溶解氧传感器—物联网技术在改进种间关系实验中的应用

毕学友 张淼 管婷

摘  要  高中生物生态学种间关系探究实验中，研究对象草履虫对水质要求甚高，如果采用传统的生态缸进行养殖，无法保证其生存和繁殖，将溶解氧传感器与物联网技术结合使用，实现远程监控溶解氧含量和远程控制加氧装置运行，使水质得到有效改善，保证草履虫的生存和繁殖，探究种间关系实验得以成功进行。

关键词  高斯假说；草履虫实验；溶解氧传感器；物联网

中图分类号：G633.91    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）11-0131-06

1  实验背景及问题发现

高中生物教材选修二关于生态的章节，讲述了

种间关系中的竞争关系，选用的是俄罗斯生态学家高斯的大小草履虫实验。高斯在1934—1935年提出高斯假说（Gauses Hypothesis），即竞争排斥原理：由于竞争的结果，两个类似的物种不能占有类似的生态位，而是以某种方式彼此取代，使每个物种具有食性或其他生活方式上的特点，从而在生态位上产生分离的现象，这一假说称为高斯假说。高斯做了经典的实验，研究不同种的草履虫的竞争问题。A、B、C三种草履虫开始都单独培养在管中，捕食细菌和酵母菌[1]。

实验1：把A和C放在1个培养管中，C总是偏向于消失。他发现A生长速度是C的6倍，更加有益于利用有限的资源。他提出竞争排挤：如果两个物种竞争有限的资源，利用资源更有益的物种将会排挤另外一个，当资源有限时，没有两个物种在相同的生态位能共存。

实验2：把上次被打败了的草履虫C和另外的草履虫B放在一起，他假设这两个物种也会竞争有限的细菌食品，其中一个会胜出。但是，没有产生预期假设，B和C都存活下来了，它们发现了一个方法分割食品资源。怎样做的呢？培养管的上层氧气浓度和细菌的密度都很高，C占据了这个位置，原因是它更加有能力捕食细菌；在底层，氧气浓度低，适合酵母菌生活，B更有能力捕食酵母菌。由于这两个物种的生态位重叠的不是太多，因此，都活了下来。但是，竞争仍旧对参与者施加了负面效应：第三个实验是当没有竞争的时候，二者的密度是有竞争时候的3倍还要多。

课题小组曾模仿过高斯假说实验，但由于草履虫是好氧生物，对水质要求非常高，尤其是对于溶解氧含量特别敏感，当溶解氧含量低于8 mg/l，草履虫就会出现游动能力减弱，当低于6 mg/l甚至会死亡，导致严重干扰实验。因此，怎样保证水质质量保证草履虫生存，使得草履虫的数量变化只因种间关系而变化，而非因水质缺氧死亡而减少，消除水质这一无关变量问题的影响是本实验能否成功的关键[2]。

2  实验目的

通过运用溶解氧传感器结合物联网控制技术，精确测得水中的溶解氧含量，并且发送数据至手机微信小程序，实现手机遥控，远程控制加氧器的电源，维持水中溶解氧含量较稳定环境，创造观察草履虫的种间关系的可能性。

3  实验材料及设计组装

实验材料包括大小两种草履虫A和B、溶解氧传感器—单片机远程控制系统、磁力搅拌加氧器、3 L饲养缸、血球计数板、血盖片、移液器、酵母、数码显微镜、1%的NaCl溶液（见图1）。

4  实验方法及过程

4.1  草履虫的培养及取样检测活性

草履虫只由一个细胞构成，是单细胞原生动物，雌雄同体。属于纤毛纲、膜口目、草履虫科，世界已知有二十多种。生活在有机质较丰富的池塘，体长只有180～280 μm。草履虫的寿命可达5昼夜以上。常见的有大草履虫（长180～300 μm）、双小核草履虫（长80～170 μm，伸缩泡2个，有两个小核，很小）、小草履虫（长180～310 μm，有时有3个伸缩泡，小核泡型）、放毒型草履虫等。我们采购了两种草履虫为A和B，经过镜检与草履虫的分类检索表比较，确认A为大草履虫，B为小草履虫。A和B分别饲养在3 L饲养缸中1号缸和2号缸，采用远程控制系统进行水质保证，分别饲养到接近K值，0.5 ml中大草履虫K值375左右，小草履虫K值1 000左右。为保证参与种间反应的草履虫的活性，我们决定使用1%的NaCl溶液刺激其应激性的方法（见图2）确定活性后，用血球计数器测定密度，然后按照密度量取相同数量的草履虫A和B投入3号饲养缸中混合饲养，每天随机抽样检查，采用水面—水中—水底，取3次样，显微镜下用血球计数板计数测得密度，观察其种间关系。

