微生物与发酵工程专题复习

1、微生物与发酵工程专题复习重庆49中 张运安来源：2009 年上半年试题与研究 一、知识梳理 1.微生物的类群（1）细菌结构与特征细胞壁：与植物细胞壁的成分不同，植物细胞的细胞壁由纤维素和果胶组成，而细菌的细胞壁由蛋白质和糖类组成，起保护细胞和维持细胞形状等功能。细胞质：含有核糖体和质粒，没有由膜构成的细胞器。质粒上含有控制抗药性、固氮、抗生素生成等基因。拟核：由一个大型的环状DNA组成，控制细菌的主要性状。芽孢：一些细菌在细胞内形成的对不良环境具有较强抗性的休眠体。细菌的运动：有鞭毛的细菌通过鞭毛的摆动可以在水中运动。细菌的增殖：主要通过二分裂进行增殖。菌落：单个或少数细菌在固体培养基上大量繁

2、殖时形成的一个肉眼可见的、具有一定形态结构的子细胞群体。菌落的特征是菌种鉴定的重要依据。（2）病毒的结构和增殖结构：主要由核酸和衣壳两部分组成，有的病毒还有囊膜。病毒的核酸只有一种：DNA或RNA，核酸中贮存着病毒的全部遗传信息，控制着病毒的一切性状。衣壳具有保护核酸，决定病毒抗原特异性等功能。增殖：吸附注入核酸合成核酸和蛋白质装配释放。2微生物的营养（1）微生物需要的营养物质微生物生命过程中需要的营养物质有碳源、氮源、生长因子、无机盐、水等。营养物质定义作用主要来源碳源凡能提供所需碳元素的物质构成生物体的细胞物质和一些代谢产物，有些是异养微生物的能源物质CO2、NaHCO3、糖类、脂肪酸、石

3、油、花生粉饼等氮源凡能提供所需氮元素的物质合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物N2、NH3、铵盐、硝酸盐、尿素、牛肉膏、蛋白胨生长因子生长必不可少的微量有机物酶和核酸的组成成分维生素、氨基酸、碱基等（2）培养基的配制原则目的要明确：要根据所培养的微生物的种类、培养的目的等选择原料，如果是异养微生物，则培养基中必须含有有机物。营养要协调：必须注意各种营养物质的浓度和比例。浓度过高不利于微生物生长；碳源、氮源的比例非常重要，当CN为41时，菌体繁殖快，代谢产物少，当CN为31时，菌体繁殖慢，代谢产物多。pH要适宜：真菌的最适pH为5.06.0；细菌的最适pH为6.57.5；放线菌的最适pH为7.58

4、.5。在微生物的生长代谢过程中，由于物质的消耗和代谢产物的积累，环境中的pH会发生改变，所以一般在培养基中要加入缓冲物质。（3）培养基的种类按照物理性质分种类是否加凝固剂用途固体培养基是分离、计数半固体培养基是观察运动、鉴定菌种液体培养基否工业生产按照化学成分分种类化学成分用途合成培养基化学成分明确分类、鉴定天然培养基天然物质，化学成分不明确工业生产按照培养基的用途分种类制法原理用途选择培养基加入某种化学物质促进需要微生物生长，抑制不需要微生物的生长分离菌种鉴别培养基加入指示剂或化学药品依据微生物的代谢特点鉴定菌种3微生物的代谢（1）初级代谢产物与次级代谢产物的比较产物名称产生时间作用分布种的

5、特异性举例初级代谢产物生长过程自身生长和繁殖所必需细胞内无氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等次级代谢产物生长后期对自身无明显生理作用细胞内或外有激素、色素、毒素、抗生素等（2）酶合成调节和酶活性调节的区别和联系区别：从调节对象看，酶合成调节是通过酶种类和数量变化控制代谢速率，而酶活性调节是对已存在的酶的活性进行控制，它不涉及酶量的变化。从调节效果看，酶合成调节间接而缓慢，酶活性调节直接而迅速。从调节机制看，酶合成调节是基因水平的调节，它调节、控制酶合成；酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。联系：在细胞内，两种调节方式同时存在，密切配合，高效、准确地控制代谢的正常进行。（3）微生物代谢的人工控

