STEM理念下的中学生科学探究实践——超声与电解联合工艺除藻效果的评价

章熙东 谭啸 （南京外国语学校 江苏南京 210008）

1 引言

STEM教育将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）等整合在一起，强调对知识的应用和对学科之间关系的关注。STEM教育源于美国，是为提高全球竞争力而推行的一种美式素质教育，以“基于项目、跨学科、动手做”为主要特征。在学习过程中，学生可不断评估自己的兴趣和才能，进行个性发展。STEM教育绝非学科之间的简单加减，而是把各学科的知识综合起来，在真实的问题情境中进行运用，注重培养学生的创新能力、合作能力以及解决问题的能力。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》也指出，学科教学要高度关注学生学习过程的实践经历，让学生积极参与动手动脑活动，通过探究性学习活动或完成工程学任务，加深对学科概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神和真实情境下的问题解决能力。生物学教师可以积极思考教学中的拓展点，联系学生的生活实际，鼓励学生拓展思维进行独立思考，开展探究。

水是生命之源，但是水污染的问题越来越严重，受到了人们的重视。我校“关注水污染”的选修课为学生提供了科学探究的舞台。蓝藻作为一类原核生物，在高中生物教科书《必修1·分子与细胞》中被重点提及，蓝藻水华等水污染现象在高中生物教科书《必修3·稳态与环境》中也是重点，为本探究的开展提供了理论基础。蓝藻水华是多年来的水环境热点问题，很多研究者探索安全高效的应急处理措施。针对常见的水华优势种铜绿微囊藻，各种物理、化学、生物方法应运而生，大多处理技术都是以单一工艺为主，对联合工艺关注较少。一方面，超声技术是近年来一项较为成熟的除藻技术，已经得到推广应用。另一方面，由于藻细胞对电流作用较为敏感，电解除藻技术近年来受到越来越多的关注。因此，学生在查阅资料后，提出设想：可以联合电解与超声技术，研究铜绿微囊藻的去除工艺，为为藻水分离站和污水处理厂的应急除藻提供参考与借鉴。

2 材料与方法

2.1 藻种的选择与培养

实验所用的铜绿微囊藻藻种（Microcystis aeruginosa FACHB-469）购买自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。实验中采用BG-11培养基进行接种培养。待接种完成，将藻液放置在光照培养箱中恒温培养（25℃、光照2 000lx、光暗周期比12h∶12h），每日适当摇匀，待铜绿微囊藻长至对数期进行实验。

2.2 实验方法

本研究设置超声、电解、超声电解联合处理3组实验，对藻液取样进行流式细胞仪分析，实验时间设为60 min，取样间隔设为10 min，测量样品中藻细胞浓度、藻蓝素（APC）、叶绿素含量等数据。实验过程中保证反应体系的温度不超过25℃（超过25℃要及时冷却控温），同时记录每次到达温度阈值所需要的时间，观察处理前后藻液的颜色变化。

2.2.1 超声组

实验所用超声波反应器为医用水浴式超声波清洗仪。改变超声功率强度时对铜绿微囊藻进行以下实验，具体操作步骤如下：

（1）取适量原始藻液，经过离心机离心取底部藻细胞沉淀，加蒸馏水稀释，用流式细胞仪测量新配藻液的藻细胞浓度。待藻细胞浓度为2×106个/mL时，即取藻液开始实验。

（2）取3组240 mL的铜绿微囊藻液，加入10 mL的0.25 mol/L氯化镁溶液，实验时超声频率为35 kHz，功率强度分别为0.017 2、0.021 3和0.022 6 W/mL，后持续超声60 min，每次取样间隔为10 min，实验结束时用流式细胞仪进行分析。

2.2.2 电解组

实验所用电解装置电源为可调稳压电源，3种电流强度分别为：0.01、0.02和0.03 A，换算成单位体积电流密度为0.25、0.50和0.75 A/L。实验中所用电极为铂片电极（规格为10×10×0.1 mm3）。改变单位电流体积密度对铜绿微囊藻进行下列实验：

（1）与超声组一样，实验开始保证电解组各组实验藻液初始藻细胞浓度在2×106个/mL开始进行实验。

（2）同样取3组240mL的铜绿微囊藻液，加入10mL的0.25 mol/L氯化镁溶液作为电解质增强导电能力，电解实验体积电流密度分别为0.25、0.50和0.75 A/L，后持续电解60 min，每次取样间隔为10 min，实验结束时用流式细胞仪进行样品分析。

2.2.3 超声电解联合组

实验装置由超声和电解装置组装而成，在对藻液进行单一方法处理时，关闭另一装置；在对藻液进行联合处理时，同时打开两个装置。将上述超声强度和体积电流密度进行两两组合，处理时间和取样时间同上。实验装置示意图如图1所示。

图1 实验装置

2.3 实验除藻效果评价方法

采用叶绿素和藻蓝素的破坏率来表示除藻效果。每次实验前测量所用藻液的藻细胞浓度，尽量保证每组实验开始的生物量相等以减少生物量对实验结果带来的影响。实验时，将每个样品中所有藻细胞的叶绿素和藻蓝素值进行相加，以此方便对各组实验进行量化比较。具体计算及比较方法如下：

