对沉水植物黑藻光合作用速度的实验探究

戚智河 （广州市从化区城郊中学 广东广州 510925）

在学校科技活动节中，生物学教师展示了“植物光合作用产生氧气”的创新实验。展示实验用沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）作为实验材料，以LED 灯光为光源，通过增加温度、光照强度和培养液CO2浓度的方法，增加植物光合作用的速度。黑藻茎的断截面会连续不断地冒出气泡。

创新实验中黑藻的光合作用速度非常快，其制造淀粉的速度是否也会加快？在人教版7 年级教材中的“绿叶在光下制造有机物”实验中，将盆栽的天竺葵放到暗处24 h，用黑纸片将叶片的一部分从上、下面遮盖，然后移至阳光下照射几小时[1]。该实验操作时间较长，且受天气情况影响较大。在教师指导下，科技活动小组的学生，针对沉水植物黑藻光合作用的速度问题，开展了研究性学习，以期缩短实验时间，使实验能在指定课时内完成。

1 实验装置、仪器药品与材料

器具：500 mL 烧杯2 只，550 ml 矿泉水瓶1 只，100 mL、50 mL 烧杯各1 只，50 W LED 射灯2 盏，温度计，剪刀，玻璃棒，镊子，电开水器，培养皿等。

药品与材料：沸水、自来水、无水乙醇、碘酒、550 mL CO2、多条黑藻等。

实验装置：实验装置由1 个500 mL 烧杯、500 mL 碳酸水稀溶液（CO2与水体积比为1∶5）、长5 cm 左右的带顶芽黑藻多条、2 盏50 W LED 射灯组成（图1）。

图1 实验装置

2 实验方法与步骤

实验前1 d，将新鲜的沉水植物黑藻置于黑暗处，用自来水培养24 h 以上，使叶片内的淀粉消耗尽。在室内温度和水温都高于20℃时，用稀HCl 与大理石反应制取CO2，用向上排空气法将CO2收集在装有100 mL 水的550 mL 矿泉水塑料瓶中。收集满后密封振荡1 min，使CO2充分溶于水，形成100 mL 饱和碳酸水溶液（在常温常压下，CO2溶于水的体积比为1∶1）。向500 mL 烧杯中加入400 mL 自来水，加入上述100 mL 饱和碳酸水溶液后搅拌均匀，配制成20℃的CO2与水的体积比为1∶5 的碳酸水稀溶液500 mL。

将3 条长5 cm 左右，经过暗处理和带顶芽的黑藻放入500 mL 碳酸水稀溶液中，用1 盏50 W LED 灯照射。约3 min 后，黑藻茎的断截面会有气泡排出。选定1 条排出气泡的体积较大、排出气泡数目可计数的黑藻完成后续实验，其余黑藻用镊子取出。

2.1 外界条件对黑藻光合速度的影响

2.1.1 温度对黑藻光合作用速度的影响 将1 盏50 W LED 灯紧贴着烧杯照射，测量低温下1 min内黑藻茎的断截面排出气泡的数目，共3 次。低温实验结束后，取出黑藻，用沸水将培养液的温度调节至30℃左右，将黑藻放回烧杯中。用相同的方法，测量高温下黑藻光合作用产生气泡的速率。将实验数据填入表1。实验结果表明，提高温度，黑藻茎的断截面排出气泡的速率会加快，即植物光合作用速度会加快。

表1 温度对黑藻光合作用产生气泡速率的影响

2.1.2 光照强度对黑藻光合作用速度的影响温度实验结束后，移动LED 灯，使光源与烧杯的间距为10 cm，测量黑藻1 min 内排出气泡的数目，共3 次。然后，再增加光源与烧杯的间距至20 cm、30 cm、40 cm、50 cm 分别进行实验。LED灯下实验结束后，将烧杯置于阳光下照射，测量在阳光下黑藻1 min 排出气泡的数目，共3 次。将实验数据填入表2。实验结果表明，烧杯中的黑藻越远离光源，每分钟排出气泡的数目就越少，即光照越弱，光合作用速度越慢，反之就越快。此外，黑藻在阳光下光合作用的速度比1 盏50 W LED 灯下的要快。

表2 光照强度对黑藻光合作用产生气泡速率的影响

2.1.3 光照方向对黑藻光合作用速度的影响阳光照射实验结束后，将烧杯放回LED 灯下，并将LED 灯紧贴着烧杯照射。调整光源的方向，使光线分别照射在黑藻的叶面、叶背和叶侧面上进行实验，探究光照方向对黑藻光合作用速度的影响。将实验数据填入表3。实验结果表明，光照方向对黑藻光合作用产生的气泡速率影响不大。

表3 光照方向对黑藻光合作用产生气泡速率的影响

2.1.4 CO2浓度对黑藻光合作用速度的影响 光照方向实验结束后，将培养液换成30℃的自来水（CO2含量较少），测量自然环境下黑藻光合作用的速度。将实验数据填入表4。实验结果表明，增加黑藻培养液CO2的含量，植物光合作用产生的气泡速率会加快。

表4 培养液CO2 含量对黑藻光合作用产生气泡速率的影响

综上所述，培养液的温度、光照强度和CO2浓度都会影响黑藻光合作用的速度，但光照方向对黑藻光合作用速度影响不大。在光照、温度比较合适的条件下，CO2的浓度明显影响沉水植物光合作用的放氧量。光照充足温度适宜时，沉水植物光合速率高[2]。在后续“黑藻光合作用制造有机物淀粉的速度”实验探究中，影响黑藻光合作用的3 个要素选定为：培养液温度为30℃、光照强度为2 盏50 W LED 灯（略大于太阳光的强度）和培养液CO2浓度为CO2与水的体积比等于1∶5。