6、制人工控制的目的：最大限度地积累对人类有用的代谢产物。人工控制的措施：A.控制微生物的遗传特性：诱变处理，选择符合生产要求的菌种。B.控制发酵条件：a.控制溶氧量：厌氧微生物控制氧的供应，对需氧微生物保证氧的供应，以通气量和搅拌速度控制溶氧；b.控制pH：加酸，加碱或加缓冲液；c.控制温度：注意降温，将温度控制在所培养微生物的最适温度。4微生物的生长（1）微生物群体的生长规律将少量的某种微生物接种到固定容积的液体培养基中，在适宜的条件下培养，然后定期取样，测定培养基中细菌种群的生长情况，如果以时间作横坐标，以细菌数目的对数作纵坐标，便可以得到反映细菌生长规律的曲线。生长时期特点形成原因菌体特征

7、生产应用与控制调整期不立即繁殖对新环境的适应代谢活跃，体积增长较快通过菌种、接种量、培养基等缩短调整期对数期繁殖速度快，以等比数列的形式增加生存条件适宜个体形态和生理特性稳定获取菌种，作为科研材料稳定期繁殖速度与死亡速度相等，活菌数量最大，代谢产物积累最多生存条件恶化（pH变化，代谢产物积累，营养物质消耗）开始出现芽孢通过添加新培养基，放出旧培养基，从而延长稳定期衰亡期死亡率大大增加生存条件恶化出现多种形态（2）影响微生物生长的环境因素温度：低温时反应速度降低，高温使蛋白质和核酸的结构发生不可逆破坏，一般最适温度为2537。pH：影响酶的活性和膜的稳定性而使新陈代谢受阻。最适pH：细菌6.57

8、.5，真菌5.06.0，放线菌7.58.5。氧气：影响微生物的呼吸。严格厌氧型微生物在短时间的有氧也会造成生长停滞或死亡；兼性厌氧型在有氧时进行有氧呼吸，在无氧时进行无氧呼吸。5谷氨酸发酵的分析（1）菌种选育谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌通过诱变育种得到生产用的菌种。（2）培养基的配制培养基的种类：天然培养基，液体培养基。培养基的成分：碳源：豆饼或马铃薯水解液、玉米浆等；氮源：豆饼水解液、尿素；生长因子：生物素；无机盐：K2HPO4、K2O、MgSO4。（3）灭菌培养基和发酵罐都必须严格灭菌（4）扩大培养与接种目的是增大菌种量，缩短调整期，培养基中的CN=41。（5）发酵过程不断通入无菌空气。搅拌

9、，既能加速氧的溶解，又能使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率。连续培养时CN=31。严格控制温度、pH等。当pH呈酸性时，会产生乙酰谷氨酰胺；当溶氧不足时，会生成乳酸或琥珀酸。（6）分离提纯采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取谷氨酸。 二、疑难点拨1微生物类群的比较形体微小，结构简单，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚的生物统称为微生物。包括病毒、原核生物界、真菌界、原生生物界等。分类形态结构生活方式举例病毒无细胞结构主要由核酸和蛋白质衣壳组成寄生植物病毒、动物病毒、噬菌体原核生物界单细胞原核细胞结构寄生、腐生、自养细菌、蓝藻、放线菌真菌界单细胞或多细胞真核细胞结构寄生、腐生酵母菌、霉

10、菌原生生物界单细胞真核细胞结构寄生、异养、自养衣藻、变形虫2微生物与动植物营养的比较营养物质是指维持机体生命活动，保证发育、生殖所需的外源物质。不同生物所需要的营养物质有所差异，具体如下：人和动物的营养物质包括：水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质、维生素等六大类。植物的营养物质包括：矿质元素、水、二氧化碳等三类。微生物的营养物质包括：水、无机盐、碳源、氮源、生长因子等五类。微生物所需的无机盐与植物所需的矿质元素有差别。比如NH4+，在微生物是氮源，在植物是矿质元素；CO32-对植物是矿质元素，对异养型微生物是无机盐，对自养型微生物可以是碳源。人和动物所需的无机盐中没有氮，他们所需要的氮主要来自蛋白

