环境生物技术教学实验设计案例
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摘要：环境生物技术是环境科学与工程学科领域的一门重要基础专业课程，环境生物技术的实验课程涵盖了较广泛的实验技能。为了提高该实验课程教学的有效性和针对性，本文在总结以往课程教学以及科研实践经验的基础上，以一项自主教学实验设计为范例，探讨了使该课程教学更为生动、有效的教学模式，为环境生物技术教学实验的设计工作提供了参考。
关键词：环境生物技术；教学实验；设计
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）26-0274-02
环境生物技术课程是现代生物技术与环境科学紧密结合形成的新兴交叉学科，环境生物技术在环境污染防治、生物资源开发、可持续发展等学科领域中均具有广阔的发展前景[1]。由于其涉及内容繁多、实践性强、发展迅速，在教学实践中，往往会存在以下几个问题：（1）一些教学内容与环境微生物学，水处理工程、生物修复技术等课程内容重复，导致教学重点不够突出；（2）部分同学不能有效掌握基本理论，无法正确实践利用所学的课本知识，不能将理论与实践紧密结合；（3）无法有效跟踪最新的生物技术进展，导致理论教学内容和实际情况有所脱节。
为了适应现代环境科学与工程领域人才培养的新要求，提高环境生物技术课程的教学质量。针对上述问题，笔者从教学与科研实践中总结了若干经验，进行了一些思考和尝试，发现通过合理的配套实验教学，可使学生在掌握相关实验技能的同时，更好地理解环境生物技术的理论内容。
一、环境生物技术实验的现存问题
目前，环境生物技术实验的教材并不多，2012年刘娜等编写的《环境生物技术实验》系统地介绍了该领域的基本实验原理和研究方法，包括基本实验技术、综合实验技术、研究性实验技术、应用实验技术及现代分子实验技术等[2]。然而受到课时以及实验条件的影响，在实际的教学中，有相当一部分实验无法有效开展，如微生物总DNA中的16S rDNA PCR扩增技术。且该教材中的部分内容也与环境微生物实验相重复，如细菌染色技术与形态观察等。由于实验教学是环境生物技术教学的重要环节，对学生实践能力和科学素养的培养具有关键作用，因此，对实验课程体系进行精心设计，钻研改进，可有效提高教学成效[3]。
二、自主设计实验案例
笔者根据自己的教学经验、科研背景以及本实验室的客观条件，对环境生物技术实验的教学方法和内容做了若干调整和改善，在教学模式上取得了一些经验。其中的主要工作就是自主设计和实施了一项教学实验——破碎小球藻细胞提取生物油脂[4]。在当前世界范围内能源加剧消耗的背景下，生物质能源如生物柴油等得到了广泛关注，以微藻为原料制取生物油脂成为近几年新兴的研究热点[5]。其中的小球藻在天然水体中分布极为广泛，生长快速，油脂含量高，非常适合用于提取生物油脂，以生产生物柴油[6，7]。“破碎小球藻细胞提取生物油脂”这一实验可向学生们展示生物柴油生产过程中的一些关键环节。本实验的主要内容详述如下：
1.小球藻的培养与计数。实验所需小球藻可从附近天然水体中分离，也可从藻种库购买。在培养箱中采用人工照明法培养小球藻，所用培养液为BG11培养基，温度控制在25℃，光暗周期为12h∶12h。在培养过程中，小球藻随时间不断增殖，为了监控其生长速度，需每日对小球藻浓度进行测定。本教学实验采用的小球藻细胞量测试方法有以下两种[8]：（1）吸光度法：利用藻细胞在某一波长处的光吸收值来测定细胞密度，本实验使用可见光分光光度计在540nm下测量小球藻混合液的吸光度。（2）细胞计数法：将小球藻悬浊液混合均匀，使用细胞计数板，又称血球计数板，在光学显微镜下对小球藻细胞进行目测计数，并计算小球藻在悬浊液中的浓度。
根据每日小球藻细胞量的检测结果，可绘制其生长趋势图，观察总结其生长曲线，并分析特点。
2.小球藻的破碎。将小球藻培养一个月后，小球藻细胞数量可达到实验要求，此时可进行细胞破碎操作。本教学实验采用超声波细胞破碎机对小球藻进行破碎。超声波法是实验室常见的破碎微生物细胞的技术，在液体介质中，超声波造成的空化效应可在气泡周围的液体中产生强大的机械剪切力，致使细胞破碎[9]。
超声破碎的功率与时间可根据实际情况进行设定和改变。在适当条件下，小球藻的细胞壁和细胞膜会得到有效破碎。
