利用手持技術(shù)進(jìn)行“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”定量檢測(cè)

鄭耀賢

(北京師范大學(xué)(珠海)附屬高級(jí)中學(xué) 519080)

手持技術(shù)也稱掌上技術(shù)，是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和相配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)，并與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)[1]。本文以“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”定量檢測(cè)為例，探索將數(shù)字化傳感技術(shù)與生物科學(xué)探究有機(jī)結(jié)合，為中學(xué)生物學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇 ①水綿是多細(xì)胞藻類植物，含有螺旋狀葉綠體，能進(jìn)行光合作用。利用水綿作為實(shí)驗(yàn)材料，開展科學(xué)探究具有材料易得、實(shí)驗(yàn)因變量測(cè)量具可操作性和易于肉眼觀察等明顯的優(yōu)點(diǎn)，還能為水稻生境的適應(yīng)性研究提供思路。②NaHCO3可用于食品加工，易溶于水，受熱易分解，在潮濕空氣或水中能緩慢分解，其水溶液在20℃時(shí)開始分解出CO2。用NaHCO3加入水綿培養(yǎng)液中,能為水綿緩慢提供CO2，是開展“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的一種重要材料。

1.2 變量的明確與控制 本實(shí)驗(yàn)的自變量是水綿培養(yǎng)液中NaHCO3的濃度，因變量是光合作用的強(qiáng)度。通過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)原料的消耗或產(chǎn)物生成的數(shù)量來(lái)定量表示光合作用強(qiáng)度, 以單位時(shí)間內(nèi)溶解氧的增加量表示光合作用的強(qiáng)度。水培的水綿在光照下產(chǎn)生氧氣，氧氣可以通過(guò)肉眼觀察到氣泡，同時(shí)氧氣可以溶于水中形成溶解氧，溶解氧可以通過(guò)傳感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。利用傳感技術(shù)，量化溶解氧的增加量，同時(shí)通過(guò)肉眼觀察記錄氣泡的產(chǎn)生量，以定量為基礎(chǔ)，定性輔助?？刂坪脽o(wú)關(guān)變量水綿的質(zhì)量也是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)，由于水綿的生存特點(diǎn)，要做到每個(gè)組的水綿量的一致必須做一定的處理?？赏ㄟ^(guò)將水綿撈出水用吸水紙反復(fù)吸干其周圍的水分，再用天平稱取平均分成若干份樣品，解決該問(wèn)題。

1.3 NaHCO3濃度梯度的設(shè)定 查閱文獻(xiàn)資料，先以0 g/100 mL和4 g/100 mL(恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h)為梯度做預(yù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 g/100 mL的NaHCO3溶液組中水綿基本枯黃糜爛，而對(duì)照組則正常生長(zhǎng)，說(shuō)明過(guò)高濃度的NaHCO3會(huì)引起細(xì)胞脫水過(guò)多而死。繼續(xù)設(shè)置0 g/100 mL、1 g/100 mL和2 g/100 mL(恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h)為梯度做預(yù)實(shí)驗(yàn)，預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，說(shuō)明2 g/100mL的濃度依然過(guò)大。因此，本實(shí)驗(yàn)最終確定以0.3 g/100 mL為1個(gè)梯度，設(shè)置0 g/100 mL、0.3 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.9 g/100 mL、1.2 g/100 mL和1.5 g/100 mL 6個(gè)梯度。

表1 NaHCO3濃度對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響(25℃，24 h)

1.4 儀器的使用 溶解氧的含量是評(píng)價(jià)水體、水質(zhì)和水體自凈能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本研究用溶解氧傳感器測(cè)定，能實(shí)時(shí)量化呈現(xiàn)溶液的溶解氧濃度(精確到0.01)變化情況直至穩(wěn)定，就可記錄數(shù)據(jù)。其具有方便、快速和準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

影響植物光合作用的因素很多，主要是光、CO2和溫度等方面；NaHCO3在室溫下能緩慢分解為CO2，其反應(yīng)式是2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O。

3 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)據(jù)采集器、溶解氧傳感器(0～15 mg/L)、電腦、一次性透明塑料杯、量筒、天平。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料 NaHCO3、水綿。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 溶液配制 0 g/100 mL、0.3 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.9 g/100 mL、1.2 g/100 mL和1.5 g/100 mL 6個(gè)梯度的NaHCO3溶液各100 mL。

4.2 水綿準(zhǔn)備 將野外獲取的水綿用清水多次沖洗，用鑷子將夾雜在水綿中的雜質(zhì)去掉，然后用吸水紙多次吸水，盡可能將水綿表面的水分吸干，吸干后的水綿非常輕，將水綿平分為6份，每份0.3 g。稱完后盡快分別放回水體中培養(yǎng)。

4.3 連接傳感器 將數(shù)據(jù)采集器和溶解氧傳感器以及電腦連接好，并進(jìn)行調(diào)試(數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為手動(dòng)，數(shù)據(jù)采集器調(diào)出溶解氧0～15 mg測(cè)試項(xiàng)目，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1 s 10個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)定1000個(gè)數(shù)據(jù)，輸出形式為數(shù)字)，分別測(cè)定6個(gè)裝置中的溶解氧濃度，作為第0 h的數(shù)據(jù)。

4.4 培養(yǎng)箱培養(yǎng) 將6個(gè)裝置全部置于光溫穩(wěn)定的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(800 Lux，25℃)16 h、24 h和32 h。

4.5 測(cè)定數(shù)據(jù) 在培養(yǎng)16 h、24 h和32 h后用溶解氧傳感器(數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為手動(dòng)，數(shù)據(jù)采集器調(diào)出溶解氧0～15 mg測(cè)試項(xiàng)目，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1 s 10個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)定1000個(gè)數(shù)據(jù)，輸出形式為數(shù)字)分別測(cè)定每個(gè)組中的溶解氧濃度，根據(jù)軟件生成圖形和數(shù)字讀取數(shù)據(jù)和記錄(表2)。重復(fù)試驗(yàn)3次，整理相關(guān)數(shù)據(jù)并用Origin繪圖軟件繪制圖形。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

不同濃度的NaHCO3和處理時(shí)間的長(zhǎng)短都對(duì)水綿光合作用強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響(表2)。0.3～0.9 g/100mL的NaHCO3在處理16 h、24 h、32 h后都能明顯促進(jìn)水綿的光合作用強(qiáng)度，說(shuō)明適量補(bǔ)充CO2能促進(jìn)植物光合作用強(qiáng)度。另外，CO2補(bǔ)充的時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，數(shù)據(jù)表明處理時(shí)間長(zhǎng)度為24h時(shí)對(duì)植物的光合作用強(qiáng)度的促進(jìn)作用最好，CO2補(bǔ)充時(shí)間為32h時(shí)，對(duì)水綿的光合作用強(qiáng)度的促進(jìn)作用呈下降趨勢(shì)，這可能是因植物長(zhǎng)期生活在高濃度CO2下導(dǎo)致植物光合能力下降，也即產(chǎn)生光合適應(yīng)。

表2 NaHCO3濃度對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響(25℃，“+”數(shù)目表示量多少)

綜上所述，0.3 g/100 mL NaHCO3處理水綿24 h對(duì)水綿的光合作用強(qiáng)度的促進(jìn)作用最明顯。建議進(jìn)一步探究：①CO2對(duì)水生植物與陸生植物光合作用強(qiáng)度的促進(jìn)作用是否存在差異；②CO2補(bǔ)充引起的光合適應(yīng)是否存在周期性解除。