11、质等。维生素是人需要的微量有机物，生长因子是微生物需要的微量有机物。维生素在人体内是维持新陈代谢和某些生理功能的必不可少的物质，大多是酶的组成部分。生长因子在微生物中也是酶的组成成分，如氨基酸和生物素；有些还是核酸的重要组成部分，如碱基。其具体区分如下表所示：生物类型营养要素动物（异养）微生物绿色植物（自养）异养自养碳源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等CO2、碳酸盐等CO2、碳酸盐氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物、有机氮化物无机氮化物、氮无机氮化物，如NO3-、NH4+等能源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等氧化无机物或利用太阳光能利用太阳光能生长因子维生素部分需要维生素等生长因子不需要不需要无机元素无

12、机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水相同点细胞中的化学成分基本相同，均由C、H、O、N、P、S及其他元素组成，且C、H、O、N占细胞干中的90%以上3学习微生物代谢应注意的问题（1）组成酶与诱导酶的存在和合成所需条件：组成酶是细胞内一直存在的，其合成只受遗传物质的控制；诱导酶是在一定条件下诱导产生的，其合成既受遗传物质控制，又需诱导物诱导，产生后随环境条件改变，可消失。（2）调节酶活性的物质：调节酶活性的物质是酶所催化的反应产物，可以是酶的直接催化产物，如谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的调节；也可以是间接产物，如苏氨酸和赖氨酸对天冬氨酸激酶活性的调节。对一种酶活性的调节可以是一种产物，也可以是两种产物

13、共同起作用。酶活性的调节既包括组成酶，也包括诱导酶。4理解微生物的生长应注意的问题（1）微生物生长规律是研究群体而非个体，条件是恒定容积，液体培养基，接种少量、同种细菌，适宜条件下培养。（2）生长曲线横坐标代表时间，纵坐标代表细菌数目的对数。（3）影响调整期时间长短的因素：繁殖速度快的菌种一般较短；接种菌种来自对数期的短，甚至没有调整期；接种到同样组成的培养基比接种到组成不同的培养基中时间要短；接种量增大可缩短甚至消除调整期。（4）连续培养提高设备利用率，缩短培养周期，但可延长稳定期，提高产量。连续培养使菌体快速增长，及时排除部分有害代谢产物，但不是将代谢产物释放到培养基中。（5）分批培养：将

14、微生物置于一恒定容积的培养基中，且培养基一次加入，不再更换。与连续培养比较，分批培养设备利用率降低，培养周期长。5影响发酵过程的因素（1）温度：温度对微生物的影响是多方面的。首先，温度影响酶的活性。在最适温度范围内，随着温度的升高，菌体生长和代谢加快，发酵反应速率加快；当超过最适温度范围以后，随温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期缩短，产量降低。温度也能影响生物合成的途径，此外，温度还影响发酵液的物理性质以及菌种对营养物质的分解吸收等。因此，要保证正常的发酵过程，就需要维持最适温度。但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同，通常必须通过实验确定不同菌种各发酵阶段的最适温度，采取分段控

15、制。（2）pH：pH能影响酶的活性以及细胞膜的通透性，从而影响微生物对营养物质的吸收和代谢物的分泌。此外，pH还会影响培养基中营养物质的分解等。在发酵过程中，随着菌体对营养物质的利用和代谢产物的积累，发酵液的pH必然会发生变化，如尿素被分解时发酵液的NH4+浓度会上升，pH随之上升。在工业生产上，常采用在发酵液中添加pH的缓冲系统或通过中间补加氨水、尿素、碳酸铵来控制pH。（3）溶解氧：氧的供应对需氧发酵来说是一个关键因素。好氧型微生物对氧的需要量很大，但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧，因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，以提高氧在发酵液中的溶解度。（4）泡沫：

16、在发酵过程中，通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象，但过多的持久性泡沫对发酵是不利的，因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常，因而必须消除泡沫。（5）营养物质的浓度：发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。如在发酵中，NH4+浓度的变化会影响代谢途径。 三、考例点评 例1（2008年全国理综卷-3）下列关于细菌的叙述，错误的是（ ）A.硝化细菌能以NH3作为氮源和能源物质B.某些细菌可以利用光能固定CO2合成有机物C.生长因子是某

