基于传感器技术的黑藻光合速率定量研究

吕慧明 虞 驰

（浙江省宁波市第四中学 浙江宁波 315016）

“探究环境因素对光合作用的影响”是浙科版生物学必修1 第3 章“细胞的代谢”第5 节光合作用的内容，是必修1 教学的重、难点内容。本节内容适合学生进行探究活动，通过活动加深对光合速率这一核心概念的理解和把握，从而突破教学难点。传统探究活动方案中，因变量多通过观察气泡产量或液面高度等的变化进行测定［1-2］，忽略水中溶解氧的含量，使测定结果不精确。随着传感器技术引入生物学实验教学，可利用溶解氧传感器对光合速率进行定量检测［3］，但又忽略了空气氧含量的变化。只有同时测定出溶解氧和空气氧含量的变化，才可精准计算出光合速率。

本文以“探究光照强度对黑藻光合速率的影响”为例，利用朗威DISLab 传感器中的溶解氧传感器、氧气传感器、温度传感器和压强传感器，测定相应数值，通过理想气体状态方程，即可计算光合速率的精确数值。实验操作更简单，结果更精准，利于激发学生科学探究兴趣。

1 实验原理

黑藻［Hydrilla verticillata（L.F.）Royle］是一种常见的水生高等植物，光合速率受光照强度影响较大。光合作用释放的氧气，一部分溶解在水中，一部分释放到空气中。溶解氧传感器可精确测出水体中氧含量的变化，氧气传感器可测出空气氧气含量的变化，压强和温度（测定气温）传感器可实时监控环境变化。利用这4 种传感器测定的结果，通过理想气体状态方程，计算单位体积空气中氧气质量和溶解氧含量，即可精确计算水生植物表观光合速率。

黑暗条件下，黑藻进行细胞呼吸，消耗水体中溶解氧和空气氧。利用4 种传感器测定值，通过理想气体状态方程，计算单位体积空气中氧气质量和溶解氧含量，可精确计算呼吸速率和真正光合速率。

2 实验材料、药品及器材

实验材料：宁波日湖公园采集的黑藻，清水洗净实验室培养1 周后使用。

实验药品：1%碳酸氢钠溶液和凡士林。

实验器材：分析天平、量筒、430 mL 玻璃实验瓶、有孔橡胶塞、18 W LED 灯、朗威DISLab 软件、数据采集器、溶解氧传感器、氧气传感器、温度传感器、压强传感器、电脑、照度计（特安斯分体TA8133）、遮光布、三层铁架台（每层长133 cm，宽48 cm，高45 cm）。

3 实验步骤

1）传感器连接：4 个传感器探头放入橡胶塞对应的孔中，并用凡士林密封。将电脑、数据采集器和传感器连接，打开电脑朗威DISLab 软件，测试30 min，待仪器稳定后使用。

2）光照强度设置：反应瓶双侧等距离各放置1 个18 W LED 灯，分别控制灯距为5 cm、10 cm、15 cm 及20 cm。黑暗条件，用遮光布包裹反应瓶。

3）反应体系：取新鲜黑藻，吸干叶片水分，称量3.629 g。放入量筒中，量取150 mL 1%碳酸氢钠溶液，放入430 mL 玻璃瓶中。塞上橡胶塞，密闭环境连续测定60 min，记录初始数值和结束数值。

4）实验装置放在铁架台第1 层，用遮光布遮挡。电脑放置在第2 层，实时监控记录实验数据。光照组装置见图1，黑暗组装置见图2。

图1 灯距10 cm 光照实验装置图

图2 黑暗处理实验装置图

4 实验结果与分析

实验结果数据见表1。不同光照强度下，溶解氧和空气氧浓度均增加，环境气温逐渐升高，压强值没有变化；黑暗条件下，溶解氧和空气氧浓度均下降，压强和气温基本不变。实验结果表明，光合作用释放的氧气一部分溶解在水中，一部分释放到空气中。呼吸作用消耗的氧气，来自于空气氧和溶解氧2 个部分。

