“海洋”特色的生态毒理学综合实验教学架构设计

张来军，李晓梅，陈永敢

(海南热带海洋学院 生命科学与生态学院 两栖爬行动物研究省级重点实验室，三亚 572022)

1 构建生态毒理学综合实验课程的必要性

生态毒理学是研究环境中有害有毒因子对生态系统中非人类生物的危害及其机制的课程。随着沿海经济的迅速发展，海洋开发利用程度的加强，大量农业废水、养殖废水和生活污水排入海洋，使得海洋近岸富营养化程度和有毒有害物质污染日趋严重，造成生态环境破坏和退化现象。我校是一所以海洋、生态为特色的应用型本科院校，为了适应当前社会经济建设的需要，顺应坚持应用技术型人才培养的科学发展观，“以学生全面发展为目标”，加强素质教育，参考办学条件和学生培养目标，对在生物科学以及生态学专业开设具有“海洋”特色的生态毒理学综合实验教学课程做架构设计，以期为以海洋为特色的办学目标提供参考。

在本科学习阶段，各门理论课程及其实验教学内容在教学过程中自成体系，很少会将各门理论知识在教学中融为一体。由于对本专业知识不能融会贯通，学生难以提高学习兴趣，教学效果不理想。针对具体学校具体专业，将生态毒理学实验课程与其它各课程进行有机整合，不仅达到该课程的教学目标，也提高了学生学习的兴趣和探索精神，培养学生的创新意识、创新精神和开拓能力，以满足高等教育培养应用型人才、创新型人才，实现素质教育目标的客观要求。

2 生态毒理学综合实验教学课程的内容框架

2.1 选择合适的实验材料

指示生物法是生物监测中最主要的方法。作为指示海洋污染的受试动物需要具备几个基本条件：能累积一定的污染物而不会死亡；能代表污染海域的生物群落；种群密度大，易于采集和在实验室培养存活；较长的寿命；个体足够大，能提供组织细胞供分析；不同条件下，所有动物个体内污染物浓度与环境的平均浓度表现一致的相关性[1]。合格的实验动物是保证毒理学实验质量的基本要求，也是作为环境危害评估参考的基本条件。目前国内外科研人员进行海洋环境生物监测研究时，常用到的实验动物是鱼类[2-6]和软体动物[7-11]。参考国内外的研究资料[12-14]，以及本实验室几年的实践积累[15-16]，认为海洋多毛类沙蚕完全具备上述实验动物的特征，是一种优良的实验材料，可以满足生态毒理学科研以及实验教学的需要。

沙蚕栖息于河口、沿海滩涂、潮间带的沙泥中，成虫以腐殖质为食。相较于鱼类和软体动物，个体小，易于存活，便于在实验室饲养，作为休闲垂钓的诱饵可在渔具商店或水产养殖场购买得到。提取沙蚕体腔细胞的方法简单，所需组织少，细胞数量多且纯净，能满足多个实验的需要[15]。所以沙蚕是对河口，沿海滩涂进行污染监测的理想研究材料。我们将生态毒理学综合实验教学的实验材料确定为沙蚕。

2.2 综合实验教学内容构架

生物对环境变化的反应是多层次的，从基因、生物大分子到组织、器官、个体，直至种群、群落和生态系统。我们选择的实验项目，包括从沙蚕个体水平、细胞水平、分子水平等动物有机体各层次对外界环境的反应(表1)。

实验教学内容可以分为三部分。第一部分为基础性实验，包括沙蚕体腔细胞的提取，细胞大小测定及计数、细胞死活鉴定。第二部分为综合实验，需要在第一部分实验的基础上进行，包括中性红保留实验，彗星电泳，微核实验以及抗氧化酶活性分析。所提取的沙蚕体腔细胞，在鉴定完存活率后，用于中性红保留实验和彗星电泳实验；固定后的细胞用于微核实验；剩余的沙蚕组织妥善保存，用于抗氧化酶活性分析。这样就通过对同一批实验材料的不同处理将一系列实验串在一起，用多个实验手段解决一个研究课题，成为一个相对系统的实验，使学生从不同的层次理解沙蚕这种生物在受到外界环境影响后产生的反应。第三部分为设计性实验，是在综合性实验基础上进行的探索性实验，可以联系当前热点问题，与一些科研项目相结合，构建成一个连续的研究型生态毒理学综合实验；如被重金属、油类或杀虫剂等各类污染物污染的河口，码头或滩涂对沙蚕的生态毒理效应实验，并可进一步分析这些地方的海洋环境压力。