2.2 黑藻光合作用制造淀粉的速度 ①挑选5 条大小相近、生长旺盛、叶片狭长的经过24 h 暗处的黑藻，从顶芽往下剪取长5 cm 左右的小段，共5 段。然后将4 段黑藻平分至2.1.3 和2.1.4 实验后的30℃的碳酸水稀溶液和30℃的自来水中。并将2 个烧杯移至2 盏50 W LED 灯之间或阳光下照射。

②淀粉检测：将①中余下的1 段黑藻放入100 mL 沸水中1 min，然后用水浴加热无水酒精的方法除去黑藻的叶绿素。水浴加热时，用100 mL 沸水加热3 min。取出黑藻，在热水中漂洗一下，放入培养皿中，滴入3～5 滴碘酒反应1 min后，再将黑藻放热水中漂洗一下，祛除浮色（红棕色）后平放于培养皿中，用于比较黑藻颜色的变化情况。

③每隔30 min 各取出1 条黑藻，用上述②的方法进行淀粉检测实验，共2 次。将黑藻平放在同一培养皿中比较。

④比较5 条黑藻产生气泡和与碘反应后颜色的变化，填写表5。

表5 黑藻光合作用制造有机物淀粉的速度比较

表5 实验数据表明，随着光照时间的增长，培养液的温度会逐渐升高。增加黑藻培养液CO2的浓度至CO2与水的体积比为1∶5，提高培养液的温度至30℃左右，并用2 盏50 W LED 灯光照射，沉水植物黑藻光合作用制造有机物淀粉的速度会加快。光照30 min 后，黑藻光合作用制造的有机物淀粉，就能被碘检测出，显色效果明显；而自来水中的黑藻，光照30 min 后，没有检测到有机物淀粉的存在，60 min 后才有少量的淀粉生成（图2，见插页2）。

如果天气晴好，将碳酸水稀溶液中的黑藻置于中午12 时（室外温度29℃）的太阳光下照射，实验效果更佳（图3，见插页2）。

3 实验结果

本实验结果表明，温度、光照强度和CO2浓度对沉水植物黑藻光合作用速度都有影响。提高培养液温度、光照强度和CO2浓度，均能提高黑藻光合作用速度，包括排放气泡速度和制造有机物淀粉的速度。光线照射黑藻的叶面、叶背和叶的侧面，对黑藻光合作用的速度影响不大。增加培养液温度至30℃左右，CO2浓度至CO2与水的体积比为1∶5，用2 盏50 W LED 灯照射30 min 后，黑藻光合作用制造的有机物淀粉，就能被碘检测出。

4 实验反思

通过对沉水植物黑藻光合作用速度的实验探究，反思如下：

①用沉水植物黑藻作为实验材料进行“植物光合作用速度的探究”实验，比陆生植物更容易调控影响光合作用速度的外界因素，例如，温度、光照强度和CO2浓度等，从而调控光合作用的速度。

②实验时，用灯光代替阳光照射植物，排除了天气因素的影响，可在室内随时进行实验。2盏50 W LED 灯的光照强度略强于中午11 时的太阳光。若灯光强度过强，水温过高时，可通过增加烧杯与灯的距离进行调节。

③沉水植物黑藻顶芽段叶片薄而狭长，不易烂、易脱色、易显色，且显色时间短。用沸水烫黑藻1 min 可杀死细胞，有利于酒精溶解叶绿素，缩短实验时间。水浴加热时，用沸水加热无水酒精，温度高达65～70℃，溶解叶绿素的效果好。用热水代替冷水漂洗实验材料，加快去除叶片上浮色的速度，既节约时间，实验效果又明显（图4，见插页2）。

④光照方向对黑藻光合作用速度影响不大。因为沉水植物的叶片薄，叶绿体体积大，数量也多，叶绿素含量也多。在一定范围内，叶绿素含量越多，光合作用越强[3]。无论叶面、叶背或叶的侧面接受光照，吸收光能进行光合作用的效率都很高。黑藻顶端10～15 cm 长的一段生长旺盛，光合能力强，选用顶端5 cm 的黑藻进行实验，便于统计气泡数目，并节约黑藻、沸水、酒精、碘液等实验材料，不影响实验效果。

⑤由于实验材料经过24 h 的暗处理，叶片内的淀粉已消耗尽，需进行较长时间的光合作用，植物细胞内才会有淀粉的积累。所以，在自然条件下探究“绿叶在光下制造有机物”的实验，需将天竺葵、小白菜[4]、车前子[5]等陆生植物置于太阳光下照射几小时才有效。光照时间过短，淀粉不足，效果不明显；时间过长，淀粉通过筛管运输，同样也会影响实验效果[6]。用沉水植物黑藻进行“绿叶在光下制造有机物”实验，易调控实验条件，光合作用速度快，能将光照时间缩短至30 min内。因此，课内完成该实验成为可能，即课前准备4 min，光照30 min，沸水烫1 min，水浴加热3 min，与碘反应和漂洗1 min，清洗仪器1 min，合计共40 min。

总之，探究沉水植物黑藻光合作用的速度时，既可从黑藻放出气泡的速度判断光合作用的速度，也可通过黑藻产生淀粉的速度判断。提高培养液的温度、光照强度和CO2的浓度等，均能提高黑藻光合作用的速度。