高中生物之探究酵母菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化

牟虹霖(山東省棲霞市第一中學(xué)，山東煙臺(tái)265300)

高中生物之探究酵母菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化

牟虹霖(山東省棲霞市第一中學(xué)，山東煙臺(tái)265300)

闡述了生物學(xué)中種群數(shù)量變化的基本理論，指出利用酵母菌做種群數(shù)量變化探究實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)并討論了本次實(shí)驗(yàn)的意義。簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與前期準(zhǔn)備，對(duì)主要實(shí)驗(yàn)步驟做了重點(diǎn)論述。對(duì)實(shí)驗(yàn)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，討論酵母菌數(shù)量變化的不同階段及其成因，驗(yàn)證相關(guān)理論，并進(jìn)一步探討了其應(yīng)用價(jià)值。

高中生物；酵母菌；數(shù)量變化

1 理論指導(dǎo)

1.1 種群數(shù)量變化

種群數(shù)量是反映種群特征的一個(gè)重要變量，受到內(nèi)部因素和外部因素的共同影響，長(zhǎng)期來(lái)看種群數(shù)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)——穩(wěn)定——消亡的規(guī)律。大自然中生命的演化多種多樣，實(shí)驗(yàn)室里也可以通過(guò)人工培育來(lái)探究種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律，酵母菌便是最常用的實(shí)驗(yàn)對(duì)象之一。

酵母菌作為人類最早利用的微生物，繁殖簡(jiǎn)單，易于培育。在理想的培育條件下酵母菌數(shù)量應(yīng)當(dāng)呈指數(shù)形式上漲，稱之為“J”型曲線，但由于培養(yǎng)環(huán)境中資源有限，加之代謝廢物的不斷堆積，酵母菌的實(shí)際數(shù)量在經(jīng)過(guò)指數(shù)上升后會(huì)趨于穩(wěn)定，隨著環(huán)境的進(jìn)一步惡化，最終消亡，稱之為“S”型曲線。通過(guò)便于實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)以及合適的數(shù)學(xué)模型的建立，便可以分析“種群數(shù)量變化”這一重要課題。

1.2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)的意義

完成酵母菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化研究這一實(shí)驗(yàn)，并非只是簡(jiǎn)單的驗(yàn)證課本上已有的理論，更重要的是學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作、數(shù)據(jù)采集與處理的方法，比如對(duì)照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、抽樣檢測(cè)的方法、數(shù)學(xué)模型的運(yùn)用，以鍛煉學(xué)生基本的科研素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)操作

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與前期準(zhǔn)備

為完成酵母菌數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的探究工作，實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容包括制備培養(yǎng)基、培養(yǎng)酵母菌、定時(shí)給酵母菌計(jì)數(shù)這三大部分。考慮到成本與便利性，培養(yǎng)基選用自制的馬鈴薯培養(yǎng)液，而酵母菌中則選用常見(jiàn)的高活性干酵母，在普通超市便可買到。實(shí)驗(yàn)中分標(biāo)準(zhǔn)組1（馬鈴薯培養(yǎng)液，30℃）、溫度對(duì)照組2（馬鈴薯培養(yǎng)液，6℃）、培養(yǎng)基對(duì)照組3（無(wú)菌水，30℃），連續(xù)觀察10天，分別研究溫度與營(yíng)養(yǎng)環(huán)境對(duì)酵母菌繁殖的影響，實(shí)驗(yàn)所需的器材在一般的生物實(shí)驗(yàn)室均有配備。

2.2 主要實(shí)驗(yàn)步驟

（1）制備培養(yǎng)基

準(zhǔn)備培養(yǎng)基的原料為葡萄糖、馬鈴薯、水，其質(zhì)量配比為1: 10:50。將馬鈴薯去皮切成小塊，放在水中熬煮半小時(shí)，并用玻璃棒攪拌使之均勻；接著將其過(guò)濾，在濾液中加適量葡萄糖，再補(bǔ)齊水量，即可初步制備培養(yǎng)基。為了保證后續(xù)培養(yǎng)與計(jì)數(shù)的精度，避免其他菌類的干擾，培養(yǎng)基需要滅菌。這里將培養(yǎng)基分裝到試管中后，用滅菌鍋通過(guò)高壓蒸汽進(jìn)行滅菌，這一步同時(shí)也制備了培養(yǎng)基對(duì)照組3的無(wú)菌水。

（2）培養(yǎng)酵母菌

培養(yǎng)酵母菌首先要接種，接種時(shí)依然要保證滅菌，因此接種時(shí)在操作位置附近需要點(diǎn)燃酒精燈創(chuàng)造無(wú)菌環(huán)境，吸取酵母菌母液的吸管也要做滅菌處理。將酵母菌母液接種到馬鈴薯培養(yǎng)液里后，將標(biāo)準(zhǔn)組1的試管放入30℃恒溫箱培養(yǎng)，將溫度對(duì)照組2放入4℃恒溫箱培養(yǎng)，再取無(wú)菌水接種酵母菌母液作為培養(yǎng)基對(duì)照組3，放入30℃恒溫箱培養(yǎng)。

