核心概念
微生物
土壤
生物學
氧氣
陽光
生態系統
引言
我們的星球會迴圈利用所有支援生命所需的物質。這是一個驚人的、巨大的迴圈系統，被稱為生物地球化學迴圈。您實際上可以透過使用塑膠瓶和泥土來構建一個叫做溫諾格拉茨基柱的裝置，從而在小尺度上模擬這個迴圈。在這個活動中，您將構建自己的溫諾格拉茨基柱，並研究新增不同營養物質如何影響哪些土壤微生物能夠繁盛，哪些會衰敗。
背景
為了生存和生長，生物體需要特定的營養物質供其食用——就像我們一樣。大多數這些營養物質不斷地透過生物地球化學迴圈進行移動，該迴圈將營養物質和其他化學物質透過地球的生物和非生物部分進行運輸——例如，曾經存在於岩石中的鐵可能會進入土壤，在那裡被植物吸收，然後被動物吃掉。生物地球化學迴圈是一個封閉系統，這意味著營養物質不會丟失或產生；它們會不斷地被重複利用和迴圈。
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一個給定的生態系統可能在其內部進行著多個生物地球化學迴圈。一些透過生態系統迴圈的重要營養物質是氧氣、碳和硫。不同的土壤微生物在迴圈利用這些和其他營養物質中起著關鍵作用。微生物學家謝爾蓋·溫諾格拉茨基發明了一種研究這些過程的工具，即一個長而密封的泥土柱，現在被稱為溫諾格拉茨基柱。在其中，會形成不同的梯度。例如，隨著時間的推移，柱頂部的氧氣比底部多。這些梯度會影響不同的微生物在柱內的生存位置。
材料
• 四個乾淨的塑膠水瓶，每個 500 毫升。最好使用側面光滑（沒有稜紋）、形狀較高且較窄的瓶子。
• 剪刀
• 刀（可選）
• 永久性記號筆
• 尺子
• 雨靴和可以弄髒的舊衣服（可選）
• 可以接觸到泥濘的溪流、池塘、湖泊或沼澤
• 手套
• 鏟子或抹刀
• 兩個水桶
• 報紙或普通紙（切碎）
• 一個雞蛋
• 兩個碗
• 兩個大型攪拌碗
• 量杯
• 用於將泥土壓入瓶子中的寬棍
• 量匙
• 可調節的檯燈，帶有 13 瓦緊湊型熒光燈泡（可選）
• 一個空曠的表面，例如桌子或桌面上，其溫度為溫暖的室溫（大約華氏 72 至 78 度）。它不應接收任何直射陽光，但如果您不使用檯燈，該區域應靠近非常陽光充足的窗戶。
• 保鮮膜
• 塑膠垃圾袋或購物袋
• 四個橡皮筋
• 紙板箱或牛皮紙袋
• 手電筒
準備工作
• 儘可能地去除四個水瓶上的所有包裝紙。
• 小心地將瓶子的頂部切掉。您可能需要使用剪刀和刀來完成此操作，並且可能需要成年人幫忙。在瓶子頂部開始向內彎曲的地方切掉頂部。儲存切下的頂部，以便稍後用作漏斗。
• 使用永久性記號筆，在瓶子大約 85% 滿的位置做一個小標記。例如，如果您的瓶子高 6 英寸，您應該在距底部大約 5 英寸的位置做一個標記。您將把泥土填到此水平位置。
• 在每個瓶子上標記將在其泥土中新增的內容。一個將新增報紙，一個將新增蛋黃，另外兩個將只裝普通泥土（不新增任何東西）。其中一個普通瓶子將保持在黑暗中，另外三個瓶子將暴露在光線下。
• 去從泥濘的溪流、池塘、湖泊或沼澤中收集一些泥土。在水邊注意安全，並且始終有成年人監督。（您可能需要先穿上雨靴和可以弄髒的舊衣服。）戴上手套，用鏟子從水面下方舀取泥土，裝滿一個桶，大約一加侖泥土的一半到一加侖。