叶绿素（藻蓝素）剩余百分比为：Pt=，其中C为每组时间t时测定的剩余叶zt绿素（藻蓝素）总量，Cz0为每组实验前测定的初始叶绿素（藻蓝素）总量。

3 实验结果与分析

3.1 超声组的除藻效果

3.1.1 叶绿素和藻蓝素含量变化

图2和图3的实验结果表明，在超声时间0～40 min时，随着超声强度的增加，藻细胞的去除效果增加：0.0172W/mL＜0.0213W/mL＜0.0226W/mL。但在40min之后，0.0172 W/mL的藻蓝素和叶绿素去除效果和去除效率相反上升，在三组中藻细胞色素出现大量破坏时（40 min），0.022 6 W/mL的超声对色素的破坏效果最好。

图2 超声过程中藻蓝素荧光的变化

图3 超声过程中叶绿素荧光的变化

3.1.2 前向角和侧向角的变化

细胞的SSC（侧向散射光）能反应细胞内部颗粒度和精细结构的变化，而前向散射光FSC（前向散射光）能反应被测细胞的体积大小。综合二者变化情况及镜检情况来判断藻细胞的外观结构变化。图4为超声组超声过程中的FSC（实心）和SSC（空心）变化趋势图。

图4 超声过程中前向角（实心）和侧向角（空心）的相对值变化

由上图可以看出随着超声时间的延长，3组超声强度下藻细胞的SSC呈现下降趋势，且在10和40 min出现明显变化。三组藻细胞的FSC有两组（0.022 6 W/mL和0.017 2 W/mL）在10 min发生了明显的变化，同时在40 min时出现明显的下降，在40 min后无明显变化，超声60 min后的藻细胞镜检显示大量藻细胞已经裂解。

3.2 电解组的除藻效果

3种体积电流密度下电解组中样品中的藻细胞藻蓝素（APC）和叶绿素（Percp）总量随时间变化情况如图5所示。

图5 电解过程中叶绿素和藻蓝素荧光的变化

由上图得知，藻液在电解处理下藻蓝素和叶绿素在10 min左右就发生了剧烈变化，表示10 min左右藻细胞内部的色素就已经遭到了剧烈的破坏，而实验过程中藻液的颜色变化也可以证明藻细胞的生理活性遭到了严重的损伤。

3.3 超声电解联合组的除藻效果

实验证明大部分经过联合处理的藻细胞叶绿素和藻蓝素去除率均比均比单一方法处理的高，图7为三组的叶绿素（Percp）和藻蓝素（APC）的去除情况对比。下面通过保证超声强度相同，观察联合组中各小组的叶绿素（Percp）和藻蓝素（APC）去除率来对藻类的去除效果进行比较。

同一超声强度时变化体积电流密度时联合组内藻细胞内的叶绿素（Percp）和藻蓝素（APC）去除率变化情况。叶绿素（Percp）和藻蓝素（APC）的变化情况如图7所示。

综合藻蓝素和叶绿素的剩余百分比来说，联合组中，二者在20 min时9组的剩余比基本到达最低点，但当超声强度为0.021 3 W/mL时，藻蓝素的下降速率最快，在10 min左右便下降到8%左右，且随电流密度增大去除效果增加。而叶绿素的在超声强度为0.021 3 W/mL体积电流密度为0.50 A/L时达到最佳效果。综合上述结果，采用联合工艺处理铜绿微囊藻时，保证超声强度和体积电流密度分别为0.021 3 W/mL和0.5 A/L，处理时间为10 min，对铜绿微囊藻去除效果最为明显且处理效率最高。

4 实验结论

本探究主要研究了不同工艺处理下铜绿微囊藻的生理变化情况，同时对比了单一、联合工艺处之间的除藻效果。学生讨论后，得出以下主要结论：

（1）单一的超声处理对能对藻细胞内的色素产生一定的破坏效果，且随着超声强度的增强及超声时间的延长破坏效果增加。

（2）超声对细胞的大小及内含物影响较大，超声60 min后的藻细胞镜检图显示，细胞已基本裂解。

（3）单一的电解处理对藻细胞对藻内的色素破坏效果极为明显，10 min左右破坏率达到最高，且随体积电流密度和处理时间而增加。

（4）电解对细胞大小及内含物的影响没超声处理的影响明显。

（5）实验中发现联合处理的效果大多优于单一的工艺处理，综合处理效率及能耗等方面的考虑，超声强度0.021 3 W/mL、电流密度0.5 A/L，处理时间10 min为最佳处理参数。

5 实验反思

本课题源于学生在对南京市玄武湖进行一次“体检”后，针对“有污染该如何治理”的问题，查阅资料，提出了自己的设想。在教师的指导下，学生通过主动探究来验证自己的设想。学生从单一方法处理铜绿微囊藻联想到联合方法处理是否更有效，然后通过确定研究项目、实验设计、分工协作、开展实验、问题解决、产生新问题等环节进行了一次项目式学习。在学习的过程中，学生应用跨学科知识解决实际问题，进行团队合作，培养兴趣，锻炼能力。这样在解决项目的过程中，学生充分表达的是素养，而不是孤立的知识与技能。

与高中生物必修教材实验不同的是，STEM教学是基于现实生活中的问题情景，探索未知问题，比教材中的实验（验证实验，探究已知问题的实验）更有利于培养学生的创新精神和创造力，因而是教材实验的很好补充，利于培养学生科学探究和社会责任等生物学科核心素养。生物学教师要注意将知识的学习与学生生活实践结合起来，使学生通过科学探究的实践解决现实生活的实际问题，提升学生的实验设计、实验操作、数据收集和分析等科学探究能力，帮助学生形成生态系统稳态等重要概念，引导学生关注人类所生存的环境现状及应采取的措施。