著名的生物“黑白瓶”生態(tài)實(shí)驗(yàn)及命題分析

1、著名的生物“黑白瓶”生態(tài)實(shí)驗(yàn)及命題分析黑白瓶法是生態(tài)學(xué)中的一種常用技術(shù)方法，一般用于測(cè)定水生生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)量，即生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者綠色植物光合作用固定的太陽能量或制造的有機(jī)物量。操作方法是首先從池塘、湖泊或海水的一定深度采取含有自養(yǎng)生物的水樣，然后將水樣分裝在成對(duì)的小樣瓶中。每對(duì)樣瓶中有一個(gè)白瓶和一個(gè)黑瓶，白瓶就是透光瓶，里面可進(jìn)行光合作用；黑瓶就是不透光瓶，里面不能進(jìn)行光合作用，但有呼吸活動(dòng)。黑瓶和白瓶同時(shí)被懸浮在水體中水樣所在的深度，放置一定時(shí)間后從水體取出，用化學(xué)滴定法或電子檢測(cè)器測(cè)定黑瓶和白瓶中的含氧量。根據(jù)白瓶中含氧量的變化可以確定凈光合作用量，而黑瓶中所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得知正常的呼吸

2、耗氧量，然后就可以計(jì)算出總初級(jí)生產(chǎn)量。題1：采用黑白瓶(不透光可透光瓶)法測(cè)定池塘群落各深度日代謝的平均氧濃度變化，結(jié)果如下表，請(qǐng)據(jù)表回答：深度（m）瓶中氧氣的變化（g/m3·24h）白瓶黑瓶131221301433(1)該池塘一晝夜生產(chǎn)氧氣_g/m324 h，消耗氧氣_g/m324 h，以上數(shù)據(jù)表明這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)平衡狀態(tài)良好，能夠保持一定的氧氣濃度，原因是_。(2)據(jù)表分析該池塘的垂直結(jié)構(gòu)：自養(yǎng)生物分布在_，完全由異養(yǎng)生物組成的生物群落分布在_。(3)假如池塘受到嚴(yán)重的無機(jī)磷污染，一段時(shí)間后水質(zhì)變黑變臭，此時(shí)間內(nèi)水中的微生物的種類和數(shù)量都發(fā)生變化.請(qǐng)?jiān)趫D中畫出好氧

3、菌(a)和厭氧菌(b)可能的數(shù)量變化曲線。在細(xì)菌培養(yǎng)過程中，分離獲得了不能合成某種維生素的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)以鑒定這種維生素的類型。第一步：將變異菌株接種到完全培養(yǎng)基上擴(kuò)大培養(yǎng)。第二步：_。第三步：_。第四步：_。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：_。解析：黑白瓶的含義，白瓶是透明的瓶，光線能夠透過，瓶?jī)?nèi)的浮游植物能夠進(jìn)行光合作用，黑瓶不透光，瓶?jī)?nèi)的浮游植物及異養(yǎng)型的小生命如浮游動(dòng)物等只進(jìn)行呼吸作用。白瓶中進(jìn)行光合作用的是浮游植物，進(jìn)行呼吸作用的除了浮游植物外還有浮游動(dòng)物，所以白瓶中的含氧量反映的是浮游植物一晝夜產(chǎn)生的O2減去瓶?jī)?nèi)所有生物呼吸消耗后剩余的氧氣量，不能只考慮浮游植物，如在1 m

4、深處的白瓶中一晝夜的氧氣變化為+3 g/m324 h，瓶?jī)?nèi)浮游植物真正產(chǎn)生的氧氣為4 g/m324 h.據(jù)此計(jì)算池塘中一晝夜真正產(chǎn)生的氧氣量為：4+3+1=8 (g/m324 h)，呼吸消耗為：1+1+1+3=6 (g/m324 h)。兩者相比較均增2 g/m324 h，說明整個(gè)池塘的光合作用大于呼吸作用，能夠維持生態(tài)平衡。根據(jù)不同水深中白瓶?jī)?nèi)氧氣的變化，1 m和2 m水深處植物較多，3 m水深處浮游植物已很少，只能勉強(qiáng)維持，4  m深處幾乎沒有

