高三生物专题复习纲要专题10微生物与发酵工程

【高三生物专题复习纲要】专题10微生物与发酵工程(含生物固氮)一、专题知识精要点拨1．微生物主要指哪些生物类群(1)微生物包括三大界和病毒五界说：(略)(2)生物的代谢类型多样同化类型：自养型：如硝化细菌、蓝藻。异养型：如大肠杆菌、乳酸菌、放线菌、真菌、草履虫……异化类型：需氧型：如硝化细菌、草履虫……厌氧型：如大肠杆菌、乳酸菌……酵母菌属于哪种代谢类型?共生固氮菌、自生固氮菌、固氮蓝藻，分别属于哪种代谢类型?(3)微生物的生殖类型多样无性生殖：分裂生殖：如细菌。出芽生殖：如酵母。孢子生殖：如真菌、放线菌。断裂生裂：如丝状蓝藻。有性生殖：配子生殖：如衣藻。接合生殖：如草履虫。噬菌体是怎样增殖的?(复制)2．细菌、放线菌和病毒的结构与繁殖特征(1)细菌形态结构：球形、杆形、螺旋形。细胞壁——与植物的细胞壁成分不同。细胞膜——生物膜结构。细胞质——有核糖体、质粒及贮藏颗粒等。核区一个大型环状DNA，控制主要性状小型环状DNA，控制抗药性、固氮等性状。(有侵染性)特殊结构：荚膜、鞭毛、芽孢。繁殖：二分裂方式增殖。(生长→核区DNA复制→形成隔膜)*菌落：在固体培养基上从单个菌体开始，分裂增殖形成的细胞群。(2)放线菌形态结构：原核单细胞的分枝状菌丝体。繁殖方式：产生孢子。生产抗生素的主要来源(3)病毒结构：复习“噬菌体”：*[类病毒与朊病毒简介]复习噬菌体的增殖：吸附→侵入→复制、合成→组装→释放。3．微生物的营养物质*营养物质——维持生物体生命所必需的外源物质。碳源——提供C元素的营养物质。*营养——生物摄取营养物质的过程。微生物的营养物质分五大类：水、无机盐、碳源、氮源、生长因子。自养型——利用无机C源(化能自养，光能自养)。异养型——必需有机C源(也是能源)。氮源——提供N元素的营养物质。*常用N源——NH4＋、NO3－、尿素等。含C、H、O、N的有机物，是碳源也是氮源；硝化细菌以NH3或NO2－为氮源，也是能源；固氮微生物能以N2为氮源生长因子——微生物生长所必需、自身缺乏合成能力的微量小分子有机物(某些氨基酸、维生素、含氮碱基等)。常用动植物组织提取液、酵母膏、蛋白胨等提供。4．微生物培养基及其配制原则(1)培养基——培养微生物的营养物质分类依据类型主要用途物理性质固体分离、计数半固体观察运动、鉴定菌种液体发酵生产化学性质合成(成分已知)分类、鉴定菌种天然发酵生产半合成发酵生产特殊需要选择(利用特殊成分)抑制杂菌、促进所需菌生长鉴别(利用特殊指示剂)鉴别某些微生物*琼脂的作用和比例如何?*加青霉素——抑制细菌、放线菌，培养真菌。*高浓度NaCl——抑制多种菌，培养金黄色葡萄球菌。*伊红－美蓝培养基——鉴定大肠杆菌(菌落深紫色金属光泽)(2)配制培养基要考虑3个原则：目的明确、营养物质协调、pH值适宜。*营养问题：高浓度蔗糖能抑制微生物生长。C／N比影响代谢：细菌C／N=4时生长较快，真菌C／N=10时生长较快。谷氨酸发酵生产，C／N=4时繁殖快、产物少；C／N=3时繁殖慢、产物多。*pH值问题：细菌适宜pH≈～。 放线菌pH≈～。 霉菌、酵母pH≈～。5．