临门一脚高考生物三轮考前重点专题突破专题五微生物的生长与发酵工程简介课件

1、小专题五小专题五微生物的生长与发酵工程简介微生物的生长与发酵工程简介考点整合一：微生物的生长考点整合一：微生物的生长1 1生长曲线的形成条件生长曲线的形成条件(1)(1)菌种：数量上是少量，但不能是一个，若加大接种量能菌种：数量上是少量，但不能是一个，若加大接种量能缩短调整期；种类上是一种，可避免不同种细菌之间的竞争。缩短调整期；种类上是一种，可避免不同种细菌之间的竞争。 (2) (2)培养基：恒定容积的液体培养基。恒定容积提供一定的培养基：恒定容积的液体培养基。恒定容积提供一定的生存环境，但营养和空间是有限的；液体培养基便于测定群生存环境，但营养和空间是有限的；液体培养基便于测定群体生长，如

2、通过样品推测细菌总数。体生长，如通过样品推测细菌总数。(3)(3)培养条件：适宜条件。培养条件：适宜条件。(4)(4)菌体数量的测定方法：定期取样。菌体数量的测定方法：定期取样。测细菌的细胞数目：测细菌的细胞数目：将等量的待测样品与已知含量的红细胞混匀，固定染色，求将等量的待测样品与已知含量的红细胞混匀，固定染色，求出细菌与红细胞的比例，计算出单位体积内的细菌数目；出细菌与红细胞的比例，计算出单位体积内的细菌数目；分离出单位体积培养液中的细菌，称重，计算出其中的细胞分离出单位体积培养液中的细菌，称重，计算出其中的细胞总重量。总重量。2 2解读生长曲线解读生长曲线(1)(1)生长曲线如图：生长曲

3、线如图： (2) (2)生长曲线四个时期主要内容的比较：生长曲线四个时期主要内容的比较：时期时期项目项目调整期调整期对数期对数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期生长生长量量一般不分一般不分裂裂繁殖率繁殖率 死亡率死亡率繁殖率繁殖率死亡死亡率率繁殖率繁殖率 死亡率死亡率活菌活菌体数体数量量基本不变基本不变呈呈2 2n n增长增长活菌数量最多，活菌数量最多，接近接近K K值值活菌数量活菌数量急降急降成因成因对新环境对新环境的适应的适应条件适宜条件适宜生存条件恶生存条件恶( (营营养大量消化耗、养大量消化耗、有害代谢产物有害代谢产物积累、积累、pHpH改变改变) )生存条件生存条件急剧恶化急剧恶化菌体及代菌

4、体及代谢特点谢特点代谢活跃、体积代谢活跃、体积增长较快，大量增长较快，大量合成细胞分裂所合成细胞分裂所需的酶类、需的酶类、ATP以及其他细胞成以及其他细胞成分分个体形个体形态和生态和生理特性理特性稳定稳定出现芽孢，出现芽孢，大量积累代大量积累代谢产物，特谢产物，特别是次级代别是次级代谢产物谢产物细胞出细胞出现多种现多种形态，形态，有些细有些细胞开始胞开始解体，解体，释放代释放代谢产物谢产物应用与其应用与其他他调整期的长短与调整期的长短与菌种、培养条件菌种、培养条件等有关等有关生产用生产用菌种、菌种、科研材科研材料料连续培养法，连续培养法，延长稳定期延长稳定期3.3.研究微生物生长曲线的实践意义

5、研究微生物生长曲线的实践意义(1)(1)在工业发酵和科研中通常采取一定的措施缩短调整期：在工业发酵和科研中通常采取一定的措施缩短调整期：通过遗传学方法改变微生物的遗传特性使之缩短；通过遗传学方法改变微生物的遗传特性使之缩短；利用对数期的细胞作为利用对数期的细胞作为“种子种子”；尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；以适当扩大接种量等方式缩短调整期。以适当扩大接种量等方式缩短调整期。 (2) (2)发酵中延长稳定期、提高代谢产物产量的方法发酵中延长稳定期、提高代谢产物产量的方法连续连续培养：培养：基本原则：微生物培养过程中不断地补充营养物质和

