備課素材：用輸液器改進(jìn)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)-高一上學(xué)期生物人教版必修1

用輸液器改進(jìn)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第5章第3節(jié)的一個(gè)重要探究實(shí)驗(yàn)。教材提供的參考方案中錐形瓶裝置體積大且組建困難，試劑用量多，橡皮球或氣泵間歇性通氣(約50min)過程繁瑣。實(shí)驗(yàn)耗盡葡萄糖需要9h以上，學(xué)生難以及時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長，導(dǎo)致很多教師只能以播放實(shí)驗(yàn)視頻的形式向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不能有效訓(xùn)練學(xué)生的探究能力。1.裝置搭建1.1裝置的結(jié)構(gòu)組成有氧組裝置由1支20mL注射器、1條5．5號(hào)輸液器、1支10mL玻璃試管、試管架組成(圖1)。無氧組裝置由1個(gè)流量調(diào)節(jié)器、1條5．5號(hào)輸液器、1支10mL玻璃試管、試管架組成(圖2)。A側(cè)軟管上連滴壺B側(cè)軟管伸入試管中。1.3裝置的工作原理有氧組用注射器作為自動(dòng)充氣裝置，利用新鮮土豆或白菜梗中的H2O2酶催化H2O2分解制備O2，創(chuàng)設(shè)有氧環(huán)境。滴壺作為酵母菌細(xì)胞呼吸的反應(yīng)容器，注射器內(nèi)產(chǎn)生的O2通過A側(cè)軟管流向滴壺，滴壺中酵母菌細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2，通過B側(cè)軟管流向澄清石灰水或BTB中進(jìn)行檢測(圖3)。無氧組關(guān)閉流量調(diào)節(jié)器，用石蠟油液封酵母菌培養(yǎng)液，創(chuàng)設(shè)無氧環(huán)境。若無石蠟油，可靜置10min待酵母菌消耗掉滴壺中原有的O2，這兩種方式的檢測結(jié)果幾乎一致。酵母菌細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2，通過B側(cè)軟管流向澄清石灰水或BTB中進(jìn)行檢測(圖4)。2.實(shí)驗(yàn)步驟2.1試劑的配置酵母菌培養(yǎng)液由0．2g葡萄糖粉、0．4g高活性干酵母粉和2mL蒸餾水混合而成，注意現(xiàn)配現(xiàn)用。BTB的配置，取0．025gBTB粉末加入750mL煮沸過的自來水中，若配好時(shí)呈黃色，可滴加極少量0．01g/mL的NaOH溶液調(diào)至藍(lán)色。酸性重鉻酸鉀溶液由濃硫酸與濃度為2%的重鉻酸鉀溶液等體積混合而成。H2O2溶液用30%H2O2溶液與水按1∶4的比例稀釋。2.2CO2的檢測有氧組:①拔出注射器的活塞柄，向空筒中放入2條土豆細(xì)絲(約1．5g)，塞回活塞，抽取5mLH2O2溶液和15mL空氣后水平放置;②搭建有氧組裝置;③用5mL注射器量取1mL的酵母菌培養(yǎng)液，注射器針頭從滴壺的加藥橡膠口插入，注入酵母菌培養(yǎng)液后拔出;④滴壺B側(cè)軟管放入盛有1mL澄清石灰水或BTB的試管中，左手按住注射器，右手輕輕搖動(dòng)滴壺，促進(jìn)酵母菌與O2的接觸，觀察記錄試劑的顏色變化和所用時(shí)長。若室內(nèi)溫度低，需在滴壺下放置一個(gè)裝有一半開水的培養(yǎng)皿，為酵母菌的生活提供一個(gè)較適宜的溫度環(huán)境，縮短反應(yīng)時(shí)間。用20mL注射器抽滿空氣后和滴壺相連，將注射器及滴壺內(nèi)的氣體輸入1mLBTB中，BTB的初始顏色未發(fā)生改變。該實(shí)驗(yàn)說明注射器和滴壺內(nèi)空氣中的CO2濃度有限，不會(huì)使BTB變色，因此沒有去除注射器和滴壺內(nèi)一開始?xì)埩舻腃O2。無氧組:①搭建無氧組裝置;②向滴壺中注入1mL的酵母菌培養(yǎng)液后再注入適量的石蠟油;③滴壺B側(cè)軟管放入盛有澄清石灰水或BTB的試管中，觀察記錄試劑的顏色變化和所用時(shí)長。