表1 不同光照强度下溶解氧、空气氧浓度、压强和气温变化值

不同光照强度下，溶解氧、空气氧浓度和气温变化曲线见图3～图6。实验结果表明，60 min 之内，溶解氧含量先增加后趋平稳或略有下降，基本在15～20 min 达到最大值，并趋于稳定。前期溶解氧增加时，空气氧浓度基本不变，在溶解氧达到最大值时空气氧浓度开始持续增加。说明水生植物释放的氧气先溶解在水体中，水体氧饱和后向空气中释放。因此，若实验时间在15 min 左右，可只考虑溶解氧含量变化，测定光合速率。但由于时间过短，植物可能尚未达到最佳状态，使实验结果不够准确。

图3 5 cm 灯距光强度溶解氧、氧气浓度及气温变化

图4 10 cm 灯距光强度溶解氧、氧气浓度及气温变化

图5 15 cm 灯距光强度溶解氧、氧气浓度及气温变化

图6 20 cm 灯距光强度溶解氧、氧气浓度及气温变化

利用溶解氧和液体体积（150 mL）数据，可计算水中的氧气质量；利用气体体积值（排水法测定约为280 mL）、气压值、气温值、氧气浓度值及理想气体方程：PV＝nRT（R＝8.28 ×103），计算空气中氧气质量。通过实验前、后的氧气质量变化，计算获得氧气总增加量，结果见表2。实验中水体温度变化为27～31℃。

表2 不同光照强度对黑藻光合速率的影响

结果表明：灯距从20 cm 减小至5 cm，光照强度逐渐增大，水中氧含量增量分别为0.55 mg、0.61 mg、0.6 mg 和0.5 mg，水中氧含量增量差异不大，水体溶解氧均已达饱和；空气氧含量增加值依次为2.95 mg、3.61 mg、5.87 mg 和2.36 mg，随光照强度增加，逐渐升高，5 cm 的光照强度除外，空气氧增量差异较大。将空气氧增量和水中氧增量相加，再计算得出光合速率值。发现随光照强度增加，光合速率逐渐增大，在10 cm 灯距，即光照强度为22 100 lx 时，光合速率值最大为2.37 mg O2／（g·h）；灯距为20 cm 和15 cm 时，光合速率差异不大，分别为1.55 mg O2／（g·h）和1.75 mg O2／（g·h），可能与二者的光照强度差距不大有关；而灯距为5 cm时，光合速率最小，仅为1.40 mg O2／（g·h），可能是由于光照强度过大，导致黑藻出现光抑制现象［4］。由此可见，光合速率受光照强度影响较明显，要精确计算水生植物光合速率值，需要同时考虑溶解氧和空气氧的含量变化。

5 小结

本研究表明，水生植物光合作用产生的氧气以2 种形式存在，即溶解氧和空气氧。传统实验设计，只考虑空气氧含量变化，忽略溶解氧，实验现象不明显，实验结果只是对光合速率的定性研究。近似于验证性实验，学生可预期实验结果，兴趣不大，不利于激发学生积极思维。

利用传感器进行实验，学生需实时收集整理数据，并绘制表格和曲线图，分析曲线走势和数据变化规律，这部分内容是教材探究性实验设计很难涉及的。通过学生的参与，可激发学生积极思维，提高探究兴趣，培养科学思维，在量的变化中深入体会理解科学本质。以大量实验数据为支撑，计算得出精准数值，非常有说服力，极大增强了学生科学探究的自信心，且加深学生对抽象生物学概念的理解，在做中学，提高教学效率。传感器在探究性实验中能准确读取大量实验数据，灵敏度高，可捕捉到信号的微小变化和瞬间变化，因此可大幅度地增加实验可研究范围的深度、广度［5］，且操作简单，有利于学生掌握。因此可尝试将传感器技术与生物学科探究实验相结合，引导学生多角度、多方向进行精准定量的生物学实验探究，提高学生科学探究能力，培养生物学科科学素养。