微生物代谢的主要特征(1)代谢速率高主要原因是：相对表面积很大(表面积／体积)，物质交换速率很高。(2)次级代谢产物复杂初级代谢产物次级代谢产物生长繁殖所必需(原生质必要组成物质)非生长繁殖所必需(常影响环境中其他生物)各种菌共同的产物，化学结构较简单每种菌独特的产物，化学结构较复杂如：氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等如：抗生素、色素、毒素、“激素”等(3)两类基本调节方式——酶合成的调节、酶活性的调节。酶合成的调节(基因水平的调节)：例：大肠杆菌利用碳源的调节(实验)。碳源菌体代谢结论葡萄糖(＋)乳糖(－)分解葡萄糖分解葡萄糖的酶是“组成酶”，分解乳糖的酶是“诱导酶”(乳糖是诱导物)葡萄糖(＋)乳糖(＋)只分解葡萄糖葡萄糖(－)乳糖(＋)分解乳糖组成酶：只受基因控制表达合成，总存在。诱导酶：诱导物诱导基因表达合成。意义：保证不合成多余的酶，避免浪费。酶活性的调节(酶水平的调节)：例：谷氨酸杆菌合成谷氨酸的调节：意义：调节精细快捷，不积累多余产物。6．人工控制微生物代谢的主要措施是什么(两个方面：改变遗传特性，控制环境条件)例：①大量生产青霉素的青霉菌。②大量生产赖氨酸的黄色短杆菌(见教材)。③大量生产谷氨酸的棒状杆菌(见教材图)。(*为什么能治疗肢端肥大症?)(2)控制环境条件影响微生物代谢的环境因素有哪些?避免杂菌控制温度连续培养控制通气搅拌培养液消毒灭菌防止不利竞争多数适宜温度范围25～37℃保证营养、去除废物，调整pH保证溶氧量要求(需氧厌氧？)保证菌体与培养基营养物质充分接触，有利于物质交换以上考虑如何促进发酵生产。*食品保存——考虑如何抑制微生物生长。方法原理巴氏消毒(60℃高温消毒罐藏法(高温高压、封罐)高温灭菌、缺氧抑菌、防止染杂菌冷藏法(0～10℃保存；－18℃低温抑菌干燥法(风干；速冻—低压脱水)脱水抑菌高糖、高盐浸渍脱水高渗抑菌加防腐剂(卫生标准下)药物抑菌7．微生物生长的一般规律是什么(1)微生物生长的特点：*复习：①种群数量变化包括哪些方面?(增长、波动、稳定、下降)②种群J型增长特点是什么?λ>l，且稳定；条件理想，资源不因种群个体数量增加而减少。λ=Nt＋1／Nt(t为周限时间，λ为周期增长率)Nt=N0×λt，lgNt=lgN0+t(lgλ)λ>1，种群增长；λ=l，种群稳定；0<λ<l，种群下降；λ＝0，种群灭亡。③种群S型增长特点是什么?(2)随时间出现4个有序阶段：[思考：λ=f(t)的曲线特点如何?]4个阶段的特点：特点应用①逐渐适应，个体生长快，繁殖率、死亡率≈0发酵生产，尽快渡过②代谢旺盛，性状稳定，繁殖迅速，等比增长保留菌种，接种，科研材料③发酵生产尽量延长，收集产品④死亡率＞出生率，细胞出现畸形、解体可收集发酵产品，不再保留菌种8．发酵和发酵工程(1)发酵：通过培养微生物生产各种微生物代谢产物的过程。*下列“发酵方式”各指什么特征?(2)发酵工程：采用现代工程技术手段，利用微生物发酵原理生产产品，或是直接将微生物用于工业生产的新技术。(见教材)①发酵工程的技术手段(内容)：*菌种的选育和扩大培养。思考：诱变技术、基因工程、细胞工程是如何发挥作用的?*培养基的配置和灭菌处理。