高三生物專項練習綱要--專項10微生物與發(fā)酵工程(含生物固氮)

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1、 2019 高三生物專項練習綱要 -- 專項 10 微生物與發(fā)酵工程 ( 含生 物固氮 ) 【一】 知 精要點 1、微生物主要指哪些生物 群 (1) 微生物包括三大界和病毒五界 ： ( 略 ) (2) 生物的代 型多 同化 型： 自養(yǎng)型：如硝化 菌、 藻。 異養(yǎng)型：如大 桿菌、乳酸菌、放 菌、真菌、草履蟲??異化 型： 需氧型：如硝化 菌、草履蟲?? 氧型：如大 桿菌、乳酸菌?? 酵母菌屬于哪種代 型 ? 共生固氮菌、自生固氮菌、固氮 藻，分 屬于哪種代 型 ? (3) 微生物的生

2、殖 型多 無性生殖： 分裂生殖：如 菌。出芽生殖：如酵母。 子生殖：如真菌、放 菌。斷裂生裂：如 狀 藻。 有性生殖： 配子生殖：如衣藻。 接合生殖：如草履蟲。 噬菌體是怎 增殖的 ?( 復制 ) 2、 菌、放 菌和病毒的 構與繁殖特征 (1) 菌 形 構：球形、桿形、螺旋形。 胞壁——與植物的 胞壁成分不同。 胞膜——生物膜 構。 胞 ——有核糖體、 粒及 藏 粒等。 核區(qū) 一個大型 狀 DNA，控制主要性狀 小型 狀 DNA，控制抗 性、固氮等性狀。 ( 有侵染性 ) 特殊 構：

3、膜、鞭毛、芽 。 繁殖：二分裂方式增殖。 ( 生 →核區(qū) DNA復制→形成隔膜 ) * 菌落：在固體培養(yǎng)基上從 個菌體開始，分裂增殖形成的 胞群。 (2) 放 菌 形 構：原核 胞的分枝狀菌 體。 繁殖方式：產(chǎn)生孢子。 生產(chǎn)抗生素的主要來源 (3) 病毒 結構： 復習“噬菌體” ： *[ 類病毒與朊病毒簡介 ] 復習噬菌體的增殖：吸附→侵入→復制、合成→組裝→釋放。

4、 3、微生物的營養(yǎng)物質 * 營養(yǎng)物質——維持生物體生命所必需的外源物質。碳源——提供 C元素的營養(yǎng)物質。 * 營養(yǎng)——生物攝取營養(yǎng)物質的過程。微生物的營養(yǎng)物質分五大類： 水、無機鹽、碳源、氮源、生長因子。 自養(yǎng)型——利用無機 C 源( 化能自養(yǎng)，光能自養(yǎng) ) 。異養(yǎng)型——必需有機 C 源( 也是能源 ) 。 氮源——提供 N元素的營養(yǎng)物質。 ＋ － 、尿素等。 * 常用 N 源—— NH4 、NO3 含 C、H、 O、 N的有機物，是碳源也是氮源；硝化細菌以 NH3

5、或 NO2－ 為氮源，也是能源； 固氮微生物能以 N2 為氮源 生長因子——微生物生長所必需、 自身缺乏合成能力的微量小分子有機物 ( 某些氨基酸、維生素、含氮堿基等 ) 。常用動植物組織提取液、酵母膏、蛋白胨等提供。 4、微生物培養(yǎng)基及其配制原那么 (1) 培養(yǎng)基——培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質 分類依據(jù) 類型 主要用途 固體 分離、計數(shù) 物理性質 半固體 觀察運動、鑒定菌種 液體 發(fā)酵生產(chǎn) 合成 ( 成分 ) 分類、鑒定菌種 化學性質 天然 發(fā)酵生產(chǎn) 半合成 發(fā)酵生產(chǎn) 特殊需

6、要 選擇 ( 利用特殊成分 ) 抑制雜菌、促進所需菌生長 鑒別 ( 利用特殊指示劑 ) 鑒別某些微生物 * 瓊脂的作用和比例如何 ? * 加青霉素——抑制細菌、放線菌，培養(yǎng)真菌。 * 高濃度 NaCl——抑制多種菌，培養(yǎng)金黃色葡萄球菌。 * 伊紅－美藍培養(yǎng)基——鑒定大腸桿菌( 菌落深紫色金屬光澤 ) (2) 配制培養(yǎng)基要考慮 3 個原那么： 目的明確、營養(yǎng)物質協(xié)調(diào)、 pH 值適宜。 * 營養(yǎng)問題： 高濃度蔗糖能抑制微生物生長。 C／ N比影響代謝：細菌 C／ N=4 時生長較快，真菌 C／ N=