• 在另一個桶中，從同一位置收集一些水（最多半加侖）。
• 把您的桶帶回家，如果需要，請洗乾淨！（在使用之前，請讓您的桶保持陰涼，以免它們太熱。）
步驟
• 在一個碗中，將大約四分之一張報紙或普通紙切成細條，然後將細條切成小矩形。這些將成為泥土中微生物的碳源。您認為新增碳會如何影響溫諾格拉茨基柱中生長的微生物？
• 在第二個碗中加入蛋黃（生的或煮熟的）。如果是煮熟的，將蛋黃壓成糊狀。如果是生的，請在處理後務必洗手，因為生雞蛋可能含有沙門氏菌。蛋黃將成為泥土中微生物的硫源。您認為新增硫會如何影響溫諾格拉茨基柱中生長的微生物？
• 戴上手套，取出裝有泥土的桶。攪拌時，緩慢地將您收集的水加入土壤中，直到您的混合物變得像奶昔一樣。在攪拌的同時，務必從泥土中挑出所有樹枝、樹葉和岩石。
• 在一個大型攪拌碗中，混合略多於兩杯的泥土和大約三分之一的蛋黃。使用切掉的瓶蓋作為漏斗，將大約一英寸的與蛋黃混合的泥土倒入標記為新增蛋黃的瓶子中。在硬表面上敲擊瓶子以壓實泥土，並使用寬棍進一步壓實泥土。繼續每次新增大約一英寸的泥土並壓實，直到達到您所做的 85% 滿的標記。將瓶子放在一邊。
• 在另一個大型攪拌碗中，混合略多於兩杯從桶中取出的泥土（如果水已沉澱，請重新混合）和一茶匙切碎的報紙或紙。使用切掉的瓶蓋作為漏斗，每次倒入和壓實大約一英寸的泥土到正確標記的瓶子中，直到達到 85% 的標記。將瓶子放在一邊。
• 取出剩餘的兩個瓶子，您應該已將其標記為裝有普通泥土。將泥土直接從泥土桶中漏入並壓實到兩個瓶子中（如果水已沉澱，請重新混合），直到它們達到 85% 滿。
• 靜置約 30 分鐘後，每個瓶子中泥土頂部的水應約為 0.2 至 0.8 英寸深。根據需要小心地新增更多的水或去除一些水。在頂部至少留出 0.2 英寸的空隙。
• 找一個空曠的平面，例如桌子或桌面上，其溫度為溫暖的室溫（大約華氏 72 至 78 度）。它不應接收任何直射陽光。如果您不使用檯燈，該區域應靠近非常陽光充足的窗戶。用塑膠垃圾袋或購物袋覆蓋表面以保護它。
• 小心將您的瓶子移動到表面上，小心不要溢位！用保鮮膜覆蓋每個瓶子，並用橡皮筋固定。您的溫諾格拉茨基柱現在可以進行測試了！
• 如果您不使用檯燈，請將三個溫諾格拉茨基柱（將接收光照）排列好，使其接收大量光照，但它們不應暴露在直射光下。如果您正在使用檯燈，請將三根柱子排列好，使其距離燈泡 20 英寸。對於那些被燈光照亮的瓶子，在面向燈泡的瓶子側面寫一個小“L”。您認為在面向光照的一側會發生什麼？
• 將裝有普通泥土且不會接收光照的溫諾格拉茨基柱放在室溫下的表面上。然後將紙板箱倒置在柱子上，或將其放在牛皮紙袋中，這樣光線就不會照射到瓶子上。您認為在沒有接收光照的柱子中會發生什麼？
• 在接下來的六到八週內，將溫諾格拉茨基柱放在您放置的位置。如果您正在使用檯燈，請保持檯燈 24 小時開啟。（如果保鮮膜蓋子鬆動，只需用橡皮筋重新固定即可。）每週觀察一次柱子，尋找其中的顏色變化。每個著色區域都應是同一型別微生物的集合。在觀察柱子時，嘗試關掉燈光，並用明亮的手電筒照射柱子——這可以幫助您更好地看到顏色。您在柱子中看到出現哪些顏色？它們出現在柱子中的什麼位置？這些柱子看起來彼此有何不同？您在柱子中看到蠕蟲、蝦、蝸牛或其他較大的生物嗎？這些柱子如何隨時間變化？您認為您的結果與新增到柱子中的物質（或未新增的物質）有何關係？