思考：微生物的营养物质、培养基的配置原则是什么?为什么要灭菌?用什么方法使培养基灭菌?*接种、发酵和产品分离提纯。思考：接种与菌种扩大培养有什么关系?什么生长状态对接种有利?怎样控制发酵条件?可能用什么方法将产品分离提纯?②发酵工程的应用：思考：发酵工程的突出特征是什么?什么是抗生素、维生素、激素、生长因子、生长激素释放抑制因子、疫苗、单克隆抗体、干扰素、白细胞介素、抗血友病因子?什么是食品添加剂、单细胞蛋白、真菌蛋白?二、疑点、难点思维辨析1．代表生物及其重要特征生物类型名称代谢类型重要特征病毒噬菌体寄生DNA病毒，在细菌体内寄生，只含DNA和蛋白质烟草花叶病毒寄生RNA病毒，一种植物病毒，有RNA的复制原核生物(细胞壁主要成分为肽聚糖，有核糖体，无其他的细胞器，无染色体)细菌乳酸菌异养厌氧单细胞细菌，无氧呼吸时产生乳酸，用于制酸奶、泡菜(分解者)产甲烷杆菌无氧呼吸产生甲烷，是沼气的主要成分(分解者)破伤风杆菌单细胞，在狭窄的伤口中繁殖使人患破伤风(消费者)肺炎双球菌有无毒的R型和有毒的S型。格里菲思、艾弗里等利用该菌完成了转化实验，从而证明了DNA是肺炎双球菌的转化因子，成为DNA是遗传物质的最有力证据(消费者)反硝化细菌反硝化作用：在缺少氧气时，将硝酸盐还原成氮气(分解者)大肠杆菌异养(兼性)厌氧在人大肠中共生，能合成维生素B、K，在伊红-美蓝培养基中显深紫色并带有金属光泽(消费者)金黄色葡萄球菌异养需氧与其他菌不同的是能在高浓度的食盐培养基中生长(分解者)根瘤菌与豆科植物(供有机物)共生固氮，在根部形成根瘤(消费者)固氮圆褐菌自生固氮菌(分解者)，在土壤中腐生，可独立固氮谷氨酸棒状杆菌/黄色短杆菌能产生谷氨酸(味精的主要成分)，发酵工程中合成味精的主要菌种；黄色短杆菌还常用于生产赖氨酸(分解者)红螺菌兼性营养有细菌叶绿素和类胡萝卜素呈红色，无叶绿体，无有机物时可利用硫化氢等作供氢体和还原剂，进行光合作用，但不产生氧气(兼性营养型)红色硫细菌光能自养厌氧在光照下利用CO2作碳源，以H2S或其他硫化物为供氢源和电子供体进行光合作用，不释放氧气，积累硫(生产者)硫细菌化能自养需氧氧化硫化氢积累并释放能量，合成有机物铁细菌氧化硫酸亚铁释放能量，合成有机物硝化细菌硝化作用：以氨作氮源和能源，将其氧化成亚硝酸和硝酸；化能合成作用：利用硝化作用中释放的能量，把CO2合成为有机物放线菌异常需氧本身为一大类生物，单细胞，菌丝放射状(分解者)藻类蓝藻光能自养需氧最低等的藻类，是最早进行光合作用的生物，放出氧气，有的蓝藻能固氮(生产者)真核生物真菌酵母菌异养兼性厌氧单细胞真菌，无O2时产生酒精和CO2，有O2时产生水和CO2(分解者)青霉菌异养需氧多细胞，能分泌青霉素(能抑制细菌的生长)(分解者)蘑菇多细胞大型真菌，腐生(分解者)藻类衣藻光能自养需氧(生产者)单细胞绿藻水绵由筒状细胞连成的多细胞绿藻，具螺旋状带形叶绿体被子植物金鱼藻多年生沉水草本植物，茎细长，叶分枝黑藻单子叶沉水植物，叶扁平，薄，含叶绿体2．几个疑难问题阐释(1)诱导酶的合成有了相关基因和诱导物就可以吗?高三生物选修课本(人教版)介绍“当只有葡萄糖存在或有葡萄糖和乳糖同时存在时，大肠杆菌只利用葡萄糖而不利用乳糖”。