7、10 時生長較快。谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)， C／ N=4時繁殖快、產(chǎn)物少； C／ N=3時繁殖慢、產(chǎn)物多。 *pH 值問題： 細菌適宜 pH≈ 6.5 ～ 7.5 。 放線菌 pH≈ 7.5 ～ 8.5 。 霉菌、酵母 pH≈ 4.5 ～ 6.0 。 5、微生物代謝的主要特征 (1) 代謝速率高 主要原因是：相對表面積很大 ( 表面積／體積 ) ，物質交換速率很高。 (2) 次級代謝產(chǎn)物復雜 初級代謝產(chǎn)物 生長繁殖所必需 ( 原生質必要組成物質 ) 各種菌共同的產(chǎn)物，化學結構較簡單 如：氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等 

8、 次級代謝產(chǎn)物 非生長繁殖所必需 ( 常影響環(huán)境中其他生物 每種菌獨特的產(chǎn)物，化學結構較復雜 如：抗生素、色素、毒素、“激素”等  ) (3) 兩類基本調(diào)節(jié)方式 ——酶合成的調(diào)節(jié)、酶活性的調(diào)節(jié)。 酶合成的調(diào)節(jié) ( 基因水平的調(diào)節(jié) ) ： 例：大腸桿菌利用碳源的調(diào)節(jié) ( 實驗 ) 。 碳源 菌體代謝 結論 葡萄糖 ( ＋) 乳糖 ( －) 分解葡萄糖 分解葡萄糖的酶是“組成酶”，分解乳糖的酶 葡萄糖 ( ＋) 乳糖 ( ＋) 只分解葡萄糖 是“誘導酶” (

9、 乳糖是誘導物 ) 葡萄糖 ( －) 乳糖 ( ＋) 分解乳糖 組成酶：只受基因控制表達合成，總存在。 誘導酶：誘導物誘導基因表達合成。 意義：保證不合成多余的酶，避免浪費。 酶活性的調(diào)節(jié) ( 酶水平的調(diào)節(jié) ) ： 例：谷氨酸桿菌合成谷氨酸的調(diào)節(jié)： 意義：調(diào)節(jié)精細快捷，不積累多余產(chǎn)物。 6、人工控制微生物代謝的主要措施是什么 ( 兩個方面：改變遺傳特性，控制環(huán)境條件 )

10、 例：①大量生產(chǎn)青霉素的青霉菌。 ②大量生產(chǎn)賴氨酸的黃色短桿菌 ( 見教材 ) 。 ③大量生產(chǎn)谷氨酸的棒狀桿菌 ( 見教材圖 ) 。 (* 為什么能治療肢端肥大癥 ?) (2) 控制環(huán)境條件 影響微生物代謝的環(huán)境因素有哪些? 避免雜菌 控制溫度 連續(xù)培養(yǎng) 控制通氣 攪拌培養(yǎng)液 消毒滅菌防 多數(shù)適宜溫度范 保證營養(yǎng)、去除廢 保證溶氧量要求 保證菌體與培養(yǎng)基營養(yǎng)物質充 止不利競爭 圍 25～37

11、℃ 物，調(diào)整 pH ( 需氧厭氧？ ) 分接觸，有利于物質交換 以上考慮如何促進發(fā)酵生產(chǎn)。 * 食品保存——考慮如何抑制微生物生長。 方法 原理 巴氏消毒 (60 ℃， 30min) 高溫消毒 罐藏法 ( 高溫高壓、封罐 ) 高溫滅菌、缺氧抑菌、防止染雜菌 冷藏法 (0 ～ 10℃保存；－ 18℃速凍 ) 低溫抑菌 干燥法 ( 風干；速凍—低壓脫水 ) 脫水抑菌 高糖、高鹽浸漬 脫水高滲抑菌 加防腐劑 ( 衛(wèi)生標準下 ) 藥物抑菌 7、微生物生長的一般規(guī)律是什么 (1) 微生物生長的特點：

