研究根瘤菌土壤细菌对氮元素存在与否的影响

科目:地球与空间科学/土壤

课程时间:9～10周

适合年级:7～12

材料/技术

●20颗豆科植物的种子,例如豌豆、四季豆或三叶草。这些种子不能是提前嫁接过的(如果种子皮是有颜色的,通常表示这个种子是嫁接过的)。

●一个根瘤菌细菌的接种体,必须是对选定的宿主植物具有特定指向性的。可以从种子零售商那里买到合适的宿主种子以及细菌接种体。

●4个一样的或非常类似的花盆(或者其他适合的容器,但必须带有排水孔),花盆大小以足够装下1品脱(大约550毫升)土壤为宜。

●4品脱(大约2200毫升)细沙。

●1茶匙0-20-20(氮-磷-钾的成分比)的肥料;或者2茶匙0-10-10或0-10-5的肥料。只要它们不含有或几乎不含有氮,那么就可以使用不同的比率,例如0-12-6。

●天平。

●小盆,用来将植物上的土壤洗掉。

安全注意事项

当处理肥料以及细菌接种体时,应格外小心。

学习成果

学生们应该能够:

●收集、记录并分析得到的数据。

●鉴别调节装置并确认实验中的变量。

●描述具有以及不具有固氮细菌植物的生长情况。

●给那些可以为植物制造氮元素的细菌命名。

问题与目的

像可以影响植物生长的根瘤菌这样的硝化细菌,其作用是什么?

背景与调查

这一实验将会利用一种根瘤菌类土壤细菌以及一个宿主豆荚,来阐释土壤微生物在土壤多产化及营养丰富化方面所起的作用。

假设

在通读并理解了实验步骤后做出假设。例如:细菌根本不会影响豆荚的生长。

程序

1. 为每个容器贴上不同的标签

●没有附加物(沙子和植物);

●嫁接过的——没有施肥(沙子、细菌和植物);

●没有嫁接过的——施过肥的(沙子、肥料和植物);

●嫁接过的——施过肥的(沙子、肥料、细菌和植物)。

2. 将一半沙子(2品脱,大约1100毫升)放入混合碗或用于混合物的容器中,并在沙子中加入1茶匙0-20-20的肥料,搅拌均匀。如果使用0-10-10或0-10-5比率的肥料,就要用2茶匙的量;如果使用其他比率的肥料,也要按比例调整用量。

3. 向3号和4号盆中放入1品脱(大约550毫升)施过肥的土壤。向1号和2号盆中放入1品脱(大约550毫升)没施过肥的土壤。

4. 在每个盆中都种下5颗种子。

5. 在2号和4号盆中的沙子表层加入根瘤菌接种体。注意不要把根瘤菌错放入没有接种的盆中从而造成污染。

6. 给所有盆浇水,直到盆中的水刚好从盆底部的小孔溢出为止。可以使用自来水或蒸馏水。如果你使用的水是加过氯的,那么最好在使用前先将其在容器中放置一天,让水中的氯消散掉然后再使用。

7. 将每个盆分开放置于浅盘子或托盘中。让他们共同(以避免环境因素的影响)处于一个温暖、照明良好的位置,并且及时补充水分以使其保持潮湿。

8. 如果在种子已经发芽并长出几英寸高后,其中的一盆或几盆只有少于5颗的种子发芽,那么就去掉发芽最少的那盆,这样每盆中的发芽种子就保持一致了。

9. 根据课前的介绍让学生们预测实验结果,并将这些预测记录下来。

10. 每周至少2次进行观察测量并记录实验结果和发现。这些植物大概需要6周的时间生长出根节结,所以这一活动至少要进行9～10周的时间,这样才能观察到使用与不使用根瘤菌的情况下,植物生长之间的差别。

11. 测量并记录下每个盆中植物在空气中部分的高度。确定各个盆中植物的平均高度。在数据表中记录下来。

12. 观察植物的外表,包括颜色、叶子大小、叶片间隔,以及其他观察到的特征,记录在数据表中。

13. 在9周实验期结束时,收割实验植物。在收割时,将容器浸到一个浴盆中,并小心地把植物根部的泥土洗掉。注意不要在收割的时候破坏实验对象。

14. 在清洗过后,记录下每盆中实验植物的湿重。

15. 画一张草图或者用语言描述实验植物根部生长时的不同之处,并比较节结的形成以及每盆植物生命活力的不同。

16. 将实验植物在有阳光的地方放置几天风干,直到可以称量出一个比较稳定的干重数值。记录下每盆中植物的总干重。

17. 解释说明测量到和观察到的结果,并将其与你的预测进行对比,最后写下你的结论。

数据表(见下页表)

结果与分析

利用在数据表中收集到的数据制作一张曲线图,水平轴为时间,纵轴为植物高度(厘米)。为了对比实验结果,要将4盆植物的实验数据都绘制在同一张图上。只将每盆的平均值绘制其上即可。

利用收割植物时获得的数据绘制一张条线图,纵轴为植物质量,将每盆的标签贴在水平轴上。将每盆的湿重和干重分别绘制成两条条线图。

利用图表中的数据写一段总结,概括出4组植物的不同之处。

结论

你的假设成立了吗?为什么成立或者为什么不成立?

在实验过程中出现的问题是否可以通过进一步研究解决?

如果对一组豌豆使用根瘤菌接种体,你认为会产生什么样的影响?在现有实验基础上,如何通过进一步实验来检验“根瘤菌细菌可以增加土壤中的氮元素”这一假设?

评估

可能出现的评估问题:

●使用清洗过的沙子作为“土壤”的目的是什么?

●什么是固氮作用?

●实验中哪种植物的地上生长高度最高?

●实验中哪种植物的根部产生节结最多?

●硝化细菌与豆类例如豌豆植物之间的关系是什么?

拓展

●使用一种非豆类与一种豆类来研究更有利的共生关系。

●检查植物根部的节结,并将其放入培养皿中以研究产生的细菌。

●检查出现硝化细菌的土壤和器皿。

Falcon编译

词汇表

植物生长在空气中的部分——指植物暴露在地表之上的那些部分。

培养皿——指一种带有培养基的特别器皿,通常是用琼脂制成,有一个盖,用其来培养细菌,令细菌在其内生长。

肥料——指大量天然或人工合成物质中的一种,包括肥料和氮、磷、钾化合物,在土壤表面或内部作用,以增长其生产力,促使植物生长。

嫁接——指将微生物灌输到生物内部。

豆荚——指豆类家族中的一种。豆荚可以与根部节结上的根瘤菌产生共生关系。细菌帮助豆荚固氮,而豆荚则可以为细菌提供生存的空间。

硝化细菌——指很多可以参与氮循环的土壤细菌之一,循环过程包括氧化铵转化为亚硝酸盐,或亚硝酸盐转化为硝酸盐。

固氮——指通过某种土壤微生物的转化过程,例如根瘤菌就可以把大气中的氮转化为植物及其他有机物可以吸收的混合物。

根瘤菌——指众多根瘤菌类固氮细菌中的一种,它们可以在豆类植物的根部形成节结,例如三叶草和豆子。

根部——指植物在地面以下的部分。也就是豆类植物根部形成的节结,其内部含有硝化细菌。

共生——指两种或两种以上不同种类的不同生物体之间,紧密而长久的联系,但并不一定是对双方都有利的。