Организация исследования при изучении фотосинтеза

Работа - участника конкурса Школьникам-исследователям по теме Организация учебного исследования в области основ цитологии

Автор работы: Оксана Петрова

Тема: «Фотосинтез»

Основополагающий вопрос

Как малое видится в большом?

Проблемный вопрос:

Как накормить стремительно увеличивающееся население мира?

Вопросы темы учебной программы

• Фотосинтез и урожай сельскохозяйственных культур.

• Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений.

• Использование особенностей метаболизма живых организмов в сельском хозяйстве, медицине, микробиологии, биотехнологии

Форма работы: обобщающая

Темы исследований школьников

1. Условия, необходимые для фотосинтеза

2. Факторы, нарушающие процесс фотосинтеза

3. Повышение эффективности фотосинтеза у растений (вазелин, темная комната)

4. Влияние солей тяжелых металлов на фотосинтез

Материалы по проблеме 8-10 ссылок

Гипотеза

если научиться управлять интенсивностью фотосинтеза в растении, можно повысить урожайность сельскохозяйственных растений

Цели исследования

(приводится пример изучения одного вопроса, связанного с влиянием солей Mn(II) и Cd(II) на продуктивность растения)

изучить влияние солей Mn(II) и Cd(II) на растения астр

Методы

физиологические, визуальное ранжирование

Для работы предлагается следующий план

• Пригласить в чат всех учащихся виртуального класса, где предлагаются для обсуждения темы исследований. Формируются группы, в зависимости от выбранной темы учащимся.

• Анализ проблемы

Визуальное ранжирование с учетом Таксономии Блума

Знание	Запишите микроэлементы, образующие соли, которые влияют на живые организмы
Понимание/Применение	Приведите аргументы ранжирования (расположите их в зависимости от степени ослабления воздействия на организм)
Анализ	Сравните воздействие солей двух микроэлементов на одно растение, используя несколько методов исследования
Синтез	-Сделайте вывод, о свойствах выбранных вами микроэлементов в соответствии с критериями по степени их воздействия на растение -Сравните результаты членов вашей группы
Оценка	-Определите критерии, оцените значение микроэлементов в соответствии с ними и аргументируйте проведенное ранжирование с учетом их воздействия на растение. -Убедите другие группы, составьте руководство для повышения урожайности сельскохозяйственных культур

• Выводы по анализу литературы по проблеме:

- важная роль Mn(II) заключается в повышении интенсивности фотосинтеза. Учеными обнаружено, что Mn(II) повышает интенсивность фотосинтеза как при повышенной, так и при пониженной интенсивности освещения. Это говорит о том, что Mn(II) участвует в темновой и фотохимической реакциях;

- при недостатке Mn(II) происходит изменение в строении пластид, ведущее к прекращению производства хлорофилла;

-ненормальность деятельности пластид ведет к уменьшению величины и количества крахмальных зерен;

- растения не в состоянии использовать этот крахмал, происходит превращение его в жир, который накапливается во всех клетках. Листья становятся более толстыми по сравнению с листьями нормальных растений;

- Cd(II) необходим для сопровождения процесса образования и потребления углеводов в растении;

- избыток микроэлементов, в частности Mn(II) и Cd(II) приводит к угнетению и даже гибели растения.

===Примеры исследований, проводимых обучающимися=== (методики представлены кафедрой ботаники естественно-географического факультета Псковского Государственного педагогического университета)

1. Характеристика объектов исследования

В качестве объекта исследования оптимально использовать семена астр (выбирается для всех опытов семена одного сорта, одной партии). Обязательно использование контроля. По результатам каждого исследования средние результаты заносятся в таблицу, в которой отражены основные параметры: контрольный образец и концентрация соли в опыте; результаты в мг/г и высчитывается % к контролю