2.3酒精的檢測由于葡萄糖、干酵母粉中的食品添加劑SMS和酒精一樣會(huì)使酸性重鉻酸鉀溶液發(fā)生相似的顏色變化。為避免酸性重鉻酸鉀溶液與酵母菌培養(yǎng)液中葡萄糖、SMS的直接接觸，選用酸性重鉻酸鉀溶液直接檢測酒精蒸氣的辦法。取1mL現(xiàn)配酵母菌培養(yǎng)液于試管中，加熱使酵母菌滅活。檢測培養(yǎng)液除酵母菌可以產(chǎn)生的酒精外，葡萄糖、SMS等物質(zhì)是否也會(huì)揮發(fā)使酸性重鉻酸鉀液滴發(fā)生顏色變化，半小時(shí)內(nèi)液滴無顏色變化，說明該方法可行。步驟:①有氧組滴壺A側(cè)軟管伸入空試管中，捏扁滴壺，擠入酵母菌培養(yǎng)液;②試管放入裝有適量開水的50mL小燒杯中水浴加熱;③快速用膠頭滴管吸取酸性重鉻酸鉀溶液，蘸一滴在蓋玻片盒蓋中央;④快速將蓋玻片盒蓋倒扣在試管口上，讓盒蓋上的酸性重鉻酸鉀液滴正對(duì)試管口內(nèi)部，觀察記錄酸性重鉻酸鉀溶液的顏色變化。無氧組檢測酒精的方法，同上(圖5)。3.結(jié)果與分析3.1CO2的檢測室溫25℃，滴壺置于裝有一半開水的培養(yǎng)皿上，記錄10min后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。用BTB檢測的結(jié)果:有氧組BTB由藍(lán)變綠再變黃，無氧組BTB由藍(lán)變綠。用澄清石灰水檢測的結(jié)果:有氧組很渾濁，無氧組略微渾濁。BTB和澄清石灰水的檢測結(jié)果都表明，酵母菌在有氧和無氧條件下呼吸產(chǎn)物都有CO2且有氧條件下產(chǎn)生的CO2更多。相較之下，BTB檢測CO2更靈敏，現(xiàn)象更易觀察，推薦使用。本實(shí)驗(yàn)開課時(shí)間在冬季，室溫若低于20℃，觀察到現(xiàn)象的時(shí)長會(huì)略有延長。3.2酒精的檢測有氧組酸性重鉻酸鉀液滴仍為黃色，無氧組酸性重鉻酸鉀液滴由黃變綠。說明酵母菌只在無氧條件下產(chǎn)生酒精。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，極少的酒精蒸氣就會(huì)使酸性重鉻酸鉀液滴發(fā)生顏色變化，故酒精檢測時(shí)間不宜過長，約2min即可，避免有氧組試管內(nèi)的酵母菌在檢測過程中進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生酒精，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。4.改進(jìn)的亮點(diǎn)4.1巧用生活資源，使實(shí)驗(yàn)簡單易行用輸液器做實(shí)驗(yàn)的主體裝置，氣密性好、成本低，1套裝置成本在10元以內(nèi)，易采購，并可重復(fù)使用。裝置的組建和使用方法簡單，學(xué)生可親自動(dòng)手完成分組實(shí)驗(yàn)。4.2實(shí)驗(yàn)用時(shí)短，損耗低，現(xiàn)象明顯原實(shí)驗(yàn)方案需480mL酵母菌培養(yǎng)液，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案只需2mL;原實(shí)驗(yàn)需時(shí)長8—10h，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)茉?0min內(nèi)完成且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。4.3該裝置可進(jìn)一步進(jìn)行定量探索滴壺兩側(cè)軟管可直接連接二氧化碳傳感器，定量檢測酵母菌在有氧和無氧條件下的呼吸速率(圖6)。由于滴壺體積小，高活性干酵母的量若過多，滴壺內(nèi)CO2濃度短時(shí)間即會(huì)達(dá)傳感器測量峰值，不利于數(shù)據(jù)收集。0．05g葡萄糖粉、0．05g高活性干酵母粉和1mL蒸餾水混合的培養(yǎng)液較適宜。有氧組勻速滾動(dòng)滴壺，促進(jìn)酵母菌與空氣中的O2接觸，創(chuàng)設(shè)有氧環(huán)境;無氧組加適量石蠟油液封，制造無氧環(huán)境。CO2傳感器與數(shù)據(jù)采集器、電腦連接，打開電腦配套軟件設(shè)置用