溶解氧傳感器—物聯網技術在改進種間關系實驗中的應用

畢學友 張淼 管婷

摘? 要? 高中生物生態學種間關系探究實驗中，研究對象草履蟲對水質要求甚高，如果采用傳統的生態缸進行養殖，無法保證其生存和繁殖，將溶解氧傳感器與物聯網技術結合使用，實現遠程監控溶解氧含量和遠程控制加氧裝置運行，使水質得到有效改善，保證草履蟲的生存和繁殖，探究種間關系實驗得以成功進行。

關鍵詞? 高斯假說；草履蟲實驗；溶解氧傳感器；物聯網

中圖分類號：G633.91? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）11-0131-06

1? 實驗背景及問題發現

高中生物教材選修二關于生態的章節，講述了

種間關系中的競爭關系，選用的是俄羅斯生態學家高斯的大小草履蟲實驗。高斯在1934—1935年提出高斯假說（Gauses Hypothesis），即競爭排斥原理：由于競爭的結果，兩個類似的物種不能占有類似的生態位，而是以某種方式彼此取代，使每個物種具有食性或其他生活方式上的特點，從而在生態位上產生分離的現象，這一假說稱為高斯假說。高斯做了經典的實驗，研究不同種的草履蟲的競爭問題。A、B、C三種草履蟲開始都單獨培養在管中，捕食細菌和酵母菌[1]。

實驗1：把A和C放在1個培養管中，C總是偏向于消失。他發現A生長速度是C的6倍，更加有益于利用有限的資源。他提出競爭排擠：如果兩個物種競爭有限的資源，利用資源更有益的物種將會排擠另外一個，當資源有限時，沒有兩個物種在相同的生態位能共存。

實驗2：把上次被打敗了的草履蟲C和另外的草履蟲B放在一起，他假設這兩個物種也會競爭有限的細菌食品，其中一個會勝出。但是，沒有產生預期假設，B和C都存活下來了，它們發現了一個方法分割食品資源。怎樣做的呢？培養管的上層氧氣濃度和細菌的密度都很高，C占據了這個位置，原因是它更加有能力捕食細菌；在底層，氧氣濃度低，適合酵母菌生活，B更有能力捕食酵母菌。由于這兩個物種的生態位重疊的不是太多，因此，都活了下來。但是，競爭仍舊對參與者施加了負面效應：第三個實驗是當沒有競爭的時候，二者的密度是有競爭時候的3倍還要多。

課題小組曾模仿過高斯假說實驗，但由于草履蟲是好氧生物，對水質要求非常高，尤其是對于溶解氧含量特別敏感，當溶解氧含量低于8 mg/l，草履蟲就會出現游動能力減弱，當低于6 mg/l甚至會死亡，導致嚴重干擾實驗。因此，怎樣保證水質質量保證草履蟲生存，使得草履蟲的數量變化只因種間關系而變化，而非因水質缺氧死亡而減少，消除水質這一無關變量問題的影響是本實驗能否成功的關鍵[2]。

2? 實驗目的

通過運用溶解氧傳感器結合物聯網控制技術，精確測得水中的溶解氧含量，并且發送數據至手機微信小程序，實現手機遙控，遠程控制加氧器的電源，維持水中溶解氧含量較穩定環境，創造觀察草履蟲的種間關系的可能性。

3? 實驗材料及設計組裝

實驗材料包括大小兩種草履蟲A和B、溶解氧傳感器—單片機遠程控制系統、磁力攪拌加氧器、3 L飼養缸、血球計數板、血蓋片、移液器、酵母、數碼顯微鏡、1%的NaCl溶液（見圖1）。

4? 實驗方法及過程

4.1? 草履蟲的培養及取樣檢測活性

草履蟲只由一個細胞構成，是單細胞原生動物，雌雄同體。屬于纖毛綱、膜口目、草履蟲科，世界已知有二十多種。生活在有機質較豐富的池塘，體長只有180～280 μm。草履蟲的壽命可達5晝夜以上。常見的有大草履蟲（長180～300 μm）、雙小核草履蟲（長80～170 μm，伸縮泡2個，有兩個小核，很小）、小草履蟲（長180～310 μm，有時有3個伸縮泡，小核泡型）、放毒型草履蟲等。我們采購了兩種草履蟲為A和B，經過鏡檢與草履蟲的分類檢索表比較，確認A為大草履蟲，B為小草履蟲。A和B分別飼養在3 L飼養缸中1號缸和2號缸，采用遠程控制系統進行水質保證，分別飼養到接近K值，0.5 ml中大草履蟲K值375左右，小草履蟲K值1 000左右。為保證參與種間反應的草履蟲的活性，我們決定使用1%的NaCl溶液刺激其應激性的方法（見圖2）確定活性后，用血球計數器測定密度，然后按照密度量取相同數量的草履蟲A和B投入3號飼養缸中混合飼養，每天隨機抽樣檢查，采用水面—水中—水底，取3次樣，顯微鏡下用血球計數板計數測得密度，觀察其種間關系。