通过大肠杆菌对葡萄糖的优先利用可以知道，催化分解葡萄糖的葡萄糖氧化酶为组成酶，而催化乳糖水解的半乳糖苷酶等为诱导酶。诱导酶基因和诱导物的存在是诱导酶合成的条件。诱导半乳糖苷酶合成的诱导物为乳糖。很多学生不理解在满足条件的情况下，即有诱导酶基因和诱导物存在，如果有葡萄糖存在为什么就不能合成半乳糖苷酶。其实这种现象叫葡萄糖效应或两次生长曲线。简单地说，ATP在一种叫腺环化酶的作用下可形成cAMP(环腺苷酸)，cAMP在磷酸二酯酶的作用下可形成AMP。研究发现，在cAMP存在的条件下，mRNA聚合酶才可以结合到mRNA聚合酶结合位点合成半乳糖苷酶。当有葡萄糖存在时，其代谢产物对腺环化酶有抑制作用，而对磷酸二酯酶却具有激活作用。所以，葡萄糖的存在会造成cAMP的缺乏，从而使半乳糖苷酶的合成受到阻遏。从以上例子可以看出，诱导酶的合成是受到多种因素影响的：有遗传因素的影响，有诱导物的影响，有阻抑物的影响，等等。也正由于其复杂性，决定了其精确性，确保了微生物在保证代谢需要的前提下，避免物质和能量的浪费，增强了对环境的适应能力。(2)高压蒸汽灭菌开始前，为什么要将锅内的冷空气排尽?在高压蒸汽灭菌以前，如果高压蒸汽灭菌锅内的冷空气没有排尽，当压力上升到98kPa时，锅内的温度就不会上升到相应高度，导致灭菌不彻底。因为如果高压锅内的空气没有排尽，当气压表的读数上升到98kPa时，因为未排出的空气占有一定的分压，所以饱和蒸汽压达不到98kPa，因而温度上升不到相应的灭菌温度，导致灭菌不彻底。(3)用酒精棉球消毒为什么用75％的酒精而不用95％的酒精?在“细菌培养的基本技术”实践中，在接种前要求用肥皂将双手洗净、擦干，再用体积分数为75％的酒精棉球擦双手。此步骤的目的是对手部皮肤进行消毒。有学生提出这样的问题：为什么不用95％的酒精或更高浓度的酒精进行消毒，那样消毒效果是不是会更好一些呢?就一般的表面消毒剂来讲，浓度越高消毒效果越好，但酒精是一种比较特殊的表面消毒剂，它的灭菌机理是：使蛋白质发生变性，损伤细胞膜，溶解脂类，使细胞脱水死亡。如果浓度过高会使细胞表面的蛋白质“迅速”发生变性而凝聚，从而形成一层保护层影响酒精渗入细胞内，直接影响消毒的效果。实验研究得出结论：75％的酒精的灭菌效果最好。(4)根瘤菌代谢需氧与固氮厌氧矛盾吗?根瘤菌代谢需氧与其固氮厌氧并不矛盾，需氧是为根瘤菌一切新陈代谢提供能量，而厌氧是保护固氮过程中根瘤菌固氮酶的催化活性，在根瘤菌漫长的进化过程中，很好地解决了其既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾。3．几种细菌体内的化学反应根瘤菌的固氮：根瘤菌从空气中吸收氮气，利用其细胞内的固氮酶轻易地切断束缚氮分子的化学键，把氮分子转化为能被植物吸收的氮，使豆科植物枝繁叶茂，欣欣向荣。化学反应过程如下：N2+6H+6e+nATP→2NH3+nADP+nPi乳酸菌：乳酸菌经乳酸发酵的方式将糖类分解为乳酸。其过程是先将葡萄糖分解成丙酮酸，最后丙酮酸接受氢还原成乳酸。总的反应是：C6H12O6+2ADP+2Pi→2CH3CHOHCOOH+2ATP乳酸菌生成的乳酸使环境变成酸性，从而有