探究水污染對(duì)生物的影響及生物的凈化作用

黃春曉 伯海英

（1 福建省廈門(mén)第一中學(xué) 福建廈門(mén) 361001 2 廈門(mén)市教育科學(xué)研究院 福建廈門(mén) 361001）

人教版7年級(jí)《生物學(xué)》下冊(cè)第4 單元第7 章第2 節(jié)“探究環(huán)境污染對(duì)生物的影響”前半部分內(nèi)容圍繞大氣污染安排模擬探究活動(dòng)“酸雨對(duì)生物的影響”，后半部分則介紹了我國(guó)的水污染情況及水污染防治措施，但教材未設(shè)置相應(yīng)的探究活動(dòng)。受“酸雨對(duì)生物的影響”探究實(shí)驗(yàn)的影響和啟發(fā)，一些學(xué)生要求再試一試水污染對(duì)生物的影響。為了滿(mǎn)足學(xué)生的探究熱情，教師組織學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)“探究水污染對(duì)生物的影響”。有一組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案中提出“水草能否凈化污水”的問(wèn)題，受到該組學(xué)生的啟發(fā)，教師將實(shí)驗(yàn)拓展到“生物對(duì)污染水質(zhì)的凈化作用”，這有利于幫助學(xué)生深刻理解生物與環(huán)境的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了學(xué)習(xí)中教學(xué)相長(zhǎng)的樂(lè)趣。

沉水植物對(duì)污水凈化效果顯著，因其通氣組織特別發(fā)達(dá)，能在水中空氣極度缺乏的情況下通過(guò)光合作用增加水體中的溶解氧含量［1］，并且為適應(yīng)水中生活，莖、葉和表皮都與根一樣具有吸收作用，能直接吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有效降低污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量水平［2-3］。硝化細(xì)菌是一類(lèi)化能自養(yǎng)好氧型細(xì)菌，包括亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，亞硝化細(xì)菌能將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮，硝化細(xì)菌能將亞硝酸氮最終轉(zhuǎn)化為硝酸氮，從而凈化水體水質(zhì)［4］。

由于該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生自己想做的，學(xué)生自主性強(qiáng)，參與度高，積極參與共創(chuàng)最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案。從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、選取實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路，再到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖分析等，在科學(xué)探究過(guò)程中運(yùn)用理性思維，實(shí)現(xiàn)了在教材基礎(chǔ)上的深度學(xué)習(xí)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)1：探究水污染對(duì)生物的影響 家庭洗滌類(lèi)污水是學(xué)生最常見(jiàn)的污水，本實(shí)驗(yàn)在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，選取洗滌劑溶液（洗衣粉、洗手液、洗潔精）模擬洗滌污水。選取水蚤作為水污染指示生物，水蚤身體透明，對(duì)污染物敏感，在短時(shí)間內(nèi)就能表現(xiàn)出變化，是污染生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的模式生物。選取水蚤，受到人教版8年級(jí)下冊(cè)教材“探究酒精對(duì)水蚤心率的影響”的啟發(fā)，也為該實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)2：探究生物對(duì)污染水質(zhì)的凈化作用結(jié)合家庭養(yǎng)魚(yú)的經(jīng)驗(yàn)，選取沉水植物、硝化細(xì)菌制劑對(duì)模擬污水進(jìn)行凈化，觀(guān)察水蚤的心率變化。

1.3 小組合作設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn) 學(xué)生小組根據(jù)興趣選擇模擬洗滌污水的種類(lèi)及凈化生物（表1），體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極思維、主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的積極性；選取同種模擬洗滌污水的小組之間可共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅節(jié)省了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，還可進(jìn)行生物凈化效果的橫向?qū)Ρ取?/p>

表1 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

1.4 收集和分析數(shù)據(jù) 在數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室組織實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，收集水蚤在培養(yǎng)液、模擬污水及凈化水中的心率變化，進(jìn)一步在Excel 軟件中完成作圖分析，有效提高課堂效率。有3 個(gè)亮點(diǎn)：一是運(yùn)用數(shù)碼顯微鏡的實(shí)時(shí)拍攝技術(shù)，突破水蚤心率計(jì)數(shù)難點(diǎn)； 二是有助于教師實(shí)時(shí)反饋各小組的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，及時(shí)給予指導(dǎo)和幫助；三是有利于學(xué)生之間的共享和交流。

2 方法

1）配制模擬污水梯度溶液。選取一種生活洗滌用品，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)（以出現(xiàn)水蚤致死效應(yīng)為界）確定污水濃度梯度，例如洗衣粉選取4 個(gè)濃度：0.25%、0.5%、1%、2%。

2）第1 次水蚤心率計(jì)數(shù)。觀(guān)察水蚤在對(duì)照組（培養(yǎng)液）和實(shí)驗(yàn)組（模擬污水）中的心率變化，具體操作如下： 用膠頭滴管吸取培養(yǎng)液中的水蚤置于載玻片中央，撕取少量棉絮置于液滴中，靜置1 min 后置于數(shù)碼顯微鏡下觀(guān)察，用計(jì)數(shù)器輔助記錄水蚤心率；吸干載玻片上的培養(yǎng)液，迅速向水蚤滴加污水，靜置1 min 后置于數(shù)碼顯微鏡下觀(guān)察，記錄水蚤心率。

