探究不同光質和光照強度對小球藻光合作用的影響

◎王愛東

光合作用是植物代謝的重要部分，是高中生物必修一“分子與細胞”模塊的重點內容，也是難點。探究環境因素對光合作的影響是本節課的重要組成部分，在理論上和生產實踐中均有重要意義。但實際上絕大多數高中生物教師在進行此探究實驗教學，大多以講述為主，學生則是被動的接受。究其原因：一是部分教師本身對探究實驗教學的態度較為消極；二是不同地區實驗條件不同，人教版教材中提供的探究的裝置較為繁雜，三對學生實驗素養、操作能力要求高。綜合上述諸多限制因素，導致上述探究很難以班級為單位全面開展，多數情況只能作為演示實驗展示。針對以上問題，筆者帶領學生對教材實驗做系列改進和創新，以期達到良好的教學效果。

一、實驗改進

1．綠葉的替代 本實驗利用小球藻為實驗材料替代教材中所推薦的菠菜葉等綠葉植物的葉片，對高中生而言選取“生長旺盛的綠葉”的標準難以把控，試劑操作時選取的葉片長勢差異較大，另外，打孔和抽取校園葉片中的氣體等操作效果不理想。筆者受卡爾文的探究實驗啟發，決定選用小球藻（Chlorella sp．）開展本實驗，小球藻是一種單細胞藻類，屬于綠藻門小球藻屬，分布廣泛，在水體和土壤等環境中均有分布，具有易獲取、繁殖快等優點。小球藻可自養或異養培養，其中自養培養時僅需在蒸餾水中添加適當比例的各種無機鹽即可，培養條件簡單。結果較為均一。本實驗將以小球藻的種群數量變化為因變量。

2．不同光照強度和不同光質的創設 在影響植物光合作用的諸多因素中，光是最重要的因素之一，其中光照強度和光質這兩個因素更為重要。如何創設不同的光照強度和光質？問題的解決得益于對生活的觀察和反思。我市曾經舉辦過燈光展，利用不同顏色的LED燈帶，組合出各種圖案。受此啟發筆者用相同規格、相同長度（3 m）、不同顏色（白光、藍光、紫光、紅光、綠光）的LED燈帶創設不同光質。用統一規格的白光LED燈帶裁剪成1 m、2 m長創設不同光照強度。將上述燈帶用鐵絲固定在相同規格的紙箱中備用。

二、實驗材料與方法

1．藻種 小球藻（Chlorella sp．）藻種由筆者帶領學生利用利用稀釋涂布平板法和平板劃線法從環境中分離獲得，并擴增培養。

2．BG11培養基的配制 通常利用BG11培養小球藻［1］，BG11培養基成分如下（L）：NaNO31．5g、K2HPO40．04g、MgSO4·7H2O 0．075g、CaCl2·7H2O 0．036g、Na2CO30．02g、檸檬酸 0．006g、檸檬酸鐵 0．006g微量元素溶液A5 1ml、蒸餾水1000ml。微量元素溶液A5：H3BO42．86g、MnCl2．4H2O 1．81g、ZnSO40．222g、Na2MoO40．39g、CuSO4．5H2O 0．079g、Co（NO3）2·6H2O 49．4g。為方便教學，先配制 100倍母液，使用再按照比例稀釋。

3．小球藻的種群數量統計方法 小球藻的計數可采用抽樣檢測法，即將待測樣品震蕩混勻后，吸取樣品進行顯微計數，具體方法可參照必修三P68探究培養液中酵母菌種群數量的變化，這一方法適合于絕大多數地區；也可以用分光光度計測定在波長為680 nm時的吸光度（OD）值，用OD680表示［2］。本實驗采用第二種方法，每隔24h測定一次。

4．不同光照強度對小球藻的種群數量變化的影響 用100m L三角瓶培養小球藻，每瓶放藻液50 mL。接種后放在固定有0m、1m、2m的LED燈帶的燈箱內培養，溫度24±1℃，pH值為7．0±0．05，光暗周期為14 h∶10h。測定小球藻（Chlorella sp．）的種群數量變化，每次測定設3個平行樣。

