利用传感器对“酵母菌呼吸方式实验”的尝试及探讨

董晶

摘 要 利用二氧化碳传感器和氧气传感器，能精确测量出“酵母菌的呼吸方式”实验中的呼吸作用情况，而在实验中所需的实验材料的准备，实验装置的设计，实验数据的处理均有很大的探讨空间。

关键词 传感器 呼吸作用 实验教学

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

威尼尔数字化实验是信息技术应用于科学教育的重要平台。数字化实验是通过采用传感器实验设备，将实验数据转入电脑，进行实验分析与探究的新型实验形式，主要设备由“可控源+传感器+数据采集器+计算机+处理软件”组成。教师利用数字化实验设备，通过简单的手段获得精确的实验结果，同时对数据进行分析整理，可以节省课堂学时，更好地阐述原理，提高课堂教学效率，也是信息技术与生命科学教学整合的新途径。

1 材料的准备

利用传感器配套的实验瓶，可以测量豌豆、黄豆的呼吸作用。建议可以在兴趣小组或初中阶段进行此实验，高中阶段则可选择酵母菌。上海版教材的实验方法，即“50 mL 5%葡萄糖溶液中，加入10 g酵母干粉，搅拌均匀。将酵母培养液各10 mL注入甲、乙两个大试管中”，若遇到气温降低、酵母菌活性不强等情况，则会对实验结果产生较大影响甚至失败。

若利用传感器，由于实验精度的提升，酵母菌和葡萄糖的用量可以大为缩减，使用10 mL质量分数为5%的葡萄糖溶液中，加入1 g酵母干粉，数据变化已非常明显。在威尼尔配套的实验手册中对酵母菌做了活化处理，即将酵母干粉先放入清水中搅拌均匀静置10～15 min，再加入葡萄糖溶液。将活化和未活化的酵母菌，同时进行呼吸作用测定，结果发现活化过的酵母菌呼吸作用更为明显（图1）。在实际操作中发现，酵母干粉只放入清水而不加入葡萄糖，室温下放置30 min后，肉眼也可观察到气泡产生。推测原因可能是在实验中通常选用的是市场上买到的食用酵母菌，在其生产过程中已经有糖类加入其中，若计算呼吸作用中葡萄糖的消耗需加以考虑。

2 实验装置的设计

“酵母菌的呼吸方式”是上海版《生命科学》第一册第四章第三节的演示实验，具有实验原理清晰、现象直观等优点，但也存在装置较复杂、无法定量比较两种呼吸作用的差异的不足。利用二氧化碳传感器和氧气传感器，则能精确测量出酵母菌的呼吸作用。由于这两种传感器测量的是一定密闭容器内的相应气体变化，所以如何创设有氧及无氧环境成为本次实验改进的难点。

经过大量资料查阅及多轮实验改进，最终采用了能够同时插入氧气传感器和二氧化碳传感器的实验瓶，将反应装置由试管改为培养皿，以增大酵母菌和氧气的接触面积（图2），而无氧环境则是通过加石蜡油，在培养液表面形成油膜创设。二氧化碳传感器必须在密闭容器中测量，因而无法通入充足氧气以保证有氧呼吸充分进行，从而在有氧呼吸过程中兼有无氧呼吸的存在。在本实验中，只是采取增大接触面积短时间内保证有氧呼吸较充分的进行，是否有更加科学的方法还有待研究。在实验中注意氧气传感器在使用和保存过程时均要竖直。

上海版教材中是以石蜡油形成油膜覆盖在接触面，以创设无氧环境，但在阻断酵母菌与氧气接触的同时，是否会对二氧化碳释放到测量空间中有影响，值得商榷。若能利用乙醇传感器，测得溶液中的乙醇含量能够直接反映出无氧呼吸的状况。而目前购买的乙醇传感器测量的是空气中的乙醇浓度，因乙醇能够溶于水，故测得的乙醇含量，并不足以准确反映无氧呼吸的乙醇产量。

3 实验数据的处理

由于学生对于生物传感器较陌生，若教师直接引入定量比较，学生接受有一定难度。故在实施实验环节先以定量分析为主，填写实验结果记录表（表1）。由于空气中氧气浓度约为21%，二氧化碳浓度为0.03%，差距较大。为方便观察二者的变化趋势，氧气的测定单位选用百分比浓度，而二氧化碳则用气体浓度（ppm）为单位。再此基础上引入定量分析，利用LabQuest Logger Lite程序，将已经完成并且保存过的实验数据中氧气的单位，由百分比浓度改为气体浓度，大约为200 000 ppm。通过计算统计氧气的减少量和二氧化碳的增加量，填写入表格（表2）后进行比较分析。有氧呼吸中二氧化碳的增加量应等于氧气的减少量；无氧呼吸中氧气浓度应无变化。可是由乙醇浓度和二氧化碳的增加量加以判断，在实际过程中可能存在误差，建议教师以此为契机，让学生提出问题展开讨论。实验结果并非最重要，学生在此对于呼吸作用过程的理解，对于生命科学思维的训练，这些才是更加宝贵的。

4 其他拓展实验

酵母菌可以生活在很多环境中，教师可根据酵母菌的生存环境，分析能够利用的糖类，引导学生据此提出假设，再利用CO2传感器还可以测定不同糖类对于酵母菌呼吸作用的影响。通过测量容器中CO2的含量变化，比较酵母菌利用不同糖类作为能源物质的呼吸速率，得出其对于哪种糖类的利用率最高。此实验较适宜通过小组的形式展开，每组测定不同的糖类的呼吸速率，再进行汇总交流。利用CO2传感器和温度传感器，还可以探究不同温度下酵母菌呼吸速率的变化。若学生为初中阶段，则可用豌豆或者黄豆代替酵母菌，测量其呼吸作用。综上，传感器为生命科学实验的拓展和探究打开了一扇窗，还有很多值得去探索。

参考文献：

谢明桂.探究酵母菌细胞的呼吸方式的实验创新[J].生物学通报，2012，47（3）：56-57.