“土壤微生物的分解作用”实验研究
2022-06-08
摘 要 以温度、淀粉糊浓度、反应时间和pH为变量，对“土壤微生物的分解作用”的最适实验条件进行了研究。结果表明，在30°C、4%淀粉糊浓度和pH8.12等条件下反应7 d，以斐林试剂为显色剂能够得到较好的实验效果。涂布平板计数结果显示，实验所用的土壤中微生物的含量为6 688 890个/g。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词 土壤微生物 分解作用 涂布平板法
中图分类号 G633.91 文献标识码 B
“土壤微生物的分解作用”是人教版高中生物必修内容中的探究实验之一，旨在让学生通过宏观的实验现象了解微观的实验原理，明白微生物在生态系统物质循环中的重要作用。然而由于实验周期长，实验现象较不明显，开展该实验的学校寥寥无几。
1 教材分析与实验条件选择
在人教版“土壤微生物分解作用”的实验中，教材提出了2个参考案例。第一个案例，使用落叶为实验对象，设置灭菌土壤为对照组，对比得出土壤微生物具有分解作用;第二个案例：使用淀粉为实验对象，通过斐林试剂和碘液的显色反应，得出土壤微生物具有分解作用。对比发现，第二个案例实验时间适中，实验现象较为明显;同时复习了斐林试剂的使用方法，较适合开展实验教学。因此，笔者选用第二个案例（土壤微生物对淀粉的分解作用），对“土壤微生物的分解作用”进行实验研究。
温度、淀粉糊浓度和反应时间是影响土壤微生物分解作用的主要因素。笔者选取了15°C、20°C、25°C、30°C和室温等5个温度，2%、4%、6%和8%等4个淀粉糊浓度以及5 d、7 d和9 d等3个反应时间，探究它们对土壤微生物分解作用的影响。
特定土壤的pH是确定值，而pH的变化会影响土壤微生物的分解作用。在确定适宜的温度、淀粉糊浓度和反应时间之后，以pH为变量，继续探究pH对土壤微生物分解作用的影响。
为了使实验结果更具科学性，需要设置对照组。笔者在教材的基础上增加了灭菌土壤浸出液作为第二对照组，排除了土壤浸出液中其他非生物因素的干扰，增加了实验的严谨性。
在教学研究中，有学者使用不同种类的土壤进行实验，以确定哪种土壤微生物的分解能力最强。土壤微生物分解能力的强弱，主要受微生物种类和数量的影响。因此，为了揭示土壤微生物数量对分解作用的影响，笔者根据《微生物实验》的相关内容，采用涂布平板法，对实验的土壤微生物进行计数，初步确定土壤微生物的分解能力。
综上所述，“土壤微生物的分解作用”实验可划分为三个小实验，分别是：（1） 土壤微生物对淀粉分解作用实验;（2） pH对土壤微生物分解作用的影响实验;（3） 土壤微生物计数实验。其中第一个小实验为主实验，第二、第三个小实验为扩展实验。
2 实验设计
2.1 实验器材
实验器具：小烧杯、试管、三角瓶、玻璃棒、pH计、恒温光照培养箱、牛皮纸、纱布。
材料和试剂：土壤、淀粉、斐林试剂、碘液、牛肉膏、蛋白胨、琼脂、NaCl、稀HCl、稀NaOH、无菌水。
2.2 实验步骤
2.2.1 土壤微生物对淀粉的分解作用
（1） 土壤浸出液的制备：按照课本介绍的方法制备。
（2） 淀粉糊的制作：分别称取10 g、20 g、30 g和40 g淀粉，溶于500 mL开水中，充分搅拌，制成糊状，得到浓度分别为2%、4%、6%和8%的淀粉糊。
（3） 灭菌：将蒸馏水、部分土壤浸出液、各浓度淀粉糊、实验所用的烧杯和试管等器皿放入灭菌锅中灭菌。
（4） 加样培养：按照课本介绍的方法，在无菌环境中操作加样，并将实验溶液分别放入15°C、20°C、25°C和30°C的培养箱及室温中培养
（5） 显色反应：按照课本介绍的方法取出实验溶液进行显色反应。
2.2.2 pH对土壤微生物分解作用的影响
