水處理生物學(xué)創(chuàng)新實驗-領(lǐng)略微生物之美

水處理生物學(xué)創(chuàng)新實驗——領(lǐng)略微生物之美摘要：為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、全面提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新性思維，提出以微生物做顏料、平板培養(yǎng)基為畫板進行創(chuàng)新實驗，代替原本枯燥的微生物驗證實驗。實驗涵蓋了文獻查閱、玻璃器皿的準(zhǔn)備、混合菌的分離、純培養(yǎng)菌種的顯微鑒定、純菌活化、圖案設(shè)計及作畫培養(yǎng)等環(huán)節(jié)"在教學(xué)與評價機制方面，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺，讓學(xué)生分享實驗過程中遇到的問題或特殊的實驗現(xiàn)象、互評實驗報告，師生共同探討以規(guī)范實驗操作"充分強調(diào)學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)、分析及解決問題的能力，提高教學(xué)質(zhì)量與效果。最后以投票的形式選出排名前三的微生物作畫成品，分享他們成功畫出精美圖案的實驗技巧"關(guān)鍵詞：水處理生物學(xué)；創(chuàng)新實驗；微生物實驗；教學(xué)與評價機制；互聯(lián)網(wǎng)平臺AnInnovativeExperimentofWaterTreatmentBiology—AppreciatingtheBeautyofMicroorganismsAbstract:Basicmicrobiologyexperimentskillsarethebasisforlearningwatertreatmentbiologycourse.Inordertostimulatestudents(interestinlearning,comprehensivelyimprovestudents(applicationabilityandinnovativethinking,itisproposedtousemicrobesaspigmentsandplatemediumasboardforinnovativeexperiment,insteadoftheoriginalboringmicrobialverificationexperiments.Theexperimentcoversaccessofliteratures,preparationofglassware,separationofmixedbacteria,microscopicidentificationofpureculturestrains,activationofpurebacteria,designofpatterns，drawingandculturing.Intermsofteachingandevaluationmechanism，theInternetprovidesaplatformforstudentstoshareproblemsencounteredduringtheexperimentorspecialexperimentalphenomenaandevaluateexperimentreportsmutually,whichwouldstandardizeexperimentaloperationsthroughjointdiscussionofteachersandstudents.Itfullyemphasizesthesubjectivestatusofstudents,exercisestheirabilitytodiscover,analyzeandsolveproblems,andimprovesthequalityandeffectivenessofteaching.Finally,thetopthreemicrobialpaintingswouldbeselectedbyvotingandthreewinnerssharedtheirexperimentalskillsinsuccessfullydrawingbeautifulpatterns.Keywords：watertreatmentbiology;innovativeexperiment;microbiologyexperiment;teachingandevaluationmechanism;theInternetplatform0引言水處理生物學(xué)是給排水科學(xué)與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹水處理工程和環(huán)境水體水質(zhì)凈化過程中所涉及的生物學(xué)問題E，對學(xué)生的實踐動手能力要求很高,不僅需要重視理論教學(xué)的深度和廣度，同時也必須注重實驗教學(xué)環(huán)節(jié)⑵?？v觀各高校水以微生物為顏料，趣味以接種環(huán)、實驗涂布器筐“微 A工具為圓 A以微生物為顏料，趣味以接種環(huán)、實驗涂布器筐“微 A工具為圓 A生物筆，在不之美”同的平板培養(yǎng)基上作畫?！?.玻璃器皿的洗滌、包扎及滅菌（為后續(xù)實驗做準(zhǔn)備）菌、獲得純菌一2.配制合適的平板培養(yǎng)基、滅菌及鋪板（為微生物的純種分離做準(zhǔn)備）3.劃線和涂布兩種方式進行分離（初步得到單菌落）4.斜面接種及純培養(yǎng)菌種的菌體形態(tài)觀察（確定菌落的純度）白酵

母和

紅酵母L5.液體接種及純菌活化（得到顏料）注：各微生物菌落的顏色為:大腸桿菌一一米白色；銅綠假單胞菌一一熒光綠色;白酵母一一白色;紅酵母一一紅色:-■選擇合適的培養(yǎng)基制備平板，進行圖案設(shè)計并作畫，合適溫度培養(yǎng)處理生物學(xué)實驗課的教學(xué)項目，基本都設(shè)置了“考察微生物生理生化特性”這一綜合性實驗，學(xué)生通過實驗統(tǒng)計總大腸菌群數(shù)和細(xì)菌總數(shù)。因為總大腸菌群、細(xì)菌總數(shù)是自來水廠2個重要的出水衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)，所以熟練掌握這個實驗對今后從事水務(wù)工作的同學(xué)來講是必不可少的⑶。但是該實驗幾乎涉及到了微生物實驗所有的基礎(chǔ)操作技能，因此學(xué)生們必須先掌握顯微鏡的使用與微生物形態(tài)觀察、微生物染色技術(shù)、培養(yǎng)基的制備與滅菌、微生物純種分離和接種技術(shù)等基本實驗操作技能。如何在緊扣大綱的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新實驗課程的組織形式、完善實驗教學(xué)及評價機制，對整個教學(xué)活動的實際效果及教學(xué)目標(biāo)的順利完成起到非常重要的作用"5。因此，設(shè)計了一個新型的實驗——領(lǐng)略微生物之美，來代替原本枯燥無味的微生物驗證實驗。該實驗不僅涵蓋了上述所需掌握的微生物實驗技能，而且增添了實驗的趣味性，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新性思維K'。同時,借助互聯(lián)網(wǎng)平臺,鼓勵學(xué)生拍攝記錄下實驗過程中遇到的問題或特殊實驗現(xiàn)象,通過分享討論，提高他們分析問題、解決問題的能力,老師也會拍攝下學(xué)生在實驗過程中的錯誤操作,上傳至平臺以規(guī)范操作細(xì)節(jié)，而且每位同學(xué)在實驗后需將總結(jié)報告分享至平臺，再組織學(xué)生互評,強調(diào)學(xué)生的主體地位,充分提高學(xué)習(xí)的質(zhì)量與效果。1水處理生物學(xué)實驗授課思路根據(jù)課程的教學(xué)大綱,水處理生物學(xué)實驗是由基礎(chǔ)微生物實驗和綜合性實驗（測定水樣中的大腸菌群數(shù)和細(xì)菌總數(shù)）兩部分組成,這兩個部分看似獨立，其實是密切關(guān)聯(lián)的,只有掌握了基礎(chǔ)微生物操作技能，才能順利開展綜合性實驗,所以以一個創(chuàng)新實驗涵蓋所有的基礎(chǔ)微生物實驗，為后續(xù)實驗的開展奠定基礎(chǔ)。