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环境微生物学微课教学模式研究

环境工程专业是一门包含了化学工程、生物学、管理学以及社会学等多种科目的新兴学科,其特点是学科覆盖面广、知识体系复杂[1]。作为专业核心课程的“环境工程微生物学”也相应地成为了多学科性的边缘学科[2]。为适应现代教学和科学技术发展的需求,及时反映环境工程研究工作的新进展,该门课程应在培养目标、教学手段以及方式上进行适应时代发展的改革,在一定程度上扩大课程内容的广度和深度,从而提高学生运用微生物学原理分析和解决实际环境问题的能力,为学生后续学习和科研工作打下扎实的专业基础[3-4]。本文以《蓝藻细胞的特殊结构》微课教学设计为例,旨在初步探讨环境微生物学的微课教学模式。

近年来,随着人类社会的飞速发展,大多数河流和湖泊由于物理、化学、生物等因素的交互作用而形成大面积的蓝藻水华。可见,蓝藻水华的暴发已经成为世界范围内一个极为严重的环境问题。研究表明,蓝藻能够在水生态系统中大量繁殖,与其特殊的细胞结构有密切的联系[5]。为了探明蓝藻水华暴发的机理,首先要掌握蓝藻细胞的特殊结构。因此,《蓝藻细胞的特殊结构》既是该门课程的知识重点,也是一个知识难点。然而,蓝藻是微生物,肉眼难以看见,掌握其细胞结构需要学生的抽象思维,理论知识显得更加枯燥乏味[6]。针对此问题,需要引入相关日常生活实例,使学生认识到蓝藻水华的发生对其生活带来的负面影响。本微课的设计旨在从实际问题出发,从春夏季节路过池塘闻到的腥臭味;湖泊水面漂浮的一层厚厚的“绿漆”引入主题,来激发学生的学习兴趣,然后引出蓝藻细胞的特殊结构,从而探析蓝藻水华暴发的内在原因。

1教学背景

蓝藻,又称蓝细菌,是古老的光合放氧生物。与其它藻类相比,蓝藻是单细胞的原核生物,它的细胞结构有一定的特殊性。在长期的进化过程中,蓝藻形成了一套独特的生理学机制和适应特性,它在水生态系统中具有极强的生态竞争优势,这与其特殊的细胞结构是密不可分的。因此,掌握蓝藻细胞的特殊结构对学生全面了解蓝藻暴发的内在机制具有重要意义。

2教学目标

(1)了解蓝藻暴发的外在因素。(2)掌握蓝藻细胞的各部分特殊结构(胶质鞘、伪空胞、藻胆体和羧酶体)的特点及与其它藻类的异同点。(3)掌握蓝藻细胞的各部分特殊结构(胶质鞘、伪空胞、藻胆体和羧酶体)的功能,并能结合理论知识分析蓝藻暴发的内在机制。

3教学难点

蓝藻细胞各部分特殊结构(胶质鞘、伪空胞、藻胆体和羧酶体)的特点及功能;从实际问题出发,结合理论知识分析蓝藻暴发的内在机制,提高学生运用微生物学原理分析环境问题的能力。

4教学方法

本次授课主要采用讲授法进行演示讲解,立足于实际,举例说明每一个特殊结构的生物功能,让学生对其有更深入的认识,从而能够将琐碎的知识点融会贯通,综合分析蓝藻水华暴发的内在机制。