（1） 土壤浸出液pH的测定和调节：使用北京哈纳HI8424NEW型pH计测出土壤浸出液的原始pH值为8.12;使用稀HCl和稀NaOH溶液，将土壤浸出液的pH上下各调节1.5和3.0个pH单位，选择5.12、6.62、8.12、9.62和11.12等5个pH作为实验pH。
（2） 制作淀粉糊、灭菌、加样、培养与显色反应操作同2.2.1。
2.2.3 土壤微生物的计数（涂布平板法）
计数实验包括配制细菌培养基、倒平板、制备土壤稀释液、涂布和培养等五个步骤，具体操作同《微生物实验》教材。
3 实验结果
3.1 土壤微生物对淀粉的分解作用
实验结果表明，土壤微生物对淀粉的分解作用与温度、淀粉糊浓度和分解作用的时间有关。30°C下，土壤微生物的分解作用最强烈，室温（25°C～30°C）下次之，25°C、20°C和15°C下的分解作用依次减弱。土壤微生物对4%淀粉糊的分解作用最强，其次是2%、6%和8%。随着时间的推移，土壤微生物对淀粉的分解作用逐渐增强;培养的第5 d，已有显色现象;第7 d显色现象显著;第9 d和第7 d的实验现象相差无几。从显色剂的显色效果看，加入斐林试剂的实验现象更直观明显。淀粉被分解后，产生的葡萄糖与斐林试剂作用，生成很明显的砖红色沉淀;加入碘液后，实验溶液依旧变蓝，只是颜色较对照组浅。这说明，一方面斐林试剂的显色效果较显著;另一方面，短时间里淀粉不能被分解殆尽。
3.2 pH对土壤微生物分解作用的影响
pH为8.12的原始土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果最明显，出现最多的砖红色沉淀;弱酸（pH6.62）和弱碱（pH9.62）性的土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果出现较多的砖红色沉淀，但均少于原始pH的土壤浸出液;强碱性（pH11.12）的土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果产生较少的砖红色沉淀;强酸性（pH5.12）的土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果产生最少的砖红色沉淀。碘液的显色反应结果并没有明显的差别，说明只有部分淀粉被分解。
3.3 土壤微生物的计数
涂布平板结果显示，土壤浸出液中微生物的含量约为668 889个/mL;根据之前的实验步骤得知，实验土壤浸出液浓度为0.1 g/mL，因此土壤中微生物的含量约为6 688 890个/g（表1）。有教学条件的学校可设计该实验，分析不同土壤微生物具有不同分解作用的原因，让学生更深入地理解和掌握知识，培养学生的科学素养和探究精神。
4 讨论
“土壤微生物的分解作用”实验中，材料易得，操作简单，可以在教学活动中顺利实施。许多学校由于实验时间较长，影响教学安排，而很少开展这一探究活动。但笔者发现，该实验不但可以在短时间内完成，而且能开发出与之相关的教学实验，如pH对土壤微生物分解作用的影响、土壤微生物计数等，这对学生创新思维的培养大有裨益。如果学校教学条件有限，无法顺利开展该实验，可由教师演示或者播放实验录像，以取得一定的教学效果。
在本实验中，笔者并未以土壤类型为实验变量，探究不同土壤中微生物分解作用和微生物数量的异同。但学校在安排教学活动时，可以将学生分组，不同小组以不同的土壤为研究对象开展实验。这样既节约了时间，又可以达到很好的实验效果。
本研究确定的适宜实验条件，可以为广大师生提供参考。各学校也可以借鉴笔者的思路，开展类似实验，并安排不同学生完成不同条件下的实验，最后汇总结果，探讨比较。这不仅能帮助学生培养团队合作精神和创新实践能力，也能激发学生对生物学实验的热情，进一步培养学生对生物学科的兴趣。
参考文献：
[1] 陈少娟，周阳.对“土壤微生物的分解作用”实验的改进[J].中学生物学，2010，26（11）：49-50.
