利用傳感器對“酵母菌呼吸方式實驗”的嘗試及探討

董晶

摘 要 利用二氧化碳傳感器和氧氣傳感器，能精確測量出“酵母菌的呼吸方式”實驗中的呼吸作用情況，而在實驗中所需的實驗材料的準備，實驗裝置的設計，實驗數據的處理均有很大的探討空間。

關鍵詞 傳感器 呼吸作用 實驗教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

威尼爾數字化實驗是信息技術應用于科學教育的重要平臺。數字化實驗是通過采用傳感器實驗設備，將實驗數據轉入電腦，進行實驗分析與探究的新型實驗形式，主要設備由“可控源+傳感器+數據采集器+計算機+處理軟件”組成。教師利用數字化實驗設備，通過簡單的手段獲得精確的實驗結果，同時對數據進行分析整理，可以節省課堂學時，更好地闡述原理，提高課堂教學效率，也是信息技術與生命科學教學整合的新途徑。

1 材料的準備

利用傳感器配套的實驗瓶，可以測量豌豆、黃豆的呼吸作用。建議可以在興趣小組或初中階段進行此實驗，高中階段則可選擇酵母菌。上海版教材的實驗方法，即“50 mL 5%葡萄糖溶液中，加入10 g酵母干粉，攪拌均勻。將酵母培養液各10 mL注入甲、乙兩個大試管中”，若遇到氣溫降低、酵母菌活性不強等情況，則會對實驗結果產生較大影響甚至失敗。

若利用傳感器，由于實驗精度的提升，酵母菌和葡萄糖的用量可以大為縮減，使用10 mL質量分數為5%的葡萄糖溶液中，加入1 g酵母干粉，數據變化已非常明顯。在威尼爾配套的實驗手冊中對酵母菌做了活化處理，即將酵母干粉先放入清水中攪拌均勻靜置10～15 min，再加入葡萄糖溶液。將活化和未活化的酵母菌，同時進行呼吸作用測定，結果發現活化過的酵母菌呼吸作用更為明顯（圖1）。在實際操作中發現，酵母干粉只放入清水而不加入葡萄糖，室溫下放置30 min后，肉眼也可觀察到氣泡產生。推測原因可能是在實驗中通常選用的是市場上買到的食用酵母菌，在其生產過程中已經有糖類加入其中，若計算呼吸作用中葡萄糖的消耗需加以考慮。

2 實驗裝置的設計

“酵母菌的呼吸方式”是上海版《生命科學》第一冊第四章第三節的演示實驗，具有實驗原理清晰、現象直觀等優點，但也存在裝置較復雜、無法定量比較兩種呼吸作用的差異的不足。利用二氧化碳傳感器和氧氣傳感器，則能精確測量出酵母菌的呼吸作用。由于這兩種傳感器測量的是一定密閉容器內的相應氣體變化，所以如何創設有氧及無氧環境成為本次實驗改進的難點。

經過大量資料查閱及多輪實驗改進，最終采用了能夠同時插入氧氣傳感器和二氧化碳傳感器的實驗瓶，將反應裝置由試管改為培養皿，以增大酵母菌和氧氣的接觸面積（圖2），而無氧環境則是通過加石蠟油，在培養液表面形成油膜創設。二氧化碳傳感器必須在密閉容器中測量，因而無法通入充足氧氣以保證有氧呼吸充分進行，從而在有氧呼吸過程中兼有無氧呼吸的存在。在本實驗中，只是采取增大接觸面積短時間內保證有氧呼吸較充分的進行，是否有更加科學的方法還有待研究。在實驗中注意氧氣傳感器在使用和保存過程時均要豎直。

上海版教材中是以石蠟油形成油膜覆蓋在接觸面，以創設無氧環境，但在阻斷酵母菌與氧氣接觸的同時，是否會對二氧化碳釋放到測量空間中有影響，值得商榷。若能利用乙醇傳感器，測得溶液中的乙醇含量能夠直接反映出無氧呼吸的狀況。而目前購買的乙醇傳感器測量的是空氣中的乙醇濃度，因乙醇能夠溶于水，故測得的乙醇含量，并不足以準確反映無氧呼吸的乙醇產量。

3 實驗數據的處理

由于學生對于生物傳感器較陌生，若教師直接引入定量比較，學生接受有一定難度。故在實施實驗環節先以定量分析為主，填寫實驗結果記錄表（表1）。由于空氣中氧氣濃度約為21%，二氧化碳濃度為0.03%，差距較大。為方便觀察二者的變化趨勢，氧氣的測定單位選用百分比濃度，而二氧化碳則用氣體濃度（ppm）為單位。再此基礎上引入定量分析，利用LabQuest Logger Lite程序，將已經完成并且保存過的實驗數據中氧氣的單位，由百分比濃度改為氣體濃度，大約為200 000 ppm。通過計算統計氧氣的減少量和二氧化碳的增加量，填寫入表格（表2）后進行比較分析。有氧呼吸中二氧化碳的增加量應等于氧氣的減少量；無氧呼吸中氧氣濃度應無變化。可是由乙醇濃度和二氧化碳的增加量加以判斷，在實際過程中可能存在誤差，建議教師以此為契機，讓學生提出問題展開討論。實驗結果并非最重要，學生在此對于呼吸作用過程的理解，對于生命科學思維的訓練，這些才是更加寶貴的。

4 其他拓展實驗

酵母菌可以生活在很多環境中，教師可根據酵母菌的生存環境，分析能夠利用的糖類，引導學生據此提出假設，再利用CO2傳感器還可以測定不同糖類對于酵母菌呼吸作用的影響。通過測量容器中CO2的含量變化，比較酵母菌利用不同糖類作為能源物質的呼吸速率，得出其對于哪種糖類的利用率最高。此實驗較適宜通過小組的形式展開，每組測定不同的糖類的呼吸速率，再進行匯總交流。利用CO2傳感器和溫度傳感器，還可以探究不同溫度下酵母菌呼吸速率的變化。若學生為初中階段，則可用豌豆或者黃豆代替酵母菌，測量其呼吸作用。綜上，傳感器為生命科學實驗的拓展和探究打開了一扇窗，還有很多值得去探索。

參考文獻：

謝明桂.探究酵母菌細胞的呼吸方式的實驗創新[J].生物學通報，2012，47（3）：56-57.