在第一次實驗課上要對本學(xué)期所開設(shè)的實驗項目進行梳理，讓每個學(xué)生有規(guī)劃地去進行學(xué)習(xí),以達到事半功倍的效果。2微生物作畫實驗?zāi)康募霸砘A(chǔ)的微生物實驗技能是水處理生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，合理安排這些實驗項目的先后順序以及選擇合適的組織形式，對于系統(tǒng)學(xué)習(xí)起到重要的輔助作用S。利用“不同微生物顏色、形態(tài)各不相同”這一特點,以微生物做顏料、平板培養(yǎng)基做畫板進行創(chuàng)新實驗，在合適溫度下培養(yǎng)一段時間,讓微生物菌落在平板上長出各種各樣的圖案。從菌的篩選、純菌液的獲取、培養(yǎng)基的制備、繪圖到培養(yǎng)，每個環(huán)節(jié)都需要學(xué)生親自動手，盡力而為,充分鍛煉他們的微生物實驗操作技能。多個微生物小實驗構(gòu)成了這個創(chuàng)新實驗,而每一個小實驗的設(shè)置都有其目的，必須按照一定的順序去進行,學(xué)生們通過這個實驗，不僅領(lǐng)略到了微生物之美,還學(xué)會靈活地運用這些技能,更好地去完成后續(xù)的綜合性實驗,更重要的是能充分提高學(xué)生的創(chuàng)新及綜合應(yīng)用能力g。3微生物作畫實驗步驟3.1實驗材料、儀器及實驗流程3.1.1實驗材料兩種混合菌液,1號混合菌液含大腸桿菌及銅綠假單胞菌,2號混合菌液含白酵母和紅酵母;玻璃器皿包扎用材料（紗布、報紙、棉線、棉花、透氣橡膠塞）；滅菌指示膠帶;配制培養(yǎng)基的材料（牛肉膏、蛋白胨、氯化鈉、營養(yǎng)瓊脂、氫氧化鈉、葡萄糖、酵母粉、麥芽提取物、XRD瓊脂培養(yǎng)基粉末、蒸餾水）;接種環(huán)、接種針、一次性接種環(huán)及接種針（不同規(guī)格）；酒精燈;香柏油；革蘭氏染色液;無水乙醇。3.1.2實驗儀器各種玻璃儀器;鼓風(fēng)干燥箱;高溫高壓蒸汽滅菌鍋;培養(yǎng)箱;搖床;無菌操作臺;顯微鏡。3.1.3實驗流程微生物作畫實驗的大致流程如圖$所示。3.2查閱文獻在這個趣味實驗中，獲得純培養(yǎng)的菌種并完成活化是獲得染料的關(guān)鍵步驟，而這必須建立在合適的微生物培養(yǎng)條件之上(見表1)。在老師指導(dǎo)下，學(xué)生通過查閱文獻確定大腸桿菌、銅綠假單胞菌、白酵母及紅酵母的培養(yǎng)條件，包括培養(yǎng)基的成分、pH值、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間，如果是液體培養(yǎng)基，還需考慮振搖的轉(zhuǎn)速。同時也了解了每一種微生物菌落的顏色、哪幾種微生物可以在同一個培養(yǎng)基上生長，學(xué)生們還通過文獻了解到XRD瓊脂培養(yǎng)基也適合大腸桿菌及銅綠假單胞菌的生長，且其顏色為鮮紅色，不同于近無色的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，故決定將其作為候選畫板之一,這些文獻資料為后續(xù)的實驗開展奠定理論基礎(chǔ)。表1各微生物在液體及固體培養(yǎng)基的培養(yǎng)條件大腸桿菌/銅綠假單胞菌白酵母/紅酵母液體培養(yǎng)基成分蛋白胨10D、牛肉膏3D、氯化鈉5g、蒸餾水1L蛋白胨5g、葡萄糖10g、酵母粉3g、麥芽提取物3g、蒸餾水1L瓊脂培養(yǎng)基成分在液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上增加20g瓊脂即可pH值7.4?7.66.2溫度/n3025a28時間/h18a2448滅菌條件121n滅菌15min115n滅菌15min3.3實驗步驟玻璃器皿的洗滌、包扎及滅菌。玻璃器皿的洗滌對于微生物實驗而言，起著至關(guān)重要的作用。