Тестирование экологического состояния озера с помощью светящихся бактерий

Использование исследовательского метода обучения представляется очень ценным в экологическом образовании школьников. Однако его применение сильно затрудняется существующим разрывом между практикой научной и учебной деятельности, неумением многих преподавателей школ проводить научные исследования и, как следствие, нехваткой методической базы для организации взаимодействия типа «исследователь – исследователь». Между тем научная деятельность строится именно на таком подходе, а применение его в школьной практике делает возможным проводить экологическое обучение на основе педагогики сотрудничества.

В этой статье мы хотели бы рассказать о взаимодействии школьников и ученых при проведении конкретного научного исследования – составления так называемой «мгновенной экологической карты» озера с помощью биолюминесцентного метода тестирования воды. Для проведения работ, выполнявшихся в рамках проекта «Родное Красноярье» (финансовая поддержка Красноярского Краевого Фонда Науки, грант № 1 М0044, 1999–2000 гг.), было выбрано оз. Бузим в Сухобузимском районе. Это большое, около 4 км в диаметре, озеро пользуется большой популярностью у жителей как доступное место летнего отдыха. Поэтому организация здесь экологического мониторинга, безусловно, важная проблема, над решением которой работают сотрудники лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН. На расположенной здесь базе отдыха проводился знаменитый педагогический проект – летняя школа «Нооген» и Компьютерные школы для школьников 12–15 лет, проявивших интерес к информатике. Участникам этих школ и было предложено принять участие в работе по биотестированию и составлению экологической карты озера. А педагоги получили возможность исследовать особенности взаимодействия ученых и школьников и динамику интереса ребят к участию в полноценной научной работе.

Применявшийся метод тестирования воды – биолюминесценция – давно используется в различных областях биологии для анализа сотен веществ: ферментов, токсинов и др. Суть его состоит в том, что препарат, содержащий культуру светящихся бактерий, смешивается с анализируемой жидкостью, содержащей вещества, способные подавлять или активизировать свечение микроорганизмов, и параллельно – с тем же количеством «чистого», контрольного раствора. Степень концентрации загрязняющих веществ определяется по разнице интенсивности свечения в анализируемом и контрольном растворах, которую измеряют с помощью чувствительного электронного прибора – люминометра. Метод биолюминесценции очень удобен и для учебного процесса. Его преимущества – быстрота (время анализа – 1–2 мин), относительная простота, наглядность (возможность визуального наблюдения свечения в темной комнате) и, что немаловажно, достаточно низкая стоимость (около 10 долларов на 300 измерений).

На первом – ознакомительном – этапе работы сотрудник Института биофизики прочел школьникам лекцию о биолюминесценции и основанных на этом явлении анализирующих методах. Лекция вызвала большое количество вопросов, показавших, что школьники обладают достаточно глубокими знаниями в ряде областей экологии (вплоть до знания действия токсикантов – диоксинов, спиртов, фенолов и т.д.). Были заданы вопросы о теоретических основах биотестирования, об организмах, которые используются в биотестах. Ребят интересовали детали методик и даже возможность проведения самостоятельных исследований в домашних условиях. После лекции школьники получили пробирки с культурами светящихся бактерий и с большим интересом разглядывали зелено-голубое свечение в затемненном помещении. Эти наблюдения вызвали ряд новых вопросов. Далее школьникам были продемонстрированы приемы работы с приборами, материалами и оборудованием, которые были необходимы для проведения предстоящего конкретного исследования – биотестирования озера, и предоставлена возможность получить первоначальные навыки такой работы.

После ознакомительного этапа школьникам предложили принять участие в самом исследовании. Первой задачей было собрать, соблюдая определенные правила, пробы воды с поверхности озера. В течение одного часа группа ребят из 6 человек прошла на лодке вдоль берега, собирая воду в пенициллиновые пузырьки. Были взяты пробы и в центре озера. Материалы доставили в организованную на базе лабораторию для анализа.

Само проведение анализа не вызвало большого интереса у школьников, что неудивительно: процедура измерений достаточно трудоемка и требует тщательности. Кроме того, для вычисления ошибки одну и ту же пробу требовалось проанализировать несколько раз. В ходе этого этапа большинство школьников, приняв некоторое участие в работе, покинули лабораторию. Но примерно пятая часть ребят осталась до конца, желая помочь научному сотруднику в получении данных для экологической карты.

Получаемые данные представляли собой величины отношения интенсивности свечения микрорганизмов в анализируемой и контрольной пробах. Если это значение не превышало 0,2, значит в пробе находилось токсичное для светящихся бактерий вещество.

Нанесение полученных значений на карту озера вызвало у учащихся новый подъем интереса. Содержание в воде токсинов было обнаружено только в одном месте на озере, и школьники еще раз съездили туда. Это оказался небольшой зарастающий залив со стоячей водой. В ходе совместного обсуждения полученных результатов было высказано предположение, что токсичность здесь связана с процессами гниения растительности и жизнедеятельностью сапрофитов. По-видимому это вызывало уменьшение концентрации кислорода в воде и образование фенолов, которые ингибируют свечение бактерий.

Анализ взаимодействия ученых и школьников при проведении совместной работы показал, что особенные всплески интереса у ребят наблюдались в ситуациях диалога, совместного обсуждения результатов, в момент перенесения численных показаний биолюминометра на реальные места исследуемого озера и описания места, откуда была взята токсичная проба воды.

Наименьший интерес у школьников вызывала необходимость участвовать в монотонном однообразном анализе многочисленных проб. Однако без такого рутинного этапа полноценное научное исследование невозможно. Для повышения интереса учеников на этом этапе требуется дополнительная мотивация, и это является одной из задач педагога.

После участия в исследовании и получении данных школьники по-новому взглянули на объект своего исследования – озеро Бузим. Они стали обращать внимание на участки, где происходит застой воды, ее цветение. Формирование такого «экологического взгляда» на окружающую природу можно считать важнейшим результатом нашей работы.