Изучается влияние солей MnSO4 и CdSO4

Содержание металла в соли в лабораторных опытах

Концентрация соли (г/100мл р-ра)	Содержание металла в соли (%)MnSO4	Содержание металла в соли (%) CdSO4
1	0,36	0,53
0,5	0,18	0,26
0,25	0,09	0,13
0,1	0,036	0,053
0,05	0,018	0,025
0,01	0,0036	0,0053
0,005	0,0018	0,0027

Содержание металла в соли в микровегетационных опытах

Концентрация соли (г/500г почвы)	Содержание металла в соли (г/500г почвы) MnSO4	Содержание металла в соли (г/500г почвы) CdSO4
1	0,0036	0,0053
0,1	0,036	0,053
0,01	0,36	0,53

2. Методика постановки лабораторных опытов

Закладка опытов проводится с использованием рулонных культур в трехкратной повторности. На непрозрачную черную пленку длинной 40-45см и шириной 10см накладывается смоченная водой фильтровальная бумага, и на нее помещаются семена в количестве 15 штук. Ленту сматывают в рулон и помещают в сосуд с питательным раствором. В качестве питательной среды используется питательная среда Кнопа, имеющая состав (из расчета на 1 литр) Ca(NO3)2 - 1г, MgSO4 - 0,25г, KCl – 0,125г, KH2PO4 - 0,25г.

3. Методика постановки микровегетационных опытов

Закладка опытов проводится в сосудах, вмещающих 500г почвы, в трехкратной повторности. Удобрения вносились из расчета N60P60R60.

4. Характеристика почвы:

- оструктуренность почвы: среднекомковатая

- Тип почвы: суглинистая

- Гумус = 5

- рН KCl = 6,2

- Р2О5 = 15мг/100мл

- К2О = 15мг/100мл

5. Количественное определение хлорофилла колориметрическим методом

(микровегетационный опыт)

Исследование проводится в стадию цветения. Из навески зеленых листьев в 250мг извлекают хлорофилл путем тщательного растирания в ступке с небольшим количеством спирта (2-3мл). полученный зеленый раствор очень осторожно по палочке сливают через фильтр в мерную колбу на 250мл. к растертой массе снова прибавляют спирт, снова растирают и опять сливают. Так повторяют несколько раз до полного исчезновения пигментов. Вытяжку в колбе разбавляют спиртом до метки, перемешивают и сравнивая со стандартным раствором при помощи колориметра (ФЭК), определяют содержание хлорофилла по формуле: C = X * 33,3 * V/P I

Где С – содержание хлорофилла мг/г; X – оптическая плотность вытяжки; 33,3 – коэффициент светофильтра; V – объем вытяжки в мл (25); P – навеска растительного материала в мг (250); I – толщина кюветы в см (0,1007).

После занесения результатов в таблицы (для марганца и кадмия отдельно), формулируется вывод:

- выявлено незначительное увеличение содержания хлорофилла при использовании концентраций MnSO4 0,01г/500г почвы на 0,6% по сравнению с контролем. Другие концентрации данной соли вызывали снижение содержания хлорофилла. Возможно, это связано с недостаточной поглотительной способностью корня, вызванной действием избыточного количества марганца. При применении CdSO4 концентрации в 0,01г/500г почвы и 0,1г/500г почвы оказывают незначительное токсическое действие на синтез хлорофилла. Наиболее токсичной, как и ожидалось, была концентрация в 1г/500г почвы, которая снизила содержание хлорофилла на 23, 6: по сравнению с контролем. Наши результаты подтверждают теоретические данные, свидетельствующие о том, что токсичное действие кадмия направлено, прежде всего, на синтез хлорофилла, что приводит к замедлению процессов фотосинтеза общему угнетению состояния растений.

6. Определение интенсивности фотосинтеза по методу Л.А. Иванова и Н.А. Коссович

Интенсивность фотосинтеза определяется по количеству поглощенного углекислого газа растением в единицу времени единицей веса.

