核心概念
微生物
土壤
生物学
氧气
阳光
生态系统
引言
我们的星球会循环利用所有支持生命所需的物质。这是一个惊人的、巨大的循环系统，被称为生物地球化学循环。您实际上可以通过使用塑料瓶和泥土来构建一个叫做温诺格拉茨基柱的装置，从而在小尺度上模拟这个循环。在这个活动中，您将构建自己的温诺格拉茨基柱，并研究添加不同营养物质如何影响哪些土壤微生物能够繁盛，哪些会衰败。
背景
为了生存和生长，生物体需要特定的营养物质供其食用——就像我们一样。大多数这些营养物质不断地通过生物地球化学循环进行移动，该循环将营养物质和其他化学物质通过地球的生物和非生物部分进行运输——例如，曾经存在于岩石中的铁可能会进入土壤，在那里被植物吸收，然后被动物吃掉。生物地球化学循环是一个封闭系统，这意味着营养物质不会丢失或产生；它们会不断地被重复利用和循环。
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一个给定的生态系统可能在其内部进行着多个生物地球化学循环。一些通过生态系统循环的重要营养物质是氧气、碳和硫。不同的土壤微生物在循环利用这些和其他营养物质中起着关键作用。微生物学家谢尔盖·温诺格拉茨基发明了一种研究这些过程的工具，即一个长而密封的泥土柱，现在被称为温诺格拉茨基柱。在其中，会形成不同的梯度。例如，随着时间的推移，柱顶部的氧气比底部多。这些梯度会影响不同的微生物在柱内的生存位置。
材料
• 四个干净的塑料水瓶，每个 500 毫升。最好使用侧面光滑（没有棱纹）、形状较高且较窄的瓶子。
• 剪刀
• 刀（可选）
• 永久性记号笔
• 尺子
• 雨靴和可以弄脏的旧衣服（可选）
• 可以接触到泥泞的溪流、池塘、湖泊或沼泽
• 手套
• 铲子或抹刀
• 两个水桶
• 报纸或普通纸（切碎）
• 一个鸡蛋
• 两个碗
• 两个大型搅拌碗
• 量杯
• 用于将泥土压入瓶子中的宽棍
• 量匙
• 可调节的台灯，带有 13 瓦紧凑型荧光灯泡（可选）
• 一个空旷的表面，例如桌子或桌面上，其温度为温暖的室温（大约华氏 72 至 78 度）。它不应接收任何直射阳光，但如果您不使用台灯，该区域应靠近非常阳光充足的窗户。
• 保鲜膜
• 塑料垃圾袋或购物袋
• 四个橡皮筋
• 纸板箱或牛皮纸袋
• 手电筒
准备工作
• 尽可能地去除四个水瓶上的所有包装纸。
• 小心地将瓶子的顶部切掉。您可能需要使用剪刀和刀来完成此操作，并且可能需要成年人帮忙。在瓶子顶部开始向内弯曲的地方切掉顶部。保存切下的顶部，以便稍后用作漏斗。
• 使用永久性记号笔，在瓶子大约 85% 满的位置做一个小标记。例如，如果您的瓶子高 6 英寸，您应该在距底部大约 5 英寸的位置做一个标记。您将把泥土填到此水平位置。
• 在每个瓶子上标记将在其泥土中添加的内容。一个将添加报纸，一个将添加蛋黄，另外两个将只装普通泥土（不添加任何东西）。其中一个普通瓶子将保持在黑暗中，另外三个瓶子将暴露在光线下。
• 去从泥泞的溪流、池塘、湖泊或沼泽中收集一些泥土。在水边注意安全，并且始终有成年人监督。（您可能需要先穿上雨靴和可以弄脏的旧衣服。）戴上手套，用铲子从水面下方舀取泥土，装满一个桶，大约一加仑泥土的一半到一加仑。
• 在另一个桶中，从同一位置收集一些水（最多半加仑）。
• 把您的桶带回家，如果需要，请洗干净！（在使用之前，请让您的桶保持阴凉，以免它们太热。）
步骤
• 在一个碗中，将大约四分之一张报纸或普通纸切成细条，然后将细条切成小矩形。这些将成为泥土中微生物的碳源。您认为添加碳会如何影响温诺格拉茨基柱中生长的微生物？
• 在第二个碗中加入蛋黄（生的或煮熟的）。如果是煮熟的，将蛋黄压成糊状。如果是生的，请在处理后务必洗手，因为生鸡蛋可能含有沙门氏菌。蛋黄将成为泥土中微生物的硫源。您认为添加硫会如何影响温诺格拉茨基柱中生长的微生物？
• 戴上手套，取出装有泥土的桶。搅拌时，缓慢地将您收集的水加入土壤中，直到您的混合物变得像奶昔一样。在搅拌的同时，务必从泥土中挑出所有树枝、树叶和岩石。
• 在一个大型搅拌碗中，混合略多于两杯的泥土和大约三分之一的蛋黄。使用切掉的瓶盖作为漏斗，将大约一英寸的与蛋黄混合的泥土倒入标记为添加蛋黄的瓶子中。在硬表面上敲击瓶子以压实泥土，并使用宽棍进一步压实泥土。继续每次添加大约一英寸的泥土并压实，直到达到您所做的 85% 满的标记。将瓶子放在一边。
• 在另一个大型搅拌碗中，混合略多于两杯从桶中取出的泥土（如果水已沉淀，请重新混合）和一茶匙切碎的报纸或纸。使用切掉的瓶盖作为漏斗，每次倒入和压实大约一英寸的泥土到正确标记的瓶子中，直到达到 85% 的标记。将瓶子放在一边。
• 取出剩余的两个瓶子，您应该已将其标记为装有普通泥土。将泥土直接从泥土桶中漏入并压实到两个瓶子中（如果水已沉淀，请重新混合），直到它们达到 85% 满。