12、 * 復習： ①種群數(shù)量變化包括哪些方面 ?( 增長、波動、穩(wěn)定、下降 ) ②種群 J 型增長特點是什么 ? λ >l ，且穩(wěn)定；條件理想，資源不因種群個體數(shù)量增加而減少。 λ =Nt ＋ 1／ Nt (t 為周限時間， λ 為周期增長率 ) Nt =N0 λ t ，lgN t =lgN 0+t(lg λ ) λ >1，種群增長； λ =l ，種群穩(wěn)定； 0<λ

13、 (2) 隨時間出現(xiàn) 4 個有序階段： [ 思考： λ =f(t) 的曲線特點如何 ?] 4 個階段的特點： 階段 特點 應用 ① 逐漸適應，個體生長快，繁殖率、死亡率≈0 發(fā)酵生產(chǎn)，盡快渡過 ② 代謝旺盛，性狀穩(wěn)定，繁殖迅速，等比增長 保留菌種，接種，科研材料 ③ 死亡率≈出生率、 活菌數(shù)達峰值， 次級產(chǎn)物大量積累， 芽孢出現(xiàn) 發(fā)酵生產(chǎn)盡量延長，收集產(chǎn)品 ④ 死亡率＞出生率，細胞出現(xiàn)畸形、解體 可收集發(fā)酵產(chǎn)品，不再保留菌種 8、發(fā)酵和發(fā)酵工程 (1) 發(fā)酵：通過

14、培養(yǎng)微生物生產(chǎn)各種微生物代謝產(chǎn)物的過程。 * 以下“發(fā)酵方式”各指什么特征 ? 固體發(fā)酵、液體發(fā)酵；厭氧發(fā)酵、需氧發(fā)酵；抗生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。 (2) 發(fā)酵工程：采用現(xiàn)代工程技術手段，利用微生物發(fā)酵原理生產(chǎn)產(chǎn)品，或是直接將微生物用于工業(yè)生產(chǎn)的新技術。 ( 見教材 ) ①發(fā)酵工程的技術手段 ( 內(nèi)容 ) ： * 菌種的選育和擴大培養(yǎng)。 思考：誘變技術、基因工程、細胞工程是如何發(fā)揮作用的 ? * 培養(yǎng)基的配置和滅菌處理。 思考：微生物的營養(yǎng)物質、 培養(yǎng)基的配置原那么是什么 ?為什么要滅菌 ?用什么方法使培養(yǎng)基滅菌 ? *

15、接種、發(fā)酵和產(chǎn)品分離提純。 思考：接種與菌種擴大培養(yǎng)有什么關系 ?什么生長狀態(tài)對接種有利 ?怎樣控制發(fā)酵條件 ? 可能用什么方法將產(chǎn)品分離提純 ? ②發(fā)酵工程的應用： 思考：發(fā)酵工程的突出特征是什么 ?什么是抗生素、維生素、激素、生長因子、生長激 素釋放抑制因子、疫苗、單克隆抗體、干擾素、白細胞介素、抗血友病因子 ? 什么是食品添加劑、單細胞蛋白、真菌蛋白 ? 【二】疑點、難點思維辨析 1、代表生物及其重要特征 生物類型 名稱 代謝類型 重要特征 病毒 噬菌體 寄生 DNA病毒，在細菌體內(nèi)寄生，

16、只含 DNA和蛋白質 煙草花葉病毒 寄生 RNA病毒，一種植物病毒，有 RNA的復制 原核生物 ( 細胞壁主要成分為肽聚糖，有核糖體，無其他的細胞器，無染色體 ) 細菌 乳酸菌 異養(yǎng)厭氧 單細胞細 菌，無氧呼吸時產(chǎn)生乳酸，用于制酸奶、泡菜 ( 分解者 ) 產(chǎn)甲烷桿菌 無氧呼吸產(chǎn)生甲烷，是沼氣的主要成分 ( 分解者 ) 破傷風桿菌 單細胞，在狹窄的傷口中繁殖使人患破傷風 ( 消費者 ) 肺炎雙球菌 有無毒的 R 型和有毒的 S 型。格里菲思、艾弗里

17、等利用該菌完成了轉化實驗， 從而證明了 DNA是肺炎雙球菌的轉化因子，成為 DNA是遺傳物質的最有力證據(jù) ( 消費者 ) 反硝化細菌 反硝化作用：在缺少氧氣時，將硝酸鹽還原成氮氣 ( 分解者 ) 大腸桿菌 異養(yǎng)( 兼性) 厭氧 在人大腸中共生，能合成維生素 B、K，在伊紅 - 美藍培養(yǎng)基中顯深紫色并帶 有金屬光澤 ( 消費者 ) 金黃色葡萄球菌 異養(yǎng)需氧 與其他菌不同的是能在高濃度的食鹽培養(yǎng)基中生長 ( 分解者 ) 根瘤菌 與豆科植物 ( 供有機物 ) 共生固氮