4.2? 血球計數板使用及密度換算的方法

1）將血球計數板用擦鏡紙擦凈，務必保證沒有水，否則會稀釋液體影響計數，在中央的計數室蓋上專用的蓋玻片。

2）用移液器從草履蟲飼養液中取樣10 μl，置于蓋玻片的邊緣，使液體緩緩滲入，多余的液體會流到凹槽中，并稍待片刻使濁液完全進入計數室中。

3）將血球計數板移入顯微鏡下觀察。

4）計數時，隨機取樣，計算培養液中的草履蟲個數。應取左上、左下、右上、右下至少4個中方格和中央的一個中方格計算草履蟲個數。

5）當遇到位于方格線上的草履蟲，采用樣方法

中“計上不計下，計左不計右”的計數原則。

6）對每個樣品計數3次，取其平均值，再按公式計算每毫升培養液中所含的草履蟲個數。

公式：1個大方格有16個中方格，一個中方格有25個小方格，因此，為400個小方格，平均每個小方的草履蟲數×400為一個大方格的草履蟲數即0.1 ml的草履蟲數。即：草履蟲密度（個/ml）：三次取樣平均數×400×10=1 ml中草履蟲數[3]。

4.3? 溶解氧傳感器—單片機—遠程控制開關的使用方法及數據采集方法

溶解氧傳感器是一種用于測量氧氣在水中的溶解量的傳感設備，溶解氧（DO）是指溶解于水中的氧的含量，它以每升水中氧氣的毫克數表示（mg/L）。溶解氧以分子狀態存在于水中，水中溶解氧量是水質重要指標之一，當水體溶解氧低于8 mg/L，魚類就會浮頭，當低于6 mg/L就會導致動物死亡。考慮到草履蟲是單細胞生物，不能使用常規的電泵水循環系統，泵水的過程中激烈的水流會使草履蟲破裂，我們采用磁力攪拌的方法來增加水與空氣的接觸面積，增加溶解氧含量。我們選用膜電極溶解氧傳感器、單片機和遠程Wi-Fi控制電源組裝在一起，可以隨時使用微信小程序監控水中溶解氧含量，設定每30分鐘測氧一次，報警設置為6 mg/L。當溶解氧低于6 mg/L，手機就會接到報警信號，既可手動也可自動遠程打開電源，使磁力加氧器運行，增加溶解氧含量（見圖3）。

5? 實驗過程及數據結果分析

5.1? 實驗過程

1）將A型大草履蟲和B型小草履蟲分別倒入2個培養缸中，食用酵母菌為飼料，放置室溫下培養，使用溶解氧—物聯網遠程控制系統，保證草履蟲的生長和繁殖。每天進行采樣，使用血球計數板詳細記錄2個培養缸上、中、下層草履蟲密度，培養并持續觀察和記錄（見圖4）。

2）第5天當草履蟲生長到接近K值后，大草履蟲A型接近375，小草履蟲B型接近500。我們按照密度量取體積，保證投入數量相同的兩種草履蟲在第3缸中混合飼養。投入充足的食物，給予溶解氧—物聯網技術控制水環境，保證溶解氧和溫度不會劇烈變化。從不同的生態位（上、中、下）取樣，記錄3缸中A、B型草履蟲分別在上層、中層、下層的生長曲線，并進行比較（見圖5、圖6）。

5.2? 實驗數據結果分析

根據實驗過程中記錄的數據可以看出不同生態位下，雖然起始濃度相同，但是A型大草履蟲和B型小草履蟲生長狀況不同：

1）上層培養液中，B型草履蟲由于繁殖速度快，在數量和密度上占優勢，而A型草履蟲由于在競爭上失利，總數在不斷減少；

2）中層與上層培養液密度相差不大；

3）下層培養液中，A型草履蟲相比上層數量略多。

分析大概B型小草履蟲對溶解氧更為敏感，喜歡溶解氧更為豐富的表層水面，而A型大草履蟲在表層水面競爭不過B型小草履蟲，但是在水底的環境下也能生存，因此，水底的A型大草履蟲數目要多一些。

根據如上實驗數據，我們得出結論：A型大草履蟲和B型小草履蟲在培養液上、中層生態位呈現明顯競爭的種間關系，B型草履蟲在競爭中占優勢；在相對缺氧的培養液底層生態位，A型大草履蟲占優勢。

6? 實驗總結及展望

本實驗最初是青島市某校一個拓展型生態類校本課程實驗，成功率極低，頭一天購買的草履蟲，第二天下午做實驗時基本找不到。為什么草履蟲不見了？該課題小組正是在這種情況下成立的，課題小組曾頭腦風暴猜測是不是購買被欺騙、草履蟲餓死、草履蟲凍死，等等，之后課題小組成員進行測試，終于發現草履蟲對溶解氧的含量最為敏感。那么，怎樣增加和控制溶解氧含量呢？課題組試過很多方法，比如水循環泵，結果草履蟲被激烈的水流沖死；放入水草進行光合作用制造氧，也不成功，最后課題組覺得磁力攪拌器不錯，將攪拌速率調到低檔，對草履蟲不構成危害，又增加了水分子和空氣的接觸面積。隨之而來的問題就是怎樣控制磁力攪拌器，課題組又嘗試了定時開關，Wi-Fi開關等，最終有了現在實驗的設計方案。

課題組研究性學習小組找到北京綠刻度公司定制了這款設備，不但成功地證明高斯假說成立，還創新性地在實驗中運用了溶解氧傳感器—物聯網技術，嚴格控制了培養液中溶解氧濃度，保證實驗材料草履蟲的生存條件，體現生物相同生態位間的競爭關系，使實驗結論更加科學和嚴謹。

課題小組未來會繼續培養更多不同品種的草履蟲，并進行種間關系實驗，也將得到更多草履蟲之間競爭的數據，使得實驗更為完善有說服力。

7? 參考文獻

[1] 溫青，趙占良.普通高中教科書生物學選擇性必修2 生物與環境[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 楊革.微生物學實驗教程[M]北京：科學出版社，2020.

[3] 陳坤.關于草履蟲兩個實驗的創新設計[J].實驗教學與儀器，2020，37（Z1）：73-75.