对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验细节的解析

拦生发 马小明

(甘肃省临夏中学 731100)

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”为人教版高中生物学教材必修一《分子与细胞》中一个探究性实验。本文对该实验中存在的一些疑问进行解析。

1 质量分数10%的NaOH溶液的作用有哪些

在检测酵母菌有氧呼吸产生大量CO2的实验中，将空气通入酵母菌培养液前先通过质量分数10%的NaOH溶液，其有何作用？很明显的一个答案就是：吸收空气中CO2，排除其对实验的干扰。但还有一个原因被很多教师忽视：在此处NaOH溶液还起到杀灭其他杂菌的作用。由于空气中含有很多微生物或微生物孢子，如果它们随着空气进入到酵母菌培养液肯定会进行呼吸作用，从而对实验的严谨性提出挑战。而用来吸收空气中CO2的NaOH溶液，作为强碱对微生物有很强的杀伤性，可起到排除杂菌对实验影响的作用。

2 检测CO2用哪种试剂更好

2.1 澄清石灰水检测CO2的原理 澄清石灰水，即为Ca(OH)2(俗名熟石灰)的澄清水溶液，呈碱性。常用来检验CO2、SO2等(生成对应的钙盐沉淀)，反应式：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓(白色)+H2O；Ca(OH)2+SO2=CaSO3↓(白色)+H2O。在该实验中通过澄清石灰水变浑浊的程度，判断CO2产生量的多少。但是，如果继续通入CO2，则会使石灰水又变得澄清，反应式： CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2。所以，采用澄清石灰水检测CO2存在两个大前提：①该过程中不会有SO2的影响；②细胞呼吸产生的CO2不足以使变浑浊的石灰水再变澄清，即CO2达不到饱和值，否则实验有失严谨性。

2.2 溴麝香草酚蓝水溶液检测CO2的原理 溴麝香草酚蓝(BTB)是一种酸碱指示剂，变色范围pH6.0(黄)～7.6(蓝)。即酸性时颜色为黄色，碱性时为蓝色，在由弱碱变为弱酸时，中间经过绿色(变色点pH7.1)[1]。溴麝香草酚蓝水溶液微显碱性，呈现淡蓝色，当溶液中CO2浓度升高，CO2与水结合形成碳酸，使溶液pH降低，因而产生明显的颜色变化，即使水溶液中CO2达到饱和时，pH值也在5.6左右。因此，从微显碱性到pH 5.6，与溴麝香草酚蓝试剂的变色范围重合得很好。然而，SO2溶于水中，生成亚硫酸，亚硫酸酸性较大，超出这个变色范围，故SO2一进去就变黄。

综上述，采用溴麝香草酚蓝水溶液检测CO2更加严谨、客观。

3 酸性重铬酸钾检测乙醇的原理及不足之处

3.1 为什么用酸性重铬酸钾检测乙醇 重铬酸钾(K2Cr2O7)又称红矾钾，呈橙色，其中铬元素为+6价，是铬元素的最高氧化态，但它只有在酸性溶液中才显示出强氧化剂性质，即在酸性条件下可以被还原剂还原成+3价的铬离子(呈灰绿色)，反应式：Cr2O72-+14H++6e-=2Cr3++7H2O。乙醇分子中由于受羟基的吸电子作用，C-O键相对于C-C显得不稳定，较为活跃，具有一定的还原性，可以被强氧化剂氧化成乙醛，继续氧化为乙酸。故乙醇在酸性条件下，可以与重铬酸钾发生氧化还原反应，将橙色的重铬酸钾还原成灰绿色的+3价铬离子，反应式：2K2Cr2O7+8H2SO4+3C2H5OH=2K2SO4+2Cr2(SO4)3+11H2O+CH3COOH。

3.2 为什么用浓硫酸配置重铬酸钾，而非稀硫酸或盐酸 利用浓硫酸是因为浓硫酸酸性极强，这样高价铬的氧化性会更强，才能与乙醇发生氧化还原反应；同时浓硫酸被稀释会放热，有利于此氧化过程的进行。而用稀硫酸则达不到效果。

如果用浓盐酸，高价的铬会氧化负一价的氯离子，生成氯气，氯气有毒，不适合在实验室操作，同时铬酸根已被还原成+3价铬离子，无法检测乙醇的存在。反应式：2K2Cr2O7+ 14HCl=2KCl + 2CrCl3+ 3Cl2↑+ 7H2O。

3.3 葡萄糖也具有还原性，会不会对实验造成干扰 葡萄糖是多羟基醛，具有还原性，且还原性比乙醇还要强。因此，重铬酸钾在酸性条件下也可以被葡萄糖还原。有实验证明葡萄糖确实可以和酸性溶液中的重铬酸钾反应，反应现象与乙醇和酸性条件下的重铬酸钾反应现象一样，均为橙色的重铬酸钾溶液变成灰绿色[2]。可见，葡萄糖的存在会在一定程度上干扰对实验结果的判断和结论的分析。因此，要等酵母菌细胞消耗完培养液中的葡萄糖以后，再用酸性条件下的重铬酸钾溶液来检测其中是否有乙醇产生。这也可能就是教材注明要在“25℃～35℃的环境中培养8～10 h”后检测乙醇的原因。所以，得出无氧条件下酵母菌细胞呼吸产生乙醇这一结论，也是有前提的：培养液中葡萄糖已经消耗完了或葡萄糖量很少不足以影响实验。那么，如何排除葡萄糖的干扰，使实验更加具有说服力，值得深思。

4 如何营造无氧条件

在检测无氧条件下酵母菌产生CO2时，教材给出的装置是带导管的500 mL的锥形瓶，锥形瓶内注入240 mL酵母培养液(锥形瓶封口放置一段时间后，再通过导管联通盛有澄清石灰水的锥形瓶)。那么，锥形瓶内还有260 mL的体积填充有空气，如何排除这些空气对实验的影响？另外，培养液中还有溶解氧。这两个问题的存在会影响到实验结果，因为：①封口放置一段时间，瓶内通过有氧呼吸产生了CO2；②联通澄清石灰水后使石灰水变浑浊的CO2有可能是有氧呼吸产生的。对此，一些教师通过探究改进实验：例如，用煮沸过的培养液培养酵母以排除溶解氧问题；而对于锥形瓶上半部分空气，采用“在液面添加植物油或石蜡的方法”[3]，或运用注射器排除培养液上层空气[4]，从而在一定程度上减少空气中CO2的干扰。