浮游植物荧光仪在水生生物学设计教学中的应用

张坤,李越,邓道贵

(淮北师范大学 生命科学学院,安徽 淮北 235000)

浮游植物荧光仪是基于叶绿素荧光原理设计,对浮游植物进行定性分类及叶绿素含量和光合特性定量测定,具有测定方法简单、快捷,样品量小且对浮游植物无害等特点.可以在一定程度上监测水环境质量变化,被广泛应用于淡水生态学、海洋与湖沼学以及水质监测等多个领域,能将潜在未知的水体前沿知识具体化,尤其是水生系统中维持水体能量流动和物质循环的初级生产者浮游植物.浮游植物荧光仪作为测定浮游植物光合活性的重要仪器,已成为环境类专业大学生了解浮游植物前沿动态的重要手段之一.近三十年来,浮游植物荧光仪测定浮游植物生长状况已在室内和野外研究中得到了广泛应用[1].

新时代对高校人才培养提出了多元化的要求,要培养扎实的专业知识能力,还要加强理论应用能力培养.水生生物学作为我校环境类的专业方向课,是学生了解水体生物养殖及水环境变化的基础,是为国家和地区发展渔业资源、保护水生生物多样性、实施可持续发展以及生态文明建设培养专业人才的重要途径[2-3].为实现专业应用型人才培养目标,对水生生物学课程设计教学方式的探索,使环境类专业本科生在专业知识学习过程中如何学会实现理论转换实践应用成为教学的重难点.淮北师范大学本科教学中通过应用浮游植物荧光仪(Phyto-PAM-ED,Walz,Effeltrich,Germany) 来测定浮游植物光合作用活性特征等形式,使大学生在本科学习阶段以大型设备为媒介进行实践操作,正确认识浮游植物生理特性和结构,从而进一步加深对水生生物学知识的理解和学习,为未来从事水生态环境保护提供实践经验.

1 浮游植物荧光仪的功能特征

浮游植物荧光仪主要对水体中浮游植物进行定性和定量分析.利用4种不同波长(蓝色470 nm、绿色520 nm、橙红色645 nm和红色665 nm)的LED作为检测光源(图1),通过利用检测器电倍增管的光谱,对水体蓝藻门、绿藻门、硅藻门或者甲藻门等浮游植物进行辨别分类(图2),同时测量浮游植物叶绿素浓度和光合活性,如浮游植物的实时荧光值Ft、光下荧光值F、基础荧光值Fo、最大荧光值Fm、最大光化学效率Fv/Fm ( maximum quantum yield of PSⅡ) ,其他荧光参数还包括非光化学淬灭 NPQ (nonchemical quenching) 、 快速光响应曲线(rapid lightresponse curve)和光合有效量子产量(effective quantum yield) 等(图3).

图1 不同波长信号下浮游植物类群光合变化

图2 绿藻门叶绿素含量

图3 浮游植物快速光响应曲线

由于浮游植物荧光仪只能对已知几类浮游植物进行定性描述,因此,在样品测定过程中需要学生拥有扎实的水生生物学理论知识,通过熟练操作浮游植物荧光仪获取的光合参数,能够为观察浮游植物的生长状况以及水质监测等长期研究项目提供较好的技术支持.学生在独立操作浮游植物荧光仪时需要确保每次样品体积应统一(≤2 mL),且进行暗处理5-10 min;同时,所测样品浓度应小于300 μg/L,若浓度过大,则会影响测试参数.由此可见,浮游植物荧光仪的使用不仅能够辅助学生理解理论知识,还能在学生进行科研活动的过程中锻炼其严谨、端正的科研态度.无论是在科研中还是野外实践中,浮游植物荧光仪均有广泛的应用.

2 浮游植物荧光仪在水生生物学设计中的应用

在环境类专业本科教学过程中,浮游植物荧光仪的应用主要分为:了解浮游植物蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻分类和种群时空动态;测定浮游植物叶绿素和光合特性参数以及水质监测中水华或者赤潮预警.

2.1 浮游植物荧光仪在藻类分类中应用

浮游植物种类繁多,生长繁殖多样.目前,淮北师范大学使用的水生生物学(赵文 第二版)教材中关于浮游植物分类多依据林氏分类法,通过形态和生殖等不同方式对浮游植物各类群进行定性和定量分析,在一定程度反映浮游植物的分类和生长状况,但是此分类方法在鉴定准确性上存在一定的不确定性,其结果主要取决于观察者掌握的相关知识和分类经验,这也增加了本科生学习浮游植物知识的难度.浮游植物荧光仪通过不同信号识别不同类群浮游植物变化情况,可以快速辨别水体中占有优势的蓝藻、绿藻、硅藻和甲藻,因此浮游植物荧光仪已经成为研究浮游植物定性分类有力工具.

2.2 浮游植物荧光仪在藻类生长测定中的应用

藻类生长光合特性的测定可以反应藻类组成和水环境因子对其光合作用影响的机理,也为水体初级生产力的估算提供了一种快捷方式.采用浮游植物荧光仪观察夏季浮游植物光合活性的日变化规律,可以揭示浮游植物群落优势种形成的机理[4].计算藻类的Fv/Fm可以很好地反映藻类自身光合作用系统结构和功能,比如测定蓝藻的Fv/Fm会存在较大波动(0.4-0.8),硅藻的Fv/Fm变化范围仅在0.6-0.7,而绿藻的Fv/Fm则多维持在0.8.此外,非光化学淬灭表示浮游植物在利用光能过程中散失的能量,体现浮游植物保护光合作用系统的能力.

