探究沉水植物光合作用多个要素的实验方案

戚智河 温金环 苏金燕 黄活灵

（1 广州市从化区城郊中学 广东广州 510925 2 广州市从化区第五中学 广东广州 510920）

植物进行光合作用时，原料是CO2和水，需要光和适宜的温度，场所是叶绿体，及产物是有机物和O2等。在人教版7年级教材中，将光合作用的多个要素分成3 个实验进行探究，即“绿叶在光下制造有机物”“CO2是光合作用必需的原料”和“光合作用能产生O2”［1］。其中，前2 个是学生实验，后1 个是教师演示实验。这3 个实验的方法、材料和装置都不尽相同，并且有的实验操作有一定的难度，容易出现实验失误。

笔者对实验室固液反应实验中的发生装置进行改装，使其成为探究植物光合作用的实验装置。改装后的装置将发生装置和收集装置合二为一。利用该装置进行光合作用的实验，可将上述多个实验整合在一起，也可单独进行实验探究。

1 实验策略与实验装置

1.1 实验策略 首先，在温度和光照良好的条件下，设置对照实验：增加和减少养殖沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）的水中的CO2含量，探究光合作用产生气泡的速度是否相同？如果增加水中CO2的含量，光合作用产生气泡的速度加快，说明CO2是光合作用的原料。水中的CO2是否会被吸收利用而减少甚至消失？如果是，则再次证明CO2是光合作用的原料［2］。

其次，在光照下，当沉水植物的茎、叶或根的断截面连续不断地排出气泡时（沉水植物的根、茎、叶内存在着输送气体的通道），将装置移至阴暗处；如果观察到排出气泡的速度减慢甚至停止，再将实验装置移回光照下；如果沉水植物又恢复连续不断地排出气泡，且重复操作亦然，即可证明光合作用需要光。

再次，将收集实验产生的气泡，用带火星的木条进行检验。如果带火星的木条复燃，则说明光合作用产生的气泡是O2。

最后，上述实验结束后，取黑暗组、光下对照组和实验组中沉水植物的一段带叶的、长约5 cm的茎，放入小烧杯中，加入无水乙醇，隔水加热，除去叶绿素的干扰。取出叶片，滴入碘液。如果黑暗组的茎和叶片都不变蓝色，光下对照组的都变浅蓝色或蓝色，而实验组的都变蓝色，则证明绿叶在光下能制造有机物淀粉［3］。

1.2 实验装置

材料与试剂：新鲜的沉水植物黑藻（250 g；凉开水、自来水、澄清石灰水、无水乙醇、碘液、500 mL CO2、火柴等。

仪器：500 mL 锥形瓶2 只、带玻璃导管的双孔活塞2 个，30 mL 长颈漏斗2 只、500 mL 矿泉水瓶1 只、500 mL 和100 mL 量筒各1 只、温度计、500 mL 烧杯、小烧杯、酒精灯、石棉网、三脚架、剪刀、小试管、30 mL 针筒、玻璃棒等。

实验装置由一个500 mL 锥形瓶和带导管的双孔活塞，长颈漏斗，带玻璃珠的橡皮管、玻璃导管等组成（图1）。

图1 实验装置

2 实验方法与步骤

组装如图1所示实验装置，用带玻璃珠的橡皮管与2 个玻璃导管连接好，注意导管不要伸入瓶内，确保瓶内气体全部排出。长颈漏斗要伸到瓶的底部，防止实验时产生的气体被排出。然后塞上带导管和长颈漏斗的活塞，检查气密性并确保气密性良好后，按以下实验方案进行实验：

①将250 g 新鲜的沉水植物黑藻放黑暗处用水培养24 h，使叶片中原有的有机物淀粉消耗掉。实验前将水草的茎剪断成为长10～15 cm的小段后，放回黑暗处备用。②用石灰石与稀盐酸反应制取500 mL CO2，用向上排空气法收集满一矿泉水瓶。加入100 mL 自来水，密封后振荡，使CO2充分溶于水形成100 mL 碳酸水饱和溶液。在常温常压下，CO2溶于水的体积比为1∶1。将100 mL 饱和碳酸水溶液倒入装有400 mL自来水的大烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀，配制成500 mL 碳酸水稀溶液，即CO2与水的体积比为1∶5。③用油性笔在2 个500 mL 锥形瓶中标记A 和B。然后分别加入经过暗处理并被剪断的水草50～100 g。将A 瓶加满凉开水，B 瓶加满碳酸水稀溶液，然后用手拍打瓶身产生震动，或用玻璃棒挑动水草，排除瓶内空气气泡。④分别塞上带导管和长颈漏斗的活塞。这时，导管内是一小段空气，长颈漏斗内是一段水柱，而瓶内没有空气。⑤将A、B 2 个装置移至光下照射4～5 h。当长颈漏斗内被溶液填满后，用30 mL 针筒抽去溶液，共4 次。请按表1中的“实验方法与步骤”完成实验内容。注意观察实验现象，并将实验数据填入表中。

