著名的生物“黑白瓶”生态实验及命题分析

1、著名的生物“黑白瓶”生态实验及命题分析黑白瓶法是生态学中的一种常用技术方法，一般用于测定水生生态系统初级生产量，即生态系统中生产者绿色植物光合作用固定的太阳能量或制造的有机物量。操作方法是首先从池塘、湖泊或海水的一定深度采取含有自养生物的水样，然后将水样分装在成对的小样瓶中。每对样瓶中有一个白瓶和一个黑瓶，白瓶就是透光瓶，里面可进行光合作用；黑瓶就是不透光瓶，里面不能进行光合作用，但有呼吸活动。黑瓶和白瓶同时被悬浮在水体中水样所在的深度，放置一定时间后从水体取出，用化学滴定法或电子检测器测定黑瓶和白瓶中的含氧量。根据白瓶中含氧量的变化可以确定净光合作用量，而黑瓶中所测得的数据可以得知正常的呼吸

2、耗氧量，然后就可以计算出总初级生产量。题1：采用黑白瓶(不透光可透光瓶)法测定池塘群落各深度日代谢的平均氧浓度变化，结果如下表，请据表回答：深度（m）瓶中氧气的变化（g/m3·24h）白瓶黑瓶131221301433(1)该池塘一昼夜生产氧气_g/m324 h，消耗氧气_g/m324 h，以上数据表明这个生态系统平衡状态良好，能够保持一定的氧气浓度，原因是_。(2)据表分析该池塘的垂直结构：自养生物分布在_，完全由异养生物组成的生物群落分布在_。(3)假如池塘受到严重的无机磷污染，一段时间后水质变黑变臭，此时间内水中的微生物的种类和数量都发生变化.请在图中画出好氧

3、菌(a)和厌氧菌(b)可能的数量变化曲线。在细菌培养过程中，分离获得了不能合成某种维生素的营养缺陷型菌株，请设计一个实验以鉴定这种维生素的类型。第一步：将变异菌株接种到完全培养基上扩大培养。第二步：_。第三步：_。第四步：_。实验结果分析：_。解析：黑白瓶的含义，白瓶是透明的瓶，光线能够透过，瓶内的浮游植物能够进行光合作用，黑瓶不透光，瓶内的浮游植物及异养型的小生命如浮游动物等只进行呼吸作用。白瓶中进行光合作用的是浮游植物，进行呼吸作用的除了浮游植物外还有浮游动物，所以白瓶中的含氧量反映的是浮游植物一昼夜产生的O2减去瓶内所有生物呼吸消耗后剩余的氧气量，不能只考虑浮游植物，如在1 m

4、深处的白瓶中一昼夜的氧气变化为+3 g/m324 h，瓶内浮游植物真正产生的氧气为4 g/m324 h.据此计算池塘中一昼夜真正产生的氧气量为：4+3+1=8 (g/m324 h)，呼吸消耗为：1+1+1+3=6 (g/m324 h)。两者相比较均增2 g/m324 h，说明整个池塘的光合作用大于呼吸作用，能够维持生态平衡。根据不同水深中白瓶内氧气的变化，1 m和2 m水深处植物较多，3 m水深处浮游植物已很少，只能勉强维持，4  m深处几乎没有

5、浮游植物。所以自养的浮游植物只有分布在4 m水深以内，4 m水深以下是浮游植物的天下了。当池塘受到大量的磷污染后，会导致富营养化，浮游植物大量繁殖，死亡后使池塘中的有机物含量大增，开始耗氧性细菌大量增多，氧气大量减少后，耗氧性细菌的活动受到限制，死亡增加，出生率降低，而厌氧性细胞活性增强，出生率大于死亡率，曲线见答案。第(4)小题是一道微生物筛选的实验设计题，设计思路是先用完全培养基扩大培养，然后配制缺少某种维生素的系列培养基，将某种微生物接种到缺某种维生素的系列培养基上，观察生长情况，微生物不能正常生长的培养中缺少的维生素即为该变异菌株不能合成的维生素。参考答案：例3 ：

6、(1)8   6    整个池塘群落光合作用大于呼吸作用 (2)小于4  m水深           4 m水深以下 (3)见图所示(4)第二步：配制系列培养基，每种培养基为只缺少某一种维生素的“完全培养基”第三步：将扩大培养的变异菌种分别接种到上述培养基中培养第四步：观察细菌生长情况实验结果分析：细菌能正常生长的培养基中所缺少的维生素，就是该变异菌株不能合成的维生素例1：为了调查太湖是否有自养生物存在，及

