導(dǎo)語(yǔ)：環(huán)境微生物學(xué)微課教學(xué)模式研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

環(huán)境工程專業(yè)是一門包含了化學(xué)工程、生物學(xué)、管理學(xué)以及社會(huì)學(xué)等多種科目的新興學(xué)科，其特點(diǎn)是學(xué)科覆蓋面廣、知識(shí)體系復(fù)雜[1]。作為專業(yè)核心課程的“環(huán)境工程微生物學(xué)”也相應(yīng)地成為了多學(xué)科性的邊緣學(xué)科[2]。為適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求，及時(shí)反映環(huán)境工程研究工作的新進(jìn)展，該門課程應(yīng)在培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)手段以及方式上進(jìn)行適應(yīng)時(shí)展的改革，在一定程度上擴(kuò)大課程內(nèi)容的廣度和深度，從而提高學(xué)生運(yùn)用微生物學(xué)原理分析和解決實(shí)際環(huán)境問題的能力，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和科研工作打下扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)[3-4]。本文以《藍(lán)藻細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)》微課教學(xué)設(shè)計(jì)為例，旨在初步探討環(huán)境微生物學(xué)的微課教學(xué)模式。

近年來(lái)，隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展，大多數(shù)河流和湖泊由于物理、化學(xué)、生物等因素的交互作用而形成大面積的藍(lán)藻水華。可見，藍(lán)藻水華的暴發(fā)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)一個(gè)極為嚴(yán)重的環(huán)境問題。研究表明，藍(lán)藻能夠在水生態(tài)系統(tǒng)中大量繁殖，與其特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系[5]。為了探明藍(lán)藻水華暴發(fā)的機(jī)理，首先要掌握藍(lán)藻細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)。因此，《藍(lán)藻細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)》既是該門課程的知識(shí)重點(diǎn)，也是一個(gè)知識(shí)難點(diǎn)。然而，藍(lán)藻是微生物，肉眼難以看見，掌握其細(xì)胞結(jié)構(gòu)需要學(xué)生的抽象思維，理論知識(shí)顯得更加枯燥乏味[6]。針對(duì)此問題，需要引入相關(guān)日常生活實(shí)例，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到藍(lán)藻水華的發(fā)生對(duì)其生活帶來(lái)的負(fù)面影響。本微課的設(shè)計(jì)旨在從實(shí)際問題出發(fā)，從春夏季節(jié)路過(guò)池塘聞到的腥臭味；湖泊水面漂浮的一層厚厚的“綠漆”引入主題，來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后引出藍(lán)藻細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)，從而探析藍(lán)藻水華暴發(fā)的內(nèi)在原因。

1教學(xué)背景

藍(lán)藻，又稱藍(lán)細(xì)菌，是古老的光合放氧生物。與其它藻類相比，藍(lán)藻是單細(xì)胞的原核生物，它的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有一定的特殊性。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，藍(lán)藻形成了一套獨(dú)特的生理學(xué)機(jī)制和適應(yīng)特性，它在水生態(tài)系統(tǒng)中具有極強(qiáng)的生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這與其特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是密不可分的。因此，掌握藍(lán)藻細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)學(xué)生全面了解藍(lán)藻暴發(fā)的內(nèi)在機(jī)制具有重要意義。

2教學(xué)目標(biāo)

(1)了解藍(lán)藻暴發(fā)的外在因素。(2)掌握藍(lán)藻細(xì)胞的各部分特殊結(jié)構(gòu)(膠質(zhì)鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)的特點(diǎn)及與其它藻類的異同點(diǎn)。(3)掌握藍(lán)藻細(xì)胞的各部分特殊結(jié)構(gòu)(膠質(zhì)鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)的功能，并能結(jié)合理論知識(shí)分析藍(lán)藻暴發(fā)的內(nèi)在機(jī)制。

3教學(xué)難點(diǎn)

藍(lán)藻細(xì)胞各部分特殊結(jié)構(gòu)(膠質(zhì)鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)的特點(diǎn)及功能；從實(shí)際問題出發(fā)，結(jié)合理論知識(shí)分析藍(lán)藻暴發(fā)的內(nèi)在機(jī)制，提高學(xué)生運(yùn)用微生物學(xué)原理分析環(huán)境問題的能力。

4教學(xué)方法

本次授課主要采用講授法進(jìn)行演示講解，立足于實(shí)際，舉例說(shuō)明每一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的生物功能，讓學(xué)生對(duì)其有更深入的認(rèn)識(shí)，從而能夠?qū)嵥榈闹R(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，綜合分析藍(lán)藻水華暴發(fā)的內(nèi)在機(jī)制。

5過(guò)程設(shè)計(jì)