4.2  血球计数板使用及密度换算的方法

1）将血球计数板用擦镜纸擦净，务必保证没有水，否则会稀释液体影响计数，在中央的计数室盖上专用的盖玻片。

2）用移液器从草履虫饲养液中取样10 μl，置于盖玻片的边缘，使液体缓缓渗入，多余的液体会流到凹槽中，并稍待片刻使浊液完全进入计数室中。

3）將血球计数板移入显微镜下观察。

4）计数时，随机取样，计算培养液中的草履虫个数。应取左上、左下、右上、右下至少4个中方格和中央的一个中方格计算草履虫个数。

5）当遇到位于方格线上的草履虫，采用样方法

中“计上不计下，计左不计右”的计数原则。

6）对每个样品计数3次，取其平均值，再按公式计算每毫升培养液中所含的草履虫个数。

公式：1个大方格有16个中方格，一个中方格有25个小方格，因此，为400个小方格，平均每个小方的草履虫数×400为一个大方格的草履虫数即0.1 ml的草履虫数。即：草履虫密度（个/ml）：三次取样平均数×400×10=1 ml中草履虫数[3]。

4.3  溶解氧传感器—单片机—远程控制开关的使用方法及数据采集方法

溶解氧传感器是一种用于测量氧气在水中的溶解量的传感设备，溶解氧（DO）是指溶解于水中的氧的含量，它以每升水中氧气的毫克数表示（mg/L）。溶解氧以分子状态存在于水中，水中溶解氧量是水质重要指标之一，当水体溶解氧低于8 mg/L，鱼类就会浮头，当低于6 mg/L就会导致动物死亡。考虑到草履虫是单细胞生物，不能使用常规的电泵水循环系统，泵水的过程中激烈的水流会使草履虫破裂，我们采用磁力搅拌的方法来增加水与空气的接触面积，增加溶解氧含量。我们选用膜电极溶解氧传感器、单片机和远程Wi-Fi控制电源组装在一起，可以随时使用微信小程序监控水中溶解氧含量，设定每30分钟测氧一次，报警设置为6 mg/L。当溶解氧低于6 mg/L，手机就会接到报警信号，既可手动也可自动远程打开电源，使磁力加氧器运行，增加溶解氧含量（见图3）。

5  实验过程及数据结果分析

5.1  实验过程

1）将A型大草履虫和B型小草履虫分别倒入2个培养缸中，食用酵母菌为饲料，放置室温下培养，使用溶解氧—物联网远程控制系统，保证草履虫的生长和繁殖。每天进行采样，使用血球计数板详细记录2个培养缸上、中、下层草履虫密度，培养并持续观察和记录（见图4）。

2）第5天当草履虫生长到接近K值后，大草履虫A型接近375，小草履虫B型接近500。我们按照密度量取体积，保证投入数量相同的两种草履虫在第3缸中混合饲养。投入充足的食物，给予溶解氧—物联网技术控制水环境，保证溶解氧和温度不会剧烈变化。从不同的生态位（上、中、下）取样，记录3缸中A、B型草履虫分别在上层、中层、下层的生长曲线，并进行比较（见图5、图6）。

5.2  实验数据结果分析

根据实验过程中记录的数据可以看出不同生态位下，虽然起始浓度相同，但是A型大草履虫和B型小草履虫生长状况不同：

1）上层培养液中，B型草履虫由于繁殖速度快，在数量和密度上占优势，而A型草履虫由于在竞争上失利，总数在不断减少；

2）中层与上层培养液密度相差不大；

3）下层培养液中，A型草履虫相比上层数量略多。

分析大概B型小草履蟲对溶解氧更为敏感，喜欢溶解氧更为丰富的表层水面，而A型大草履虫在表层水面竞争不过B型小草履虫，但是在水底的环境下也能生存，因此，水底的A型大草履虫数目要多一些。

根据如上实验数据，我们得出结论：A型大草履虫和B型小草履虫在培养液上、中层生态位呈现明显竞争的种间关系，B型草履虫在竞争中占优势；在相对缺氧的培养液底层生态位，A型大草履虫占优势。

6  实验总结及展望

本实验最初是青岛市某校一个拓展型生态类校本课程实验，成功率极低，头一天购买的草履虫，第二天下午做实验时基本找不到。为什么草履虫不见了？该课题小组正是在这种情况下成立的，课题小组曾头脑风暴猜测是不是购买被欺骗、草履虫饿死、草履虫冻死，等等，之后课题小组成员进行测试，终于发现草履虫对溶解氧的含量最为敏感。那么，怎样增加和控制溶解氧含量呢？课题组试过很多方法，比如水循环泵，结果草履虫被激烈的水流冲死；放入水草进行光合作用制造氧，也不成功，最后课题组觉得磁力搅拌器不错，将搅拌速率调到低档，对草履虫不构成危害，又增加了水分子和空气的接触面积。随之而来的问题就是怎样控制磁力搅拌器，课题组又尝试了定时开关，Wi-Fi开关等，最终有了现在实验的设计方案。

课题组研究性学习小组找到北京绿刻度公司定制了这款设备，不但成功地证明高斯假说成立，还创新性地在实验中运用了溶解氧传感器—物联网技术，严格控制了培养液中溶解氧浓度，保证实验材料草履虫的生存条件，体现生物相同生态位间的竞争关系，使实验结论更加科学和严谨。

课题小组未来会继续培养更多不同品种的草履虫，并进行种间关系实验，也将得到更多草履虫之间竞争的数据，使得实验更为完善有说服力。

7  参考文献

[1] 温青，赵占良.普通高中教科书生物学选择性必修2 生物与环境[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 杨革.微生物学实验教程[M]北京：科学出版社，2020.

[3] 陈坤.关于草履虫两个实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2020，37（Z1）：73-75.