探究水污染对生物的影响及生物的净化作用

黄春晓 伯海英

（1 福建省厦门第一中学 福建厦门 361001 2 厦门市教育科学研究院 福建厦门 361001）

人教版7年级《生物学》下册第4 单元第7 章第2 节“探究环境污染对生物的影响”前半部分内容围绕大气污染安排模拟探究活动“酸雨对生物的影响”，后半部分则介绍了我国的水污染情况及水污染防治措施，但教材未设置相应的探究活动。受“酸雨对生物的影响”探究实验的影响和启发，一些学生要求再试一试水污染对生物的影响。为了满足学生的探究热情，教师组织学生小组合作设计并实施实验“探究水污染对生物的影响”。有一组学生在实验方案中提出“水草能否净化污水”的问题，受到该组学生的启发，教师将实验拓展到“生物对污染水质的净化作用”，这有利于帮助学生深刻理解生物与环境的关系。本实验充分体现了学习中教学相长的乐趣。

沉水植物对污水净化效果显著，因其通气组织特别发达，能在水中空气极度缺乏的情况下通过光合作用增加水体中的溶解氧含量［1］，并且为适应水中生活，茎、叶和表皮都与根一样具有吸收作用，能直接吸收水体中的营养物质，有效降低污水中的氮、磷等营养物质含量水平［2-3］。硝化细菌是一类化能自养好氧型细菌，包括亚硝化细菌和硝化细菌，亚硝化细菌能将水体中的氨氮转化成亚硝酸氮，硝化细菌能将亚硝酸氮最终转化为硝酸氮，从而净化水体水质［4］。

由于该实验是学生自己想做的，学生自主性强，参与度高，积极参与共创最优实验方案。从发现问题、选取实验材料，设计实验思路，再到数据统计和作图分析等，在科学探究过程中运用理性思维，实现了在教材基础上的深度学习。

1 实验设计思路

1.1 实验1：探究水污染对生物的影响 家庭洗涤类污水是学生最常见的污水，本实验在学生讨论的基础上，选取洗涤剂溶液（洗衣粉、洗手液、洗洁精）模拟洗涤污水。选取水蚤作为水污染指示生物，水蚤身体透明，对污染物敏感，在短时间内就能表现出变化，是污染生态学领域的模式生物。选取水蚤，受到人教版8年级下册教材“探究酒精对水蚤心率的影响”的启发，也为该实验积累经验。

1.2 实验2：探究生物对污染水质的净化作用结合家庭养鱼的经验，选取沉水植物、硝化细菌制剂对模拟污水进行净化，观察水蚤的心率变化。

1.3 小组合作设计并实施实验 学生小组根据兴趣选择模拟洗涤污水的种类及净化生物（表1），体现了实验的开放性，极大地调动了学生积极思维、主动参与学习的积极性；选取同种模拟洗涤污水的小组之间可共享实验数据，不仅节省了重复实验的时间，还可进行生物净化效果的横向对比。

表1 学生分组实验

1.4 收集和分析数据 在数码互动实验室组织实验观察，收集水蚤在培养液、模拟污水及净化水中的心率变化，进一步在Excel 软件中完成作图分析，有效提高课堂效率。有3 个亮点：一是运用数码显微镜的实时拍摄技术，突破水蚤心率计数难点； 二是有助于教师实时反馈各小组的实验进度，及时给予指导和帮助；三是有利于学生之间的共享和交流。

2 方法

1）配制模拟污水梯度溶液。选取一种生活洗涤用品，根据预实验（以出现水蚤致死效应为界）确定污水浓度梯度，例如洗衣粉选取4 个浓度：0.25%、0.5%、1%、2%。

2）第1 次水蚤心率计数。观察水蚤在对照组（培养液）和实验组（模拟污水）中的心率变化，具体操作如下： 用胶头滴管吸取培养液中的水蚤置于载玻片中央，撕取少量棉絮置于液滴中，静置1 min 后置于数码显微镜下观察，用计数器辅助记录水蚤心率；吸干载玻片上的培养液，迅速向水蚤滴加污水，静置1 min 后置于数码显微镜下观察，记录水蚤心率。

3）生物净化处理。选取沉水植物（水蕴草）或硝化细菌制剂或两者混合进行污水净化，分别向200 mL 污水中加入20 g 水蕴草或2 mL 硝化细菌制剂，静置24 h。

