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環境工程專業是一門包含了化學工程、生物學、管理學以及社會學等多種科目的新興學科，其特點是學科覆蓋面廣、知識體系復雜[1]。作為專業核心課程的“環境工程微生物學”也相應地成為了多學科性的邊緣學科[2]。為適應現代教學和科學技術發展的需求，及時反映環境工程研究工作的新進展，該門課程應在培養目標、教學手段以及方式上進行適應時展的改革，在一定程度上擴大課程內容的廣度和深度，從而提高學生運用微生物學原理分析和解決實際環境問題的能力，為學生后續學習和科研工作打下扎實的專業基礎[3-4]。本文以《藍藻細胞的特殊結構》微課教學設計為例，旨在初步探討環境微生物學的微課教學模式。

近年來，隨著人類社會的飛速發展，大多數河流和湖泊由于物理、化學、生物等因素的交互作用而形成大面積的藍藻水華。可見，藍藻水華的暴發已經成為世界范圍內一個極為嚴重的環境問題。研究表明，藍藻能夠在水生態系統中大量繁殖，與其特殊的細胞結構有密切的聯系[5]。為了探明藍藻水華暴發的機理，首先要掌握藍藻細胞的特殊結構。因此，《藍藻細胞的特殊結構》既是該門課程的知識重點，也是一個知識難點。然而，藍藻是微生物，肉眼難以看見，掌握其細胞結構需要學生的抽象思維，理論知識顯得更加枯燥乏味[6]。針對此問題，需要引入相關日常生活實例，使學生認識到藍藻水華的發生對其生活帶來的負面影響。本微課的設計旨在從實際問題出發，從春夏季節路過池塘聞到的腥臭味；湖泊水面漂浮的一層厚厚的“綠漆”引入主題，來激發學生的學習興趣，然后引出藍藻細胞的特殊結構，從而探析藍藻水華暴發的內在原因。

1教學背景

藍藻，又稱藍細菌，是古老的光合放氧生物。與其它藻類相比，藍藻是單細胞的原核生物，它的細胞結構有一定的特殊性。在長期的進化過程中，藍藻形成了一套獨特的生理學機制和適應特性，它在水生態系統中具有極強的生態競爭優勢，這與其特殊的細胞結構是密不可分的。因此，掌握藍藻細胞的特殊結構對學生全面了解藍藻暴發的內在機制具有重要意義。

2教學目標

(1)了解藍藻暴發的外在因素。(2)掌握藍藻細胞的各部分特殊結構(膠質鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)的特點及與其它藻類的異同點。(3)掌握藍藻細胞的各部分特殊結構(膠質鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)的功能，并能結合理論知識分析藍藻暴發的內在機制。

3教學難點

藍藻細胞各部分特殊結構(膠質鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)的特點及功能；從實際問題出發，結合理論知識分析藍藻暴發的內在機制，提高學生運用微生物學原理分析環境問題的能力。

4教學方法

本次授課主要采用講授法進行演示講解，立足于實際，舉例說明每一個特殊結構的生物功能，讓學生對其有更深入的認識，從而能夠將瑣碎的知識點融會貫通，綜合分析藍藻水華暴發的內在機制。