3）生物凈化處理。選取沉水植物（水蘊(yùn)草）或硝化細(xì)菌制劑或兩者混合進(jìn)行污水凈化，分別向200 mL 污水中加入20 g 水蘊(yùn)草或2 mL 硝化細(xì)菌制劑，靜置24 h。

4）第2 次水蚤心率計(jì)數(shù)。方法同步驟2。

5）數(shù)據(jù)處理與繪圖。將水蚤在培養(yǎng)液、模擬污水、 凈化水中的心率記錄整理在Excel 實(shí)驗(yàn)報(bào)告里，繪制折線(xiàn)圖（圖1）。

圖1 用Excel 軟件繪制的水蚤心率變化圖

6）分析數(shù)據(jù)。對(duì)比分析水蚤在3 種溶液中的心率變化。

3 結(jié)果

以水蘊(yùn)草凈化洗衣粉溶液為例（圖2）。

圖2 水蚤心率變化圖（水蘊(yùn)草凈化洗衣粉梯度溶液）

在培養(yǎng)液中，水蚤的平均心率為140 次/min左右。在0.25%洗衣粉溶液中，水蚤心率受到明顯的抑制，從第1 min 的113 次下降到第3 min的92 次； 而在經(jīng)過(guò)凈化后的污水中水蚤心率受到的抑制作用減弱，從第1 min 的121 次到第3 min 的110 次，均高于前者。與0.25%洗衣粉溶液相比，0.5%洗衣粉溶液對(duì)水蚤心率的抑制作用更加明顯，從第1 min 的96 次下降到第3 min的65 次，在凈化水中水蚤心率從第1 min 的112次到第3 min 的100 次，受到的抑制作用減弱。在1%洗衣粉溶液中水蚤心率則從第1 min 的96 次迅速下降到第3 min 的49 次，在2%洗衣粉溶液中水蚤心率受到的抑制明顯高于前者，在第1 min 時(shí)僅66 次，到第3 min 時(shí)已下降到42次；以上2 種濃度的洗衣粉溶液經(jīng)凈化后均對(duì)水蚤心率的抑制作用減弱，前3 min 的平均心率均高于未經(jīng)凈化的洗衣粉溶液。總的來(lái)說(shuō)，隨著洗衣粉溶液濃度的增加，水蚤心率受抑制的程度逐漸加深，而經(jīng)過(guò)凈化的洗衣粉溶液對(duì)水蚤心率的抑制作用明顯減弱。

圖3 水蚤心率變化圖（硝化細(xì)菌凈化洗潔精梯度溶液）

圖4 水蚤心率變化圖（硝化細(xì)菌凈化洗手液梯度溶液）

其他模擬洗滌污水，例如洗潔精（圖3）、洗手液（圖4）等對(duì)水蚤心率的影響與洗衣粉溶液相似，生物凈化效果也相似。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，生活洗滌類(lèi)污水（洗衣粉、洗潔精、洗手液等）對(duì)水蚤心率有明顯的抑制作用，經(jīng)生物凈化后的污水對(duì)水蚤心率的抑制作用減弱。

4 討論

學(xué)生受“酸雨對(duì)生物的影響”探究實(shí)驗(yàn)的影響和啟發(fā)，提出“探究水污染對(duì)生物的影響”的探究設(shè)想，在教師的指導(dǎo)下，合作設(shè)計(jì)解決方法，進(jìn)而利用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等知識(shí)解決問(wèn)題，并運(yùn)用理性方法驗(yàn)證解決效果。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)施，班級(jí)成員匯聚集體的理解、努力和分工尋求問(wèn)題的解決。總的來(lái)說(shuō)，本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新價(jià)值主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1）源于生活。關(guān)于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響，相對(duì)于大氣污染而言，家庭洗滌類(lèi)污水更貼近學(xué)生的生活。本實(shí)驗(yàn)選取洗滌劑溶液作為模擬生活污水，模擬探究水污染對(duì)生物產(chǎn)生的影響，同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生家庭養(yǎng)魚(yú)經(jīng)驗(yàn)提出污水凈化方法，有效激發(fā)了學(xué)生的探索欲望。

2）創(chuàng)新思路。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生從生活中的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，改進(jìn)已有研究方法用于解決新問(wèn)題，組內(nèi)分工、組間分享，從模仿“探究酸雨對(duì)生物的影響”所做的“探究水污染對(duì)生物的影響”，到進(jìn)一步“探究生物對(duì)污染水質(zhì)的凈化作用”，拓展出全新的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，借助數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室大幅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，體現(xiàn)出技術(shù)創(chuàng)新對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用。

3）深度學(xué)習(xí)。生活中的問(wèn)題往往是復(fù)雜的問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)立足于培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境下通過(guò)合作解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生小組合作、充分運(yùn)用理性思維共同完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、分析和交流，并進(jìn)一步深刻理解生物與環(huán)境的關(guān)系，這種深度學(xué)習(xí)正是學(xué)生成長(zhǎng)所需要的。

4）感悟責(zé)任。通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的探究過(guò)程，學(xué)生直接觀(guān)察到生物與環(huán)境相互影響的現(xiàn)象，感悟到生活中習(xí)以為常的習(xí)慣也有可能對(duì)環(huán)境造成不良影響，需要做一些改進(jìn)。從小處說(shuō)，這是個(gè)人習(xí)慣的小改變，從大處看，如果人人都自覺(jué)踐行環(huán)保生活，人類(lèi)對(duì)生物圈產(chǎn)生的負(fù)面影響一定會(huì)大幅降低，由此增進(jìn)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。