（3）統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)

實(shí)驗(yàn)觀察共計(jì)10天，每天下午一點(diǎn)取樣，使用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行計(jì)數(shù)，整個(gè)計(jì)數(shù)過(guò)程中同樣要遵循無(wú)菌原則。為保證精度，取樣前要搖勻試管，用1mL刻度吸管將酵母菌培養(yǎng)液移入干凈試管中,再用滴管吸取1滴培養(yǎng)液滴在位于血球計(jì)數(shù)板網(wǎng)格上的蓋玻片的邊緣,等待培養(yǎng)液完全滲入，再在顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.3 注意事項(xiàng)

（1）滅菌鍋的使用

滅菌鍋使用時(shí)內(nèi)部是高溫高壓的環(huán)境，尤其需要注意安全。試管應(yīng)塞好棉塞并用牛皮紙包裹捆扎，滅菌時(shí)試管口朝上放入滅菌鍋，分三次加壓，分別為48kPa，48kPa，98kPa，前兩次加壓后都需要放氣至壓力表示數(shù)為0才能再次加壓，最后一次加壓并保持一段時(shí)間后切斷電源，等待鍋內(nèi)壓力自然下降為0才能打開(kāi)排氣閥，絕對(duì)不能直接排氣降壓，否則鍋內(nèi)液體會(huì)劇烈沸騰，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致容器爆裂。

（2）無(wú)菌原則的貫徹

如果計(jì)數(shù)時(shí)有其他菌類干擾，勢(shì)必影響統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要時(shí)刻遵循無(wú)菌操作原則，所有容器需要做滅菌處理，接種時(shí)依靠酒精燈提供無(wú)菌環(huán)境。

（3）計(jì)數(shù)方法

計(jì)數(shù)時(shí)采用抽樣檢測(cè)的方法，取樣后在血球計(jì)數(shù)板上先統(tǒng)計(jì)特定小方格（共100小格）中的酵母菌數(shù)量，再計(jì)算總的分布密度，其公式為：4

酵母菌數(shù)量/mL=100格中所數(shù)總數(shù)×400×10×稀釋倍數(shù)/ 100

實(shí)際計(jì)數(shù)時(shí)，可能發(fā)現(xiàn)所取樣液中酵母菌密度過(guò)高，難于統(tǒng)計(jì)，則需重新取樣并進(jìn)行稀釋，所以上述公式中需要乘以稀釋倍數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 結(jié)果討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所做出的曲線圖如圖1所示：

圖1

標(biāo)準(zhǔn)組1是典型的“S”型曲線，酵母菌種群經(jīng)歷了增長(zhǎng)——穩(wěn)定——消亡的過(guò)程；在溫度對(duì)照組2中，低溫環(huán)境對(duì)酵母菌的繁殖有一定的抑制作用，因此酵母菌數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，同時(shí)代謝廢物也相對(duì)較少，因此其消亡的速度也相應(yīng)減緩；在培養(yǎng)基對(duì)照組3中，由于培養(yǎng)液是無(wú)菌水，幾乎沒(méi)有任何養(yǎng)分，在缺乏外部供給的情況下，酵母菌很快就全部消亡。

3.2 應(yīng)用探究

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，溫度和外部營(yíng)養(yǎng)環(huán)境對(duì)酵母菌的生存繁殖有明顯影響，事實(shí)上，菌種本身性質(zhì)以及環(huán)境中的酸堿度和溶氧量等因素也會(huì)影響酵母菌的繁殖。在實(shí)際應(yīng)用中，選對(duì)酵母菌種和控制好外部環(huán)境至關(guān)重要，比如釀酒時(shí)特殊酒曲的使用以及窖藏環(huán)境的搭建，只有這樣才能釀造舉世聞名的美酒。

4 結(jié)語(yǔ)

種群數(shù)量變化是一個(gè)較為寬泛的生物學(xué)課題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究給定條件下的酵母菌種群數(shù)量的變化規(guī)律，可以驗(yàn)證相關(guān)理論并對(duì)一些現(xiàn)象做出解釋，進(jìn)而探究其實(shí)用價(jià)值。作為一名有志于科研的高中生，以理論為基礎(chǔ)，逐步提高自身實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理的能力，并從中挖掘應(yīng)用價(jià)值，對(duì)往后的科研工作大有裨益。

[1] 嚴(yán)易,張星玥,和淵.糖的種類和濃度對(duì)釀酒酵母生長(zhǎng)的影響[J].生物學(xué)通報(bào),2016,(03):52-53.

[2] 蔡雯蔚.數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].讀與寫(xiě)(教育教學(xué)刊),2015,(05):155.

[3] 趙奐.“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”實(shí)驗(yàn)研究[J].生物學(xué)通報(bào),2011,(05):53-56.