寻找解磷菌——核心素养视域下的“微生物分离与培养”教学实践

章熙东 钱 亮 蒋瑀霁

（1.南京外国语学校 江苏南京 210008）

（2.中国科学院南京土壤研究所 江苏南京 210008）

在课堂中如何落实学科核心素养已成为每一位生物学教师面临的重大课题。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确指出，新课程理念下的课堂应高度关注学生学习过程中的实践经历，强调要让学生主动参与学习过程，通过动手动脑的探究性学习活动，加深对生物学概念的理解，提升知识应用和问题解决能力，培养创新精神。因此，在教学中，教师要关注基于真实情境下的探究性活动设计，开展可操作、原创性的实验，更利于发展学生的核心素养。体验性、互动性强的课堂将会成为课堂教学改革的一种趋势。

“微生物的分离与培养”是《选择性必修3·生物技术与工程》中的内容，是开展科学探究的很好素材。此专题涉及培养基配制、微生物培养、分离纯化（平板划线法、稀释涂布平板法）、无菌操作等技术。苏教版《选修1·生物技术实践》教材提供了“分解尿素土壤微生物的分离培养”“分离土壤中能分解纤维素的微生物”2个探究实例，能让学生在实际操作中了解微生物分离与培养的常规流程和基本方法。但是，学生在开展探究时，往往会提出“我们分离出这些微生物有什么更重要的意义”的深层次问题。同时，有部分学生联想到必修3所学到的水体N、P超标所造成的富营养化，提出了能否分离出用于“除磷”的细菌。还有学生提到，农业生产中为什么要通过施用磷肥来“增磷”，如何解决土壤“缺磷”？面对学生富有社会责任感的问题，笔者决定通过“寻找解磷菌”的项目化学习，拓展“微生物分离与培养”的教学实践。

1 确定课题

教师引导学生从多种途径查阅资料，使学生了解相关信息：磷（P）元素是构成细胞的重要元素，存在于磷脂、核酸等有机物中，在生物的生长发育过程中发挥着重要作用。自然界的P元素主要通过植物的吸收进入生物群落，进而流向动物等其他生物。水体富营养化是水体中N、P等营养盐含量过多所引起水质污染现象，其实质是由于营养盐的输入与输出失去平衡性，破坏了水生生态系统的物质与能量的流动，使整个水生态系统逐渐崩溃。由于磷固定的存在使土壤缺磷现象在世界范围内广泛存在。据统计，我国有3/4的耕地土壤缺少生物可利用磷。解决这一问题有两条途径：①增加磷源投入（施磷肥），但磷资源有限，而且磷元素容易被Al3+等金属离子结合生成难溶性磷，降低了磷肥利用率。②筛选出土壤中具有适生性的高效解磷的微生物，并制成生物菌剂，提高难溶性磷的利用率。解磷菌是土壤中的一类功能微生物，种类繁多，主要有细菌、真菌和放线菌。其中，细菌在土壤中的数量占绝大多数。根据解磷菌作用对象不同，可以分为有机磷微生物和无机磷微生物。解磷菌通过自身分泌的有机酸和磷酸酶等代谢产物，能使土壤中难溶性或不溶性的磷转化成易于被植物吸收利用的有效态磷，从而提高土壤供磷水平，提高作物产量；同时还能促进农作物根系对锌、铜等其他营养元素的吸收，增强植物抗病能力，并减少环境污染。因此，利用解磷菌制成的菌剂具有重大开发应用价值及社会意义。

学生分析收集的资料后，确定“寻找解磷菌，分离出土壤中具有高效解磷功能的细菌”作为研究课题，为解决土壤磷缺乏问题提供一些参考。

2 实验方法

2.1 土壤样品采集

本研究所用样品采集于我校校园内的黄棕壤。样品采集时，随机选择较少人为干扰处，分别划定2 m×2 m样方，在该样方内随机设置3个取样点，取样器钻取土壤，混合均匀后，用四分法留取2 kg的土用于后续的实验。

2.2 解磷菌的筛选

2.2.1 培养基配制

按规范流程配制蒙金娜无机磷（磷酸三钙）选择性培养基（表1）。灭菌，倒平板。

表1 蒙金娜无机磷（磷酸三钙）选择性培养基的配方（蒸馏水1 000 mL，pH为7.0～7.5）

2.2.1 分离解磷菌

称取土壤0.1 g，溶于9.9 mL无菌水中，10倍稀释法分别将梯度稀释至10-4、10-5、10-6g/mL，用移液枪吸取100 μL土壤悬液涂布至蒙金娜无机磷（磷酸三钙）选择性培养基，每个梯度3个重复，28℃培养5 d。观察出现解磷圈（透明圈）的菌落、解磷圈直径（D/cm）、菌落直径（d/cm），以此初步确定菌株的解磷能力。

