對“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗細節的解析

攔生發 馬小明

(甘肅省臨夏中學 731100)

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為人教版高中生物學教材必修一《分子與細胞》中一個探究性實驗。本文對該實驗中存在的一些疑問進行解析。

1 質量分數10%的NaOH溶液的作用有哪些

在檢測酵母菌有氧呼吸產生大量CO2的實驗中，將空氣通入酵母菌培養液前先通過質量分數10%的NaOH溶液，其有何作用？很明顯的一個答案就是：吸收空氣中CO2，排除其對實驗的干擾。但還有一個原因被很多教師忽視：在此處NaOH溶液還起到殺滅其他雜菌的作用。由于空氣中含有很多微生物或微生物孢子，如果它們隨著空氣進入到酵母菌培養液肯定會進行呼吸作用，從而對實驗的嚴謹性提出挑戰。而用來吸收空氣中CO2的NaOH溶液，作為強堿對微生物有很強的殺傷性，可起到排除雜菌對實驗影響的作用。

2 檢測CO2用哪種試劑更好

2.1 澄清石灰水檢測CO2的原理 澄清石灰水，即為Ca(OH)2(俗名熟石灰)的澄清水溶液，呈堿性。常用來檢驗CO2、SO2等(生成對應的鈣鹽沉淀)，反應式：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓(白色)+H2O；Ca(OH)2+SO2=CaSO3↓(白色)+H2O。在該實驗中通過澄清石灰水變渾濁的程度，判斷CO2產生量的多少。但是，如果繼續通入CO2，則會使石灰水又變得澄清，反應式： CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2。所以，采用澄清石灰水檢測CO2存在兩個大前提：①該過程中不會有SO2的影響；②細胞呼吸產生的CO2不足以使變渾濁的石灰水再變澄清，即CO2達不到飽和值，否則實驗有失嚴謹性。

2.2 溴麝香草酚藍水溶液檢測CO2的原理 溴麝香草酚藍(BTB)是一種酸堿指示劑，變色范圍pH6.0(黃)～7.6(藍)。即酸性時顏色為黃色，堿性時為藍色，在由弱堿變為弱酸時，中間經過綠色(變色點pH7.1)[1]。溴麝香草酚藍水溶液微顯堿性，呈現淡藍色，當溶液中CO2濃度升高，CO2與水結合形成碳酸，使溶液pH降低，因而產生明顯的顏色變化，即使水溶液中CO2達到飽和時，pH值也在5.6左右。因此，從微顯堿性到pH 5.6，與溴麝香草酚藍試劑的變色范圍重合得很好。然而，SO2溶于水中，生成亞硫酸，亞硫酸酸性較大，超出這個變色范圍，故SO2一進去就變黃。

綜上述，采用溴麝香草酚藍水溶液檢測CO2更加嚴謹、客觀。

3 酸性重鉻酸鉀檢測乙醇的原理及不足之處

3.1 為什么用酸性重鉻酸鉀檢測乙醇 重鉻酸鉀(K2Cr2O7)又稱紅礬鉀，呈橙色，其中鉻元素為+6價，是鉻元素的最高氧化態，但它只有在酸性溶液中才顯示出強氧化劑性質，即在酸性條件下可以被還原劑還原成+3價的鉻離子(呈灰綠色)，反應式：Cr2O72-+14H++6e-=2Cr3++7H2O。乙醇分子中由于受羥基的吸電子作用，C-O鍵相對于C-C顯得不穩定，較為活躍，具有一定的還原性，可以被強氧化劑氧化成乙醛，繼續氧化為乙酸。故乙醇在酸性條件下，可以與重鉻酸鉀發生氧化還原反應，將橙色的重鉻酸鉀還原成灰綠色的+3價鉻離子，反應式：2K2Cr2O7+8H2SO4+3C2H5OH=2K2SO4+2Cr2(SO4)3+11H2O+CH3COOH。

3.2 為什么用濃硫酸配置重鉻酸鉀，而非稀硫酸或鹽酸 利用濃硫酸是因為濃硫酸酸性極強，這樣高價鉻的氧化性會更強，才能與乙醇發生氧化還原反應；同時濃硫酸被稀釋會放熱，有利于此氧化過程的進行。而用稀硫酸則達不到效果。

如果用濃鹽酸，高價的鉻會氧化負一價的氯離子，生成氯氣，氯氣有毒，不適合在實驗室操作，同時鉻酸根已被還原成+3價鉻離子，無法檢測乙醇的存在。反應式：2K2Cr2O7+ 14HCl=2KCl + 2CrCl3+ 3Cl2↑+ 7H2O。

3.3 葡萄糖也具有還原性，會不會對實驗造成干擾 葡萄糖是多羥基醛，具有還原性，且還原性比乙醇還要強。因此，重鉻酸鉀在酸性條件下也可以被葡萄糖還原。有實驗證明葡萄糖確實可以和酸性溶液中的重鉻酸鉀反應，反應現象與乙醇和酸性條件下的重鉻酸鉀反應現象一樣，均為橙色的重鉻酸鉀溶液變成灰綠色[2]?？梢?，葡萄糖的存在會在一定程度上干擾對實驗結果的判斷和結論的分析。因此，要等酵母菌細胞消耗完培養液中的葡萄糖以后，再用酸性條件下的重鉻酸鉀溶液來檢測其中是否有乙醇產生。這也可能就是教材注明要在“25℃～35℃的環境中培養8～10 h”后檢測乙醇的原因。所以，得出無氧條件下酵母菌細胞呼吸產生乙醇這一結論，也是有前提的：培養液中葡萄糖已經消耗完了或葡萄糖量很少不足以影響實驗。那么，如何排除葡萄糖的干擾，使實驗更加具有說服力，值得深思。

4 如何營造無氧條件

在檢測無氧條件下酵母菌產生CO2時，教材給出的裝置是帶導管的500 mL的錐形瓶，錐形瓶內注入240 mL酵母培養液(錐形瓶封口放置一段時間后，再通過導管聯通盛有澄清石灰水的錐形瓶)。那么，錐形瓶內還有260 mL的體積填充有空氣，如何排除這些空氣對實驗的影響？另外，培養液中還有溶解氧。這兩個問題的存在會影響到實驗結果，因為：①封口放置一段時間，瓶內通過有氧呼吸產生了CO2；②聯通澄清石灰水后使石灰水變渾濁的CO2有可能是有氧呼吸產生的。對此，一些教師通過探究改進實驗：例如，用煮沸過的培養液培養酵母以排除溶解氧問題；而對于錐形瓶上半部分空氣，采用“在液面添加植物油或石蠟的方法”[3]，或運用注射器排除培養液上層空氣[4]，從而在一定程度上減少空氣中CO2的干擾。