用改进装置定量探究环境因素对酵母菌呼吸作用强度的影响

刘娟娟

(江苏省常州市田家炳高级中学 常州 213000)

人教版高中生物学教材必修1“细胞呼吸”一节设计了“探究酵母菌细胞呼吸方式”的实验，目的在于引导学生通过探究过程主动构建知识和概念。符合发展学生“科学思维”“科学探究”等生物学学科核心素养的要求。笔者探索用医用吊桶输液装置改制成实验装置用于定量探究环境因素对酵母菌呼吸作用强度的影响，简化了实验过程，取得了较好的教学效果。

1 改进实验装置

将吊桶输液装置的输液管剪成3段，其中一段连有止气阀。用剪短的输液管将A、 B两个输液桶头尾连接起来改装成有氧反应装置(图1)。A桶是提供有氧环境反应桶，B桶是酵母菌有氧呼吸反应桶。无氧反应装置的连接如图2所示。实验所需液体从盖有黄色盖子的孔中用注射器送入输液桶[1]。

图1 酵母菌有氧呼吸反应装置连接图

图2 酵母菌无氧呼吸反应装置连接图

2 利用改进装置探究酵母菌细胞呼吸方式

2.1 有氧呼吸 实验步骤： ①用pH 4的蒸馏水配置10%葡萄糖溶液，然后用该糖溶液配置1%活化的酵母菌液1000 mL，置于40℃水浴锅中保温。②有氧反应装置的2支桶等高放置。取20 mL 5% FeCl3溶液和200 mL 13% H2O2溶液分别注射进A桶中，利用H2O2分解反应产生的O2为B桶中酵母菌有氧呼吸提供有氧环境。取活化的酵母菌溶液200 mL注射进B桶中，将B桶放在40℃水浴锅中保温。③5 min后，酵母菌有氧呼吸均匀地产生气泡，将导气管通入装有5 mL澄清石灰水的1号试管中通气2 min后拿走导管，1号试管放置一边待用。④继续反应5 min，用注射器吸取20 mL B桶中的酵母菌液滴加到装有酸性重铬酸钾的试管中观察实验现象。

实验结果与结论： 1号试管内的澄清石灰水明显变浑浊，酸性重铬酸钾不变色，说明有氧呼吸产生CO2，不产生酒精。

2.2 无氧呼吸 实验步骤： ①按探究酵母菌有氧呼吸实验方式活化酵母菌。②关闭无氧反应装置的止气阀，吸取活化的酵母菌200 mL注射进反应桶，后吸取20 mL石蜡油注射进桶，液封液面创造无氧环境。将装置放在40℃水浴锅中保温。③反应5 min，酵母菌无氧呼吸均匀地产生气泡后将导气管通入装有5 mL澄清石灰水的2号试管中通气2 min。观察澄清石灰水浑浊情况并与1号试管比对浑浊程度。④继续反应5 min，用注射器吸取20 mL B桶中的酵母菌液滴加到装有酸性重铬酸钾的试管中，酸性重铬酸钾变为灰绿色。

实验结果与结论： 2号试管内的澄清石灰水变浑浊，酸性重铬酸钾变为灰绿色，说明无氧呼吸产生了CO2和酒精。2号试管与1号试管对比发现，1号试管中的澄清石灰水浑浊程度更高。说明有氧呼吸产生的CO2量大于无氧呼吸。

2.3 讨论 利用该改装装置能非常简便地探究酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产物，实验现象明显，整个操作安全。实验装置简单易得，偏远地区也可利用该装置开设该实验课程。如果由学生动手改装和制作装置，能激发学生的想象力和创造力。同时，该装置可定量地检测不同环境因素对酵母菌呼吸作用强度的影响，有助于培养学生的科学思维和科学探究能力。

3 探究不同环境因素对酵母菌呼吸作用强度的影响

3.1 探究pH对酵母菌呼吸作用强度的影响 实验步骤： ①配置pH为3、 4、 5、 6、 7、 8、 9和10的10%葡萄糖溶液，然后分别用该浓度的糖溶液配置1%的活化酵母菌。②按前文探究酵母菌无氧呼吸反应的实验方式去探究不同pH下酵母菌的呼吸作用强度。呼吸强度用CO2的产生速率来等价替代。用排水集气法检测产生气体体积，计时5 min，依次得出各组数据，每组实验重复3次，计算每组实验产生气体体积平均值和方差(图3)。

图3 不同pH溶液中酵母菌无氧呼吸产生气体速率

实验结果与讨论： 从图3可以看出，pH从3到10的过程中呼吸速率先增加后降低，且在pH 4时达到最大，故可估计pH 4是该酵母发酵的最佳pH值。从实验结果可推测，酵母发酵是在比基础环境酸性更强的条件下进行的。较低的pH值很可能有助于提高酵母菌发酵相关酶的活性。较高的pH减慢了反应。该实验支持最佳pH值有助于加快反应速度的假设。

3.2 探究温度对酵母菌呼吸作用强度的影响 实验步骤： ①按探究酵母菌有氧呼吸实验方式活化酵母菌。②按探究无氧呼吸反应方式去探究不同温度下酵母菌无氧呼吸作用强度。用排水集气法检测产生气体体积，计时5 min，依次得出各组数据，每组实验重复3次，计算每组实验产生气体体积平均值和方差(图4)。

图4 不同温度下酵母菌无氧呼吸产生气体速率

实验结果与讨论： 从图4可以看出，温度确实会影响酵母的发酵速度。温度从10℃上升到40℃，呼吸速率随温度升高而加快。到50℃以上，呼吸速率会下降。发酵率最高的温度应在40℃左右。可能因为酶在高温下运动过快而变性，所以在高温下发酵率会很低。

3.3 探究NaCl浓度对酵母菌呼吸作用强度的影响 实验步骤： ①配制NaCl溶液浓度分别为0、 1%、 2%、 3%、 4%和5%， 10%的葡萄糖溶液，用这些溶液按探究酵母菌有氧呼吸实验方式活化酵母菌。②按探究无氧呼吸反应方式去探究不同NaCl溶液浓度下酵母菌呼吸作用强度。用排水集气法检测产生气体体积，计时5 min，依次得出各组数据，每组实验重复3次，计算每组实验产生气体体积平均值和方差(图5)。

图5 不同NaCl浓度溶液中酵母菌无氧呼吸产生气体速率

实验结果与结论： 随着盐浓度的增加，酵母的发酵速率下降。盐浓度越低，酵母发酵速度最快。这一数据支持了增加盐浓度会降低酵母细胞发酵率的假设。

盐浓度升高会引起细胞渗透增高，细胞失水，导致细胞活性降低，呼吸速率减慢。

4 注意事项

4.1 气密性 实验开始前要注意检测实验装置的气密性，气密性不好会影响实验结果的统计。

4.2 pH检测 本实验的pH检测用的是pH试纸，可能有误差，若有条件应该用pH计来检测实验中所有试剂的pH。

4.3 实验安全 实验中为保证活化酵母菌最佳条件，糖溶液pH调为4，该pH下的溶液对皮肤具有一定的刺激性，师生在操作中一定要做好保护措施。