“探究酵母菌细胞呼吸方式”实验的改进

“探究酵母菌细胞呼吸方式”实验的改进 “探究酵母菌细胞呼吸方式”实验的改进 福建师范大学生命科学学院 松溪第一中学 黄奎声 “探究酵母菌细胞呼吸方式” 实验可以培养学生搜集和处理信息、分析与解决问、合作与交流的能力，进而培养学生创新精神。但在对福建各地区共68所不同类别中学的初步调查后发现:只有不足20%的中学开展该实验的教学，这违背了“倡导探究性学习”这一高中生物课程的基本理念。究其根本原因与本实验的实施难度系数较大不无关系，如人教版的参考资料指出“将实验装置放到25-35?的环境中培养8-10h”，如此长的实验时间严重影响了该实验在课堂教学中实施。基于以上事实，通过对该实验的研究，本人在实验材料、仪器、操作步骤、无关变量控制等方面进行以下改进，在一节课时内能完成该实验。 一、关于酵母菌使用的改进 1.酵母菌用量的改进 关于酵母菌的用量，教材的建议是“取20g新鲜的食用酵母，分成两等份，放入锥形瓶A(500ml)和锥形瓶B(500ml)中，分别向瓶中注入240ml质量分数为5%的葡萄糖溶液”，照此操作，至少需要大约50min才可以完成对二氧化碳产生的相关检测，酒精的检测则需要8-10h。实验等待时间过于漫长，这正是很多中学不愿意开展该实验的主要原因，因此，需要对酵母菌的用量进行改进，以缩短实验所需时间。 经实验研究发现，往500ml的锥形瓶中加入5g的“安琪牌高活性干酵母”，再注入350ml质量分数为5%的葡萄糖溶液，在35?环境中培养，只需35min便可完成对二氧化碳的检测。基于以上事实，对酵母菌的用量作如下改进:取10g安琪牌高活性干酵母，分成两等份，放入锥形瓶A(500ml)和锥形瓶B(500ml)中„。 2.干酵母的活化处理 “安琪牌高活性干酵母”未经活化处理而直接放入质量分数为5%的葡萄糖溶液中进行实验，至少耗时35min以上，如果预先经过10-15min活化处理，实验所需时间可缩短至15min之内。因此，建议在实验开始前对干酵母进行活化处理，以缩短实验所需时间。酵母菌活化处理的方法是，称 1 取10g干酵母，放入盛有400ml质量分数为5%葡萄糖溶液的锥形瓶(500ml)中，35?环境中通气培养10-15min即可。 二、关于实验的改进 图1是人教版教材本实验的设计图，该设计有若干不足之处，本人进行了下列改进。 图1 教材实验设计图 1. 用养鱼气泵给有氧组通气 教材中指出:可以用橡皮球给有氧呼吸实验组供氧气。但实践证明:用橡皮球供气的方式不符合实际。因为该实验的时间相对比较长，需要学生有足够的耐心和娴熟的操作技巧，如果通气时间不够或者通气量不足，会导致酵母菌在有氧条件下也有酒精产生的现象，得出错误的结论。因此，不建议用橡皮球作为通气的工具。通过实验研究发现，采取如图2所示的用养鱼气泵通气的方式，可以确保氧气供应，降低实验操作难度，提高实验成功率，而且价格方面也不会很高，建议在中学实验中予以采用。 图2 放置期间的实验设计图 2.用清水进行B瓶封口处理 2 实验开始时，需要对无氧组的B瓶封口放置一段时间，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，目的是消耗瓶中的氧气，创造无氧的环境，然而教材和教参中并没给出具体的封口处理方法。经实验研究发现，采取图2所示的将出气管口浸入盛有清水的烧杯中的封口处理方法，既简捷又容易操作，可在中学实验中采用。 封口培养期间注意观察无氧组气泡产生的情况，一般经过5min封口处理后，便可观察到管口有均匀气泡冒出，有均匀气泡冒出说明B瓶中氧气已经消耗完，酵母菌开始进行无氧呼吸，此时可连通澄清石灰水，检测二氧化碳产生的情况。 3.给无氧实验组增设对照组 学生参照原设计图(图1)进行实验，通过比较澄清石灰水的浑浊程度，得出酵母菌在无氧条件下产生二氧化碳较少的结论。该结论有不严谨之处，因为无氧组澄清石灰水变浑浊的原因可能有两个，一是酵母菌无氧呼吸过程中产生了二氧化碳，二是由于B瓶残留空气中的二氧化碳排出导致的。为了使结论更严谨，对原设计做如图3所示的改进，给无氧组增设一对照组(丙组)。做法是:丙组的B’瓶中不加入活化酵母菌液，只加入等量的葡萄糖溶液，其他条件与B瓶相同。