表1 沉水植物光合作用实验数据表

图2 黑暗组、对照组和实验组沉水植物与碘反应的变色情况

3 实验结果与分析

实验结束后，让学生填写以下内容：通过实验探究得知，CO2是光合作用的原料；植物光合作用需要光；光合作用能产生O2；绿叶在光下会制造有机物淀粉；黑藻的体内有输送氧气的通道；温度会影响植物的光合作用。

为什么B 锥形瓶里的CO2会减少甚至完全消失？从光合作用的公式：6CO2+6H2OC6H12O6+6O2中得知，水中的CO2作为光合作用的原料被沉水植物吸收利用了，且在光合作用过程中，植物吸收CO2的体积与产生O2的体积是相等的。实验前，在B 瓶中加入100 mL 左右的CO2，实验结束后收集到的O2也是100 mL 左右（CO2能溶于水，而O2不易溶于水），这样的实验结果是合理的。如果一个教学班验证O2的实验需要15～20 mL 的O2，则100 mL 左右的O2可以满足5～6 个教学班验证O2实验的需要。这样，教师在课前无需再准备多套相同的实验。

沉水植物在凉开水、自来水和碳酸水溶液中进行光合作用5 h 消耗CO2和产生O2的情况见表2。

表2 沉水植物光合作用消耗CO2 产生O2 情况的比较

4 实验反思

反思1：实验结束后，A、B 2 个装置内收集到的O2分别为约5 mL 和110 mL，但如果用自来水进行实验，一天内只能收集到15 mL 左右的O2。原因是凉开水、自来水和碳酸水溶液中所含有的CO2的量不同，且含量分别为基本无、很少和充足。因此，仅依靠沉水植物自身呼吸作用产生的CO2，或依靠天然水中含有的少量的CO2作为光合作用的原料制取氧气，获得氧气的量必然很少。为了完成多班教学演示实验的任务，教师在课前需要准备好多套的实验。因此，改进实验装置和增加水中光合作用的原料CO2，能很好地实现教学目的。

反思2：使用CO2作为原料进行光合作用实验，优于使用碳酸氢钠或碳酸钠。其一，前者是光合作用必需的原料，学生容易接受，后者不是光合作用必需的原料，学生不容易理解。其二，饱和的CO2水溶液为弱酸性，pH=4，且实验时使用的是CO2与水的体积比为1 ∶5 的碳酸水稀溶液。这对植物的伤害不大，自然界中的水也含有CO2。但是，碳酸氢钠和碳酸钠的水溶液均为碱性，pH 值分别为8和11，随着光合作用的进行，碳酸氢根或碳酸根离子被吸收利用，而溶液的碱性会逐渐增强；并且它们的腐蚀性对沉水植物的伤害较大，不利于连续多日重复实验的需要［4-5］。经过反复试验，400 mL 水与100 mL 饱和碳酸水溶液混合后（pH 值＞4），用于沉水植物黑藻的光合作用实验，对它的生长影响不大，且可多次重复使用。

是否CO2的含量越高就越好？答案是否定的。有资料显示，在常温常压下，CO2溶于水的体积比为1∶1。CO2含量过高时，碳酸水溶液很不稳定，易分解出CO2，导致收集到的O2气体不纯净。如此导致实验失败，不能使带火星的木条复燃。

反思3：实验过程中发现，当黑藻的植株完整无损时，其根、茎和叶的表面均有气泡排出。但当其根、茎或叶被截断时，气泡主要是从断截口中排出的。因为其根、茎、叶内存在着输送气体的通道；输气通道既有单通道，也有双通道（图3）。将沉水植物的茎剪断成10～15 cm 的小段，使沉水植物光合作用产生的O2集中在它的输气通道中“连续不断地排出”，实验现象更明显，特别适合于“光合作用需要光”和“光合作用能产生O2”的探究实验。直观性、可操作性和可重复性增强，同时增加了实验的趣味性。

图3 黑藻茎断截面排出气泡示意图

反思4：用100 mL 无色的碳酸饮料与400 mL自来水混合配制成碳酸水稀溶液（pH 值＞4），代替实验室制取CO2进行实验，也可以收到同样的实验效果。但是，碳酸饮料中除了含有CO2之外，还含有糖、酸和其他物质，这样做会影响学生对光合作用的原料是CO2的判断。