劉娟娟

(江蘇省常州市田家炳高級中學 常州 213000)

人教版高中生物學教材必修1“細胞呼吸”一節(jié)設(shè)計了“探究酵母菌細胞呼吸方式”的實驗，目的在于引導學生通過探究過程主動構(gòu)建知識和概念。符合發(fā)展學生“科學思維”“科學探究”等生物學學科核心素養(yǎng)的要求。筆者探索用醫(yī)用吊桶輸液裝置改制成實驗裝置用于定量探究環(huán)境因素對酵母菌呼吸作用強度的影響，簡化了實驗過程，取得了較好的教學效果。

1 改進實驗裝置

將吊桶輸液裝置的輸液管剪成3段，其中一段連有止氣閥。用剪短的輸液管將A、 B兩個輸液桶頭尾連接起來改裝成有氧反應(yīng)裝置(圖1)。A桶是提供有氧環(huán)境反應(yīng)桶，B桶是酵母菌有氧呼吸反應(yīng)桶。無氧反應(yīng)裝置的連接如圖2所示。實驗所需液體從蓋有黃色蓋子的孔中用注射器送入輸液桶[1]。

圖1 酵母菌有氧呼吸反應(yīng)裝置連接圖

圖2 酵母菌無氧呼吸反應(yīng)裝置連接圖

2 利用改進裝置探究酵母菌細胞呼吸方式

2.1 有氧呼吸 實驗步驟： ①用pH 4的蒸餾水配置10%葡萄糖溶液，然后用該糖溶液配置1%活化的酵母菌液1000 mL，置于40℃水浴鍋中保溫。②有氧反應(yīng)裝置的2支桶等高放置。取20 mL 5% FeCl3溶液和200 mL 13% H2O2溶液分別注射進A桶中，利用H2O2分解反應(yīng)產(chǎn)生的O2為B桶中酵母菌有氧呼吸提供有氧環(huán)境。取活化的酵母菌溶液200 mL注射進B桶中，將B桶放在40℃水浴鍋中保溫。③5 min后，酵母菌有氧呼吸均勻地產(chǎn)生氣泡，將導氣管通入裝有5 mL澄清石灰水的1號試管中通氣2 min后拿走導管，1號試管放置一邊待用。④繼續(xù)反應(yīng)5 min，用注射器吸取20 mL B桶中的酵母菌液滴加到裝有酸性重鉻酸鉀的試管中觀察實驗現(xiàn)象。

實驗結(jié)果與結(jié)論： 1號試管內(nèi)的澄清石灰水明顯變渾濁，酸性重鉻酸鉀不變色，說明有氧呼吸產(chǎn)生CO2，不產(chǎn)生酒精。

2.2 無氧呼吸 實驗步驟： ①按探究酵母菌有氧呼吸實驗方式活化酵母菌。②關(guān)閉無氧反應(yīng)裝置的止氣閥，吸取活化的酵母菌200 mL注射進反應(yīng)桶，后吸取20 mL石蠟油注射進桶，液封液面創(chuàng)造無氧環(huán)境。將裝置放在40℃水浴鍋中保溫。③反應(yīng)5 min，酵母菌無氧呼吸均勻地產(chǎn)生氣泡后將導氣管通入裝有5 mL澄清石灰水的2號試管中通氣2 min。觀察澄清石灰水渾濁情況并與1號試管比對渾濁程度。④繼續(xù)反應(yīng)5 min，用注射器吸取20 mL B桶中的酵母菌液滴加到裝有酸性重鉻酸鉀的試管中，酸性重鉻酸鉀變?yōu)榛揖G色。

實驗結(jié)果與結(jié)論： 2號試管內(nèi)的澄清石灰水變渾濁，酸性重鉻酸鉀變?yōu)榛揖G色，說明無氧呼吸產(chǎn)生了CO2和酒精。2號試管與1號試管對比發(fā)現(xiàn)，1號試管中的澄清石灰水渾濁程度更高。說明有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量大于無氧呼吸。

2.3 討論 利用該改裝裝置能非常簡便地探究酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸產(chǎn)物，實驗現(xiàn)象明顯，整個操作安全。實驗裝置簡單易得，偏遠地區(qū)也可利用該裝置開設(shè)該實驗課程。如果由學生動手改裝和制作裝置，能激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力。同時，該裝置可定量地檢測不同環(huán)境因素對酵母菌呼吸作用強度的影響，有助于培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力。