6、以同基本原则：微生物培养过程中不断地补充营养物质和以同样的速率移出培养物。样的速率移出培养物。优点：缩短发酵周期，提高设备利用率；便于自动控制；优点：缩短发酵周期，提高设备利用率；便于自动控制；产品质量较稳定。产品质量较稳定。缺点：杂菌污染和菌种退化。缺点：杂菌污染和菌种退化。4 4影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素因素因素 影响的原因影响的原因最适条件最适条件不适宜因素的结果不适宜因素的结果温度温度影响蛋白影响蛋白质和核酸质和核酸的结构的结构多数多数温度低时生长速率减温度低时生长速率减慢慢，温度过高时蛋白质温度过高时蛋白质和核酸的结构发生不和核酸的结构发生不可逆的破坏可逆的破坏

7、影响酶的影响酶的活性和膜活性和膜的稳定性的稳定性细菌细菌真菌真菌放线菌放线菌酶或膜的稳定性被破酶或膜的稳定性被破坏坏，新陈代谢受阻新陈代谢受阻氧气氧气影响微生影响微生物的细胞物的细胞呼吸或生呼吸或生命活性命活性好氧型微生物好氧型微生物：需氧需氧厌氧型微生物厌氧型微生物：不需氧不需氧兼性厌氧型兼性厌氧型：有有氧氧、无氧均可无氧均可严格厌氧型严格厌氧型：短时间短时间的有氧也会造成生长的有氧也会造成生长停滞或死亡厌氧型微停滞或死亡厌氧型微生物生物：有氧时发酵受有氧时发酵受抑制好氧型微生物抑制好氧型微生物：只能生活在有氧条件只能生活在有氧条件下下特别提醒：特别提醒：1微生物生长速率曲线微生物生长速率曲

8、线2细菌的生长曲线与种群的增长曲线比较细菌的生长曲线与种群的增长曲线比较(1)细菌的生长曲线与种群的增长曲线均以时间为横坐标，但细菌的生长曲线与种群的增长曲线均以时间为横坐标，但生长曲线纵坐标是细菌数目的对数，增长曲线纵坐标是种群生长曲线纵坐标是细菌数目的对数，增长曲线纵坐标是种群数量。生长曲线可分为四个时期。数量。生长曲线可分为四个时期。 (2) (2)生长曲线的生长曲线的“调整期调整期对数期对数期”与种群数量变化的与种群数量变化的“J”J”型曲线相似：型曲线相似：“调整期调整期对数期对数期稳定期稳定期”与种群数量变化与种群数量变化的的“S”S”型曲线相似。型曲线相似。(3)(3)生长曲线中

9、，种内斗争最激烈的阶段是隐定期；与无机生长曲线中，种内斗争最激烈的阶段是隐定期；与无机环境斗争最激烈的阶段是衰亡期；调整期和对数期种内斗争环境斗争最激烈的阶段是衰亡期；调整期和对数期种内斗争很小；产生初级代谢产物的最佳时期是调整期；产生次级代很小；产生初级代谢产物的最佳时期是调整期；产生次级代谢产物的最佳时期是稳定期。谢产物的最佳时期是稳定期。【典例【典例1 1】用某种培养基培养谷氨酸棒状杆菌，测得其生】用某种培养基培养谷氨酸棒状杆菌，测得其生长曲线如图甲所示。谷氨酸是谷氨酸棒状杆菌的代谢产物之长曲线如图甲所示。谷氨酸是谷氨酸棒状杆菌的代谢产物之一，其合成途径如图乙所示。下列有关叙述，不正确的

10、是一，其合成途径如图乙所示。下列有关叙述，不正确的是( () )A A该培养基是恒定容积的液体培养基，含有五大类营养要该培养基是恒定容积的液体培养基，含有五大类营养要素物质素物质B B谷氨酸脱氢酶是组成酶，谷氨酸在图甲中的各个时期都谷氨酸脱氢酶是组成酶，谷氨酸在图甲中的各个时期都有合成有合成C C在图甲中的在图甲中的时期，谷氨酸棒状杆菌代谢旺盛，种内斗时期，谷氨酸棒状杆菌代谢旺盛，种内斗争最激烈争最激烈D D在图乙中，谷氨酸脱氢酶被抑制的直接原因是其结构发在图乙中，谷氨酸脱氢酶被抑制的直接原因是其结构发生改变生改变 解析解析 从生长曲线看，是微生物群体在恒定容积的条件从生长曲线看，是微生物群体

