環境生物技術教學實驗設計案例

摘要：環境生物技術是環境科學與工程學科領域的一門重要基礎專業課程，環境生物技術的實驗課程涵蓋了較廣泛的實驗技能。為了提高該實驗課程教學的有效性和針對性，本文在總結以往課程教學以及科研實踐經驗的基礎上，以一項自主教學實驗設計為范例，探討了使該課程教學更為生動、有效的教學模式，為環境生物技術教學實驗的設計工作提供了參考。

關鍵詞：環境生物技術；教學實驗；設計

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）26-0274-02

環境生物技術課程是現代生物技術與環境科學緊密結合形成的新興交叉學科，環境生物技術在環境污染防治、生物資源開發、可持續發展等學科領域中均具有廣闊的發展前景[1]。由于其涉及內容繁多、實踐性強、發展迅速，在教學實踐中，往往會存在以下幾個問題：（1）一些教學內容與環境微生物學，水處理工程、生物修復技術等課程內容重復，導致教學重點不夠突出；（2）部分同學不能有效掌握基本理論，無法正確實踐利用所學的課本知識，不能將理論與實踐緊密結合；（3）無法有效跟蹤最新的生物技術進展，導致理論教學內容和實際情況有所脫節。

為了適應現代環境科學與工程領域人才培養的新要求，提高環境生物技術課程的教學質量。針對上述問題，筆者從教學與科研實踐中總結了若干經驗，進行了一些思考和嘗試，發現通過合理的配套實驗教學，可使學生在掌握相關實驗技能的同時，更好地理解環境生物技術的理論內容。

一、環境生物技術實驗的現存問題

目前，環境生物技術實驗的教材并不多，2012年劉娜等編寫的《環境生物技術實驗》系統地介紹了該領域的基本實驗原理和研究方法，包括基本實驗技術、綜合實驗技術、研究性實驗技術、應用實驗技術及現代分子實驗技術等[2]。然而受到課時以及實驗條件的影響，在實際的教學中，有相當一部分實驗無法有效開展，如微生物總DNA中的16S rDNA PCR擴增技術。且該教材中的部分內容也與環境微生物實驗相重復，如細菌染色技術與形態觀察等。由于實驗教學是環境生物技術教學的重要環節，對學生實踐能力和科學素養的培養具有關鍵作用，因此，對實驗課程體系進行精心設計，鉆研改進，可有效提高教學成效[3]。

二、自主設計實驗案例

筆者根據自己的教學經驗、科研背景以及本實驗室的客觀條件，對環境生物技術實驗的教學方法和內容做了若干調整和改善，在教學模式上取得了一些經驗。其中的主要工作就是自主設計和實施了一項教學實驗——破碎小球藻細胞提取生物油脂[4]。在當前世界范圍內能源加劇消耗的背景下，生物質能源如生物柴油等得到了廣泛關注，以微藻為原料制取生物油脂成為近幾年新興的研究熱點[5]。其中的小球藻在天然水體中分布極為廣泛，生長快速，油脂含量高，非常適合用于提取生物油脂，以生產生物柴油[6，7]。“破碎小球藻細胞提取生物油脂”這一實驗可向學生們展示生物柴油生產過程中的一些關鍵環節。本實驗的主要內容詳述如下：

1.小球藻的培養與計數。實驗所需小球藻可從附近天然水體中分離，也可從藻種庫購買。在培養箱中采用人工照明法培養小球藻，所用培養液為BG11培養基，溫度控制在25℃，光暗周期為12h∶12h。在培養過程中，小球藻隨時間不斷增殖，為了監控其生長速度，需每日對小球藻濃度進行測定。本教學實驗采用的小球藻細胞量測試方法有以下兩種[8]：（1）吸光度法：利用藻細胞在某一波長處的光吸收值來測定細胞密度，本實驗使用可見光分光光度計在540nm下測量小球藻混合液的吸光度。（2）細胞計數法：將小球藻懸濁液混合均勻，使用細胞計數板，又稱血球計數板，在光學顯微鏡下對小球藻細胞進行目測計數，并計算小球藻在懸濁液中的濃度。