18、，在根部形成根瘤 ( 消費者 ) 固氮圓褐菌 自生固氮菌 ( 分解者 ) ，在土壤中腐生，可獨立固氮 谷氨酸棒狀桿菌 / 黃色短桿菌 能產(chǎn)生谷氨酸 ( 味精的主要成分 ) ，發(fā)酵工程中合成味精的主要菌種；黃色短 桿菌還常用于生產(chǎn)賴氨酸 ( 分解者 ) 紅螺菌 兼性營養(yǎng) 有細菌葉綠素和類胡蘿卜素呈紅色，無葉綠體，無有機物時可利用硫化氫等作 供氫體和還原劑，進行光合作用，但不產(chǎn)生氧氣 ( 兼性營養(yǎng)型 ) 紅色硫細菌 光能自養(yǎng)厭氧 在光照下利用 CO作碳源，

19、以 HS 或其他硫化物為供氫源和電子供體進行光合 2 2 作用，不釋放氧氣，積累硫 ( 生產(chǎn)者 ) 硫細菌 化能自養(yǎng)需氧 氧化硫化氫積累并釋放能量，合成有機物 鐵細菌 氧化硫酸亞鐵釋放能量，合成有機物 硝化細菌 硝化作用：以氨作氮源和能源，將其氧化成亞硝酸和硝酸；化能合成作用：利 用硝化作用中釋放的能量，把 CO2合成為有機物 放線菌 異常需氧 本身為一大類生物，單細胞，菌絲放射狀

20、 ( 分解者 ) 藻類 藍藻 光能自養(yǎng)需氧 最低等的藻類， 是最早進行光合作用的生物， 放出氧氣， 有的藍藻能固氮 ( 生 產(chǎn)者 ) 真核生物 真菌 酵母菌 異養(yǎng)兼性厭氧 單細胞真菌， 無 O2 時產(chǎn)生酒精和 CO2，有 O2 時產(chǎn)生水和 CO2( 分解 者) 青霉菌 異養(yǎng)需氧 多細胞，能分泌青霉素 ( 能抑制細菌的生長 )( 分解者 ) 蘑菇 多細胞大型真菌，腐生 ( 分解者 ) 藻類 衣藻 光能自養(yǎng)需氧 ( 生產(chǎn)者 ) 單細胞綠藻

21、 水綿 由筒狀細胞連成的多細胞綠藻，具螺旋狀帶形葉綠體 被子 植物 金魚藻 多年生沉水草本植物，莖細長，葉分枝 黑藻 單子葉沉水植物，葉扁平，薄，含葉綠體 2、幾個疑難問題闡釋 (1) 誘導酶的合成有了相關基因和誘導物就可以嗎 ? 高三生物選修課本 ( 人教版 ) 介紹“當只有葡萄糖存在或有葡萄糖和乳糖同時存在時， 大 腸桿菌只利用葡萄糖而不利用乳糖” 。通過大腸桿菌對葡萄糖的優(yōu)先利用可以知道，催化分 解葡萄糖的葡萄糖氧化酶為組成酶

22、， 而催化乳糖水解的半乳糖苷酶等為誘導酶。 誘導酶基因 和誘導物的存在是誘導酶合成的條件。 誘導半乳糖苷酶合成的誘導物為乳糖。 很多學生不理 解在滿足條件的情況下， 即有誘導酶基因和誘導物存在， 如果有葡萄糖存在為什么就不能合 成半乳糖苷酶。其實這種現(xiàn)象叫葡萄糖效應或兩次生長曲線。簡單地說， ATP在一種叫腺環(huán) 化酶的作用下可形成 cAMP(環(huán)腺苷酸 ) ，cAMP在磷酸二酯酶的作用下可形成 AMP。研究發(fā)現(xiàn)， 在 cAMP存在的條件下， mRNA聚合酶才可以結合到 mRNA聚合酶結合位點合成半乳糖苷酶。當有葡萄糖存在時，其代謝產(chǎn)物對腺環(huán)化酶有抑制作用，而