11、在恒定容积的条件下的生长情况；组成酶在各个时期都可以产生，诱导酶是在下的生长情况；组成酶在各个时期都可以产生，诱导酶是在一定外界条件下产生的；在稳定期种内斗争最激烈；谷氨酸一定外界条件下产生的；在稳定期种内斗争最激烈；谷氨酸脱氢酶被抑制的直接原因是其结构发生改变，催化效率降低。脱氢酶被抑制的直接原因是其结构发生改变，催化效率降低。 答案答案 C C【互动探究【互动探究1 1】(2009(2009上海卷上海卷) )在光照下，将等细胞数量在光照下，将等细胞数量的衣藻和大肠杆菌分别接种到只含无机盐的培养液中培养，的衣藻和大肠杆菌分别接种到只含无机盐的培养液中培养，结果是结果是( (虚线和实线分别表示

12、大肠杆菌和衣藻的生长曲线虚线和实线分别表示大肠杆菌和衣藻的生长曲线)()() ) 解析解析 本题考查自养型生物和异养型生物的生长曲线。本题考查自养型生物和异养型生物的生长曲线。在没有有机物供应的情况下，明确大肠杆菌的生长状况是解在没有有机物供应的情况下，明确大肠杆菌的生长状况是解答本题的突破口。大肠杆菌是异养型生物，不能利用无机物答本题的突破口。大肠杆菌是异养型生物，不能利用无机物制造有机物，只能摄取现成的有机物进行生长繁殖，因此在制造有机物，只能摄取现成的有机物进行生长繁殖，因此在只含无机盐的培养基上几乎不能生长繁殖，而四个图中只有只含无机盐的培养基上几乎不能生长繁殖，而四个图中只有C C符

13、合该结论。衣藻是含有叶绿体的低等植物，能进行光合符合该结论。衣藻是含有叶绿体的低等植物，能进行光合作用合成有机物，因此能生长繁殖，其生长曲线应近似于作用合成有机物，因此能生长繁殖，其生长曲线应近似于“S”S”型曲线。型曲线。 答案答案 C C考点整合二：发酵工程考点整合二：发酵工程一、发酵工程生产产品的流程简图一、发酵工程生产产品的流程简图归纳总结：归纳总结：1 1菌种选育的常用方法比较菌种选育的常用方法比较育种类育种类型型原理原理方法方法优点优点(缺点缺点)诱变育诱变育种种基因突变基因突变物理、化学、生物物理、化学、生物因素诱变因素诱变能大幅度改变某些性状、能大幅度改变某些性状、操作简便，但

14、具有很大操作简便，但具有很大的盲目性的盲目性基因工基因工程程DNA重组重组将目的基因导入受将目的基因导入受体细胞，构建工程体细胞，构建工程细胞或工程细菌细胞或工程细菌能定向改变微生物的遗能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复传性状，但操作过程复杂，要求高杂，要求高细胞工细胞工程程原生质体融合原生质体融合等等体细胞杂交等体细胞杂交等能克服远源杂交不亲和能克服远源杂交不亲和的障碍，定向改变遗传的障碍，定向改变遗传性状性状2.2.发酵工程与其他生物工程的比较发酵工程与其他生物工程的比较生物工程主要技术主要操作对象目的或应用联系基因工程DNA重组技术基因及动植物细胞、微生物细胞为了获得工程菌、转基因

15、动物、转基因植物各种生物工程之间是相互联系的，基因工程和细胞工程可以为发酵工程提供菌种，发酵工程可以使某些基因工程、细胞工程的产物实现规模化生产细胞工程细胞培养；细胞融合；胚胎移植；单克隆抗体制备；核移植动植物细胞、微生物细胞为了获得人工种子、试管动物、单克隆抗体、克隆动植物发酵工程菌种选育；大规模培育细胞微生物为了获得生产药品、传统发酵产品、食品添加剂、单细胞蛋白二、发酵的影响因素及控制二、发酵的影响因素及控制1温度温度(1)造成的影响：造成的影响：温度影响酶活性，进而影响代谢速率；温度影响酶活性，进而影响代谢速率；影响生物合成的途径，如金色链霉菌在影响生物合成的途径，如金色链霉菌在30C以