• 静置约 30 分钟后，每个瓶子中泥土顶部的水应约为 0.2 至 0.8 英寸深。根据需要小心地添加更多的水或去除一些水。在顶部至少留出 0.2 英寸的空隙。
• 找一个空旷的平面，例如桌子或桌面上，其温度为温暖的室温（大约华氏 72 至 78 度）。它不应接收任何直射阳光。如果您不使用台灯，该区域应靠近非常阳光充足的窗户。用塑料垃圾袋或购物袋覆盖表面以保护它。
• 小心将您的瓶子移动到表面上，小心不要溢出！用保鲜膜覆盖每个瓶子，并用橡皮筋固定。您的温诺格拉茨基柱现在可以进行测试了！
• 如果您不使用台灯，请将三个温诺格拉茨基柱（将接收光照）排列好，使其接收大量光照，但它们不应暴露在直射光下。如果您正在使用台灯，请将三根柱子排列好，使其距离灯泡 20 英寸。对于那些被灯光照亮的瓶子，在面向灯泡的瓶子侧面写一个小“L”。您认为在面向光照的一侧会发生什么？
• 将装有普通泥土且不会接收光照的温诺格拉茨基柱放在室温下的表面上。然后将纸板箱倒置在柱子上，或将其放在牛皮纸袋中，这样光线就不会照射到瓶子上。您认为在没有接收光照的柱子中会发生什么？
• 在接下来的六到八周内，将温诺格拉茨基柱放在您放置的位置。如果您正在使用台灯，请保持台灯 24 小时开启。（如果保鲜膜盖子松动，只需用橡皮筋重新固定即可。）每周观察一次柱子，寻找其中的颜色变化。每个着色区域都应是同一类型微生物的集合。在观察柱子时，尝试关掉灯光，并用明亮的手电筒照射柱子——这可以帮助您更好地看到颜色。您在柱子中看到出现哪些颜色？它们出现在柱子中的什么位置？这些柱子看起来彼此有何不同？您在柱子中看到蠕虫、虾、蜗牛或其他较大的生物吗？这些柱子如何随时间变化？您认为您的结果与添加到柱子中的物质（或未添加的物质）有何关系？
• 提示：您应该在一到两周后在某些柱子上看到一些绿色着色出现。您可能需要仔细观察才能看到它。如果您没有看到任何绿色着色，则柱子可能没有接收到足够的光照。您可以尝试将它们移近光源。
• 额外：再次进行此活动，但这次测试每个条件的多个瓶子。例如，测试三个带有蛋黄的温诺格拉茨基柱。您的结果的可重复性如何？以相同方式设置的不同柱子之间是否存在很大的差异？
• 额外：您可以尝试测试几种不同的泥土或土壤来源，以查看微生物的生长是否会因地点而异。您甚至可以尝试一些海滩沙子。您认为您的结果告诉您有关您测试的每个地点的土壤质量和微生物的哪些信息？
• 额外：测试一些不同的添加剂，以寻找生活在独特和具有挑战性环境中的微生物。例如，您可以在一系列温诺格拉茨基柱中测试增加的盐量，以测试嗜盐菌（称为嗜盐生物），或将柱子放置在不同的温度下，以找到喜欢热（在通风口附近）或冷（在冰箱中）的微生物。您是否可以选择生活在更极端条件下的微生物？观察和结果
在光照下的柱子是否在面向光照的一侧形成了绿色着色区域，而黑暗中的柱子仍然是深棕色的？在光照下的三个柱子是否创建了彼此略有不同的颜色图案？
随着时间的推移，不同的营养物质梯度应该在温诺格拉茨基柱中形成。这些梯度会影响不同的微生物在柱内的生长位置。例如，随着时间的推移，柱顶部的氧气比底部多，这意味着能够耐受或产生氧气的微生物将在顶部。不能耐受游离氧气的微生物（称为厌氧细菌）将在更下方。同样，需要光照才能产生能量（通过光合作用或类似过程）的微生物需要生活在它们可以在柱中获得光照的位置。
大约一到两周后，取决于柱子接收到的光照量，接收光照的柱子朝光一侧应该会出现一些绿色。这主要是由于需要光照的蓝藻和藻类造成的。黑暗中的柱子应该保持深棕色。在加入蛋黄的柱子中，您可能已经看到底部附近随着时间的推移出现较深的绿色、紫色和/或黑色区域——这些颜色可能是某些厌氧细菌的群落：分别是绿硫细菌、紫硫细菌和硫酸盐还原菌。硫酸盐还原菌实际上会消耗硫并产生硫化氢气体，这些气体会被绿硫细菌和紫硫细菌消耗。在加入报纸的柱子中，您可能已经在中间附近看到一些棕色、橙色、红色或紫色区域——这些颜色可能是需要碳源才能茁壮成长的非硫紫色细菌的群落。您可能在水中看到了蠕虫、蜗牛、虾或其他小型生物，但在加入蛋黄的瓶子里可能看不到很多（如果有的话），因为硫化氢对大多数生物有毒！
清理
务必清洗您的双手以及任何接触过生鸡蛋的东西，因为它们可能携带沙门氏菌。处理完泥土后也要洗手。当您完成 Winogradsky 柱的实验后，在得到允许的情况下，您可以将泥土倾倒在室外（例如在堆肥箱或泥泞区域）。
更多探索 构建 Winogradsky 柱视频演示，来自 NASA Quest
Winogradsky 柱，来自微生物生命 Winogradsky 柱，来自宾夕法尼亚州立大学
培养土壤生物群，来自 Science Buddies
本活动由 Science Buddies合作提供