在科学探究中落实生物学科素养——中学生给玄武湖做“体检”

章熙东 王天钰 石昊源 （南京外国语学校 江苏南京 210008）

在科学探究中落实生物学科素养
——中学生给玄武湖做“体检”

章熙东 王天钰 石昊源 （南京外国语学校 江苏南京 210008）

测定了玄武湖2017年3月和5月在两个采样点共4次水样的水体状态，包括群落结构、叶绿素a含量、总N含量、总P含量，结果显示玄武湖中浮游植物群落结构存在显著的月份差异，且5月份浮游植物生物量显著高于3月份；从总氮、总磷含量看，3月份水质优于5月份，5月份玄武湖水质处于IV类水。本课题的实施有助于提高学生科学探究和理性思维能力，增强学生的环境保护和社会参与意识。

玄武湖 叶绿素a 总N含量 总P含量

1 引言

《普通高中生物课程标准（实验）》指出：“要注重使学生在现实生活的背景中学习生物学，倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学核心概念，并运用生物学的原理和方法参与公众事务的讨论。”这为促进学生核心素养的提升，开拓了广阔的实践空间。生物学作为一门实验学科，教学已不再局限于常规课堂，教师可利用选修课组织学生开展各种探究活动。笔者以所在城市的著名景点——玄武湖为对象，带领学生给玄武湖水质进行“体检”。学生在探究活动中，联系社会与生活，发现问题，解决问题，培养了科学探究和理性思维的能力，同时增强了环境保护和社会参与意识。

南京玄武湖是国家4A级旅游景区，属于小型城市浅水湖泊，是当地居民和外地游客流连忘返的地方。该湖景色宜人，具有调节城市气候、调蓄城市水资源、保护城市生物多样性等重要作用，同时具有丰富的景观功能。在南京城市发展过程中，曾因大量工业废水、生活污水偷排入湖，造成玄武湖的水质恶化，生态功能逐渐衰退，并多次发生水质污染事件。近年来，主管部门采取生态补水、清淤疏浚、法制宣传等方式综合治理玄武湖环境，取得一定效果，玄武湖的水质获得部分改善，但水体的富营养化还是比较严重。特别是自2010年玄武湖景区正式免费对外开放以来，人流量激增，在节假日时常出现游客“井喷”现象。部分游客的不文明行为在长年累月逼玄武湖“吃”下各种“垃圾”食品，使得玄武湖污染加重。

通常，水体中浮游植物群落结构组成及变化能够反映水体状态。那么近年来随着发展变化，玄武湖中目前浮游植物群落结构组成、时空分布如何呢？且受何种环境因子影响？为探究目前玄武湖水体的状态，我校生物兴趣小组利用选修课时间对玄武湖的浮游植物群落结构进行了分析，并监测了常规的水质指标（总氮、硝氮、氨氮和总磷以及叶绿素a浓度）。结合水质指标，探究了导致浮游植物群落结构变化的可能原因。

2 材料与方法

2.1 水样采集

本研究的地点为玄武湖，水面面积约3.7 km2，平均水深 1.14 m（118°47'E,32°04'N），为南京市的四大水系之一。本研究设定两个位点：site 1#和site 2#（图1），采样时间分别为2017年3月和2017年5月。水样采集使用水样采集器收集水下0.5 m处的水样各5 L，富集后用于分析水中浮游植物群落结构及测定叶绿素a浓度。此外，采集500 mL水样用于水质指标分析。

2.2 浮游植物群落结构分析

采集后的水样加入适量的鲁哥试剂固定后富集，取富集后的水样进行浮游植物群落结构分析。根据《中国淡水藻类——系统、分类及生态》和显微镜观察分析，将浮游植物主要分为绿藻硅藻和蓝藻。

2.3 叶绿素a浓度测定

2.3.1 测量方法及步骤

（1）以离心或过滤浓缩水样，在抽滤器上装好乙页码 电子书=quot;40quot; 纸书=quot;38quot;/gt;酸纤维滤膜。倒入定量体积的水样进行抽滤，抽滤时负压不能过大（约为50 kPa）。水样抽完后，继续抽1～2 min，以减少滤膜上的水分。如需短期保存1～2 d时，可放入普通冰箱冷冻；如需长期保存（30 d），则应放入低温冰箱（-20℃）保存。

图1 玄武湖采样位点分布

（2）取出带有浮游植物的滤膜，在冰箱内低温干燥6～8 h后放入组织研磨器中，加入少量碳酸镁粉末及2～3 mL的质量分数为90%的丙酮溶液，充分研磨，提取叶绿素a，在3 500 r/min下离心10 min。将上清液倒入5 mL容量瓶中。

（3）再用2～3 mL的质量分数为90%的丙酮溶液，继续研磨提取，在3 500 r/min下离心10 min，并将上清液再转入容量瓶中，重复1～2次，用90%丙酮定容为5 mL摇匀。

（4）将上清液在分光光度计上，用1 cm光程的比色皿，分别读取750 nm、663 nm、645 nm、630 nm波长的吸光度，并以质量分数为90%的丙酮做空白吸光度测定，对样品吸光度进行校正。

2.3.2 计算方法

叶绿素a的含量按如下公式计算。

式中：V—水样体积（L）;