2.3 浮游植物荧光仪在水华/赤潮中的应用

水华或赤潮问题是我国目前水体研究的重点问题,尤其是在水环境生态安全评价方面较为突出.了解我国水体的污染程度并制定相应的评价标准具有重要的水环境安全意义.研究表明浮游植物在生长过程中,光合特性快速发生变化,造成叶绿素不断积累,最终形成细胞数量的变化[5].通过利用浮游植物荧光仪可快速检测出水体中优势的蓝藻、绿藻、硅藻和甲藻的占比以及生长状况等特点,能够在蓝藻和硅藻水华形成的前5天获得预警结果.此外,浮游植物荧光仪测定光合参数还可以实现在线监测,数据准确度高,作为预警指标在技术上具有可操作性.

3 优化水生生物学课程设计体系

水生生物学是环境类专业的一门重要的专业方向课程,描述了浮游植物的形态分类及其生态学意义.由于浮游植物种类繁多,分类模糊,使得课堂上学生的知识汲取难度增大,这在一定程度上削弱了教学体系的科学性和先进性.而浮游植物荧光仪在分类鉴定操作过程中,与传统显微镜观察法相比,能够协助学生更快速和准确地辨别水体中蓝藻、绿藻、硅藻或甲藻的存在情况.在叶绿素含量和光合参数测定过程中,比传统分光光度法、放氧法和同位素示踪法所需样品含量更少,时间更短,且精确度高,特别是在对水体藻类监测(水华预警)过程中大大提高时效性.针对水生生物学课程设计的现状以及存在的问题,应在注重基础知识的学习前提下,配合相关仪器的操作练习,从而实现理论知识的可视化,并在实验仪器的使用过程中不断提高大学生自身综合素质.水生生物学的课程设计优化主要体现在以下几方面.

3.1 开放式实验讨论教学激发学生兴趣

通过设定参数,让学生分组使用仪器进行结果观测,基于测试结果进行分析,开放式的实验讨论能够有效调动学习主动性.如针对浮游植物这一篇章的讲述,安排学生分组实验,通过演示、操作及讨论等手段[6],把复杂繁多的浮游植物分类转换成最直接的信号或者数字,通过观察浮游植物生长光合特性图像的变化进一步加深学生对浮游植物生长的直观感受.同时,设定相关主题讨论,让学生把理论知识与实践相结合,提升探索新知识的兴趣,在实验监测过程中也能拓展学生的科研眼界,为之后的考研和就业提供了扎实的基础.

3.2 科研合作式培养学生专业素养

只有教学和科研相结合,才能培养出优秀的专业人才[7].在水生生物学教学过程中,以科研课题为依托,将专业素养的培养贯穿于整个教学中.建立兴趣合作小组,将环境专业类相关课题委托给本科生,在整个过程中不仅能培养本科生学习水生生物学知识能力,还能培养学生专业素养.如陈明耀指出浮游植物生长主要表现为延缓期、指数生长期、相对生长下降期和静止期不同阶段,呈“S”型曲线[8].但在浮游植物荧光仪的实际操作过程中会发现叶绿素含量曲线还会出现“W”型变化.因此,学生不能为得出“S”型曲线的结果,而对数据进行修饰.应该通过仪器使用及数据分析寻找实验失败原因,从而培养学生的实验分析能力以及尊重科学事实的专业素养.

3.3 以赛带学式参与大学生创新研究项目

目前淮北师范大学面向环境类专业的本科生开展了多种大学生创新研究项目,例如“互联网+”创新创业项目、大学生生命科学竞赛创新创业项目、创新计划项目等.这些项目的开展,离不开教师科研项目与平台的支持.在水生生物学课堂上,教师通过将浮游植物荧光仪与浮游植物实验相结合,鼓励学生利用所学知识与仪器测试结果参加各类项目比赛,对实验进行设计与创新,提出自己的想法与观点.教师通过运用“提出问题-分析问题-解决问题-创新实践”模式[9],优化学生的实验方案并与学生进行深入讨论,直至确定最终的可行路线.各类学科竞赛的获奖结果作为评价教学效果的方式之一,不仅能够鼓励学生积极参与,还能提升学生的科研实践能力,有效培养了学生的科研素养与科研思维.

4 结 语

在以“绿水青山”为主题的时代发展趋势中,浮游植物荧光仪广泛应用于淡水生态学、海洋与湖沼学以及水质监测等多个领域.通过分析浮游植物荧光仪在水生生物学教学中的应用优势,能够拓展基础知识的讲授途径、有效实现理论知识的图像化、丰富教学活动、并能有效打破科研与教学的技术壁垒.对于当代环境类专业的本科生而言,通过了解并掌握浮游植物荧光仪的相关参数指标涵义可以更好地完成有关实验操作,增强学生的自主学习能力和动手能力,强化环保意识和科学养殖理念,为我国生态文明建设贡献力量.