[2] 陈栩，沈初见.土壤微生物分解作用的研究[J].生物学通报，2006，41（11）：36-37.
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词 土壤微生物 分解作用 涂布平板法
中图分类号 G633.91 文献标识码 B
“土壤微生物的分解作用”是人教版高中生物必修内容中的探究实验之一，旨在让学生通过宏观的实验现象了解微观的实验原理，明白微生物在生态系统物质循环中的重要作用。然而由于实验周期长，实验现象较不明显，开展该实验的学校寥寥无几。
1 教材分析与实验条件选择
在人教版“土壤微生物分解作用”的实验中，教材提出了2个参考案例。第一个案例，使用落叶为实验对象，设置灭菌土壤为对照组，对比得出土壤微生物具有分解作用;第二个案例：使用淀粉为实验对象，通过斐林试剂和碘液的显色反应，得出土壤微生物具有分解作用。对比发现，第二个案例实验时间适中，实验现象较为明显;同时复习了斐林试剂的使用方法，较适合开展实验教学。因此，笔者选用第二个案例（土壤微生物对淀粉的分解作用），对“土壤微生物的分解作用”进行实验研究。
温度、淀粉糊浓度和反应时间是影响土壤微生物分解作用的主要因素。笔者选取了15°C、20°C、25°C、30°C和室温等5个温度，2%、4%、6%和8%等4个淀粉糊浓度以及5 d、7 d和9 d等3个反应时间，探究它们对土壤微生物分解作用的影响。
特定土壤的pH是确定值，而pH的变化会影响土壤微生物的分解作用。在确定适宜的温度、淀粉糊浓度和反应时间之后，以pH为变量，继续探究pH对土壤微生物分解作用的影响。
为了使实验结果更具科学性，需要设置对照组。笔者在教材的基础上增加了灭菌土壤浸出液作为第二对照组，排除了土壤浸出液中其他非生物因素的干扰，增加了实验的严谨性。
在教学研究中，有学者使用不同种类的土壤进行实验，以确定哪种土壤微生物的分解能力最强。土壤微生物分解能力的强弱，主要受微生物种类和数量的影响。因此，为了揭示土壤微生物数量对分解作用的影响，笔者根据《微生物实验》的相关内容，采用涂布平板法，对实验的土壤微生物进行计数，初步确定土壤微生物的分解能力。
综上所述，“土壤微生物的分解作用”实验可划分为三个小实验，分别是：（1） 土壤微生物对淀粉分解作用实验;（2） pH对土壤微生物分解作用的影响实验;（3） 土壤微生物计数实验。其中第一个小实验为主实验，第二、第三个小实验为扩展实验。
2 实验设计
2.1 实验器材
实验器具：小烧杯、试管、三角瓶、玻璃棒、pH计、恒温光照培养箱、牛皮纸、纱布。
材料和试剂：土壤、淀粉、斐林试剂、碘液、牛肉膏、蛋白胨、琼脂、NaCl、稀HCl、稀NaOH、无菌水。
2.2 实验步骤
2.2.1 土壤微生物对淀粉的分解作用
（1） 土壤浸出液的制备：按照课本介绍的方法制备。
（2） 淀粉糊的制作：分别称取10 g、20 g、30 g和40 g淀粉，溶于500 mL开水中，充分搅拌，制成糊状，得到浓度分别为2%、4%、6%和8%的淀粉糊。
（3） 灭菌：将蒸馏水、部分土壤浸出液、各浓度淀粉糊、实验所用的烧杯和试管等器皿放入灭菌锅中灭菌。
（4） 加样培养：按照课本介绍的方法，在无菌环境中操作加样，并将实验溶液分别放入15°C、20°C、25°C和30°C的培养箱及室温中培养
（5） 显色反应：按照课本介绍的方法取出实验溶液进行显色反应。
2.2.2 pH对土壤微生物分解作用的影响
（1） 土壤浸出液pH的测定和调节：使用北京哈纳HI8424NEW型pH计测出土壤浸出液的原始pH值为8.12;使用稀HCl和稀NaOH溶液，将土壤浸出液的pH上下各调节1.5和3.0个pH单位，选择5.12、6.62、8.12、9.62和11.12等5个pH作为实验pH。