通过比较澄清石灰水的浑浊度，D瓶>D’瓶，D’’瓶不浑浊，得出酵母菌无氧条件下产生二氧化碳较少的结论。 图3 增设对照组后的实验设计图 4. 增设导气管 由于实验时间比较长，C瓶中10%NaOH可能无法彻底吸收泵入空气中的二氧化碳，这影响对实验结果的分析。有研究指出，为了排除相关影响，可以在C、A瓶之间增设一瓶NaOH溶液，确保泵入空气中的二氧化碳被彻底吸收。除此方法外，还可采取如图4所示的改进方法，即在C、D’、D’’瓶之间增设一根导气管，如此，泵入的空气不但可以通过D瓶，而且还可 3 以通过D’D’’瓶，使无关变量保持一致，从而排除泵入空气中的二氧化碳对实验结果的影响，使设计更加科学严谨。 图4 增设导管的实验设计图 三、实验操作步骤 1. 教师的准备工作 (1)配置试剂 实验前教师按照要求，配置好以下试剂:澄清石灰水、酸性重铬酸钾溶液、质量分数为10%NaOH溶液、质量分数为5%葡萄糖溶液。 (2)活化干酵母 取10g安琪干酵母溶解于盛有400ml质量分数为5%葡萄糖溶液的锥形瓶中，在35?环境通气培养10min。 2.学生的实验操作 (1)添加试剂 先往A、B瓶(容量500ml)中各加入200ml酵母菌活化液，B’瓶加入200ml葡萄糖溶液，之后分别往A、B、B’瓶中各添加150ml质量分数为5%的葡萄糖溶液。 (2)组装装置 按照实验设计图组装好实验装置。 (3)静置培养 在35?水浴条件下，对甲组进行通气培养，乙组、丙组密封静止培养，培养过程中注意观察乙组出气管口气泡冒出情况。 (4)检测记录 ? 检测CO2的产生 4 当观察到乙组出气管口有均匀气泡冒出后，将各组出气管连通澄清石灰水，观察和比较各组澄清石灰水的浑浊情况和达到相同浑浊度所需的时间，并做好记录。 ? 检测酒精的产生 从各组母液中取2ml样液，通过离心或过滤的方法获得到上清液，将获得的上清液置于另一试管中，往其中加入0.5ml橙色酸性重铬酸钾溶液，摇匀，注意观察并记录溶液颜色变化。 (5)分析结果，得出结论。 四、操作中应注意的问题 实验过程中，注意以下的事项，可使实验更加顺利的进行，获得预期的探究效果。 (1)时间安排 活化干酵母的同时引导学生设计实验(10min); 添加试剂、组装仪器(5min);放置培养(5min);检测记录(10min);分析结果，得出结论(5min);表达交流(10min)。 (2)用乳胶管作为连接管，方便装置的移动。 (3)检测二氧化碳的生成情况时，不可中断有氧组空气的供应，否则会导致石灰水倒吸，短时间内无气体排出。 (4)保证有氧组充足的氧气供应，否则有氧组也会检测到酒精的生成。 (5)持续的通气会导致浑浊的石灰水逐渐变清，原因是碳酸钙变成可溶性的碳酸氢钙，所以二氧化碳的检测时间不宜太久。 (6)可用废弃的塑料瓶代替锥形瓶进行实验(图5)，但要注意确保乳胶管处与瓶盖穿接的气密性。 图5 用矿泉水瓶和乳胶管组装的实验装置图 五、实验改进的优越性 5 1.材料更加容易获得而且经济 如果按照教材建议“取20g新鲜食用酵母”进行实验，由于新鲜酵母难于保存，市面上很难直接购买到，而且使用量大，价格就比较贵。改用安琪牌高活性干酵母，该酵母市面上容易购得，而且由于活性高，使用量少，实验成本相对比较经济。 2.实验设计更加科学严谨而有说服力 使用养鱼气泵通气，可以确保有氧组所需的氧气量，避免了由于局部缺氧导致酵母菌进行无氧呼吸的情况发生;放置培养期间使用烧杯盛装清水对无氧组进行封口处理，操作比较简单，而且能保证封口的密闭性;增设一对照组可以排除瓶中残留二氧化碳等无关变量对实验结果的影响;增加一根导气管，排除泵入空气以及气泵的鼓动作用对实验结果的影响。这些特殊的改进，使得实验设计更加科学严谨，实验结果更有说服力。 3.大大缩短实验所需时间 在没做任何改进的情况下进行实验，至少需要50min才可完成实验，通过实验研究，在对实验材料、仪器、操作步骤、无关变量控制等方面进行一些改进后，实验所需时间可缩短至15min之内，大大缩短实验所需时间，保证探究实验的有效开展。 总之，通过反复研究，在对原实验设计进行多方面的改进与分析的基础上，使得“探究酵母菌细胞呼吸方式”这一实验完全具备了在一般中学课堂内进行探究性实验教学的条件和可能性。 6