D—吸光度；

V1—提取液定容的体积（mL）;

δ—比色皿光程（cm）。

2.4 常规水质指标测定

水质测定包含总氮，硝氮，氨氮和总磷含量测定。这些指标根据《水和废水监测分析方法（第四版）》上的方法进行测定。

3 结果与分析

3.1 浮游植物群落结构的变化

通过分析发现，玄武湖中浮游植物群落结构存在显著的月份差异。其中，3月份主要以硅藻和绿藻为主，且硅藻以直链藻属为主要优势种属，绿藻以小球藻属为优势种属，其平均藻细胞浓度分别为2.1×103个·mL-1和1.58×103个·mL-1。然而，5月份的浮游植物生物量显著高于3月份，且主要以超微藻为主，其细胞浓度达3.6×107个·mL-1，而不同位点的差异不明显。这说明随着月份的变化，玄武湖中浮游植物群落结构发生了显著的变化。

同时，通过对水体中叶绿素a浓度的测定发现，5月份玄武湖中的生物量显著高于3月份（图2）。3月份叶绿素a浓度为0.10 μg·L-1，而5月份叶绿素a浓度剧增到43.7 μg·L-1（该值是3月份的437倍）。说明玄武湖在5月份出现了浮游植物暴发的情况，这与显微计数法相吻合。接着结合水质指标探究引发其变化的可能的环境驱动因子。

图2 玄武湖中叶绿素a浓度变化

3.2 水质指标的变化情况

调查发现，玄武湖中除硝氮以外，氮含量在5月份均显著高于3月份（图3）。其中，就1#和2#的平均值来说，总氮从0.77 mg·L-1升高至1.16 m·L-1，氨氮从0.14 mg·L-1增至0.69 mg·L-1。从总氮角度来看，玄武湖水质5月份处于IV类水。然而，3月份的硝氮浓度反而略高于5月份，从0.34 mg·L-1降至 0.28 mg·L-1。有研究表明浮游植物对氨氮的利用效率高于硝氮，因此氨氮浓度的上升可能导致了玄武湖中5月份生物量的异常暴发。此外，总磷也呈现出显著月份差异。其浓度从0.091 mg·L-1增至0.13 mg·L-1。从总磷角度来看，玄武湖水质5月份处于III类水。磷元素被认为是淡水水体中浮游植物主要的限制因子，因此磷浓度的上升可能也是导致玄武湖中5月份浮游生物的异常生长的驱动因子之一。

此外，不同采样点的氮磷浓度具有一定差异，其中2#点的氮磷浓度均略高于1#点（图3）。这可能与水体流动性有关，1#点处于相对较开放水域，水体流动略高，而2#点处于湾部，水体滞留时间较1#点长，更加有利于浮游植物生长。叶绿素a浓度分析结果佐证了这一观点。

图3 玄武湖的水质指标变化

3.3 采样期间平均气温的变化情况

采样期间玄武湖区域的平均气温从3月份的约13℃剧升至约24℃。而浮游生物通常具有较高的适宜生长温度，如绿藻最适生长温度约为20℃。较低的温度可以显著抑制藻类生长，而气温的上升可以显著增加藻类的生长速率。因此较高温度也可能是驱动5月份玄武湖中浮游植物快速繁殖的环境因子之一。

4 结论

（1）玄武湖中浮游植物群落结构存在显著的月份差异，且5月份浮游植物生物量显著高于3月份。

（2）玄武湖中3月份主要以硅藻和绿藻为主，且硅藻以直链藻属为优势种属，绿藻以小球藻属为优势种属。而5月份主要以超微藻为主。

（3）玄武湖中营养盐水平5月份显著高于3月份，且5月份水质总体水平处于Ⅳ类水。

5 结束语

培养学生的生物学科素养，鼓励学生参与科学实践，使学生在实践中加深对知识的理解、对技能的掌握、对学科思想的领悟，从而促进学生的终身发展。正如学生所说：“本次实践拉近了我与环境保护的距离。保护环境，缓解水污染，不一定要我们做出卓有成效的工作。我们从身边的玄武湖入手，从生活中相对熟悉的事物入手，也许这就可以成为我们迈向科研的第一步。在提取绿藻样品的过程中，我们亲自参与，学习操作要领，提升实践能力。科学实验的缜密细致，不容差错从中体现。我们不应只在教材上接近环境保护，只有亲临现场才让人有感而发。这次探究活动，我开始逐渐树立了强烈的环保意识。一张张触目惊心的图片真实地反映出水污染治理的不足。作为中学生的我们，理应以天下为己任，从我做起，从身边的小事做起，为环境保护出一份力。”

[1] 胡鸿钧,魏印心.中国淡水藻类—系统、分类及生态[M].科学出版社,2006.

[2] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社,2002.

[3] SchindlerD W,Hecky R E,Findlay D L,etal.Eutrophication oflakes cannotbe controlled by reducing nitrogen input: results of a 37-year whole-ecosystem experiment[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2008,105(32):11254.

[4] 秦伯强,高光,朱广伟等.湖泊富营养化及生态系统响应[J].科学通报,2013,58(10):855-864.

[5] 马建荣,邓建明,秦伯强等.湖泊蓝藻水华发生机理研究进展[J].生态学报,2013,33(10):3 020-3 030.

Q-33

B