Интегрированный урок по биологии и химии "Хемосинтез"

Цель. Формирование в сознании учащихся единой естественнонаучной картины мира.

Задачи.

Образовательные:

1. Закрепить основные понятия, связанные с процессом хемосинтеза.

2. Познакомить с особенностями жизнедеятельности серо-, железобактерий и нитрифицирующих бактерий.

Воспитательные:

1. Формирование чувства взаимопомощи в ходе урока.

2. Используя межпредметные связи, способствовать формированию диалектико-материалистического мировоззрения.

Развивающие:

1. Развитие творческих способностей, самостоятельности, умений сопоставлять, анализировать, делать выводы, работать с дополнительной литературой.

2. Совершенствовать навыки расстановки коэффициентов в уравнениях ОВР методом электронного баланса.

Время проведения – 80 минут.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент. Вступительное слово учителя. 7 минут.

Сегодня мы проводим интегрированный урок биологии-химии по теме “Хемосинтез”. Эта тема очень кратко рассматривается в курсе общей биологии, но обосновать её можно, применяя знания из химии. Поэтому урок проводят два преподавателя, а нашими помощниками будут ученицы 11 класса, которые выступят в роли ассистентов.

Чтобы работа на уроке прошла более плодотворно и организованно, мы сформировали учебные центры:

1. Центр систематики. Предоставят современную классификацию организмов по способу питания.

2. Исторический. Познакомят нас с историей открытия хемосинтеза.

3. Биохимический. Занимался вопросами жизнедеятельности хемотрофов.

4. Эрудит. Подготовили кроссворды в качестве закрепления понятий, прозвучавших на уроке.

За вашей работой в группах, а также вашими индивидуальными выступлениями следят ассистенты, которые в конце урока подведут итог.

Ваша задача на уроке – составить конспект по заданному плану (в конце урока сдают тетради, после проверки тетрадей получают 2 оценки: 1 - по химии - за составление электронного баланса, 2 - по биологии - за составление конспекта). План перед вами.

ПЛАН

1) Группы хемоавтотрофов.

2) Ф. И. О. учёного, открывшего хемосинтез. Годы жизни. Основные работы в области микробиологии.

3) Минеральные соединения каких элементов используются хемоавтотрофами для получения энергии?

4. Запишите уравнения реакций, осуществляемых:

а) нитрифицирующими бактериями,

б) серобактериями,

в) железобактериями. Составьте электронный баланс.

5. Решите кроссворд.

2. Основная часть.

Итак, сегодня мы рассмотрим особенности жизнедеятельности (небольшой по видовому составу) группы организмов, способных к хемосинтезу, т.е. к “бессолнечному” синтезу органических веществ.

Хемоавтотрофы обнаружены только среди бактерий, т. е. только среди прокариотных организмов, причём количество их сравнительно невелико. Однако по своим физиолого-биохимическим свойствам, геохимической деятельности и значению для некоторых областей народного хозяйства эти микроорганизмы весьма интересны.

Какое же место занимают хемотрофы в современной классификации организмов по способу питания? Выступление 1 группы (приложение № 1,2). 10 минут

Какова же история открытия хемотрофов? Выступление 2 группы (приложение № 3). 5 минут

Рассмотрим физико-биохимические свойства следующих групп бактерий:

а) Нитрифицирующие бактерии.

б) Серобактерии.

в) Железобактерии. Выступление 3 группы (приложение № 4, 5, 6). 20 минут

Ассистенты оценивают выступление каждой группы. 5 минут

Рецензия на ответ

1. Культура речи.

2. Научность.

3. Чёткость изложения.

4. Самостоятельность ответа.

5. Соответствие теме раскрытие вопроса.

На доске выступающий обязательно должен записать схемы химических процессов (без коэффициентов) жизнедеятельности микроорганизмов.

2NH₃ + 3O₂ 2HNO₂ + 2H₂O + 660 кДж

2HNO₂ + O₂ 2HNO₃ + 158 кДж

2H₂S + O₂ 2S + 2H₂O + E

2S + 2H₂O + 3O₂ 2H₂ SO₄ + E

4FeCO₃ + 6H₂O + O₂ 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + E

Задача учащихся переписать эти схемы в тетрадь и с помощью электронного баланса расставить коэффициенты. На данную работу отводится дополнительное время после заслушивания выступлений. 10 минут

Т.о., все хемолитоавтотрофы используют энергию химических реакций для создания органических веществ.

Используя понятия, прозвучавшие на уроке, группа эрудитов составила кроссворд, (кроссворд может выглядеть по-разному, всё зависит от творческой выдумки ребят), с помощью которого вы ещё раз проверите свой уровень усвоения понятий. Эту работу оценят ассистенты через 5 минут. Подведём итог. Предоставим слово ассистентам. 10 минут

Работая на уроке, мы оценивали ребят по следующим критериям. Познакомимся с ними.

