空心菜用以富營養(yǎng)水體凈化的可行性分析

車亞莉 趙知涵

（江蘇省南京市第一中學(xué) 江蘇南京 210001）

1 研究性學(xué)習(xí)的背景和選題

《普通高中課程方案（2017年版）》對課程設(shè)置開設(shè)科目的要求中有綜合實踐活動課程，包括研究性學(xué)習(xí)、軍訓(xùn)、社會考察等，其中研究性學(xué)習(xí)6學(xué)分，需要完成2個課題研究或項目設(shè)計。教師開展與高中教材學(xué)習(xí)相關(guān)的課題研究，能幫助學(xué)生更好地達(dá)成核心素養(yǎng)。筆者所任教的學(xué)校周邊秦淮河利用浮床生態(tài)工藝法凈化污水，引發(fā)了學(xué)生的關(guān)注。結(jié)合蘇教版《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中“化肥與池塘富營養(yǎng)化”的課題研究，學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解到目前生態(tài)治理的手段存在一個問題：水生植物在生長季吸收了大量N、P元素，進入秋冬季，隨著植物的死亡，N、P元素會再次被釋放回環(huán)境中，從而引發(fā)二次污染。據(jù)此學(xué)生設(shè)想：在富營養(yǎng)化水體中栽培水生蔬菜，既可以解決富營養(yǎng)化問題，又可以增加農(nóng)民的收入。學(xué)生的想法建立在對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)認(rèn)識、對生物多樣性的直接價值明確以及生態(tài)工程整體性原理的應(yīng)用基礎(chǔ)上，具備良好的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

2 研究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)和方向

高中階段開展研究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，核心素養(yǎng)的落實可以通過以探究為特點的主動學(xué)習(xí)來實現(xiàn)。研究性學(xué)習(xí)的過程往往就是探究性學(xué)習(xí)的過程，研究性學(xué)習(xí)的主要方向就是學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)方法、科學(xué)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。學(xué)生查閱文獻(xiàn)了解到浮床栽培空心菜對養(yǎng)殖池塘水質(zhì)有凈化作用：在羅非魚養(yǎng)殖池塘栽培空心菜，當(dāng)浮床面積達(dá)到池塘面積的20%時，對池塘水體中TN、TP的去除率分別為46.57%、58.75%。在此基礎(chǔ)上，能提出研究的方向是學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新精神的重要體現(xiàn)。教師指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合文獻(xiàn)運用生物學(xué)知識探究空心菜栽培與采收能否解決富營養(yǎng)化問題，學(xué)生設(shè)計的研究方案是利用三元復(fù)合肥（N-P2O5-K2O：15-15-15）配置一系列的N、P濃度梯度，模擬富營養(yǎng)化水體，探究空心菜在不同水體中的再生情況和生長差異，了解其耐受能力，通過生物量的積累和N、P吸收量的估算，了解其對富營養(yǎng)化水體的凈化能力。

3 研究性學(xué)習(xí)的實施

3.1 培養(yǎng)液的配制

實驗中以Ⅲ類水質(zhì)中的N為最低處理濃度，之后逐步增加，直至物質(zhì)量最高濃度為12/mg·L-1。以此換算出化肥的使用量以及同時加入系統(tǒng)的P濃度（表1）。

表1 初始培養(yǎng)液濃度設(shè)計與配制方法

3.2 空心菜的栽培和管護

空心菜去除頂部幼嫩部分和葉片，僅保留帶有2～3個節(jié)的粗壯莖段。將莖段在低濃度“84”消毒液中浸洗20 min，再用流水沖洗干凈。甩去水后，用吸水紙進一步去除表面水分，用電子天平稱取每一個莖段的初始重量。

先用鋁箔膜將裝好培養(yǎng)液的塑料杯封口，再將空心菜莖段插入杯中，每杯插植2根。保證每個插植樣本至少有1個節(jié)在液面下以備生根，有1個節(jié)在鋁箔膜外面以備長芽。樣本在人工光照培養(yǎng)架上進行培養(yǎng)：光照強度4 000±50 Lux，每天光照10 h，溫度25±2℃。為防止培養(yǎng)架上不同位置光照不均勻可能帶來的誤差，將不同處理組樣本打亂后隨機擺放，并每天將中間區(qū)域的樣本和邊緣的樣本調(diào)換位置。每天觀察空心菜的生長情況，遇到腐爛或長霉的樣本及時剔除。