5過程設計

5.1主題引入。—亞顯微結構首先，舉例全球藍藻水華暴發事件，突出藍藻在生態系統中的優勢地位。然后，通過圖片—實驗室培養的淡水藻種(藍藻和綠藻)，說明二者在宏觀上沒有明顯區別，然而真正的區別是：在漫長的進化過程中，藍藻形成了有效的防御機制、浮力調節機制、光吸收機制以及CO2濃縮機制，從而引導學生思考這些生態生理功能都是由哪些特殊結構來行使。最后，展示藍藻細胞的亞顯微結構，引入本節微課主題--各部分特殊結構(膠質鞘、偽空胞、藻膽體和羧酶體)。5.2膠質鞘。介紹膠質鞘的主要組成成分：酸性黏多糖和果膠質；然后介紹其主要功能：防止細胞脫水、被吞噬和抗菌劑的危害；有利于細胞粘附于固體表面之上；與細胞生活所必需的陽離子鰲合[7]。舉例說明膠質鞘的存在對于藍藻抵抗不利環境發揮著非常重要的作用：當浮游動物面對小球藻和銅綠微囊藻時，哪種藻類將能成為它的食物呢？對于單細胞小球藻來說，很容易就被水蚤所捕獲，然而當它去捕食銅綠微囊藻時，其胞外因為有一層膠質鞘包圍而細胞與細胞相互黏合形成了高密度群體，從而增大了浮游動物的捕食阻力。即使隨后被稍大型的濾食性動物所捕食，也會因膠質鞘的存在而難以消化，從而減少了藍藻由于被過度捕食而導致種群滅絕的可能，這就是藍藻的一種誘發性的防御策略[8]。5.3偽空胞。首先，簡單介紹偽空胞的發現史：早在1895年，一位名叫Klebahn的德國微生物學家發現藍藻細胞內存在著含有氣體的氣囊，直到1965年這個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、功能及功能調節機制[9]。最后，舉例說明偽空胞是如何調節藍藻浮力的：當藍藻細胞處于低光強或者較深的水層中，其光合速率下降，光合產物逐漸被呼乎作用所消耗，這時藍藻細胞大量合成偽空胞，使藍藻細胞的密度變小，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機營養。因此得出結論--在藍藻水華暴發過程中，偽空胞起著非常重要的浮力調節作用。5.4藻膽體。提問學生藍藻具有哪些光合色素，從而提示藍藻和其它真核藻類的區別在于細胞內存在大量的藻膽素。簡述藻膽體的形成過程：這些藻膽素與蛋白質緊密結合在一起，形成藻膽蛋白，不同類型的藻膽蛋白通過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為500~650nm的綠、黃和橙色部分的光，從而擴大了藍藻對光譜的吸收范圍，能更有效地利用光能。而且，在弱光下，藍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。在進化過程中，藍藻仍然保留了對CO2親和力低的特點，需要較高的CO2濃度才能獲得正常的碳同化速率。針對此缺陷，藍藻形成了CO2濃縮機制，在此機制中發揮重要作用的細胞結構就是羧酶體。它由以蛋白質為主的單層膜包圍，內含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稱結構，右圖是聚球藻屬的掃描電鏡圖，可以看到細胞周質內的多面體結構就是羧酶體。它的主要功能是可以把外源低濃度的CO2、HCO3-主動運輸到細胞內，并以HCO3-的形式累積起來，這就極大地提高了羧化酶/加氧酶活性位點周圍的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藻的光合效率[11]。5.6小結。通過總結藍藻細胞的各部分特殊結構(膠質鞘，偽空胞，藻膽體以及羧酶體)及功能，強調四種機制協同作用使藍藻在種間形成了絕對的競爭優勢，從而使學生再次明確本次微課的重、難點，并再次強化和構建出清晰的知識結構。

6結語

隨著社會的快速發展，人類面臨的環境問題越來越多，因此，國家建設越來越需要環境專業的應用型人才，探索新時期背景下環境工程微生物學的課程教學新方法尤為重要。本文以《藍藻細胞的特殊結構》的教學設計為例，以微課建設為載體，教與學全過程立足于實際，將環境問題與課程重難點融會貫通，以微課動態的形式更直觀地呈現，一方面可以為學生課下自主學習提供了資源；另一方面調動了學生運用所學知識分析、解決實際問題的積極性，從而讓學生把所學書本知識運用于生產實際中，提高綜合運用所學知識解決實際問題的能力和創造力，最終實現應用型人才的培養目標。

7致謝

感謝河南省高等學校重點科研項目計劃“重金屬污染環境下基于水體凋落物分解者調控的食物鏈修復技術”(15A180063)和國家青年科學基金項目“納米氧化鋅對河流凋落物降解的影響及機制研究”(31500377)對本研究的資助。

作者:杜京京 張玉燕 魏明寶 張肖靜 單位:鄭州輕工業學院材料與化學工程學院

參考文獻

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