• 提示：您應該在一到兩週後在某些柱子上看到一些綠色著色出現。您可能需要仔細觀察才能看到它。如果您沒有看到任何綠色著色，則柱子可能沒有接收到足夠的光照。您可以嘗試將它們移近光源。
• 額外：再次進行此活動，但這次測試每個條件的多個瓶子。例如，測試三個帶有蛋黃的溫諾格拉茨基柱。您的結果的可重複性如何？以相同方式設定的不同柱子之間是否存在很大的差異？
• 額外：您可以嘗試測試幾種不同的泥土或土壤來源，以檢視微生物的生長是否會因地點而異。您甚至可以嘗試一些海灘沙子。您認為您的結果告訴您有關您測試的每個地點的土壤質量和微生物的哪些資訊？
• 額外：測試一些不同的新增劑，以尋找生活在獨特和具有挑戰性環境中的微生物。例如，您可以在一系列溫諾格拉茨基柱中測試增加的鹽量，以測試嗜鹽菌（稱為嗜鹽生物），或將柱子放置在不同的溫度下，以找到喜歡熱（在通風口附近）或冷（在冰箱中）的微生物。您是否可以選擇生活在更極端條件下的微生物？觀察和結果
在光照下的柱子是否在面向光照的一側形成了綠色著色區域，而黑暗中的柱子仍然是深棕色的？在光照下的三個柱子是否建立了彼此略有不同的顏色圖案？
隨著時間的推移，不同的營養物質梯度應該在溫諾格拉茨基柱中形成。這些梯度會影響不同的微生物在柱內的生長位置。例如，隨著時間的推移，柱頂部的氧氣比底部多，這意味著能夠耐受或產生氧氣的微生物將在頂部。不能耐受遊離氧氣的微生物（稱為厭氧細菌）將在更下方。同樣，需要光照才能產生能量（透過光合作用或類似過程）的微生物需要生活在它們可以在柱中獲得光照的位置。
大約一到兩週後，取決於柱子接收到的光照量，接收光照的柱子朝光一側應該會出現一些綠色。這主要是由於需要光照的藍藻和藻類造成的。黑暗中的柱子應該保持深棕色。在加入蛋黃的柱子中，您可能已經看到底部附近隨著時間的推移出現較深的綠色、紫色和/或黑色區域——這些顏色可能是某些厭氧細菌的群落：分別是綠硫細菌、紫硫細菌和硫酸鹽還原菌。硫酸鹽還原菌實際上會消耗硫併產生硫化氫氣體，這些氣體會被綠硫細菌和紫硫細菌消耗。在加入報紙的柱子中，您可能已經在中間附近看到一些棕色、橙色、紅色或紫色區域——這些顏色可能是需要碳源才能茁壯成長的非硫紫色細菌的群落。您可能在水中看到了蠕蟲、蝸牛、蝦或其他小型生物，但在加入蛋黃的瓶子裡可能看不到很多（如果有的話），因為硫化氫對大多數生物有毒！
清理
務必清洗您的雙手以及任何接觸過生雞蛋的東西，因為它們可能攜帶沙門氏菌。處理完泥土後也要洗手。當您完成 Winogradsky 柱的實驗後，在得到允許的情況下，您可以將泥土傾倒在室外（例如在堆肥箱或泥濘區域）。
更多探索 構建 Winogradsky 柱影片演示，來自 NASA Quest
Winogradsky 柱，來自微生物生命 Winogradsky 柱，來自賓夕法尼亞州立大學
培養土壤生物群，來自 Science Buddies
本活動由 Science Buddies合作提供