5.1主題引入。—亞顯微結(jié)構(gòu)首先，舉例全球藍(lán)藻水華暴發(fā)事件，突出藍(lán)藻在生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)地位。然后，通過(guò)圖片—實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的淡水藻種(藍(lán)藻和綠藻)，說(shuō)明二者在宏觀上沒有明顯區(qū)別，然而真正的區(qū)別是：在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，藍(lán)藻形成了有效的防御機(jī)制、浮力調(diào)節(jié)機(jī)制、光吸收機(jī)制以及CO2濃縮機(jī)制，從而引導(dǎo)學(xué)生思考這些生態(tài)生理功能都是由哪些特殊結(jié)構(gòu)來(lái)行使。最后，展示藍(lán)藻細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，引入本節(jié)微課主題--各部分特殊結(jié)構(gòu)(膠質(zhì)鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)。5.2膠質(zhì)鞘。介紹膠質(zhì)鞘的主要組成成分：酸性黏多糖和果膠質(zhì)；然后介紹其主要功能：防止細(xì)胞脫水、被吞噬和抗菌劑的危害；有利于細(xì)胞粘附于固體表面之上；與細(xì)胞生活所必需的陽(yáng)離子鰲合[7]。舉例說(shuō)明膠質(zhì)鞘的存在對(duì)于藍(lán)藻抵抗不利環(huán)境發(fā)揮著非常重要的作用：當(dāng)浮游動(dòng)物面對(duì)小球藻和銅綠微囊藻時(shí)，哪種藻類將能成為它的食物呢？對(duì)于單細(xì)胞小球藻來(lái)說(shuō)，很容易就被水蚤所捕獲，然而當(dāng)它去捕食銅綠微囊藻時(shí)，其胞外因?yàn)橛幸粚幽z質(zhì)鞘包圍而細(xì)胞與細(xì)胞相互黏合形成了高密度群體，從而增大了浮游動(dòng)物的捕食阻力。即使隨后被稍大型的濾食性動(dòng)物所捕食，也會(huì)因膠質(zhì)鞘的存在而難以消化，從而減少了藍(lán)藻由于被過(guò)度捕食而導(dǎo)致種群滅絕的可能，這就是藍(lán)藻的一種誘發(fā)性的防御策略[8]。5.3偽空胞。首先，簡(jiǎn)單介紹偽空胞的發(fā)現(xiàn)史：早在1895年，一位名叫Klebahn的德國(guó)微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)存在著含有氣體的氣囊，直到1965年這個(gè)氣囊被人們正式命名為偽空胞；接著闡述偽空胞的組成成分、形態(tài)、功能及功能調(diào)節(jié)機(jī)制[9]。最后，舉例說(shuō)明偽空胞是如何調(diào)節(jié)藍(lán)藻浮力的：當(dāng)藍(lán)藻細(xì)胞處于低光強(qiáng)或者較深的水層中，其光合速率下降，光合產(chǎn)物逐漸被呼乎作用所消耗，這時(shí)藍(lán)藻細(xì)胞大量合成偽空胞，使藍(lán)藻細(xì)胞的密度變小，重新獲得浮力上浮于水面，從而充分利用水體表面的光能和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)。因此得出結(jié)論--在藍(lán)藻水華暴發(fā)過(guò)程中，偽空胞起著非常重要的浮力調(diào)節(jié)作用。5.4藻膽體。提問學(xué)生藍(lán)藻具有哪些光合色素，從而提示藍(lán)藻和其它真核藻類的區(qū)別在于細(xì)胞內(nèi)存在大量的藻膽素。簡(jiǎn)述藻膽體的形成過(guò)程：這些藻膽素與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合在一起，形成藻膽蛋白，不同類型的藻膽蛋白通過(guò)連接多肽將不同類型的藻膽蛋白按一定的次序組合在一起，形成高度有序的超分子復(fù)合體—藻膽體[10]。介紹藻膽體的分子量大小和形狀；最后著重闡述其功能，突出藻膽體在捕獲光能方面的重要性：藻膽體作為光合作用能量吸收與傳遞的功能單位，可以吸收其他藻類一般不能利用的波長(zhǎng)為500~650nm的綠、黃和橙色部分的光，從而擴(kuò)大了藍(lán)藻對(duì)光譜的吸收范圍，能更有效地利用光能。而且，在弱光下，藍(lán)藻可以快速合成大量的藻膽蛋白，從而有效地收集光能，以滿足光合作用的需要。5.5羧酶體。在進(jìn)化過(guò)程中，藍(lán)藻仍然保留了對(duì)CO2親和力低的特點(diǎn)，需要較高的CO2濃度才能獲得正常的碳同化速率。針對(duì)此缺陷，藍(lán)藻形成了CO2濃縮機(jī)制，在此機(jī)制中發(fā)揮重要作用的細(xì)胞結(jié)構(gòu)就是羧酶體。它由以蛋白質(zhì)為主的單層膜包圍，內(nèi)含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶。大部分呈二十面體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，右圖是聚球藻屬的掃描電鏡圖，可以看到細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)的多面體結(jié)構(gòu)就是羧酶體。它的主要功能是可以把外源低濃度的CO2、HCO3-主動(dòng)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，并以HCO3-的形式累積起來(lái)，這就極大地提高了羧化酶/加氧酶活性位點(diǎn)周圍的CO2濃度，有利于該酶起羧化酶作用，抑制其氧化酶活性，從而極大地提高了藍(lán)藻的光合效率[11]。5.6小結(jié)。通過(guò)總結(jié)藍(lán)藻細(xì)胞的各部分特殊結(jié)構(gòu)(膠質(zhì)鞘，偽空胞，藻膽體以及羧酶體)及功能，強(qiáng)調(diào)四種機(jī)制協(xié)同作用使藍(lán)藻在種間形成了絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而使學(xué)生再次明確本次微課的重、難點(diǎn)，并再次強(qiáng)化和構(gòu)建出清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