5．不同光質對小球藻的種群數量變化影響 用100m L三角瓶培養小球藻，每瓶放藻液50 mL。接種后放在固定有同一規格、同一長度（3m）的白光、紅光、藍光、紫光和綠光的LED燈帶的燈箱內培養，溫度24±1℃，pH值為7．0±0．05，光暗周期為14 h∶10 h。測定小球藻（Chlorella sp．）的種群數量變化，每次測定設3個平行樣。

三、實驗結果與結論

1．不同光照強度對小球藻種群數量變化的影響 每組錐形瓶中小球藻的OD680初始值均在0．154左右。隨著時間延續，小球藻在黑暗環境中種群數量無變化，在2m燈帶的燈箱中小球藻種群增殖速率較快。具體結果見表1。

表1 不同光照強度對小球藻光合作用的影響

引導學生利用Excel表格的繪圖功能，將上述表格數據繪制曲線，構建數學模型、分析實驗結果。繪制曲線如下（圖1）。

圖1 不同光照強度對小球藻光合作用的影響

實驗結論：在一定的光照強度范圍內，隨著光照強度的增加，小球藻的光合作用更強。

2．不同光質對小球藻的種群數量變化影響 從結果來看，每組錐形瓶中小球藻的初始值較為一致，OD680均在0．028左右。隨著實驗天數的增加，可以看出小球藻在白光、紫光、藍光這3種光照下種

天數綠OD680暗紅白紫藍1 0．029 0．029 0．029 0．028 0．027 0．029 2 0．024 0．034 0．037 0．053 0．053 0．054 3 0．018 0．051 0．057 0．116 0．118 0．123 4 0．017 0．072 0．090 0．217 0．228 0．245 5 0．046 0．127 0．142 0．444 0．372 0．468 6 0．049 0．184 0．200 0．704 0．591 0．764 7 0．042 0．224 0．254 0．995 0．864 1．072 8 0．014 0．310 0．326 1．168 1．166 1．301 9 0．012 0．417 0．429 1．502 1．300 1．706 10 0．011 0．368 0．496 1．717 1．599 1．985 11 0．053 0．368 0．445 1．766 1．697 1．866 12 0．013 0．410 0．497 1．904 1．793 2．021

群數量增長較快，光合作用速率較高，其中在藍光下增殖速度最快，白光次之，在紫光下最慢。小球藻在紅光和綠光下下種群數量增長相當，均較慢，光合作用速率較低。小球藻在黑暗情況下基本不生長。具體結果見表2。

引導學生利用Excel表格的繪圖功能，將上述表格數據繪制曲線，構建數學模型、分析實驗結果。繪制曲線如下（圖2）。

圖2 不同光質對小球藻光合作用的影響

實驗結論：不同光質對小球藻的光合作用的影響不同，在藍光、白光、紫光下小球藻的光合速率較高，在紅光和綠光下小球藻的光合速率較低。在黑暗的環境中小球藻不能進行光合作用。

四、反思

上述兩個探究中均使用的實驗材料－－小球藻分布廣泛、易獲取。實驗裝置簡單，實驗操作能力要求不高，絕大多數中學生均能完成。另外，利用不同的燈帶創設不同的光照強度和光質，有效降低實驗條件難度，因此具有較好的推廣價值。

本次探究的不同處理引起的實驗現象和實驗數據均非常直觀且差異顯著，豐富了學生對光合作用的感性認識，通過教師可進一步引導學生對實驗現象的分析、推理過程，將光合作用的概念分解出條件、原料、產物和場所，便于學生對直觀的一個個事實進行綜合歸納，有助于加深學生對光合作用的認識。

通過帶領學生開展上述探究，可引導學生完成對實驗命名、原理分析、材料用具的選擇、實驗步驟的設計、結果的記錄分析、實驗結論的得出等等各項步驟，對學生的實驗操作技能訓練、實驗現象分析能力的提高和培養嚴謹求實的科學態度具有重要意義。

參考文獻：

［1］葛珍珍．小球藻的篩選、培養和產油脂研究［D］：［碩士學位論文］．江蘇無錫：江南大學，2012

［2］呂旭陽，張雯，楊陽，蔡小寧．分光光度法測定小球藻數量的方法研究．安徽農業科學．2009，37（23）：11104－11105