Навеску из листьев помещают в колбу и освещают дневным светом 40 минут. По окончании экспозиции навеску извлекают, вливают в колбу 20 мл 0,02 N баритовой воды (Ва(ОН)2) и закрытую колбу встряхивают 5-7 минут, а затем щелочь титруют 0,02 N щавелевой кислотой. Ставится так же контрольный опыт без листьев.

Количество щавелевой кислоты в мл, пошедшее на титрование барита после опыта соответствует количеству мг поглощенного углекислого газа.

Результаты определяют по формуле: Ф = 1 * 60Х/ tm

Ф – интенсивность фотосинтеза мг/г ч;

60 – коэффициент перерасчета интенсивности фотосинтеза на 1 час;

1 – коэффициент перерасчета интенсивности фотосинтеза на 1г;

Х – количество поглощенного листом углекислого газа, определяется из разницы содержания в воздухе (контрольный опыт) и в вариантах опыта;

t – время экспозиции;

m – масса навески.

После оформления результатов в таблице формулируются выводы:

-интенсивность фотосинтеза с увеличением концентрации соли MnSO4 резко увеличивается. Наиболее интенсивно идет фотосинтез при концентрации 1г/500г почвы. А с увеличением концентрации CdSO4 интенсивность фотосинтеза снижалась. Наиболее токсичной оказалась концентрация в 1г/500г почвы, при которой наблюдалось снижение интенсивности фотосинтеза на 35,8%, по сравнению с контролем. Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что кадмий оказал негативное воздействие как тяжелый металл на процесс фотосинтеза, что согласуется с литературными данными.

7. Изучение структуры урожая астр анализируются следующие показатели структуры урожая: сырая масса; количество соцветий; диаметр соцветий.

После соответствующего подсчета данных, которые заносятся в таблицу, формулируются выводы: - соли марганца и кадмия оказывают влияние на структуру урожая по-разному. Соли марганца в концентрации 0,01 и 0,1г/500г почвы оказали стимулирующее воздействие на увеличение сырой массы, на количество и диаметр соцветий. Увеличивается на 81 и 33% соответственно. Вероятно, это связано с интенсивностью фотосинтеза. Интенсивность фотосинтеза резко увеличивается при внесении указанных концентраций MnSO4 вследствие чего увеличивается количество органических веществ, синтезируемых в растении и соответственно увеличивается число и диаметр соцветий. Улучшаются декоративные свойства.

- при внесении в почву соли MnSO4 в концентрации 1г/500г почвы соцветия не развиваются вообще, что связано с тем, что данная концентрация тормозит развитие корневой системы растения и в связи с этим, поступления питательных веществ в организм растения затруднено.

- при внесении любых концентраций CdSO4 происходит уменьшение сырой массы на 24,6 – 60,7%, по сравнению с контролем. При концентрации 0,01г/500г количество соцветий снижается на 76,7%, а диаметр соцветий на 23,5%. Концентрации 0,1 и 1г/500г почвы соцветия не образуются вообще. Поэтому можно отметить, что CdSO4 носит ярко выраженный отрицательный эффект и является токсичным в большинстве случаев.

Если эксперимент проведен корректно, то результаты каждого участника группы будут совпадать с незначительной погрешностью, на основании этого можно формулировать выводы.

Заключение

Анализируя результаты исследования по влиянию различных концентраций солей Mn(II) Cd(II) на физиологические процессы и продуктивность данного сорта астр, позволяет сделать выводы, что растения отзывчивы на внесение в питательную среду данных солей. Изученные концентрации солей оказывают на растения неоднозначное действие.

Небольшие концентрации солей марганца вызывают небольшую стимуляцию развития растений, а значительные – угнетают почти все исследуемые физиологические процессы растений.

Соли кадмия в большинстве случаев оказывали токсичное действие на рост и развитие астр, что подтверждает литературные данные.

Формы педагогических измерений и контроля

Анализ таблиц, описания методик проведенных опытов, выводов и заключения, представленных в виде презентации, статьи, а так же публикации с рекомендациями по мерам, направленным на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, позволяют проанализировать по составленным педагогом критериям качество выполненной работы.