溶解氧傳感器—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在改進(jìn)種間關(guān)系實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

畢學(xué)友 張淼 管婷

摘? 要? 高中生物生態(tài)學(xué)種間關(guān)系探究實(shí)驗(yàn)中，研究對(duì)象草履蟲(chóng)對(duì)水質(zhì)要求甚高，如果采用傳統(tǒng)的生態(tài)缸進(jìn)行養(yǎng)殖，無(wú)法保證其生存和繁殖，將溶解氧傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控溶解氧含量和遠(yuǎn)程控制加氧裝置運(yùn)行，使水質(zhì)得到有效改善，保證草履蟲(chóng)的生存和繁殖，探究種間關(guān)系實(shí)驗(yàn)得以成功進(jìn)行。

關(guān)鍵詞? 高斯假說(shuō)；草履蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)；溶解氧傳感器；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）11-0131-06

1? 實(shí)驗(yàn)背景及問(wèn)題發(fā)現(xiàn)

高中生物教材選修二關(guān)于生態(tài)的章節(jié)，講述了

種間關(guān)系中的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，選用的是俄羅斯生態(tài)學(xué)家高斯的大小草履蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)。高斯在1934—1935年提出高斯假說(shuō)（Gauses Hypothesis），即競(jìng)爭(zhēng)排斥原理：由于競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，兩個(gè)類(lèi)似的物種不能占有類(lèi)似的生態(tài)位，而是以某種方式彼此取代，使每個(gè)物種具有食性或其他生活方式上的特點(diǎn)，從而在生態(tài)位上產(chǎn)生分離的現(xiàn)象，這一假說(shuō)稱(chēng)為高斯假說(shuō)。高斯做了經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，研究不同種的草履蟲(chóng)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。A、B、C三種草履蟲(chóng)開(kāi)始都單獨(dú)培養(yǎng)在管中，捕食細(xì)菌和酵母菌[1]。

實(shí)驗(yàn)1：把A和C放在1個(gè)培養(yǎng)管中，C總是偏向于消失。他發(fā)現(xiàn)A生長(zhǎng)速度是C的6倍，更加有益于利用有限的資源。他提出競(jìng)爭(zhēng)排擠：如果兩個(gè)物種競(jìng)爭(zhēng)有限的資源，利用資源更有益的物種將會(huì)排擠另外一個(gè)，當(dāng)資源有限時(shí)，沒(méi)有兩個(gè)物種在相同的生態(tài)位能共存。

實(shí)驗(yàn)2：把上次被打敗了的草履蟲(chóng)C和另外的草履蟲(chóng)B放在一起，他假設(shè)這兩個(gè)物種也會(huì)競(jìng)爭(zhēng)有限的細(xì)菌食品，其中一個(gè)會(huì)勝出。但是，沒(méi)有產(chǎn)生預(yù)期假設(shè)，B和C都存活下來(lái)了，它們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)方法分割食品資源。怎樣做的呢？培養(yǎng)管的上層氧氣濃度和細(xì)菌的密度都很高，C占據(jù)了這個(gè)位置，原因是它更加有能力捕食細(xì)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(gè)物種的生態(tài)位重疊的不是太多，因此，都活了下來(lái)。但是，競(jìng)爭(zhēng)仍舊對(duì)參與者施加了負(fù)面效應(yīng)：第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是當(dāng)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候，二者的密度是有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)候的3倍還要多。

課題小組曾模仿過(guò)高斯假說(shuō)實(shí)驗(yàn)，但由于草履蟲(chóng)是好氧生物，對(duì)水質(zhì)要求非常高，尤其是對(duì)于溶解氧含量特別敏感，當(dāng)溶解氧含量低于8 mg/l，草履蟲(chóng)就會(huì)出現(xiàn)游動(dòng)能力減弱，當(dāng)?shù)陀? mg/l甚至?xí)劳觯瑢?dǎo)致嚴(yán)重干擾實(shí)驗(yàn)。因此，怎樣保證水質(zhì)質(zhì)量保證草履蟲(chóng)生存，使得草履蟲(chóng)的數(shù)量變化只因種間關(guān)系而變化，而非因水質(zhì)缺氧死亡而減少，消除水質(zhì)這一無(wú)關(guān)變量問(wèn)題的影響是本實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵[2]。

2? 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)運(yùn)用溶解氧傳感器結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，精確測(cè)得水中的溶解氧含量，并且發(fā)送數(shù)據(jù)至手機(jī)微信小程序，實(shí)現(xiàn)手機(jī)遙控，遠(yuǎn)程控制加氧器的電源，維持水中溶解氧含量較穩(wěn)定環(huán)境，創(chuàng)造觀察草履蟲(chóng)的種間關(guān)系的可能性。

3? 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)組裝

實(shí)驗(yàn)材料包括大小兩種草履蟲(chóng)A和B、溶解氧傳感器—單片機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、磁力攪拌加氧器、3 L飼養(yǎng)缸、血球計(jì)數(shù)板、血蓋片、移液器、酵母、數(shù)碼顯微鏡、1%的NaCl溶液（見(jiàn)圖1）。