4）第2 次水蚤心率计数。方法同步骤2。

5）数据处理与绘图。将水蚤在培养液、模拟污水、 净化水中的心率记录整理在Excel 实验报告里，绘制折线图（图1）。

图1 用Excel 软件绘制的水蚤心率变化图

6）分析数据。对比分析水蚤在3 种溶液中的心率变化。

3 结果

以水蕴草净化洗衣粉溶液为例（图2）。

图2 水蚤心率变化图（水蕴草净化洗衣粉梯度溶液）

在培养液中，水蚤的平均心率为140 次/min左右。在0.25%洗衣粉溶液中，水蚤心率受到明显的抑制，从第1 min 的113 次下降到第3 min的92 次； 而在经过净化后的污水中水蚤心率受到的抑制作用减弱，从第1 min 的121 次到第3 min 的110 次，均高于前者。与0.25%洗衣粉溶液相比，0.5%洗衣粉溶液对水蚤心率的抑制作用更加明显，从第1 min 的96 次下降到第3 min的65 次，在净化水中水蚤心率从第1 min 的112次到第3 min 的100 次，受到的抑制作用减弱。在1%洗衣粉溶液中水蚤心率则从第1 min 的96 次迅速下降到第3 min 的49 次，在2%洗衣粉溶液中水蚤心率受到的抑制明显高于前者，在第1 min 时仅66 次，到第3 min 时已下降到42次；以上2 种浓度的洗衣粉溶液经净化后均对水蚤心率的抑制作用减弱，前3 min 的平均心率均高于未经净化的洗衣粉溶液。总的来说，随着洗衣粉溶液浓度的增加，水蚤心率受抑制的程度逐渐加深，而经过净化的洗衣粉溶液对水蚤心率的抑制作用明显减弱。

图3 水蚤心率变化图（硝化细菌净化洗洁精梯度溶液）

图4 水蚤心率变化图（硝化细菌净化洗手液梯度溶液）

其他模拟洗涤污水，例如洗洁精（图3）、洗手液（图4）等对水蚤心率的影响与洗衣粉溶液相似，生物净化效果也相似。

实验结果显示，生活洗涤类污水（洗衣粉、洗洁精、洗手液等）对水蚤心率有明显的抑制作用，经生物净化后的污水对水蚤心率的抑制作用减弱。

4 讨论

学生受“酸雨对生物的影响”探究实验的影响和启发，提出“探究水污染对生物的影响”的探究设想，在教师的指导下，合作设计解决方法，进而利用科学、技术、数学等知识解决问题，并运用理性方法验证解决效果。从实验设计到实施，班级成员汇聚集体的理解、努力和分工寻求问题的解决。总的来说，本实验的创新价值主要表现在以下4个方面：

1）源于生活。关于人类活动对环境造成的影响，相对于大气污染而言，家庭洗涤类污水更贴近学生的生活。本实验选取洗涤剂溶液作为模拟生活污水，模拟探究水污染对生物产生的影响，同时调动学生家庭养鱼经验提出污水净化方法，有效激发了学生的探索欲望。

2）创新思路。在教师的指导下，学生从生活中的实际问题出发，改进已有研究方法用于解决新问题，组内分工、组间分享，从模仿“探究酸雨对生物的影响”所做的“探究水污染对生物的影响”，到进一步“探究生物对污染水质的净化作用”，拓展出全新的实验。同时，借助数码互动实验室大幅提高了实验教学的效率，体现出技术创新对教学的促进作用。

3）深度学习。生活中的问题往往是复杂的问题，本实验立足于培养学生在真实情境下通过合作解决现实问题的能力，在实验过程中，学生小组合作、充分运用理性思维共同完成实验的设计、实施、分析和交流，并进一步深刻理解生物与环境的关系，这种深度学习正是学生成长所需要的。

4）感悟责任。通过对本实验的探究过程，学生直接观察到生物与环境相互影响的现象，感悟到生活中习以为常的习惯也有可能对环境造成不良影响，需要做一些改进。从小处说，这是个人习惯的小改变，从大处看，如果人人都自觉践行环保生活，人类对生物圈产生的负面影响一定会大幅降低，由此增进学生的社会责任。