不同实验内容彼此之间具有相关性及连续性。这些实验项目既是国内外生态毒理学研究常规的实验技术，也紧密联系于动物学、细胞生物学、遗传学及生物化学等本科期间必修课程的内容，需将各门课程有机联系起来。学生连续完整地体验了以同一种实验动物为研究对象，通过其个体、细胞、DNA分子及蛋白质分子方方面面，认识海洋环境中的污染物对生物个体各个层次可能产生的影响。

通过系列实验，学生系统地学习和掌握了海洋环境污染生物监测中常用的实验技术方法，又从生物整体角度对实验内容进行理解和分析，强化了相关课程的基础理论知识，成为既懂理论又精通设计综合性实验方案，并具备独立工作能力和科技创新能力的人才。

表1 生态毒理学综合实验内容构架

3 生态毒理学综合实验课程的教学安排

3.1 教学安排

基础性实验部分的细胞计数，细胞大小测定都是细胞生物学课程传统的实验内容，只是所用的实验材料各有特色，一般选用动物血细胞、培养的单胞藻、原生动物或者是细胞的永久装片作为实验材料。所以，这个综合性实验顺利开展的关键在于实验材料的选择；确定以沙蚕作为实验材料，提取沙蚕体腔细胞进行细胞计数，细胞测量及细胞存活率的测定。基础性实验开设之后，综合性实验的开展就得心应手了，尤其是中性红保留实验，微核实验，这些实验操作步骤不多，只需要仔细观察和计数。综合性实验模块顺利进行面临的另一个教学改革是需要实验室全天开放。以全天候开放、教师指导、学生独立完成实验的研究项目方式进行，参考学时为18。

基础实验模块可以在大学二年级，与动物学及细胞生物学实验课程结合进行；综合实验模块放在大学三年级，与学年论文结合开展，以及大学四年级与毕业设计结合。从教学内容上和教学时间上都不与其他课程相冲突，没有对学生造成额外的学习负担。

3.2 考核方式

本实验的教学内容互相关联，是一个综合实验项目，可以以科研项目的形式展开，学生在进入实验室前，提交预习报告，明确实验方案、实验计划及预期实验结果；完成每一项实验后，需要记录实验数据，大多数实验还必须照相，保留照片，书写实验报告；系列实验完成后，对数据统计整理成研究论文的形式，以提交学年论文及完成毕业论文。

3.3 教学效果和存在的问题

生态毒理学综合实验已经完整运行了一届学生，历时两年，取得了良好效果。学生通过这个实验模式参与科研项目，所取得的实验数据和结果经过整理被核心期刊认可和接受[15-16]。

所选择的实验项目中，内容所涉及的理论课程都是学生的必修课，使学生易于理解实验原理。但是个别实验操作上具有一定难度，如彗星电泳。在众多的检测DNA链损伤的实验中，彗星电泳具有其他实验技术，如微核实验、姊妹染色体交换无法替代的优势，微核检测是在DNA链损伤后，产生的染色体断片独立于子细胞核外成为较小的细胞核或微核；姊妹染色单体交换实验也是在DNA链损伤后，对姊妹染色单体之间的染色体片段交换进行了评估，这两种检测都是在DNA链损伤之后造成下游畸变的计数。而彗星电泳能够测量单个细胞的DNA损伤；只需要少量细胞进行检测(<10 000)；几乎可以对任何真核细胞类型进行检测；而且是一种非常敏感的DNA损伤检测方法[17]。但是常规的彗星实验步骤中的 “三明治”铺胶方法[18]操作难度高，学生不易掌握而难以普及。运用专利技术[19-20]对彗星电泳的铺胶过程进行了改良，简化步骤，避免操作过程中繁琐费时及脱胶率高等不足，学生在短时间内可以快速掌握，熟练应用。

4 小结

由于这个综合性实验的实验内容相互关联，对同一批实验材料沙蚕用不同实验技术处理反映了问题的不同方面，容易引起学生的探索和求知欲；并且大多数实验项目是以真实的图像，直观生动地呈现在学生面前，提高了学生做实验的兴趣。所以将这些实验课程融入常规的教学中，不仅培养了学生的动手能力和创新能力，也给学生们提供了充分展示自己运用知识和才能的空间。