23、對磷酸二酯酶卻具有激活作用。 所以，葡萄糖的存在會造成cAMP的缺乏，從而使半乳糖苷酶的合成受到阻遏。 從以上例子可以看出， 誘導酶的合成是受到多種因素影響的： 有遺傳因素的影響， 有誘導物的影響，有阻抑物的影響，等等。也正由于其復雜性，決定了其精確性，確保了微生物 在保證代謝需要的前提下，避免物質和能量的浪費，增強了對環(huán)境的適應能力。 (2) 高壓蒸汽滅菌開始前，為什么要將鍋內(nèi)的冷空氣排盡? 在高壓蒸汽滅菌以前，如果高壓蒸汽滅菌鍋內(nèi)的冷空氣沒有排盡，當壓力上升到 98kPa 時，鍋內(nèi)的溫度就不會上升到相應高度， 導致滅菌不徹底。 因為如果高壓鍋內(nèi)的空氣沒有排盡，

24、當氣壓表的讀數(shù)上升到 98kPa 時，因為未排出的空氣占有一定的分壓， 所以飽和蒸汽壓 達不到 98kPa，因而溫度上升不到相應的滅菌溫度，導致滅菌不徹底。 (3) 用酒精棉球消毒為什么用 75％的酒精而不用 95％的酒精 ? 在“細菌培養(yǎng)的基本技術”實踐中，在接種前要求用肥皂將雙手洗凈、擦干，再用體積 分數(shù)為 75％的酒精棉球擦雙手。此步驟的目的是對手部皮膚進行消毒。有學生提出這樣的 問題：為什么不用 95％的酒精或更高濃度的酒精進行消毒，那樣消毒效果是不是會更好一 些呢 ?就一般的表面消毒劑來講，濃度越高消毒效果越好，但酒精是一種比較特殊的表

25、面消 毒劑，它的滅菌機理是：使蛋白質發(fā)生變性，損傷細胞膜，溶解脂類，使細胞脫水死亡。如 果濃度過高會使細胞表面的蛋白質 “迅速” 發(fā)生變性而凝聚， 從而形成一層保護層影響酒精 滲入細胞內(nèi)，直接影響消毒的效果。實驗研究得出結論： 75％的酒精的滅菌效果最好。 (4) 根瘤菌代謝需氧與固氮厭氧矛盾嗎 ? 根瘤菌代謝需氧與其固氮厭氧并不矛盾，  需氧是為根瘤菌一切新陳代謝提供能量，  而厭 氧是保護固氮過程中根瘤菌固氮酶的催化活性， 在根瘤菌漫長的進化過程中， 很好地解決了其既需要氧又須防止氧對固氮酶損傷的矛盾。 3、

26、幾種細菌體內(nèi)的化學反應 根瘤菌的固氮： 根瘤菌從空氣中吸收氮氣， 利用其細胞內(nèi)的固氮酶輕易地切斷束縛氮分子的化學鍵， 把氮分子轉化為能被植物吸收的氮，使豆科植物枝繁葉茂，欣欣向榮。化學反應過程如下： N2+6H+6e+nATP→ 2NH3+nADP+nPi 乳酸菌： 乳酸菌經(jīng)乳酸發(fā)酵的方式將糖類分解為乳酸。 其過程是先將葡萄糖分解成丙酮酸， 最后丙酮酸接受氫還原成乳酸。總的反應是： C6H12O6+2ADP+2Pi→ 2CH3CHOHCOOH+2ATP 乳酸菌生成的乳酸使環(huán)境變成酸性， 從而有效地抑制了其他腐敗性細菌的生長。 同時乳酸菌在代謝過程中還產(chǎn)生許多有益的代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸等。 光合細菌： 這類細菌不以水為供氧體， 而是利用硫化氫、 硫化硫酸鹽、 分子氫或簡單的有機物作為還原劑，把 CO2 還原為有機物。如綠硫細菌有關反應式為： 6CO2+12HS→ C6H12O6+6H2O+12S 甲烷細菌： 在厭氧條件下， 多種菌聯(lián)合作用， 能將纖維素發(fā)酵生成乙酸， 甲烷細菌再將乙酸形成甲烷，這是甲烷形成的主要途徑： 由乙酸的甲基形成甲烷： 14 CH3COOH→ 14CH4+CO2 由乙酸轉化為 CO2和 H2 形成甲烷： 14CH3COOH→ 14CO2+H2 →14CH4+H2O