Критерий оценивания группы.

1. Занятость всех участников.

2. Согласованность обсуждения вопросов.

3. Активность работы.

4. Правильность формулировки ответов.

5. Правильность и быстрота заполнения кроссворда.

Называются: а) Лучшая группа. б) Лучшее выступление. 5 минут

Когда мы подводили итоги, у нас родился поэтический экспромт. Зачитаем его:

Мы сегодня хемосинтез изучали

Много нового узнали

Как бактерии живут?

Где энергию берут?

Вещества с железом, серой и азотом в природе окисляют,

А энергию реакций в АТФ всё превращают,

Эта важная работа постоянно протекает

Потому, что их питает,

Углеводы помогает получить,

Хемотрофов и без света накормить.

Уравнения реакций написали,

Электронные балансы составляли,

Все понятия в тетрадях записали,

Хоть с трудом, но и кроссворд весь разгадали,

Так что знаньями вооружил нас впрок

Межпредметный ваш урок.

3. Подведение итогов.

Сегодня на уроке мы постарались рассмотреть биохимическую сущность процесса хемосинтеза.

Сделали попытку сформировать в вашем сознании представления единой естественнонаучной картины мира.

А насколько вы оцениваете свою и нашу работу, и насколько успешно прошёл наш урок, нам покажут листы самоконтроля, пожалуйста, заполните их, округлив нужную оценку по предложенным пунктам. 8 минут

Лист самоконтроля

Приложение № 1 (выступление 1 группы).

Для существования организмам необходимы источники углерода и энергии. По типу потребляемого углерода микроорганизмы подразделяются на автотрофов (используют углерод углекислоты), т. е. способны из неорганических веществ (углекислого газа и воды) синтезировать органические питательные вещества, дословно (от греч. “аутос” – сам, “трофос” - питание, т. е. сами себя питающие) и гетеротрофов (используют углерод в органической форме), т. е. не способны синтезировать органические вещества, а поэтому получают их готовыми, дословно термин гетеротрофы (от греч. “гетерос” – другой, “трофос” - питание, т. е. питающийся за счёт других).

По типу источника энергии их можно разделить на фототрофов (используют солнечный свет и создают в своих клетках хлорофилл) и хемотрофов (у них источник энергии – окисление органического и неорганического вещества). Дословно (от греч. “хемо” – химия, “трофос” - питание, т. е. питание за счёт энергии химических реакций. По типу источника электронов, используемых в окислительно-восстановительных реакциях различают органотрофов (для которых донором электронов является органическое вещество) и литотрофов, получающих электроны из неорганических соединений (хемолитотрофы).

Сочетание определенного типа конструктивного метаболизма (по источнику углерода) и энергетического метаболизма (по источникам энергии и электронов) состовляет тип обмена микроорганизма (всего их 8), но мы рассмотрим только один – хемолитоавтотрофию. Такое разнообразие типов метаболизма характерно для прокариот.

Приложение № 2 (выступление 1 группы).

В настоящее время хемоавтотрофы подразделяют на группы, получившие названия соответственно природе окисляемых субстратов:
1. Нитрифицирующие бактерии. 2. Водородные бактерии. 3. Серобактерии. 4. Железобактерии.

Кроме того, к хемоавтотрофам “видимо” принадлежат сравнительно недавно обнаруженный Н. Н. Ляликовой-Медведевой микроорганизм, окисляющий оксиды трехвалентной сурьмы до пятивалентной.

Таким образом, выявлены хемоавтотрофы, способные получать энергию в результате окисления минеральных соединений пяти элементов: водорода, азота, серы, железа и сурьмы.

Приложение № 3 (выступление 2 группы).

Жизнедеятельность С. Н. Виноградского.

Только что мы познакомились с группой хемолитоавтотрофов, которые способны создавать органические вещества, используя энергию, выделяющуюся при окислении неорганических соединений. Процесс синтеза органических веществ ими получил название хемосинтез, в отличие, от свойственного зелёным растениям, фотосинтеза. Его открыл в 1887 г. русский микробиолог С. Н. Виноградский (1856 – 1953). Вместе с другими учёными он развил идею Л. Пастера о роли микроорганизмов в природе в своей книге “Микробиология почвы. Проблемы и методы. 50 лет исследований”. Им предложен метод “элективных культур”.

Нитрификаторы выделены и описаны им в 1890 году. Именно он показал, что этот процесс проходит в 2 фазы. В 1888 г. он установил наличие хемосинтеза у железобактерий, одновременно он изучал серобактерии, и пришёл к выводу, что жизнедеятельность этих бактерий связаны с окислением сероводорода и серы. Все процессы этих 3-х групп организмов имеют энергетическое значение.