3.3 空心菜N、P吸收量的計算

培養(yǎng)16 d后，收獲所有培養(yǎng)材料。將植物再生的莖葉和根從原母莖上取下來，分別稱量莖葉和根的生物量。

測量莖葉和根的N、P含量。以已知空心菜嫩莖葉、根的N、P含量和上述所得莖葉、根的生物量相乘，獲得空心菜再生部分吸收的總N、P量。

空心菜P含量測定的實驗步驟：①消解：將植物剪碎置于100 mL消解管中，加5 mL濃硫酸180℃消解至均勻液體狀態(tài)，待消解管中無固體顆粒物質(zhì)時加入20滴過氧化氫消解5 min，稍微冷卻后加入15滴過氧化氫繼續(xù)消解，之后加過氧化氫的量依次遞減，至溶液無色透明。地上部（莖葉）定容至50 mL，地下部（根）定容至25 mL，4℃保存。②比色：取1 mL消解液于10 mL消解管中，加純水至6 mL，加2滴二硝基酚，加物質(zhì)量濃度為4 moL/L的氫氧化鈉溶液，直至溶液黃色，再加入物質(zhì)量濃度為2 moL/L的硫酸溶液一滴使黃色剛好褪去，加鉬銻抗1 mL，加水定容至10 mL，搖勻，30 min后700 nm比色。

空心菜N含量測定的實驗步驟：①同上述P消解方法。②比色：地上部取0.2 mL消解液于10 mL消解管中，地下部取0.4 mL消解液于10 mL消解管中，加物質(zhì)量濃度為0.4 moL/L的氫氧化鈉溶液1 mL；加氧化劑3 mL；加水定容至10 mL，搖勻，120℃氧化30 min后冷卻至室溫，210 nm比色。

4 研究性學(xué)習(xí)的結(jié)果與分析

4.1 空心菜的生長情況

空心菜莖段在本實驗條件下再生能力很強，第4天發(fā)現(xiàn)有些樣本在頂部小節(jié)處可看到明顯的幼芽，有些樣本在底部小節(jié)處出現(xiàn)新生根，呈白色。還發(fā)現(xiàn)有1個樣本莖段的下端有明顯腐爛跡象，及時將該樣本剔除，防止污染培養(yǎng)液。第10天大部分樣本都實現(xiàn)了再生，多數(shù)樣本出現(xiàn)了至少一片展開葉，根系發(fā)達(dá)。第16天大部分樣本較6天前進一步長大，但長勢明顯減緩，部分樣本似呈停滯狀態(tài)。少數(shù)樣本母莖頂端出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象，個別樣本甚至新生莖葉也開始萎蔫。預(yù)測此時培養(yǎng)液中的營養(yǎng)已不足以支撐空心菜的生長，因此將空心菜全部采收。

4.2 不同富營養(yǎng)水體中空心菜的生長情況統(tǒng)計

空心菜莖段在本研究條件下的平均再生率達(dá)到76%（圖1A），其中第三組N物質(zhì)量濃度為4 mg·L-1和P物質(zhì)量濃度為1.75 mg·L-1的環(huán)境中，空心菜的再生率最高，達(dá)到90%。低營養(yǎng)條件下，空心菜再生率隨著N、P濃度的升高而上升，高營養(yǎng)條件下空心菜的再生率下降。如果一杯中有兩株同時再生，則其中1株往往長勢較好，另1株相對較弱。分析同杯中的兩株可能構(gòu)成競爭。為此，后續(xù)生物量和葉數(shù)、根數(shù)統(tǒng)計均以單杯為單位。水培空心菜的生物量主要集中在莖葉部分，莖葉生物量約占整個植株生物量的85%左右，根生物量只占15%左右（圖1B、圖1C）。因此總生物量隨水體營養(yǎng)水平變化趨勢和莖葉生物量基本一致。本實驗中，空心菜最大莖葉生物量和總生物量出現(xiàn)在S4處理組（圖1B、圖1D）。其中S4莖葉生物量、總生物量均為S1處理組的1.4倍。營養(yǎng)濃度較高的S2、S3處理組莖葉生物量和總生物量也略高于S1處理組。但在最高濃度處理組S5莖葉生物量和總生物量反而比S4處理組分別下降了8%和7%。實驗中空心菜再生葉片數(shù)平均為3.9片/杯，其中單杯葉片數(shù)最大值在S3處理組（圖2A）。平均每杯再生空心菜都能長出9.8條新根（圖2B），其中根數(shù)最多的樣本出現(xiàn)在最低營養(yǎng)處理組S1，再生根數(shù)達(dá)到12.6條/杯。空心菜最大葉長和最大根長均出現(xiàn)在S2處理組（圖2C、圖2D）。