7、其产氧量是否维持本层水体生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法测定该水层生物昼夜平均代谢率来判定。白瓶为透明玻璃瓶，其水体溶解O2 的昼夜变化值为水中生物光合作用产生的 O2 与呼吸消耗的 O2 的差值（以WDO 表示）；黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水体溶解 O2 的昼夜变化值为水中生物呼吸消耗的 O2（以 BDO 表示）。请完成下列实验。 （1）实验步骤： 用采集器取该层水样，分别注满 500mL黑、白瓶并密封，剩余水样测 ； 将黑、白瓶 ； 。 （2）设计记录所测数据的表格。 （3）预测实验结果并分析。分析：实验的检测指标是密封在黑、白瓶中水体的溶氧变化值，而要得出此值就必须先测得水体最初溶氧量和

8、24小时后瓶中溶氧量，这样就不难设计实验步骤和数据记录表格了。要探究的问题即反应指标有两个：该水层是否有自养生物，若有自养生物，其产氧量能否满足本层水体生物呼吸作用消耗。实验数据是怎样揭示结论的呢，数据该如何处理呢？这需要学生进行科学抽象思维和逻辑思维，即先从事物的感性现象中抽取出事物的本质属性，再运用概念进行判断和推理。引导学生分析题干信息，学会绘制图表的方法来逐层寻找数据与探究目标的内在联系，过程如下：实测数据数据处理数据的生理意义分析数据得出结论水体中最初溶解氧浓度24小时后白瓶内溶解氧浓度24小时后黑瓶内溶解氧浓度黑瓶溶解O2变化值BDO=24小时后黑瓶溶解O2浓度-最初溶解O2浓度水

9、体中O2消耗值，即水体中生物呼吸作用消耗的O2BDO0，越小表示水中生物呼吸作用消耗O2越多。白瓶溶解O2变化值WDO=24小时后白瓶溶解O2浓度-最初溶解O2浓度水体中O2的净释放值，即水体中生产者光合作用产生O2与所有生物呼吸消耗O2的差值WDO可能0，说明有自养生物，并且产氧量能满足本层水体生物耗氧所需。WDO可能0，若= BDO则说明无自养生物，若BDO，则说明有自养生物但产生O2不能满足生物需要。参考答案：例1：(1)溶解氧浓度；挂回原水层；24h后取出黑、白瓶测溶解氧浓度。(2)黑、白瓶溶氧(mgL)变化记录表，如下表。（3）若WDOBDO>0，则有自养生物；若WDOBDO=

10、0，则无自养生物；若WDO0，则该水层产氧能维持生物耗氧量所需。 编号项目白 瓶黑 瓶l23平均l23平均24h后溶氧量        原初溶氧    例2 以下实验是对低等植物的水域生态系统进行的测定。步骤一：取两个相同的透明玻璃瓶，分别编号为1号、2号。步骤二：用两个瓶同时从水深3m处取水样（都装满），立即测定2号瓶中的溶氧量，将1号瓶密封瓶口沉入原取水样处。步骤三：24h后将1号瓶取出，测定瓶中的溶氧量。按以上步骤重复三次，结果1号瓶溶氧量平均值为6.5mg，2号瓶溶氧

11、量平均值为5.3mg。回答下列问题：（1）24h后，1号瓶中溶氧变化量是 ，这说明 。（2）经过24h后，1号瓶增加的有机物量（假设全为葡萄糖）为 。（3）现欲使实验过程同时还能测出1号瓶24h中实际合成的有机物总量，简述需补充的实验内容（请自行选择实验用具），并解释计算方法。分析：1、2号瓶的设置目的，2号瓶测的是水体最初溶氧量，1号瓶为24小时后水体溶氧量，两瓶对照可得出氧气净增量。氧气净增量是植物光合作用产生氧气与所有生物消耗氧气的差值，可换算成有机物葡萄糖量，即水体中有机物净增量。要得出实际合成的有机物量，根据光合作用实际葡萄糖生产量=光合作用净生产量呼吸作用消耗量，还需测定水体生物呼

12、吸耗氧量，这样就确定了补充实验的设计原理。 常见典型错误：不是对增加的3号瓶进行不透光处理，而是取样后放于暗室；有的没有增加新瓶，而是直接将2号瓶设置成不透光后置于取样处等。学生不明白用黑、白瓶计算植物有机物合成量的前提就是瓶中生物的呼吸相同，将3号瓶置于暗室中，就无法与1号瓶构成单一变量的对照，也失去了模拟自然水体的意义；而将2号瓶用作黑瓶，不仅违背了2号瓶测定最初溶氧量的目的，并且测定过程对水体的影响也会使实验不严密、不准确。参考答案：例2：（1）增加1.2mg；水生植物的光合作用产生O2大于水中生物呼吸消耗O2。（2）1.13mg（3）另取一个和1号、2号相同的瓶，设法使之不透光（如涂上黑