5、浮游植物。所以自養(yǎng)的浮游植物只有分布在4 m水深以內(nèi)，4 m水深以下是浮游植物的天下了。當(dāng)池塘受到大量的磷污染后，會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化，浮游植物大量繁殖，死亡后使池塘中的有機(jī)物含量大增，開始耗氧性細(xì)菌大量增多，氧氣大量減少后，耗氧性細(xì)菌的活動(dòng)受到限制，死亡增加，出生率降低，而厭氧性細(xì)胞活性增強(qiáng)，出生率大于死亡率，曲線見答案。第(4)小題是一道微生物篩選的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，設(shè)計(jì)思路是先用完全培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)，然后配制缺少某種維生素的系列培養(yǎng)基，將某種微生物接種到缺某種維生素的系列培養(yǎng)基上，觀察生長(zhǎng)情況，微生物不能正常生長(zhǎng)的培養(yǎng)中缺少的維生素即為該變異菌株不能合成的維生素。參考答案：例3 ：

6、(1)8   6    整個(gè)池塘群落光合作用大于呼吸作用 (2)小于4  m水深           4 m水深以下 (3)見圖所示(4)第二步：配制系列培養(yǎng)基，每種培養(yǎng)基為只缺少某一種維生素的“完全培養(yǎng)基”第三步：將擴(kuò)大培養(yǎng)的變異菌種分別接種到上述培養(yǎng)基中培養(yǎng)第四步：觀察細(xì)菌生長(zhǎng)情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：細(xì)菌能正常生長(zhǎng)的培養(yǎng)基中所缺少的維生素，就是該變異菌株不能合成的維生素例1：為了調(diào)查太湖是否有自養(yǎng)生物存在，及

7、其產(chǎn)氧量是否維持本層水體生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法測(cè)定該水層生物晝夜平均代謝率來判定。白瓶為透明玻璃瓶，其水體溶解O2 的晝夜變化值為水中生物光合作用產(chǎn)生的 O2 與呼吸消耗的 O2 的差值（以WDO 表示）；黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水體溶解 O2 的晝夜變化值為水中生物呼吸消耗的 O2（以 BDO 表示）。請(qǐng)完成下列實(shí)驗(yàn)。 （1）實(shí)驗(yàn)步驟： 用采集器取該層水樣，分別注滿 500mL黑、白瓶并密封，剩余水樣測(cè) ； 將黑、白瓶 ； 。 （2）設(shè)計(jì)記錄所測(cè)數(shù)據(jù)的表格。 （3）預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析。分析：實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)指標(biāo)是密封在黑、白瓶中水體的溶氧變化值，而要得出此值就必須先測(cè)得水體最初溶氧量和

8、24小時(shí)后瓶中溶氧量，這樣就不難設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)記錄表格了。要探究的問題即反應(yīng)指標(biāo)有兩個(gè)：該水層是否有自養(yǎng)生物，若有自養(yǎng)生物，其產(chǎn)氧量能否滿足本層水體生物呼吸作用消耗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是怎樣揭示結(jié)論的呢，數(shù)據(jù)該如何處理呢？這需要學(xué)生進(jìn)行科學(xué)抽象思維和邏輯思維，即先從事物的感性現(xiàn)象中抽取出事物的本質(zhì)屬性，再運(yùn)用概念進(jìn)行判斷和推理。引導(dǎo)學(xué)生分析題干信息，學(xué)會(huì)繪制圖表的方法來逐層尋找數(shù)據(jù)與探究目標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系，過程如下：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的生理意義分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論水體中最初溶解氧濃度24小時(shí)后白瓶?jī)?nèi)溶解氧濃度24小時(shí)后黑瓶?jī)?nèi)溶解氧濃度黑瓶溶解O2變化值BDO=24小時(shí)后黑瓶溶解O2濃度-最初溶解O2濃度水