圖1 不同富營養(yǎng)化水體中空心菜的再生率（A）、莖葉生物量（B）、根生物量（C）、總生物量（D）

圖2 不同富營養(yǎng)化水體中空心菜的葉數(shù)（A）、根數(shù)（B）、最大葉長（C）、最大根長（D）

4.3 再生空心菜N、P吸收量

已知實驗所用空心菜嫩莖葉的N、P含量分別為1.122 mg·g-1鮮重和0.591 mg·g-1鮮重；根的N、P含量分別為0.181 mg·g-1FW和0.436 mg·g-1FW（由合作大學(xué)實驗室提供）。經(jīng)與本實驗所得各處理組莖葉、根生物量相乘，得各處理組再生空心菜N、P吸收量。

實驗發(fā)現(xiàn)再生空心菜可以較好的吸收水體中的N、P。本實驗條件下，空心菜對N、P的平均吸收量分別為2.060 mg/杯和1.085 mg/杯，N在空心菜中的積累量約為P的2倍（表2）。空心菜對N、P的吸收量隨著水體富營養(yǎng)化程度的增加而升高，但最高營養(yǎng)處理組N、P吸收量有所下降。嫩莖葉是N、P的主要儲存器官。

表2 再生空心菜N、P吸收量

4.4 分析與討論

空心菜在水培環(huán)境下再生率很高，初始N、P物質(zhì)量濃度分別為4 mg·L-1和1.75 mg·L-1情況下（S3組）可達(dá)到90%再生率，該條件下再生空心菜的單杯葉片數(shù)也最多。生物量積累最高的樣本出現(xiàn)于初始N、P物質(zhì)量濃度分別為8 mg/L和3.49 mg/L的處理組S4，此時初始N濃度已達(dá)V類水的2.7倍，而初始P濃度已達(dá)V類水的17.5倍。實驗初始N、P物質(zhì)量濃度分別為12 mg·L-1和5.24 mg·L-1的最高營養(yǎng)條件（S5組）下，空心菜長勢較S4組略有下降，但依然保持較高的再生率和生物量積累。實驗所設(shè)S3組N、P含量均已超過國家V類水標(biāo)準(zhǔn)，已處于極度富營養(yǎng)化狀態(tài)，說明空心菜具有很好的耐污能力。再生空心菜的生物量積累主要集中在莖葉，吸收的N、P也主要富集于此，莖葉是采摘食用的部分，因而人們對空心菜的種植為水體過剩礦質(zhì)元素的去除提供了契機。實驗中每杯空心菜莖葉富集的N、P最高可達(dá)2.386 mg·杯-1和1.257 mg·杯-1。換而言之，只需1～2株再生空心菜生長16 d，即可吸收1 L以上Ⅳ類水中所有的N和6 L以上Ⅳ類水中所有的P。由此可見，空心菜對富營養(yǎng)化水體的凈化能力非常強。

5 研究性學(xué)習(xí)的體會

生物學(xué)課程的根本任務(wù)是提高學(xué)生終身發(fā)展所需的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。在“空心菜用以富營養(yǎng)水體凈化的可行性分析”研究性學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生基于已有的生態(tài)工程認(rèn)知，在生活情境中確定課題，通過查閱資料了解到目前富營養(yǎng)化水體的修復(fù)工程中，引種的一些水生觀賞類花卉秋冬季衰退后N、P元素仍會回到水體中，因而起不到凈化作用。據(jù)此，學(xué)生提出課題方向水生蔬菜進行富營養(yǎng)化水體治理，通過文獻(xiàn)檢索獲得信息，制定研究計劃、實施課題研究。研究過程中，學(xué)生帶著問題去探究，堅持觀察和記錄，處理數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，結(jié)合數(shù)據(jù)分析推理總結(jié)，并繼續(xù)質(zhì)疑和反思。回顧該研究性學(xué)習(xí)的全過程，收獲的不僅是研究成果，學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐能力、主動學(xué)習(xí)的愿望都得到提升，研究性學(xué)習(xí)可以培育學(xué)生的核心素養(yǎng)。