探究酵母菌细胞呼吸的经典实验

郭爱平 （对外经济贸易大学附属中学 北京 100102）

1 问题的提出

人教版教材高中生物学选修1中提到：酒精发酵属于厌氧发酵，在缺氧、呈酸性的发酵液中酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数微生物都因无法适应这一环境而受到抑制［1］。饮酒过多会伤害人体，植物无氧呼吸积累酒精也会导致腐烂，酵母菌产生的酒精会对自身造成危害吗？酵母菌对酒精的耐受能力有多强？目前市场上出售的白酒、红酒等饮品中是否还存在活的酵母菌？在学习选修1时，学生对这些问题很感兴趣，于是笔者指导学生设计实验进行探究，在实践中引导学生主动参与探究过程、逐步培养搜集和处理科学信息的能力、批判性思维的能力及分析和解决问题的能力［2］。

2 失败的尝试

在笔者的建议下，学生选择了习题中常见的“探究酵母菌细胞呼吸的经典装置”（图1），并假设“酒精浓度对酵母菌的无氧呼吸有影响，且浓度越高越不利于酵母菌的生存”。实验设计方案如下。

图1

实验目的：探究酵母菌对酒精的耐受性。

实验原理：酵母菌有氧呼吸消耗的氧气与产生的二氧化碳的体积相同，无氧呼吸不消耗氧气但会产生二氧化碳。因而图1装置中气球的体积会因酵母菌的无氧呼吸而变大，进而导致烧杯中液面上升。可根据单位时间液面上升的高度反映酵母菌的无氧呼吸强度［3］。

实验材料用具：带刻度的烧杯6个、气球6个，酵母菌培养液［4］、体积分数为 20%、40%、60%、80%的酒精、水浴锅、量筒等。

实验过程（见表1）：

表1 用经典装置探究酵母菌细胞呼吸的实验过程

预期结果：若酒精浓度对酵母菌的无氧呼吸有影响，且浓度越高越不利于酵母菌的生存，则第5组气球会因酵母菌的无氧呼吸而膨胀，烧杯中的液面上升；第6组液面不变；1～4组液面依次增加但低于第5组。

在实验过程中，学生首先遇到的问题是：气球中虽然注入了酵母菌培养液和酒精等，但置于烧杯的温水中后仍向上漂浮，气球的一半体积暴露于烧杯的液面之上。若酵母菌产气后气球会更加上浮，不会导致烧杯的液面发生变化。为解决这一问题，学生找来了一些大小相同的铁片，将气球固定在铁片上，这样气球才沉入水底。

经过了几个小时后，6组气球均没有膨胀。实验结果与预期不符，学生认为自己的假说没有问题，问题出在实验设计上。

初步判断实验失败的原因是酵母菌没有活性，为了检验酵母菌活性，学生将酵母菌培养液置于矿泉水瓶中密闭保温作为对照，再一次进行上述实验，结果发现矿泉水瓶中的酵母菌产生大量气体以致水瓶膨胀，说明实验材料酵母菌是有活性的。学生继而推测气球在水中的气密性可能不佳，导致酵母菌产生的气体均释放到气球以外。

此外，学生发现由于实验过程较长，烧杯中的水因大量蒸发而导致液面下降，这与预期恰好相反，这些设计缺陷激发了学生向“经典实验”发起挑战的兴趣。

3 实验的改进

为了能完成这次实验，学生求助于网络，并参考一篇名为《酵母菌吹气球》的文章设计如图2所示的装置，修改完善了实验方案，并最终得出了与预期相符的结果。

实验目的：探究酵母菌对酒精的耐受性。

实验原理：酵母菌有氧呼吸消耗的氧气与产生的二氧化碳的体积相同，无氧呼吸不消耗氧气但会产生二氧化碳。因而图2装置中气球的体积会因酵母菌的无氧呼吸变大，可根据单位时间气球体积的大小反映酵母菌无氧呼吸强度。

实验材料用具：锥形瓶7个、气球7个，酵母菌培养液、体积分数为 20%、40%、60%、80%、100%的酒精、水浴锅、量筒等。

图2

实验过程（见表2）及结果：

表2 用改进装置探究酵母菌细胞呼吸的实验过程

图3 装置的初始状态

图4 实验结果

实验结论：酒精浓度对酵母菌的无氧呼吸有影响，浓度越高越不利于酵母菌的无氧呼吸，从而反映酵母菌对酒精的耐受性是一定的。

课题延伸：酵母菌与其他微生物对酒精的耐受性差异显著吗？酵母菌耐受酒精的机理是什么？如何定量测出气球中气体的体积？上述装置还能用于研究哪些课题？

4 教学反思

酵母菌是高中生物学教材中探究细胞呼吸的实验材料，同时也是制作果酒的菌种。结合已有知识和生活经验，学生能认识到“酵母菌对酒精耐受性是有限度的”，但没有实验的佐证，这一认识仅停留在推理层面。在上述实验探究的过程中,学生不但亲身设计、修改实验方案达成了探究目的，还认识到“实践是检验经典”的唯一方式，在学习中不能想当然地认为“谁对谁错”，实验装置的合理性、实验结果的真实性、实验结论的正确性，这些都是可以质疑的,而这一点也是科学精神的一种体现。

主要参考文献

［1］人民教育出版社,课程教材研究所,生物课程教材研究开发中心.生物：选修1：生物技术实践.北京:人民教育出版社，2007：2.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（实验）.北京:人民教育出版社，2003：2.

［3］张荣华,李绍元.果酒酿造实验探索.生物学通报,2013,48(5):43.

［4］吴建华,王雪.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的问题探讨.生物学通报，2014，49（2）：51.

［5］夏红梅，陈珊，刘东波,等.酵母菌呼吸方式实验装置与实验方法的设计.实验室科学，2013，16（6）：17.