5过程设计

5.1主题引入。—亚显微结构首先,举例全球蓝藻水华暴发事件,突出蓝藻在生态系统中的优势地位。然后,通过图片—实验室培养的淡水藻种(蓝藻和绿藻),说明二者在宏观上没有明显区别,然而真正的区别是:在漫长的进化过程中,蓝藻形成了有效的防御机制、浮力调节机制、光吸收机制以及CO2浓缩机制,从而引导学生思考这些生态生理功能都是由哪些特殊结构来行使。最后,展示蓝藻细胞的亚显微结构,引入本节微课主题--各部分特殊结构(胶质鞘、伪空胞、藻胆体和羧酶体)。5.2胶质鞘。介绍胶质鞘的主要组成成分:酸性黏多糖和果胶质;然后介绍其主要功能:防止细胞脱水、被吞噬和抗菌剂的危害;有利于细胞粘附于固体表面之上;与细胞生活所必需的阳离子鳌合[7]。举例说明胶质鞘的存在对于蓝藻抵抗不利环境发挥着非常重要的作用:当浮游动物面对小球藻和铜绿微囊藻时,哪种藻类将能成为它的食物呢?对于单细胞小球藻来说,很容易就被水蚤所捕获,然而当它去捕食铜绿微囊藻时,其胞外因为有一层胶质鞘包围而细胞与细胞相互黏合形成了高密度群体,从而增大了浮游动物的捕食阻力。即使随后被稍大型的滤食性动物所捕食,也会因胶质鞘的存在而难以消化,从而减少了蓝藻由于被过度捕食而导致种群灭绝的可能,这就是蓝藻的一种诱发性的防御策略[8]。5.3伪空胞。首先,简单介绍伪空胞的发现史:早在1895年,一位名叫Klebahn的德国微生物学家发现蓝藻细胞内存在着含有气体的气囊,直到1965年这个气囊被人们正式命名为伪空胞;接着阐述伪空胞的组成成分、形态、功能及功能调节机制[9]。最后,举例说明伪空胞是如何调节蓝藻浮力的:当蓝藻细胞处于低光强或者较深的水层中,其光合速率下降,光合产物逐渐被呼乎作用所消耗,这时蓝藻细胞大量合成伪空胞,使蓝藻细胞的密度变小,重新获得浮力上浮于水面,从而充分利用水体表面的光能和无机营养。因此得出结论--在蓝藻水华暴发过程中,伪空胞起着非常重要的浮力调节作用。5.4藻胆体。提问学生蓝藻具有哪些光合色素,从而提示蓝藻和其它真核藻类的区别在于细胞内存在大量的藻胆素。简述藻胆体的形成过程:这些藻胆素与蛋白质紧密结合在一起,形成藻胆蛋白,不同类型的藻胆蛋白通过连接多肽将不同类型的藻胆蛋白按一定的次序组合在一起,形成高度有序的超分子复合体—藻胆体[10]。介绍藻胆体的分子量大小和形状;最后着重阐述其功能,突出藻胆体在捕获光能方面的重要性:藻胆体作为光合作用能量吸收与传递的功能单位,可以吸收其他藻类一般不能利用的波长为500~650nm的绿、黄和橙色部分的光,从而扩大了蓝藻对光谱的吸收范围,能更有效地利用光能。而且,在弱光下,蓝藻可以快速合成大量的藻胆蛋白,从而有效地收集光能,以满足光合作用的需要。5.5羧酶体。在进化过程中,蓝藻仍然保留了对CO2亲和力低的特点,需要较高的CO2浓度才能获得正常的碳同化速率。针对此缺陷,蓝藻形成了CO2浓缩机制,在此机制中发挥重要作用的细胞结构就是羧酶体。它由以蛋白质为主的单层膜包围,内含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和碳酸酐酶。大部分呈二十面体对称结构,右图是聚球藻属的扫描电镜图,可以看到细胞周质内的多面体结构就是羧酶体。它的主要功能是可以把外源低浓度的CO2、HCO3-主动运输到细胞内,并以HCO3-的形式累积起来,这就极大地提高了羧化酶/加氧酶活性位点周围的CO2浓度,有利于该酶起羧化酶作用,抑制其氧化酶活性,从而极大地提高了蓝藻的光合效率[11]。5.6小结。通过总结蓝藻细胞的各部分特殊结构(胶质鞘,伪空胞,藻胆体以及羧酶体)及功能,强调四种机制协同作用使蓝藻在种间形成了绝对的竞争优势,从而使学生再次明确本次微课的重、难点,并再次强化和构建出清晰的知识结构。

6结语

随着社会的快速发展,人类面临的环境问题越来越多,因此,国家建设越来越需要环境专业的应用型人才,探索新时期背景下环境工程微生物学的课程教学新方法尤为重要。本文以《蓝藻细胞的特殊结构》的教学设计为例,以微课建设为载体,教与学全过程立足于实际,将环境问题与课程重难点融会贯通,以微课动态的形式更直观地呈现,一方面可以为学生课下自主学习提供了资源;另一方面调动了学生运用所学知识分析、解决实际问题的积极性,从而让学生把所学书本知识运用于生产实际中,提高综合运用所学知识解决实际问题的能力和创造力,最终实现应用型人才的培养目标。

7致谢

感谢河南省高等学校重点科研项目计划“重金属污染环境下基于水体凋落物分解者调控的食物链修复技术”(15A180063)和国家青年科学基金项目“纳米氧化锌对河流凋落物降解的影响及机制研究”(31500377)对本研究的资助。

作者:杜京京 张玉燕 魏明宝 张肖静 单位:郑州轻工业学院材料与化学工程学院

参考文献

[1]杨春平.国外环境科学与工程本科教育的起源与发展[J].高等工程教育研究,2007(5):105-107.

[2]周群英,王士芬.环境工程微生物学[M]第3版.北京:高等教育出版社,2008.

[3]王国惠.新时期环境工程微生物学学科建设的探索与实践[J].教育理论与实践,2007(27):279.

[4]侯宁,李大鹏,李春艳.高等农业院校微生物专业课程体系构建与人才培养[J].黑龙江高教研究,2013(8):154-157.

[5]李媛,张家卫,魏杰,等.我国蓝藻水华的发生机理、危害及防控利用研究进展[J].微生物学杂志,2015,35(4):93-97.

[6]余纯丽.运用综合手段提高学生创新能力‒对环境工程微生物学课程教学改革的探讨[J].重庆工商大学学院(自然科学版),2009,26(4):415-414.

[7]王健,孙存华.简介蓝藻细胞的亚显微结构[J].生物学教学,2015,40(5):70-71.

[8]朱富寿,梁威,吴振斌,等.蓝藻的生理特性及生态竞争优势[J].生物学教学,2009,34(6):4-7.

[9]张永生,孔繁翔,于洋,等.蓝藻伪空胞的特性及浮力调节机制[J].生态学报,2010,30(18):5077-5090.

[10]王广策,曾呈奎.藻胆体结构与功能的研究概况[J].水生生物学报,1998,22(4):372-377.

[11]张宝燕,田平芳.羧酶体结构及其CO2浓缩机制研究进展[J].生物工程学报,2014,30(8):1164-1171.

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