17、些细菌生长过程中需要额外补充的营养物质D.含伊红和美蓝试剂的培养基不能用来鉴别牛奶中的大肠杆菌 解析：常用的伊红美蓝乳糖培养基，可用来鉴别饮用水和乳制品中是否存在大肠杆菌等细菌。如果有大肠杆菌，菌落被染成深紫色，从菌落表面的反射光中还可以看到金属光泽。 参考答案：D 例2.（2008年全国理综卷-4）下列关于病毒的叙述，正确的是（ ）A.烟草花叶病毒可以不依赖宿主细胞而增殖B.流感病毒的核酸位于衣壳外面的囊膜上C.肠道病毒可在经高温灭菌的培养基上生长增殖D.人类免疫缺陷病毒感染可导致获得性免疫缺陷综合征 解析：病毒是专性细胞内寄生的生物，只能在细胞内进行生长增殖，病毒的核酸位于衣壳内，囊膜具有

18、保护和寄主细胞膜上受体融合而侵入的作用。获得性免疫缺陷综合征（AIDS）即艾滋病的病原体就是人类免疫缺陷病毒（HIV）。 参考答案：D 例3（2008年广东理基卷-39）取少量酵母菌液放入血球计数板直接记数，测得的数目是（ ）A活细胞数 B死细胞数 C菌落数 D细胞总数 解析：血球计数板直接记数时测得的是观察到的所有细胞数，包括死细胞和活细胞，因此是细胞总数。 参考答案：D 例4.（2008年江苏生物卷-19）图甲是果醋发酵装置。发酵初期不通气，溶液中有气泡产生；中期可以闻到酒香；后期搁醋酸菌，适当升高温度并通气，酒香逐渐变成醋香。图乙中能表示整个发酵过程培养液pH变化的曲线是（ ）A B C

19、 D 解析：初期因为培养液中有氧气，微生物进行有氧呼吸，产物是CO2和水；中期可以闻到酒香，说明进行酒精发酵，产物是酒精和CO2，因此，前期和中期的产物的溶液的影响都不大。后期搁醋酸菌，产物为醋酸，醋酸的酸性较强，使溶液的pH迅速下降。 参考答案：B 例5.（2008年广东生物卷-38）苯酚是工业生产排放的有毒污染物质，自然界中存在着降解苯酚的微生物。某工厂产生的废水中含有苯酚，为了降解废水中的苯酚，研究人员从土壤中筛选获得了只能降解利用苯酚的细菌菌株，筛选的主要步骤如图所示，为土壤样品，请回答下列问题： （1）中培养菌株的选择培养基中应加 作为碳源，中不同浓度碳源的培养基 （A.影响；B.不

20、影响）细菌的数量，如果要测定中活细菌数量，常采用 法。（2）为对照，微生物在中不生长、在中生长，与培养基的主要区别在于 ；使用 法可以在上获得单菌落。采用固体平板培养细菌时为什么进行倒置培养？ 。（3）如何比较不同菌株降解苯酚能力的大小？ 。（4）实验过程中如何防止其它微生物的污染？ 。 解析：本题考查考生对微生物的分离、培养、数量测定、无菌操作等基本技术的掌握和应用所学知识解决实际问题的能力。要筛选出只能利用苯酚作为碳源的微生物，则在选择培养基中只加苯酚而不加其他碳源；培养基中碳源和氮院的比例及浓度都将影响细菌的数量；要测定培养液中活细菌的数量，一般采用稀释涂布平板法观察菌落的数量；根据实验

21、目的，对照组与实验组的区别在于有无苯酚作为碳源；要获得单菌落，一般是在固体培养基上采用稀释涂布平板法或平板划线法，为防止冷凝后形成的水珠滴落在培养基上污染培养基，一般采用固体平板培养细菌时要倒置培养。要比较不同菌株降解苯酚能力的大小，可将等量的不同不同菌株分别接种到含苯酚相同的培养基中，培养一段时间后再检测苯酚的分解情况，即可分辨出不同菌株降解苯酚能力的大小了。为防止实验过程中被其它微生物的污染，从制备培养基到接种与培养等全部实验过程要无菌操作。 参考答案：（1）苯酚 A.影响 平板菌落计数(活菌计数或菌落计数)。 （2）含除苯酚外的其它碳源，以苯酚为唯一碳源 平板分离(稀释涂布平板或平板划线