對于新購的玻璃器皿需要先用1~2mol/L的硝酸溶液浸泡24h,再用清水洗凈，以除去游離堿;而使用過的玻璃器皿，一般情況下只需用洗潔精水溶液洗刷，沖洗干凈后，再用純水淋洗數(shù)次，但是如果接觸過菌液的話,必須在121n條件下高溫高壓蒸汽滅菌后，方可按一般玻璃器皿清洗，這一點是極為重要的，一方面殘留的菌液直接排入下水道會對環(huán)境造成極大污染，另一方面受污染的玻璃器皿極有可能會直接導(dǎo)致實驗失敗;與此同時，在微生物實驗中，經(jīng)常需要用到移液管、吸管、載玻片和蓋玻片等不適合使用刷子進行清洗的玻璃器皿，這種情況下選擇用銘酸洗液進行浸泡，再清水沖洗。但在本科教學(xué)中，這部分內(nèi)容經(jīng)常由實驗指導(dǎo)老師代勞，以至于無法引起學(xué)生的重視。玻璃器皿的包扎也是一個考驗學(xué)生動手能力及細(xì)心程度的環(huán)節(jié)，包扎好的玻璃器皿的外層報紙上粘貼滅菌指示膠帶，用于確認(rèn)每個玻璃器皿是否都達到了濕熱滅菌的要求，再在121n下滅菌20min即可。在該創(chuàng)新實驗中，第1次授課內(nèi)容就是學(xué)習(xí)玻璃器皿的洗滌、包扎及滅菌，準(zhǔn)備好的器皿將用于后續(xù)整個實驗，所以每個學(xué)生都要學(xué)會為自己的實驗負(fù)責(zé)，同時養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣。配制微生物純種分離所需的平板培養(yǎng)基。按照表1處方配制好兩種瓊脂培養(yǎng)基，在不同條件下進行高壓蒸汽滅菌后，冷卻至40a50n(摸上去不燙手)，迅速注入培養(yǎng)基至鋪滿底部,立刻合上皿蓋，平皿靜置于桌上，冷凝即成平板,室溫放置過夜，使平板表面干燥無水膜。在這個步驟中，嚴(yán)格的無菌操作是極為重要的，如果玻璃器皿或者培養(yǎng)基被污染,過夜的培養(yǎng)基上通常會長雜菌，不可用于分離。確保平板表面的干燥，可有效改善分離效果。劃線和涂布以獲得單菌落。在進行分離前,學(xué)生需要將純水經(jīng)高溫高壓蒸汽滅菌得無菌水，再以此稀釋菌液,稀釋倍數(shù)通常要達到1。6方可確保菌落呈分散生長，之后可用平板稀釋或平板劃線法進行分離。平板稀釋法是將菌液滴于平板中央，再用涂布器進行涂布。平板劃線法是用接種環(huán)取菌，接種環(huán)與平板成3。°,前緣部位接觸平板，“之”字形劃線(見圖2)#接種好的平板室溫放置1h,待接種菌液被培養(yǎng)基吸收后,倒置于37n恒溫箱培養(yǎng)24h,在室溫下培養(yǎng)2~3d,使菌落性狀表現(xiàn)較充分。圖2平板劃線分離示意圖相較于平板劃線，涂布的方法看似更為簡單，但很多同學(xué)在實驗過程中，由于沒有采取預(yù)實驗估計菌液合適的用量,導(dǎo)致菌落密度過高,無法區(qū)分開，合適的用量為1d稀釋后的菌液(約為50#L)。而平板劃線法對學(xué)生的操作要求更高，從上一區(qū)域引出菌液時,必須先灼燒接種環(huán),否則起不到稀釋作用，但第4步與第3步之間可連貫進行，劃線的力度要恰當(dāng),否則容易刮破。斜面接種及純培養(yǎng)菌種的菌體形態(tài)觀察。制備試管斜面培養(yǎng)基及接種:試管斜面培養(yǎng)基與平板培養(yǎng)基的配方相同,區(qū)別在于，斜面培養(yǎng)基是借助漏斗將培養(yǎng)基分裝至試管后滅菌,然后趁熱將試管斜放，斜面長度一般不要超過試管長度的1/2，放置過夜即可。通過平板稀釋和平板劃線可在兩個培養(yǎng)基中分別得到5種單菌落,按無菌操作法，分別將取了菌的接種環(huán)伸入試管，在培養(yǎng)基表面“之”字形劃線后密塞，按表1條件進行培養(yǎng)，可獲得純培養(yǎng)菌種。純培養(yǎng)菌種的菌體形態(tài)觀察:對純培養(yǎng)的菌種進行革蘭氏染色以及鏡檢，不僅可判斷細(xì)菌的純度，還可(b)圖案設(shè)計案例2(d)一次性接種針(b)圖案設(shè)計案例2(d)一次性接種針圖3圖案設(shè)計及作畫工具(a)圖案設(shè)計案例1(c)一次性接種環(huán)進一步辨別菌體屬于革蘭氏陽性或陰性菌,并觀察其形態(tài)結(jié)構(gòu)"在此基礎(chǔ)上，更好地保證“顏料”作畫的質(zhì)量。