根據每日小球藻細胞量的檢測結果，可繪制其生長趨勢圖，觀察總結其生長曲線，并分析特點。

2.小球藻的破碎。將小球藻培養一個月后，小球藻細胞數量可達到實驗要求，此時可進行細胞破碎操作。本教學實驗采用超聲波細胞破碎機對小球藻進行破碎。超聲波法是實驗室常見的破碎微生物細胞的技術，在液體介質中，超聲波造成的空化效應可在氣泡周圍的液體中產生強大的機械剪切力，致使細胞破碎[9]。

超聲破碎的功率與時間可根據實際情況進行設定和改變。在適當條件下，小球藻的細胞壁和細胞膜會得到有效破碎。

3.小球藻中生物油脂的提取。小球藻細胞破碎后，細胞內的有機物，如脂類、多糖及蛋白質都會釋放入周圍水溶液中，此時可進行生物油脂的提取。本實驗采取有機溶劑萃取法進行小球藻油脂的提取，具體方法為：以體積比為1∶1的正己烷和乙酸乙酯混合有機溶劑對小球藻混合液進行液-液萃取，萃取后將有機相置于真空旋轉蒸發器中，將有機溶劑全部揮發后，所余物質即為小球藻油脂。將其稱重，可計算出小球藻的含油率（以提取物占小球藻干重的百分比計算）。

4.實驗注意事項。本實驗周期比較長，步驟較多，同時涉及到了環境生物技術中較多的知識點，對學生的基礎實驗技能有著較高的要求。在學習環境生物技術實驗之前，需要掌握的課程基礎包括微生物學，有機化學，生物化學，分析化學等。在實驗過程中，學生需要分組合作，并在管理上實行組長負責制，教師應及時對其提供指導和支持，保證實驗有序順利進行。為了提高學生的思考能力，應鼓勵學生對實驗中遇到的問題進行獨立自主的解決，并在課堂上進行討論與交流。實驗教學的最后一環是實驗報告的書寫，在這一環中，應要求學生嚴格按照實驗報告模板進行書寫，翔實記載實驗內容、實驗現象、實驗結果、并進行數據整理與分析，這也是對學生進行創新性培養的一個重要環節。

三、結語

作為專業授課教師，須在教學實踐中不斷探索，在適應現代環境科學與工程領域人才培養要求的同時，適應實際工作和社會的需求，提高環境生物技術的教學質量。“破碎小球藻細胞提取生物油脂”這一教學實驗來自于科研實踐，結合了環境生物技術的課程特點，具有較高的科學性和綜合性。該實驗涉及到了環境生物技術中較多的知識點，對學生的基礎實驗能力有著較高的要求。通過對該實驗進行學習和操作，學生們可掌握的技術要點包括微生物培養，細胞計數，細胞破碎，生物油脂提取等。這些實驗操作與知識點交織結合，可有效地鍛煉學生的動手能力，促進學生對相關內容的記憶和理解，激發其學習興趣，端正其學習態度，為未來可能從事的科研以及技術工作打下良好基礎。

參考文獻：

[1]王建龍，文湘華.現代環境生物技術[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]劉娜，任何軍，張婷娣.環境生物技術實驗[M].1ed.北京：清華大學出版社，2012.

[3]吳兵，張徐祥.環境生物技術實驗課程內容與教學模式改革實踐[J].教育教學論壇，2018，52（12）：

[4]李亮，李洋洋，黃遠星，宋翠紅，程豪奇.破碎小球藻細胞提取生物油脂新方法[J].江蘇大學學報（自然科學版），2014，35（1）：

[5]黃遠星，張道方，陶紅，李亮.水生微藻制備生物燃料的方法綜述[J].水資源與水工程學報，2012，23（2）：

[6]Phukan M M，Chutia R S，Konwar B K，et al.Microalgae Chlorella as a potential bio-energy feedstock[J].Applied Energy，2011，88（10）：3307-12.

[7]Mata T M，Martins A A，Caetano N S.Microalgae for biodiesel production and other applications：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（1）：217-32.

[8]Yuanxing Huang S Q，Daofang Zhang，Liang Li，Yan Mu.Evaluation of Cell Disruption of Chlorella Vulgaris by Pressure-Assisted Ozonation and Ultrasonication[J].Energies，2016，9（173）：

[9]Zheng H，Yin J，Gao Z，et al.Disruption of Chlorella vulgaris Cells for the Release of Biodiesel-Producing Lipids：A Comparison of Grinding，Ultrasonication，Bead Milling，Enzymatic Lysis，and Microwaves[J].Applied Biochemistry & Biotechnology，2011，164（7）：1215-24.