22、分离) 避免培养过程产生的水分影响微生物的生长 （3）用同样苯酚浓度的培养液培养不同菌株，一定时间后，测定培养液中苯酚含量。 （4）培养基灭菌，接种环境灭菌，接种过程无菌操作。 例6.（2008年江苏生物卷-31）为研究酵母菌种群密度的动态变化，某同学按下表所列条件进行了A、B、C和D共4组实验，用1000mL锥形瓶作为培养器皿，棉塞封口，在25下静置培养，其他实验条件均相同，定时用血球计数板计数。根据实验结果给出的酵母菌种群密度变化曲线图如下，请分析回答以下问题。（1）图中曲线和分别是 组、 组和 组的结果。（2）B组和A组的实验结果不同的原因是B组 （3）D组和B组的实验结果不同的原因是D

23、组 （4）在整个实验过程中，直接从静置的培养瓶中取培养原液计数的做法是错误的，正确的方法是 和 。（5）实验结束后，用试管刷蘸洗涤剂擦洗血球计数板的做法是错误的，正确的方法是 。 解析：培养液中物质的浓度过大，会造成细胞渗透失水而抑制酵母菌的生长繁殖，因此，、是A或B，、为C或D。培养液体积越小，则瓶内氧气越多，酵母菌进行有氧呼吸，生长繁殖快，达到最大数量的时间短，故是B，是A，是D，是C。B组和A组的浓度一样，只有体积不同，故实验结果的差异是由体积造成的，培养液较多，与空气接触面积较小，故供氧较少；D组和B组的体积相同而浓度不同，实验结果不同只能是由浓度不同造成的，葡萄糖浓度较低，故营养物质

24、供应较少；因为酵母菌在培养液中分布并不均匀，故需摇匀培养液后再取样，由于后期酵母菌的数量多，可能造成堆积而无法计数，应进行稀释后再取样计数；由于用试管刷蘸洗涤剂擦洗血球计数板可能会使血细胞黏固在血球计数板的小室内，造成下次无法使用，正确的方法是浸泡和冲洗。 参考答案：（1）B A D （2）培养液较多，与空气接触面积较小，故供氧较少 （3）葡萄糖浓度较低，故营养物质供应较少 （4）摇匀培养液后再取样 培养液后期的样液稀释后再计数 （5）浸泡和冲洗 四、跟踪训练 1.微生物培养过程中，肉眼鉴别金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的重要依据是（ ）A细菌的大小、形状、颜色 B有无鞭毛C菌落的大小、形状、颜色

25、D培养基的不同 2.酵母菌培养液常含有一定浓度的葡萄糖，但当葡萄糖浓度过高时，反而抑制微生物的生长，原因是（ ）A碳源供应太充足 B葡萄糖不是酵母菌的原料C改变了酵母菌培养的pH D细胞会发生质壁分离 3.与调整期长短有关的因素中，最全的一组是（ ）用与菌种相同的培养基 营养丰富的培养基 稳定期获得的菌种 对数期获得的菌种 接种时间提前 接种量加大 接种量减小 接种种类加大A. B. C. D. 4.据报道，一些日本人平日并没有饮用任何酒精饮料，却经常呈醉酒状态，后经抗生素治疗，很快恢复了健康。经查这些人肠道里含有大量的（ ）A乳酸菌 B酵母菌 C大肠杆菌 D硝化细菌 5.家庭制作泡菜并无刻意

26、的灭菌环节，在发酵过程中，乳酸菌产生的乳酸可以抑制其它微生物的生长。当环境中的乳酸积累到一定浓度时，又会抑制乳酸菌自身的增殖。下面对这些现象的描述不正确的是（ ）A在乳酸菌的调整期和对数期，种内关系主要表现为互助B进入乳酸菌增长的稳定期，由于次级代谢产物的积累，种内斗争趋于激烈C密闭的发酵环境使乳酸菌在调整期和对数期的种间斗争中占据优势D进入稳定期，泡菜坛内各种生物的抵抗力稳定性维持在较高的水平 6.大肠杆菌是遗传学上明星试验材料之一，常在生物技术上用做“工程菌”。我国科学家早在1992年即成功得到能产生乙肝疫苗的转基因大肠杆菌，在一定的培养基上通过发酵工艺批量生产乙肝疫苗。下图是大肠杆菌群体的生长曲线。请分析回答：（1）大肠杆菌的生殖方式是 ，其同化作用类型是 。在大规模生产中，需要将选育的