本实验通过对土壤悬液进行6个梯度的稀释，最终选取10-5、10-6g/mL两个稀释梯度，共得到21株具有解磷能力的菌。其中，挑选了10株解磷圈较大较明显的，编号A1-A10。

3 深入探究

学生在选择性培养基培养出解磷菌的菌落后，发现解磷圈及菌落大小存在差异，思考可能不同菌落属于不同的细菌，有不同的解磷能力。因此，求助中科研土壤研究所的研究员，想进一步探究不同解磷菌的解磷能力，并进行如下实验。

3.1 解磷菌复筛

用接种环挑取少量菌体接入5 mL的LB液体培养基，在28℃、180 r/min下，振荡培养12 h后，4℃暂存。准备蒙金娜有机磷、磷酸三钙、磷酸铝、磷酸铁培养基平板并列摆放，将在LB液体培养基振荡培养的菌悬液，依次吸取6 μL点菌至四种难溶性磷培养基，28℃培养4 d。观察，记录解磷圈直径（D/cm）、菌落直径（d/cm），计算D/d比值，以此确定菌株对不同难溶性磷的解磷能力与解磷效率。

3.2 解磷菌复筛结果

用固体培养基通过划线的方式纯化挑选的10株菌，并通过观察解磷圈的情况分别记录每株菌的解磷能力，结果见表2。通过解磷圈的大小，发现大部分菌株解无机磷的能力要大于解有机磷的能力，有些菌株既可以解有机磷又可以解无机磷，其中菌株A3解无机磷的能力高于有机磷，尤其是对于Al-P的分解能力达到了6.67（D/d），菌株A1、A8对于有机磷和无机磷的解磷能力都较强，解有机磷的能力达到了5.5（D/d）以上，解无机磷的能力最高达到了7.71（D/d）。

表2 10株菌的解磷情况

3.3 菌种分离纯化

将在LB液体培养基震荡培养的菌液，梯度稀释至10-4倍，每梯度在LB固体培养基划线纯化，28℃培养3 d。观察分离纯化效果，如不纯，挑取单菌落，重新接入5 mL的LB液体培养基，在28℃、180 r/min时，振荡培养12 h，菌悬液稀释重复划线纯化步骤。

3.4 菌种保藏

取纯化后重新接种振荡培养的菌悬液1 mL，与1 mL LB甘油液体培养基（含质量分数为40%的甘油），在2 mL保藏管内混匀（甘油最终质量分数为20%），标记好菌株名称、日期，保存于-70℃超低温冰箱。

3.5 实验结论

土壤中解磷菌丰富存在。通过选择培养基共筛选出10株具有明显解磷能力的菌株（A1-A10）。10株菌既有解有机磷的能力,又有解无机磷的能力，其中菌株A1和菌株A8的解磷能力更高效。

4 教学反思

在本次实践中，学生一直是教学的主体，在不断思考解决问题中前行。学生通过小组合作，查找资料，寻求帮助，在实践中培养了关键能力和掌握了必备知识，将理论知识联系生活，发散思维，主动探究，培养了生物学学科核心素养。学生用“问题唤醒问题”，引发深度思考，使学习主动发生。

同时，教师注重教学设计，让生物学学科核心素养的培养落地。“生命观念、科学思维、科学探究、社会责任”是生物学学科核心素养的有机组成部分。生命观念最具学科属性，在生物学学科核心素养中处于中心位置；科学探究和科学思维互为倚重，共同指向生命观念的形成，同时形成一定的社会责任意识。生命观念的建立需要以概念学习为基础，其关键是分析与综合、抽象与概括等科学思维活动，以及观察与质疑、实验与实证等有效的科学探究活动。生命观念遵循“事实→概念→观念”的形成路径。因此在教学中，教师需要让学生从“概念的接受者”成为“概念发现的参与者”，让概念学习成为学生的发现之旅。学生在“寻找解磷菌”过程中，通过“科学思维”和“科学探究”两个“主动轮”，登上“事实→概念→观念”的顶峰。