Благодаря его работе микробиология выдвинулась из списка теоретических наук в экспериментальную.

Приложение № 4 (выступление 3 группы).

Нитробактерии.

Нитрификация (от новолат. nitroqenium – азот и лат. facio – делаю) – это процесс биологического превращения восстановленных соединений азота в окисленные неорганические. Происходит в почве и воде.

Автотрофная нитрификация осуществляется в две стадии высокоспециализированными бактериями – нитрификаторами, использующими энергию окисления аммония или нитрата для ассимиляции углекислоты и образования органических веществ.

Сначала ион аммония окисляется бактериями до нитрит-иона, затем нитрит-ион окисляется бактериями в нитрат-ион.

Нитрификаторы выделены и описаны в 1890 г. С. Н. Виноградским.

Бактерии I фазы нитрификации представлены четырьмя родами, из которых наиболее изучен вид нитрозомонас. Клетки этих бактерий обычно овальные, размножаются бинарным делением; в жидкой среде наблюдаются подвижные формы, имеющие один или несколько жгутиков.

Другие бактерии, осуществляющие I фазу, имеют округлую или палочковидную форму, также снабжены жгутиками.

Полное уравнение реакции:

2NH₃ + 3O₂ 2HNO₂ + 2H₂O + 660 кДж

NH₄⁺ + 2O₂ NO₂ ^– + 2H₂O + E

Среди бактерий 2 фазы нитрификации различают 3 рода. Лучше всего изучен род Нитробактер. Бактерии имеют грушевидную форму, размножаются почкованием, причём дочерняя клетка подвижна, т. к. снабжена жгутиком.

2HNO₂ + O₂ 2HNO₃ + 158 кДж

2NO₂ ^– + O₂ 2NO₃^– + E

Нитрификация – основной путь образования нитрата в природе, играет первостепенную роль в круговороте азота в биосфере. Чрезмерное накопление нитратов в почве нежелательно, т. к. они легко вымываются и загрязняют воду.

Для подавления нитрификации выпускают специфические ингибиторы, которые вносятся одновременно с удобрениями (аммонийными).

Приложение № 5 (выступление 3 группы).

Серобактерии.

Серобактерии – бесцветные хемотрофные бактерии, использующие соединения серы как источники энергии и доноры электронов для ассимиляции СО₂ и роста в автотрофных условиях.

Они широко распространены в воде и грунтах морей, озёр, серных источников и др. водоёмов, содержащих сероводород, встречаются в почвах, месторождениях серы и сульфидных минералов.

По морфологии, характеру движения, строению клеток ряд представителей серобактерий проявляют большое сходство с сине-зелёными водорослями. Однако большинство из них до сих пор не удалось культивировать в лабораторных условиях в виде чистых культур.

Они способны окислять сероводород, а молекулярную серу откладывать в запас, а энергию, получаемую от окисления, используют для восстановления СО₂.

2H₂S + O₂ 2S + 2H₂O + E

При недостатке сероводорода в среде серобактерии переходят к окислению серы, запасённой в клетках, и окисляют её до серной кислоты.

2S + 2H₂O + 3O₂ 2H₂ SO₄ + E

Деятельность серобактерий – одна из основных движущих сил круговорота серы в биосфере.

Приложение № 6 (выступление 3 группы).

Железобактерии.

В основе жизнедеятельности железобактерий лежит окисление

Fe⁺² Fe⁺³ + E

Например, бактерии рода Лептотрикс (нитчатые бактерии, обычно встреча-ются в ручьях, выхода железистых источников на болотах, образуя скопления в виде ржавых пятен) черпают энергию из следующего процесса:

4FeCO₃ + 6H₂O + O₂ 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + E

Жизнедеятельность некоторых железобактерий может создавать и серьёзные проблемы. В протоплазме своих клеток они превращают Fe⁺² в нерастворимый Fe(OH)₃, который выделяется на поверхности их клеток и затрудняет обмен веществ, поэтому у железобактерий время от времени происходит “линька” - сбрасывание Fe(OH)₃, который превращается в ржавчину (Fe₂O₃ • n H₂O), нанося вред трубопроводам водоснабжения и канализации.

Так же в результате деятельности некоторых железобактерий может происходить следующий процесс - окисление минерала пирита:

4FeS₂ + 6H₂O + 15O₂ 4Fe(OH)SO₄ + 4H₂ SO₄ + E

Образуется серная кислота и вода, вытекающая из заброшенных железорудных шахт, может создавать угрозу кислотного загрязнения водоёмов.

Несмотря на отрицательную деятельность, железобактерии играют большую роль как геологические агенты в процессах рудообразования.