（2） 制作淀粉糊、灭菌、加样、培养与显色反应操作同2.2.1。
2.2.3 土壤微生物的计数（涂布平板法）
计数实验包括配制细菌培养基、倒平板、制备土壤稀释液、涂布和培养等五个步骤，具体操作同《微生物实验》教材。
3 实验结果
3.1 土壤微生物对淀粉的分解作用
实验结果表明，土壤微生物对淀粉的分解作用与温度、淀粉糊浓度和分解作用的时间有关。30°C下，土壤微生物的分解作用最强烈，室温（25°C～30°C）下次之，25°C、20°C和15°C下的分解作用依次减弱。土壤微生物对4%淀粉糊的分解作用最强，其次是2%、6%和8%。随着时间的推移，土壤微生物对淀粉的分解作用逐渐增强;培养的第5 d，已有显色现象;第7 d显色现象显著;第9 d和第7 d的实验现象相差无几。从显色剂的显色效果看，加入斐林试剂的实验现象更直观明显。淀粉被分解后，产生的葡萄糖与斐林试剂作用，生成很明显的砖红色沉淀;加入碘液后，实验溶液依旧变蓝，只是颜色较对照组浅。这说明，一方面斐林试剂的显色效果较显著;另一方面，短时间里淀粉不能被分解殆尽。
3.2 pH对土壤微生物分解作用的影响
pH为8.12的原始土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果最明显，出现最多的砖红色沉淀;弱酸（pH6.62）和弱碱（pH9.62）性的土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果出现较多的砖红色沉淀，但均少于原始pH的土壤浸出液;强碱性（pH11.12）的土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果产生较少的砖红色沉淀;强酸性（pH5.12）的土壤浸出液中，微生物对淀粉糊的分解作用结果产生最少的砖红色沉淀。碘液的显色反应结果并没有明显的差别，说明只有部分淀粉被分解。
3.3 土壤微生物的计数
涂布平板结果显示，土壤浸出液中微生物的含量约为668 889个/mL;根据之前的实验步骤得知，实验土壤浸出液浓度为0.1 g/mL，因此土壤中微生物的含量约为6 688 890个/g（表1）。有教学条件的学校可设计该实验，分析不同土壤微生物具有不同分解作用的原因，让学生更深入地理解和掌握知识，培养学生的科学素养和探究精神。
4 讨论
“土壤微生物的分解作用”实验中，材料易得，操作简单，可以在教学活动中顺利实施。许多学校由于实验时间较长，影响教学安排，而很少开展这一探究活动。但笔者发现，该实验不但可以在短时间内完成，而且能开发出与之相关的教学实验，如pH对土壤微生物分解作用的影响、土壤微生物计数等，这对学生创新思维的培养大有裨益。如果学校教学条件有限，无法顺利开展该实验，可由教师演示或者播放实验录像，以取得一定的教学效果。
在本实验中，笔者并未以土壤类型为实验变量，探究不同土壤中微生物分解作用和微生物数量的异同。但学校在安排教学活动时，可以将学生分组，不同小组以不同的土壤为研究对象开展实验。这样既节约了时间，又可以达到很好的实验效果。
本研究确定的适宜实验条件，可以为广大师生提供参考。各学校也可以借鉴笔者的思路，开展类似实验，并安排不同学生完成不同条件下的实验，最后汇总结果，探讨比较。这不仅能帮助学生培养团队合作精神和创新实践能力，也能激发学生对生物学实验的热情，进一步培养学生对生物学科的兴趣。
参考文献：
[1] 陈少娟，周阳.对“土壤微生物的分解作用”实验的改进[J].中学生物学，2010，26（11）：49-50.
[2] 陈栩，沈初见.土壤微生物分解作用的研究[J].生物学通报，2006，41（11）：36-37.