4? 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

4.1? 草履蟲(chóng)的培養(yǎng)及取樣檢測(cè)活性

草履蟲(chóng)只由一個(gè)細(xì)胞構(gòu)成，是單細(xì)胞原生動(dòng)物，雌雄同體。屬于纖毛綱、膜口目、草履蟲(chóng)科，世界已知有二十多種。生活在有機(jī)質(zhì)較豐富的池塘，體長(zhǎng)只有180～280 μm。草履蟲(chóng)的壽命可達(dá)5晝夜以上。常見(jiàn)的有大草履蟲(chóng)（長(zhǎng)180～300 μm）、雙小核草履蟲(chóng)（長(zhǎng)80～170 μm，伸縮泡2個(gè)，有兩個(gè)小核，很?。?、小草履蟲(chóng)（長(zhǎng)180～310 μm，有時(shí)有3個(gè)伸縮泡，小核泡型）、放毒型草履蟲(chóng)等。我們采購(gòu)了兩種草履蟲(chóng)為A和B，經(jīng)過(guò)鏡檢與草履蟲(chóng)的分類(lèi)檢索表比較，確認(rèn)A為大草履蟲(chóng)，B為小草履蟲(chóng)。A和B分別飼養(yǎng)在3 L飼養(yǎng)缸中1號(hào)缸和2號(hào)缸，采用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)保證，分別飼養(yǎng)到接近K值，0.5 ml中大草履蟲(chóng)K值375左右，小草履蟲(chóng)K值1 000左右。為保證參與種間反應(yīng)的草履蟲(chóng)的活性，我們決定使用1%的NaCl溶液刺激其應(yīng)激性的方法（見(jiàn)圖2）確定活性后，用血球計(jì)數(shù)器測(cè)定密度，然后按照密度量取相同數(shù)量的草履蟲(chóng)A和B投入3號(hào)飼養(yǎng)缸中混合飼養(yǎng)，每天隨機(jī)抽樣檢查，采用水面—水中—水底，取3次樣，顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)測(cè)得密度，觀察其種間關(guān)系。

4.2? 血球計(jì)數(shù)板使用及密度換算的方法

1）將血球計(jì)數(shù)板用擦鏡紙擦凈，務(wù)必保證沒(méi)有水，否則會(huì)稀釋液體影響計(jì)數(shù)，在中央的計(jì)數(shù)室蓋上專(zhuān)用的蓋玻片。

2）用移液器從草履蟲(chóng)飼養(yǎng)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(huì)流到凹槽中，并稍待片刻使?jié)嵋和耆M(jìn)入計(jì)數(shù)室中。

3）將血球計(jì)數(shù)板移入顯微鏡下觀察。

4）計(jì)數(shù)時(shí)，隨機(jī)取樣，計(jì)算培養(yǎng)液中的草履蟲(chóng)個(gè)數(shù)。應(yīng)取左上、左下、右上、右下至少4個(gè)中方格和中央的一個(gè)中方格計(jì)算草履蟲(chóng)個(gè)數(shù)。

5）當(dāng)遇到位于方格線上的草履蟲(chóng)，采用樣方法

中“計(jì)上不計(jì)下，計(jì)左不計(jì)右”的計(jì)數(shù)原則。

6）對(duì)每個(gè)樣品計(jì)數(shù)3次，取其平均值，再按公式計(jì)算每毫升培養(yǎng)液中所含的草履蟲(chóng)個(gè)數(shù)。

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

4.3? 溶解氧傳感器—單片機(jī)—遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)的使用方法及數(shù)據(jù)采集方法

溶解氧傳感器是一種用于測(cè)量氧氣在水中的溶解量的傳感設(shè)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(shù)表示（mg/L）。溶解氧以分子狀態(tài)存在于水中，水中溶解氧量是水質(zhì)重要指標(biāo)之一，當(dāng)水體溶解氧低于8 mg/L，魚(yú)類(lèi)就會(huì)浮頭，當(dāng)?shù)陀? mg/L就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物死亡?？紤]到草履蟲(chóng)是單細(xì)胞生物，不能使用常規(guī)的電泵水循環(huán)系統(tǒng)，泵水的過(guò)程中激烈的水流會(huì)使草履蟲(chóng)破裂，我們采用磁力攪拌的方法來(lái)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(jī)和遠(yuǎn)程Wi-Fi控制電源組裝在一起，可以隨時(shí)使用微信小程序監(jiān)控水中溶解氧含量，設(shè)定每30分鐘測(cè)氧一次，報(bào)警設(shè)置為6 mg/L。當(dāng)溶解氧低于6 mg/L，手機(jī)就會(huì)接到報(bào)警信號(hào)，既可手動(dòng)也可自動(dòng)遠(yuǎn)程打開(kāi)電源，使磁力加氧器運(yùn)行，增加溶解氧含量（見(jiàn)圖3）。

5? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

5.1? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）將A型大草履蟲(chóng)和B型小草履蟲(chóng)分別倒入2個(gè)培養(yǎng)缸中，食用酵母菌為飼料，放置室溫下培養(yǎng)，使用溶解氧—物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，保證草履蟲(chóng)的生長(zhǎng)和繁殖。每天進(jìn)行采樣，使用血球計(jì)數(shù)板詳細(xì)記錄2個(gè)培養(yǎng)缸上、中、下層草履蟲(chóng)密度，培養(yǎng)并持續(xù)觀察和記錄（見(jiàn)圖4）。

2）第5天當(dāng)草履蟲(chóng)生長(zhǎng)到接近K值后，大草履蟲(chóng)A型接近375，小草履蟲(chóng)B型接近500。我們按照密度量取體積，保證投入數(shù)量相同的兩種草履蟲(chóng)在第3缸中混合飼養(yǎng)。投入充足的食物，給予溶解氧—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制水環(huán)境，保證溶解氧和溫度不會(huì)劇烈變化。從不同的生態(tài)位（上、中、下）取樣，記錄3缸中A、B型草履蟲(chóng)分別在上層、中層、下層的生長(zhǎng)曲線，并進(jìn)行比較（見(jiàn)圖5、圖6）。

5.2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)可以看出不同生態(tài)位下，雖然起始濃度相同，但是A型大草履蟲(chóng)和B型小草履蟲(chóng)生長(zhǎng)狀況不同：

1）上層培養(yǎng)液中，B型草履蟲(chóng)由于繁殖速度快，在數(shù)量和密度上占優(yōu)勢(shì)，而A型草履蟲(chóng)由于在競(jìng)爭(zhēng)上失利，總數(shù)在不斷減少；

2）中層與上層培養(yǎng)液密度相差不大；

3）下層培養(yǎng)液中，A型草履蟲(chóng)相比上層數(shù)量略多。

分析大概B型小草履蟲(chóng)對(duì)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(chóng)在表層水面競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)B型小草履蟲(chóng)，但是在水底的環(huán)境下也能生存，因此，水底的A型大草履蟲(chóng)數(shù)目要多一些。

根據(jù)如上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們得出結(jié)論：A型大草履蟲(chóng)和B型小草履蟲(chóng)在培養(yǎng)液上、中層生態(tài)位呈現(xiàn)明顯競(jìng)爭(zhēng)的種間關(guān)系，B型草履蟲(chóng)在競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)；在相對(duì)缺氧的培養(yǎng)液底層生態(tài)位，A型大草履蟲(chóng)占優(yōu)勢(shì)。

6? 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及展望

本實(shí)驗(yàn)最初是青島市某校一個(gè)拓展型生態(tài)類(lèi)校本課程實(shí)驗(yàn)，成功率極低，頭一天購(gòu)買(mǎi)的草履蟲(chóng)，第二天下午做實(shí)驗(yàn)時(shí)基本找不到。為什么草履蟲(chóng)不見(jiàn)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(fēng)暴猜測(cè)是不是購(gòu)買(mǎi)被欺騙、草履蟲(chóng)餓死、草履蟲(chóng)凍死，等等，之后課題小組成員進(jìn)行測(cè)試，終于發(fā)現(xiàn)草履蟲(chóng)對(duì)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(guò)很多方法，比如水循環(huán)泵，結(jié)果草履蟲(chóng)被激烈的水流沖死；放入水草進(jìn)行光合作用制造氧，也不成功，最后課題組覺(jué)得磁力攪拌器不錯(cuò)，將攪拌速率調(diào)到低檔，對(duì)草履蟲(chóng)不構(gòu)成危害，又增加了水分子和空氣的接觸面積。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是怎樣控制磁力攪拌器，課題組又嘗試了定時(shí)開(kāi)關(guān)，Wi-Fi開(kāi)關(guān)等，最終有了現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案。

課題組研究性學(xué)習(xí)小組找到北京綠刻度公司定制了這款設(shè)備，不但成功地證明高斯假說(shuō)成立，還創(chuàng)新性地在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了溶解氧傳感器—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嚴(yán)格控制了培養(yǎng)液中溶解氧濃度，保證實(shí)驗(yàn)材料草履蟲(chóng)的生存條件，體現(xiàn)生物相同生態(tài)位間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)。

課題小組未來(lái)會(huì)繼續(xù)培養(yǎng)更多不同品種的草履蟲(chóng)，并進(jìn)行種間關(guān)系實(shí)驗(yàn)，也將得到更多草履蟲(chóng)之間競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)，使得實(shí)驗(yàn)更為完善有說(shuō)服力。

7? 參考文獻(xiàn)

[1] 溫青，趙占良.普通高中教科書(shū)生物學(xué)選擇性必修2 生物與環(huán)境[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 楊革.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M]北京：科學(xué)出版社，2020.

[3] 陳坤.關(guān)于草履蟲(chóng)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2020，37（Z1）：73-75.