用改進裝置定量探究環境因素對酵母菌呼吸作用強度的影響

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”一節設計了“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建知識和概念。符合發展學生“科學思維”“科學探究”等生物學學科核心素養的要求。筆者探索用醫用吊桶輸液裝置改制成實驗裝置用于定量探究環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裝置(圖1)。A桶是提供有氧環境反應桶，B桶是酵母菌有氧呼吸反應桶。無氧反應裝置的連接如圖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裝置連接圖

圖2 酵母菌無氧呼吸反應裝置連接圖

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分解反應產生的O2為B桶中酵母菌有氧呼吸提供有氧環境。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繼續反應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象。

實驗結果與結論： 1號試管內的澄清石灰水明顯變渾濁，酸性重鉻酸鉀不變色，說明有氧呼吸產生CO2，不產生酒精。

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關閉無氧反應裝置的止氣閥，吸取活化的酵母菌200 mL注射進反應桶，后吸取20 mL石蠟油注射進桶，液封液面創造無氧環境。將裝置放在40℃水浴鍋中保溫。③反應5 min，酵母菌無氧呼吸均勻地產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繼續反應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，酸性重鉻酸鉀變為灰綠色。

實驗結果與結論： 2號試管內的澄清石灰水變渾濁，酸性重鉻酸鉀變為灰綠色，說明無氧呼吸產生了CO2和酒精。2號試管與1號試管對比發現，1號試管中的澄清石灰水渾濁程度更高。說明有氧呼吸產生的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物，實驗現象明顯，整個操作安全。實驗裝置簡單易得，偏遠地區也可利用該裝置開設該實驗課程。如果由學生動手改裝和制作裝置，能激發學生的想象力和創造力。同時，該裝置可定量地檢測不同環境因素對酵母菌呼吸作用強度的影響，有助于培養學生的科學思維和科學探究能力。

3 探究不同環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的產生速率來等價替代。用排水集氣法檢測產生氣體體積，計時5 min，依次得出各組數據，每組實驗重復3次，計算每組實驗產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生氣體速率

實驗結果與討論： 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是該酵母發酵的最佳pH值。從實驗結果可推測，酵母發酵是在比基礎環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酵相關酶的活性。較高的pH減慢了反應。該實驗支持最佳pH值有助于加快反應速度的假設。

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生氣體體積，計時5 min，依次得出各組數據，每組實驗重復3次，計算每組實驗產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生氣體速率

實驗結果與討論： 從圖4可以看出，溫度確實會影響酵母的發酵速度。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。發酵率最高的溫度應在40℃左右。可能因為酶在高溫下運動過快而變性，所以在高溫下發酵率會很低。

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生氣體體積，計時5 min，依次得出各組數據，每組實驗重復3次，計算每組實驗產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生氣體速率

實驗結果與結論： 隨著鹽濃度的增加，酵母的發酵速率下降。鹽濃度越低，酵母發酵速度最快。這一數據支持了增加鹽濃度會降低酵母細胞發酵率的假設。

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果的統計。

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。