16、下时合成金以下时合成金霉素能力较强，在霉素能力较强，在35C以上时则只合成四环素；以上时则只合成四环素；影响发影响发酵液的物理性质以及菌种对营养物质的分解和吸收。酵液的物理性质以及菌种对营养物质的分解和吸收。 (2) (2)采取的措施：采取的措施：要根据生产实际合理控制温度，如最适要根据生产实际合理控制温度，如最适生长温度不一定是该菌体内生成代谢产物的最适温度。生长温度不一定是该菌体内生成代谢产物的最适温度。发发酵罐中热量来源于有机物的氧化分解、机械摩擦等，需要通酵罐中热量来源于有机物的氧化分解、机械摩擦等，需要通过发酵罐壁、水分蒸发、冷却水等将热量散发出去，最终使过发酵罐壁、水分蒸发、冷却水

17、等将热量散发出去，最终使发酵罐中的温度保持动态平衡。发酵罐中的温度保持动态平衡。2pH(1)造成的影响：造成的影响：pH的改变可以影响酶活性，造成细胞膜的改变可以影响酶活性，造成细胞膜通透性改变，影响营养物质的吸收和代谢产物的排出；通透性改变，影响营养物质的吸收和代谢产物的排出；影影响产物种类，如谷氨酸棒状杆菌在响产物种类，如谷氨酸棒状杆菌在pH为酸性时生成乙酰谷为酸性时生成乙酰谷氨酰胺而不是谷氨酸。氨酰胺而不是谷氨酸。 (2)采取的措施：在微生物的代谢过程中，产生的二氧化碳、采取的措施：在微生物的代谢过程中，产生的二氧化碳、有机酸等会引起培养基中有机酸等会引起培养基中pH的降低，某些无机盐的

18、选择性的降低，某些无机盐的选择性吸收可能会引起吸收可能会引起pH的上升，的上升，pH的改变不利于生产，因此要的改变不利于生产，因此要及时调整。过酸时加及时调整。过酸时加Na2CO3等中和，过碱时加稀盐酸等中等中和，过碱时加稀盐酸等中和。和。3溶解氧溶解氧(1)造成的影响：造成的影响：不同代谢类型的微生物对溶氧的要求不同，不同代谢类型的微生物对溶氧的要求不同，氧可以促进需氧型微生物的代谢，抑制厌氧型微生物的代谢；氧可以促进需氧型微生物的代谢，抑制厌氧型微生物的代谢；溶氧还可以影响产物的合成，如当氧气不足时，谷氨酸棒溶氧还可以影响产物的合成，如当氧气不足时，谷氨酸棒状杆菌生成的是乳酸或琥珀酸，而不

19、是谷氨酸。状杆菌生成的是乳酸或琥珀酸，而不是谷氨酸。 (2)(2)采取的措施：对需氧型生物进行发酵，发酵过程中要不采取的措施：对需氧型生物进行发酵，发酵过程中要不断地通入无菌空气，并进行搅拌断地通入无菌空气，并进行搅拌( (要合理控制转速要合理控制转速) )；对厌氧；对厌氧型生物进行发酵，要隔绝空气。型生物进行发酵，要隔绝空气。4营养物质的浓度营养物质的浓度C/N、无机盐、维生素等均能影响微生物的生长和代谢产物、无机盐、维生素等均能影响微生物的生长和代谢产物的积累。如当的积累。如当C/N3时，谷氨酸棒状杆菌大量合成谷氨酸；时，谷氨酸棒状杆菌大量合成谷氨酸；当当C/N4时，谷氨酸棒状杆菌大量繁殖

20、而产生的谷氨酸很少。时，谷氨酸棒状杆菌大量繁殖而产生的谷氨酸很少。【典例【典例2 2】如图所示为发酵工程生产产品的流程图，据图】如图所示为发酵工程生产产品的流程图，据图回答：回答： (1)能生产人生长激素的工程菌是通过能生产人生长激素的工程菌是通过_培育的；培育的；高产青霉素菌种是通过高产青霉素菌种是通过培育的，培育的，是是_，是是_。(2)整个过程的中心阶段是发酵，要随时取样检测培养基中的整个过程的中心阶段是发酵，要随时取样检测培养基中的细菌数目、产物浓度等。同时，要严格控制细菌数目、产物浓度等。同时，要严格控制_和转速等发酵条件。和转速等发酵条件。(3)若若是单细胞蛋白的话，是单细胞蛋白的

