

6.3 污泥对黑麦草叶绿素的影响

叶绿素是绿色植物所具有的一类最为重要的色素类物质，直接参与光合作用，影响植物生长.值得注意的是，除了光、温和水等生态因子外，环境污染也会影响植物叶绿素的合成.研究表明，Cu2+、Pb2+、Cd2+、Hg2+等重金属离子均能对叶绿体结构造成不同程度的破坏[9]，出现叶绿体收缩或基粒垛叠结构解体等现象[10].本实验中（图5），黑麦草在污泥、土壤及污泥和土壤混合基质的叶绿素含量分别为1.24、1.45和1.54mg.g-1，说明污泥重金属含量会影响黑麦草叶绿素合成.

图5 黑麦草幼苗叶绿素含量

6.4 污泥对黑麦草丙二醛含量的影响

丙二醛是膜脂氧化作用的最终分解产物，其含量可以准确反映植物遭受逆境伤害的程度，含量越高，受伤害程度就越大[11].本实验中，黑麦草在污泥、污泥和土壤混合及土壤基质的丙二醛含量 （图 6） 分别为 0.130、0.112和0.110μmol.g-1，依次降低，说明黑麦草幼苗生长受到了污泥重金属的胁迫.

图6 黑麦草幼苗丙二醛含量

6.5 污泥对黑麦草幼苗生物量的影响

生物量是植物生长累积指标，在一定条件下植物的生长状况的综合体现.通过对黑麦草幼苗生物量的观测发现（图7），污泥及污泥和土壤混合基质中幼苗生物量仅有土壤的68.2%和84.75，说明污泥重金属影响了黑麦草幼苗生长，降低了其生物量.

图7 黑麦草幼苗生物量

6.6 科研报告撰写

在上述数据分析基础上，要求学生按照科研论文格式撰写总结报告，这是研究性创新实验的一个重要环节[12].通过科研报告的撰写，使学生全面总结和回顾该实验的背景、目的意义、实验技术路线、实验材料与方法、数据分析和结果结论等内容.进一步巩固和考察学生文献查阅和分析、文档编辑、数据处理分析和解决实际问题的能力.

7 结论

本文以“污泥重金属生物有效性评价”为例，设计了一个环境生态学研究性创新实验，详细阐述了该创新实验的项目背景和教学目标、实验构思及技术路线，实验材料和方法、样品测试和数据分析，以及科研报告撰写等内容，以期为基于科研项目为载体的环境生态学课程研究性创新实验的教学提供借鉴.