“探究：土壤微生物的分解作用”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

羅曉藝

(湖北省宜昌市第一中學(xué) 443000)

“探究：土壤微生物的分解作用”實(shí)驗(yàn)是人教版教材必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第5章第3節(jié)中的一個(gè)探究活動(dòng)，該實(shí)驗(yàn)可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微生物分解作用的直觀感受，有利于學(xué)生理解微生物在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中的重要作用。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)也可為選修1專題2“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計(jì)數(shù)”一節(jié)的學(xué)習(xí)設(shè)下鋪墊，有利于后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的展開。

本實(shí)驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法在課堂上就獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以采取的策略是在課堂上引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在課后以興趣小組的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后，在課堂上分小組展示實(shí)驗(yàn)成果。在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程中，師生在實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上共同進(jìn)行了創(chuàng)新和拓展。

1 實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新

1.1 用離心機(jī)快速制備土壤浸出液 教材中制備土壤浸出液的方法，是將土壤放入里面墊有厚紗布的燒杯中，加水?dāng)嚢瑁缓髮⒓啿歼B同土壤一起取出。但是，即使用4層紗布，得到的浸出液仍然是非常渾濁，這是因?yàn)槠渲杏袘腋〉耐寥李w粒。為了讓土壤顆粒快速沉降下來(lái)，對(duì)土壤浸出液用離心機(jī)2000 r/min離心2 min，能快速地得到更為澄清、又含微生物的土壤浸出液。

1.2 用微孔濾膜將微生物與土壤中的酶分離 有位學(xué)生在探究過程中提出要對(duì)土壤中酶的作用進(jìn)行探討。怎樣才能除去土壤浸出液中的微生物，卻保留其中的酶？高中教材中涉及到的除菌或消毒辦法也都會(huì)影響酶的活性。通過查閱文獻(xiàn)得知，可利用微生物和酶之間在體積上的差異，找到合適的濾膜，濾除浸出液中的微生物。土壤中最多的微生物是細(xì)菌，直徑一般在0.5～1 μm，所以就選擇了孔徑為0.22 μm的濾膜對(duì)土壤浸出液進(jìn)行過濾，能達(dá)到較好的效果。

1.3 利用色度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)記錄淀粉的分解程度 教材中在探究土壤微生物對(duì)淀粉分解作用的實(shí)驗(yàn)中，建議是在20℃左右7 d后分別對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的淀粉和還原性糖進(jìn)行檢測(cè)。考慮到氣溫可能和參考溫度有差異，淀粉糊的量和濃度教材中沒有給出參考意見。因此，間隔多長(zhǎng)時(shí)間再觀察不好控制。而且，加蒸餾水的一組在培養(yǎng)時(shí)難以長(zhǎng)時(shí)間保證一直處于無(wú)菌條件。因此，就把7 d后的實(shí)驗(yàn)觀察改為每天進(jìn)行觀察。

為了減少每天取樣時(shí)的污染，把每一組又分為若干小組，事先分裝在各試管中，每一次取一個(gè)試管來(lái)檢測(cè)。對(duì)淀粉檢測(cè)時(shí)每次加入等量碘液，比較顏色的變化：顏色越深，則說(shuō)明剩余淀粉越多。但是對(duì)于相近的顏色，用肉眼很難準(zhǔn)確區(qū)分，可運(yùn)用傳感器裝備中的色度計(jì)來(lái)記錄具體數(shù)據(jù)，繪制曲線，即可呈現(xiàn)出變化趨勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新

2.1 觀察不同材料的分解情況 選擇淀粉糊、牛奶和葡萄等不同的材料，來(lái)篩選研究土壤微生物的分解作用。其中液體材料把淀粉糊和牛奶中加入土壤浸出液作實(shí)驗(yàn)組，加等量蒸餾水作對(duì)照組；而葡萄則參考教材上的案例1，將待分解物質(zhì)置于滅菌和未滅菌土壤中。淀粉糊的一組現(xiàn)象較明顯，從加入碘液呈現(xiàn)出的顏色比較來(lái)看，加土壤浸出液的一組顏色要明顯淺于加蒸餾水的一組；在斐林試劑檢測(cè)中，加土壤浸出液的一組出現(xiàn)了磚紅色沉淀。對(duì)牛奶檢測(cè)這一組，主要是加雙縮脲試劑檢測(cè)蛋白質(zhì)，也能看出兩組的區(qū)別。而葡萄則在埋入土壤10 d后，埋入未滅菌土壤的一組才開始有輕微的腐爛跡象。

因?yàn)橥寥牢⑸飳?duì)淀粉糊的分解現(xiàn)象很明顯，而且產(chǎn)物也可檢測(cè)。最后，就選擇淀粉作為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的材料。

2.2 探究不同土壤中微生物的分解作用 在校園里選取3種土樣：樹下根系土、庭院黃泥土和操場(chǎng)沙土。分別制取土壤浸出液，等量加入到淀粉糊中。從加碘液檢測(cè)和加斐林試劑檢測(cè)的結(jié)果，以及加碘液后用色度計(jì)讀取數(shù)據(jù)繪制的曲線來(lái)看，對(duì)淀粉的分解作用的效果是：樹下根系土>庭院黃泥土>操場(chǎng)沙土。

2.3 觀察不同土壤中的微生物 這3種土壤的分解作用不同，是不是因?yàn)槠渲泻械耐寥牢⑸锊煌兀繛榱酥庇^地展現(xiàn)這一問題，教師指導(dǎo)興趣小組提前學(xué)習(xí)教材選修一中的稀釋涂布平板法。將3種土壤浸出液稀釋1000倍后，涂布到牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，培養(yǎng)30 h后平板上的菌落數(shù)量依次為：樹下根系土>庭院黃泥土>操場(chǎng)沙土>對(duì)照組(蒸餾水)。

2.4 驗(yàn)證土壤酶的作用 土壤微生物是怎么起到分解作用的呢？文獻(xiàn)顯示：土壤微生物首先分泌胞外酶把大分子物質(zhì)分解為小分子，然后微生物再吸收小分子物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)利用。如果結(jié)論正確，那么在沒有微生物的情況下，土壤中的酶應(yīng)該可以起到分解作用。為了探究這一問題，又增設(shè)了一組實(shí)驗(yàn)，將除去微生物的土壤浸出液加入到淀粉糊中。加碘液和加斐林試劑的結(jié)果及從色度計(jì)數(shù)據(jù)上來(lái)看，都反映了去除微生物的土壤浸出液在加入淀粉糊后的淀粉分解情況，是介于含微生物土壤浸出液一組和加蒸餾水一組的中間，從而驗(yàn)證了預(yù)先的實(shí)驗(yàn)設(shè)想。