6結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人類面臨的環(huán)境問題越來(lái)越多，因此，國(guó)家建設(shè)越來(lái)越需要環(huán)境專業(yè)的應(yīng)用型人才，探索新時(shí)期背景下環(huán)境工程微生物學(xué)的課程教學(xué)新方法尤為重要。本文以《藍(lán)藻細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)》的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，以微課建設(shè)為載體，教與學(xué)全過(guò)程立足于實(shí)際，將環(huán)境問題與課程重難點(diǎn)融會(huì)貫通，以微課動(dòng)態(tài)的形式更直觀地呈現(xiàn)，一方面可以為學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)提供了資源；另一方面調(diào)動(dòng)了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的積極性，從而讓學(xué)生把所學(xué)書本知識(shí)運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際中，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)造力，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

7致謝

感謝河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃“重金屬污染環(huán)境下基于水體凋落物分解者調(diào)控的食物鏈修復(fù)技術(shù)”(15A180063)和國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目“納米氧化鋅對(duì)河流凋落物降解的影響及機(jī)制研究”(31500377)對(duì)本研究的資助。

作者:杜京京 張玉燕 魏明寶 張肖靜 單位:鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]楊春平．國(guó)外環(huán)境科學(xué)與工程本科教育的起源與發(fā)展[J]．高等工程教育研究，2007(5)：105-107．

[2]周群英，王士芬．環(huán)境工程微生物學(xué)[M]第3版．北京：高等教育出版社，2008．

[3]王國(guó)惠．新時(shí)期環(huán)境工程微生物學(xué)學(xué)科建設(shè)的探索與實(shí)踐[J]．教育理論與實(shí)踐，2007(27)：279．

[4]侯寧，李大鵬，李春艷．高等農(nóng)業(yè)院校微生物專業(yè)課程體系構(gòu)建與人才培養(yǎng)[J]．黑龍江高教研究，2013(8)：154-157．

[5]李媛，張家衛(wèi)，魏杰，等．我國(guó)藍(lán)藻水華的發(fā)生機(jī)理、危害及防控利用研究進(jìn)展[J]．微生物學(xué)雜志，2015，35(4)：93-97．

[6]余純麗．運(yùn)用綜合手段提高學(xué)生創(chuàng)新能力‒對(duì)環(huán)境工程微生物學(xué)課程教學(xué)改革的探討[J]．重慶工商大學(xué)學(xué)院(自然科學(xué)版)，2009，26(4)：415-414．

[7]王健，孫存華．簡(jiǎn)介藍(lán)藻細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)[J]．生物學(xué)教學(xué)，2015，40(5)：70-71．

[8]朱富壽，梁威，吳振斌，等．藍(lán)藻的生理特性及生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[J]．生物學(xué)教學(xué)，2009，34(6)：4-7．

[9]張永生，孔繁翔，于洋，等．藍(lán)藻偽空胞的特性及浮力調(diào)節(jié)機(jī)制[J]．生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30(18)：5077-5090．

[10]王廣策，曾呈奎．藻膽體結(jié)構(gòu)與功能的研究概況[J]．水生生物學(xué)報(bào)，1998，22(4)：372-377．

[11]張寶燕，田平芳．羧酶體結(jié)構(gòu)及其CO2濃縮機(jī)制研究進(jìn)展[J]．生物工程學(xué)報(bào)，2014，30(8)：1164-1171．