9、體中O2消耗值，即水體中生物呼吸作用消耗的O2BDO0，越小表示水中生物呼吸作用消耗O2越多。白瓶溶解O2變化值WDO=24小時(shí)后白瓶溶解O2濃度-最初溶解O2濃度水體中O2的凈釋放值，即水體中生產(chǎn)者光合作用產(chǎn)生O2與所有生物呼吸消耗O2的差值WDO可能0，說明有自養(yǎng)生物，并且產(chǎn)氧量能滿足本層水體生物耗氧所需。WDO可能0，若= BDO則說明無自養(yǎng)生物，若BDO，則說明有自養(yǎng)生物但產(chǎn)生O2不能滿足生物需要。參考答案：例1：(1)溶解氧濃度；掛回原水層；24h后取出黑、白瓶測(cè)溶解氧濃度。(2)黑、白瓶溶氧(mgL)變化記錄表，如下表。（3）若WDOBDO>0，則有自養(yǎng)生物；若WDOBDO=

10、0，則無自養(yǎng)生物；若WDO0，則該水層產(chǎn)氧能維持生物耗氧量所需。 編號(hào)項(xiàng)目白 瓶黑 瓶l23平均l23平均24h后溶氧量        原初溶氧    例2 以下實(shí)驗(yàn)是對(duì)低等植物的水域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)定。步驟一：取兩個(gè)相同的透明玻璃瓶，分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)。步驟二：用兩個(gè)瓶同時(shí)從水深3m處取水樣（都裝滿），立即測(cè)定2號(hào)瓶中的溶氧量，將1號(hào)瓶密封瓶口沉入原取水樣處。步驟三：24h后將1號(hào)瓶取出，測(cè)定瓶中的溶氧量。按以上步驟重復(fù)三次，結(jié)果1號(hào)瓶溶氧量平均值為6.5mg，2號(hào)瓶溶氧

11、量平均值為5.3mg。回答下列問題：（1）24h后，1號(hào)瓶中溶氧變化量是 ，這說明 。（2）經(jīng)過24h后，1號(hào)瓶增加的有機(jī)物量（假設(shè)全為葡萄糖）為 。（3）現(xiàn)欲使實(shí)驗(yàn)過程同時(shí)還能測(cè)出1號(hào)瓶24h中實(shí)際合成的有機(jī)物總量，簡(jiǎn)述需補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（請(qǐng)自行選擇實(shí)驗(yàn)用具），并解釋計(jì)算方法。分析：1、2號(hào)瓶的設(shè)置目的，2號(hào)瓶測(cè)的是水體最初溶氧量，1號(hào)瓶為24小時(shí)后水體溶氧量，兩瓶對(duì)照可得出氧氣凈增量。氧氣凈增量是植物光合作用產(chǎn)生氧氣與所有生物消耗氧氣的差值，可換算成有機(jī)物葡萄糖量，即水體中有機(jī)物凈增量。要得出實(shí)際合成的有機(jī)物量，根據(jù)光合作用實(shí)際葡萄糖生產(chǎn)量=光合作用凈生產(chǎn)量呼吸作用消耗量，還需測(cè)定水體生物呼

12、吸耗氧量，這樣就確定了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理。 常見典型錯(cuò)誤：不是對(duì)增加的3號(hào)瓶進(jìn)行不透光處理，而是取樣后放于暗室；有的沒有增加新瓶，而是直接將2號(hào)瓶設(shè)置成不透光后置于取樣處等。學(xué)生不明白用黑、白瓶計(jì)算植物有機(jī)物合成量的前提就是瓶中生物的呼吸相同，將3號(hào)瓶置于暗室中，就無法與1號(hào)瓶構(gòu)成單一變量的對(duì)照，也失去了模擬自然水體的意義；而將2號(hào)瓶用作黑瓶，不僅違背了2號(hào)瓶測(cè)定最初溶氧量的目的，并且測(cè)定過程對(duì)水體的影響也會(huì)使實(shí)驗(yàn)不嚴(yán)密、不準(zhǔn)確。參考答案：例2：（1）增加1.2mg；水生植物的光合作用產(chǎn)生O2大于水中生物呼吸消耗O2。（2）1.13mg（3）另取一個(gè)和1號(hào)、2號(hào)相同的瓶，設(shè)法使之不透光（如涂上黑