3 探究不同環(huán)境因素對酵母菌呼吸作用強度的影響

3.1 探究pH對酵母菌呼吸作用強度的影響 實驗步驟： ①配置pH為3、 4、 5、 6、 7、 8、 9和10的10%葡萄糖溶液，然后分別用該濃度的糖溶液配置1%的活化酵母菌。②按前文探究酵母菌無氧呼吸反應(yīng)的實驗方式去探究不同pH下酵母菌的呼吸作用強度。呼吸強度用CO2的產(chǎn)生速率來等價替代。用排水集氣法檢測產(chǎn)生氣體體積，計時5 min，依次得出各組數(shù)據(jù)，每組實驗重復3次，計算每組實驗產(chǎn)生氣體體積平均值和方差(圖3)。

圖3 不同pH溶液中酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生氣體速率

實驗結(jié)果與討論： 從圖3可以看出，pH從3到10的過程中呼吸速率先增加后降低，且在pH 4時達到最大，故可估計pH 4是該酵母發(fā)酵的最佳pH值。從實驗結(jié)果可推測，酵母發(fā)酵是在比基礎(chǔ)環(huán)境酸性更強的條件下進行的。較低的pH值很可能有助于提高酵母菌發(fā)酵相關(guān)酶的活性。較高的pH減慢了反應(yīng)。該實驗支持最佳pH值有助于加快反應(yīng)速度的假設(shè)。

3.2 探究溫度對酵母菌呼吸作用強度的影響 實驗步驟： ①按探究酵母菌有氧呼吸實驗方式活化酵母菌。②按探究無氧呼吸反應(yīng)方式去探究不同溫度下酵母菌無氧呼吸作用強度。用排水集氣法檢測產(chǎn)生氣體體積，計時5 min，依次得出各組數(shù)據(jù)，每組實驗重復3次，計算每組實驗產(chǎn)生氣體體積平均值和方差(圖4)。

圖4 不同溫度下酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生氣體速率

實驗結(jié)果與討論： 從圖4可以看出，溫度確實會影響酵母的發(fā)酵速度。溫度從10℃上升到40℃，呼吸速率隨溫度升高而加快。到50℃以上，呼吸速率會下降。發(fā)酵率最高的溫度應(yīng)在40℃左右?？赡芤驗槊冈诟邷叵逻\動過快而變性，所以在高溫下發(fā)酵率會很低。

3.3 探究NaCl濃度對酵母菌呼吸作用強度的影響 實驗步驟： ①配制NaCl溶液濃度分別為0、 1%、 2%、 3%、 4%和5%， 10%的葡萄糖溶液，用這些溶液按探究酵母菌有氧呼吸實驗方式活化酵母菌。②按探究無氧呼吸反應(yīng)方式去探究不同NaCl溶液濃度下酵母菌呼吸作用強度。用排水集氣法檢測產(chǎn)生氣體體積，計時5 min，依次得出各組數(shù)據(jù)，每組實驗重復3次，計算每組實驗產(chǎn)生氣體體積平均值和方差(圖5)。

圖5 不同NaCl濃度溶液中酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生氣體速率

實驗結(jié)果與結(jié)論： 隨著鹽濃度的增加，酵母的發(fā)酵速率下降。鹽濃度越低，酵母發(fā)酵速度最快。這一數(shù)據(jù)支持了增加鹽濃度會降低酵母細胞發(fā)酵率的假設(shè)。

鹽濃度升高會引起細胞滲透增高，細胞失水，導致細胞活性降低，呼吸速率減慢。

4 注意事項

4.1 氣密性 實驗開始前要注意檢測實驗裝置的氣密性，氣密性不好會影響實驗結(jié)果的統(tǒng)計。

4.2 pH檢測 本實驗的pH檢測用的是pH試紙，可能有誤差，若有條件應(yīng)該用pH計來檢測實驗中所有試劑的pH。

4.3 實驗安全 實驗中為保證活化酵母菌最佳條件，糖溶液pH調(diào)為4，該pH下的溶液對皮膚具有一定的刺激性，師生在操作中一定要做好保護措施。