一般來說，細(xì)菌的菌落比較光滑濕潤，可用接種環(huán)挑起極少量菌落進行革蘭氏染色,主要分4個步驟,即取菌■涂片~染色(初染_媒染_脫色_復(fù)染)鏡檢。在這個小實驗中，有幾個細(xì)節(jié)會直接影響實驗結(jié)果，包括取菌的量不可過多，否則涂片后菌落會重疊，導(dǎo)致脫色效果變差，無法觀察到真實菌體情況;初染和媒染時，用純水沖洗后不要用酒精燈烘干,否則殘留的染料容易附著在玻片上;鏡檢時必須依次使用低倍鏡、高倍鏡、油鏡進行調(diào)焦，根據(jù)“物鏡同焦”這一現(xiàn)象，理論上在使用了低倍鏡后再使用高倍鏡、油鏡等放大倍數(shù)高、工作距離短的物鏡時，僅用細(xì)調(diào)節(jié)器即可清晰聚焦，而且用油鏡觀察完樣本后，不可隨意切換回高倍鏡和低倍鏡,防止玻片上的鏡油污染干鏡的鏡頭。液體接種及純菌活化。在確認(rèn)了菌落的純度之后,需要將其由斜面接種至滅菌的液體培養(yǎng)基，進行活化,以獲得“顏料”。取菌的工具為接種環(huán)，必須先灼燒滅菌后，在試管玻璃內(nèi)壁或空白培養(yǎng)基處冷卻，待培養(yǎng)基不再被接種環(huán)融化時,即可用環(huán)蘸取少量菌，然后迅速將接種環(huán)移入液體培養(yǎng)基中，輕輕攪拌,封口，合適條件下進行培養(yǎng)。進行圖案設(shè)計并作畫、培養(yǎng)。學(xué)生根據(jù)自己的喜好,選擇合適的平板和菌液進行作畫，圖案自行設(shè)計且顏色自由搭配，但由于少量的菌液在平板上劃線時,很快就被吸收，學(xué)生無法追蹤之前畫過的痕跡，提出先在濾紙上用黑色水筆設(shè)計好圖案,將其墊于培養(yǎng)皿下方，可透過培養(yǎng)基看到圖案,再以一次性接種環(huán)或接種針進行作畫［見圖3(a)、(b)］。選擇一次性的接種環(huán)或接種針［見圖3(c)、(J):主要是因為其材質(zhì)為聚丙烯,相比于傳統(tǒng)鎳銘合金的接種環(huán)和接種針，不會那么尖銳,即使力度把握較差的學(xué)生也不會輕易劃破培養(yǎng)基的表面。4微生物作畫實驗教學(xué)與評價機制為了建立更合理的教學(xué)與評價機制，借助互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)平臺,鼓勵學(xué)生拍攝記錄下實驗過程中遇到的問題或特殊的實驗現(xiàn)象，課后上傳至學(xué)習(xí)平臺與同學(xué)一起討論分析，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力。授課老師與實驗指導(dǎo)老師在實驗課堂上，拍攝記錄下學(xué)生在實驗操作過程中存在的問題,上傳至學(xué)習(xí)平臺與全體學(xué)生分享，從而讓所有學(xué)生能夠更規(guī)范地進行實驗操作。(a)一等獎作品 (b)二等獎作品 (c)三等獎作品該趣味實驗是由6個小實驗構(gòu)成的，每1次實驗結(jié)束后，同學(xué)們需要對其進行總結(jié)，并將實驗報告上傳至學(xué)習(xí)平臺，組織學(xué)生進行互評，評價標(biāo)準(zhǔn)在于其價值性,憑借這份報告是否可以有效地規(guī)避實驗的雷區(qū)，提高成功的概率，以及加深對理論的認(rèn)識和理解。最后師生一起參與微生物作畫成品的投票，主要從顏色、構(gòu)圖等方面綜合考慮評選出排名前三的作品(見圖4),分享他們成功畫出精美圖案的實驗技巧。(a)一等獎作品 (b)二等獎作品 (c)三等獎作品5結(jié)語根據(jù)給排水科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程設(shè)置，水處理生物學(xué)一般開設(shè)在大學(xué)二年級第一學(xué)期，是學(xué)生進入高校以來開設(shè)較早的專業(yè)課，所以實驗技能、實驗思想、實驗習(xí)慣的好壞會直接影響其他實驗課程的開展甚至科研水平問。在水處理生物學(xué)實驗中，借助微生物作畫的趣味