21、话，是是_，氨基酸、，氨基酸、维生素属维生素属中的中的_产物。产物。基因工程基因工程诱变育种诱变育种细胞工程细胞工程溶解氧、温度、溶解氧、温度、pH微生物菌体微生物菌体初级代谢初级代谢 解析解析 一般情况下，从自然界中分离得到的野生菌种不一般情况下，从自然界中分离得到的野生菌种不能满足人们的需求，因此需进行改造，常用的措施有基因工能满足人们的需求，因此需进行改造，常用的措施有基因工程、诱变育种、细胞工程。影响发酵的主要条件有溶解氧、程、诱变育种、细胞工程。影响发酵的主要条件有溶解氧、温度、温度、pHpH等。发酵工程的产品有两类，一是菌体本身，二是等。发酵工程的产品有两类，一是菌体本身，二是代谢

22、产物。代谢产物。【互动探究【互动探究2 2】(2009(2009全国全国理综理综) )下列关于通过发酵工下列关于通过发酵工程生产谷氨酸的叙述，错误的是程生产谷氨酸的叙述，错误的是( () )A A发酵时需不断通入无菌空气，否则会积累乳酸发酵时需不断通入无菌空气，否则会积累乳酸B B发酵时常采用的培养基为液体天然培养基发酵时常采用的培养基为液体天然培养基C C从自然界分离的野生型菌株可直接用于生产从自然界分离的野生型菌株可直接用于生产D D当菌体生长进入稳定期时，补充营养物可提高谷氨酸产当菌体生长进入稳定期时，补充营养物可提高谷氨酸产量量 解析解析 本题以谷氨酸发酵过程为切入点，主要考查与发本题

23、以谷氨酸发酵过程为切入点，主要考查与发酵工程相关的知识，熟知发酵工程的基本步骤及每步中需要酵工程相关的知识，熟知发酵工程的基本步骤及每步中需要注意的事项，是解题的关键。发酵工程生产谷氨酸，溶液不注意的事项，是解题的关键。发酵工程生产谷氨酸，溶液不足时，会产生乳酸或琥珀酸；培养基中含豆饼的水解液、玉足时，会产生乳酸或琥珀酸；培养基中含豆饼的水解液、玉米浆等成分复杂的物质，工业生产常用液体培养基，因此该米浆等成分复杂的物质，工业生产常用液体培养基，因此该培养基属于液体天然培养基；从自然界分离的野生型菌株，培养基属于液体天然培养基；从自然界分离的野生型菌株，产量一般都比较低，不能满足工业生产的需要，

24、通常要用人产量一般都比较低，不能满足工业生产的需要，通常要用人工诱变的方法处理，使菌种产生突变，再从中筛选出符合要工诱变的方法处理，使菌种产生突变，再从中筛选出符合要求的优良菌种，才能用于生产；求的优良菌种，才能用于生产； 当菌体生长进入稳定期时，要及时补充营养物质，以满足菌当菌体生长进入稳定期时，要及时补充营养物质，以满足菌体的营养需求，提高谷氨酸的产量。体的营养需求，提高谷氨酸的产量。 答案答案 C C(2010全国全国)下列是与微生物培养有关的问题，请回答：下列是与微生物培养有关的问题，请回答：(1)某细菌固体培养基的组成成分是某细菌固体培养基的组成成分是KH2PO4、Na2HPO4、M

25、gSO4、葡萄糖、尿素、琼脂和蒸馏水，其中凝固剂是、葡萄糖、尿素、琼脂和蒸馏水，其中凝固剂是_，碳源是，碳源是_，氮源是，氮源是_。已知只有能合成脲酶的细菌才能在该培养基上生长，故该培已知只有能合成脲酶的细菌才能在该培养基上生长，故该培养基属于养基属于_培养基。按照化学成分分类，该培养基属培养基。按照化学成分分类，该培养基属于于_培养基。从同化作用类型看，用该培养基培养的培养基。从同化作用类型看，用该培养基培养的细菌属于细菌属于_。琼脂琼脂葡萄糖葡萄糖尿素尿素选择选择合成合成异养型异养型 (2)将少量细菌接种到一定体积的液体培养基中，适宜条件将少量细菌接种到一定体积的液体培养基中，适宜条件下培养，定时取样测定菌体数目，以时间为横坐标，以菌体下培养，定时取样测定菌体数目，以时间为横坐标，以菌体数目的对数为纵坐标，可以得到细菌的数目的对数为纵坐标，可以得到细菌的_曲线。该曲曲线。该曲线中以菌体数目的对数作为纵坐标的原因是线中以菌体数目的对数作为纵坐标的原因是_。实验室中，为了获得形态和。实验室中，为了获得形