3.小球藻中生物油脂的提取。小球藻细胞破碎后，细胞内的有机物，如脂类、多糖及蛋白质都会释放入周围水溶液中，此时可进行生物油脂的提取。本实验采取有机溶剂萃取法进行小球藻油脂的提取，具体方法为：以体积比为1∶1的正己烷和乙酸乙酯混合有机溶剂对小球藻混合液进行液-液萃取，萃取后将有机相置于真空旋转蒸发器中，将有机溶剂全部挥发后，所余物质即为小球藻油脂。将其称重，可计算出小球藻的含油率（以提取物占小球藻干重的百分比计算）。
4.实验注意事项。本实验周期比较长，步骤较多，同时涉及到了环境生物技术中较多的知识点，对学生的基础实验技能有着较高的要求。在学习环境生物技术实验之前，需要掌握的课程基础包括微生物学，有机化学，生物化学，分析化学等。在实验过程中，学生需要分组合作，并在管理上实行组长负责制，教师应及时对其提供指导和支持，保证实验有序顺利进行。为了提高学生的思考能力，应鼓励学生对实验中遇到的问题进行独立自主的解决，并在课堂上进行讨论与交流。实验教学的最后一环是实验报告的书写，在这一环中，应要求学生严格按照实验报告模板进行书写，翔实记载实验内容、实验现象、实验结果、并进行数据整理与分析，这也是对学生进行创新性培养的一个重要环节。
三、结语
作为专业授课教师，须在教学实践中不断探索，在适应现代环境科学与工程领域人才培养要求的同时，适应实际工作和社会的需求，提高环境生物技术的教学质量。“破碎小球藻细胞提取生物油脂”这一教学实验来自于科研实践，结合了环境生物技术的课程特点，具有较高的科学性和综合性。该实验涉及到了环境生物技术中较多的知识点，对学生的基础实验能力有着较高的要求。通过对该实验进行学习和操作，学生们可掌握的技术要点包括微生物培养，细胞计数，细胞破碎，生物油脂提取等。這些实验操作与知识点交织结合，可有效地锻炼学生的动手能力，促进学生对相关内容的记忆和理解，激发其学习兴趣，端正其学习态度，为未来可能从事的科研以及技术工作打下良好基础。 參考文献：
[1]王建龙，文湘华.现代环境生物技术[M].北京：清华大学出版社，2008.
[2]刘娜，任何军，张婷娣.环境生物技术实验[M].1ed.北京：清华大学出版社，2012.
[3]吴兵，张徐祥.环境生物技术实验课程内容与教学模式改革实践[J].教育教学论坛，2018，52（12）：
[4]李亮，李洋洋，黄远星，宋翠红，程豪奇.破碎小球藻细胞提取生物油脂新方法[J].江苏大学学报（自然科学版），2014，35（1）：
[5]黄远星，张道方，陶红，李亮.水生微藻制备生物燃料的方法综述[J].水资源与水工程学报，2012，23（2）：
[6]Phukan M M，Chutia R S，Konwar B K，et al.Microalgae Chlorella as a potential bio-energy feedstock[J].Applied Energy，2011，88（10）：3307-12.
[7]Mata T M，Martins A A，Caetano N S.Microalgae for biodiesel production and other applications：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（1）：217-32.
[8]Yuanxing Huang S Q，Daofang Zhang，Liang Li，Yan Mu.Evaluation of Cell Disruption of Chlorella Vulgaris by Pressure-Assisted Ozonation and Ultrasonication[J].Energies，2016，9（173）：
[9]Zheng H，Yin J，Gao Z，et al.Disruption of Chlorella vulgaris Cells for the Release of Biodiesel-Producing Lipids：A Comparison of Grinding，Ultrasonication，Bead Milling，Enzymatic Lysis，and Microwaves[J].Applied Biochemistry & Biotechnology，2011，164（7）：1215-24.
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