微生物与发酵工程含生物固氮

微生物与发酵工程含生物固氮第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四考点一微生物与发酵工程考点解读1.微生物的类群(细菌、病毒)2．微生物的营养(营养物质及作用，培养基配制原则及种类)3．微生物的代谢(代谢产物，代谢调节与控制)4．微生物的生长(群体生长规律及影响因素)5．发酵工程简介(发酵工程内容、应用及实例)第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四1．(2010·全国卷Ⅰ)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KH2PO4、Na2HPO4、MgSO4、葡萄糖、尿素、琼脂和蒸馏水，其中凝固剂是_______，碳源是______，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，故该培养基属于________培养基。按照化学成分分类，该培养基属于________培养基。从同化作用类型看，用该培养基培养的细菌属于________。第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四(2)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，以菌体数目的对数为纵坐标，可以得到细菌的________曲线。该曲线中以菌体数目的对数作为纵坐标的原因是__________________________________________________________。实验室中，为了获得形态和生理特征一致的菌体，一般应在________期取材；在生产中，常收集培养至________期的细菌用于次级代谢产物的提取。第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四[解析]

本题主要考查微生物的营养、培养基的分类、微生物的代谢类型及细菌的生长规律等知识，意在考查理解能力、获取信息的能力和综合运用能力。(1)由所给培养基的组成成分及教材相关知识可知：凝固剂是琼脂，碳源是葡萄糖，氮源为尿素。由于这种培养基只有能合成脲酶的细菌才能生长，因此，该培养基属于选择培养基；由于其化学成分清楚，属于合成培养基；由于细菌所用碳源为有机碳源，因此，所培养的细菌为异养型。(2)通过题中操作所得曲线为细菌的生长曲线。在细菌的生长曲线中，对数期菌体的形态和生理特征一致；稳定期菌体的次级代谢产物相对较多，生产中，常收集培养至稳定期的细菌，用于提取次级代谢产物。第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四[答案]

(1)琼脂葡萄糖尿素选择合成异养型(2)生长培养中的细菌以指数形式增殖，取对数便于反映细菌群体的生长规律(其他合理答案也给可)对数稳定第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四1．比较选择培养基与鉴别培养基种类制备方法原理用途举例选择培养基①加入某种物质②改变营养成分③除去某种物质依据某些微生物代谢特点及对某些物质的抗性而设计从众多微生物中分离所需的微生物加入青霉素分离得到酵母菌和霉菌第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四种类制备方法原理用途举例鉴别培养基培养基中加入某种试剂或化学药品依据微生物产生的某种代谢产物与培养基中特定试剂或化学药品反应，产生明显的特征变化而设计鉴别不同种类的微生物伊红和美蓝培养基可以鉴别大肠杆菌第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四2．比较初级代谢产物与次级代谢产物产物名称产生时间作用分布种的特异性举例相同点初级代谢产物不停地合成生长繁殖所必需细胞内无氨基酸、核苷酸、多糖、脂质等都在微生物细胞调节下有步骤地产生次级代谢产物生长后期对自身无明显生理作用细胞内或细胞外有抗生素、毒素、激素、色素等第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四3．比较酶合成调节与酶活性调节

调节方式比较项目酶合成调节酶活性调节原理通过影响酶的合成来调节微生物的代谢通过改变已有酶的催化活性来调节微生物的代谢速率调节过程在环境中存在诱导物(通常是反应底物)的情况下才能合成诱导酶代谢产物与酶的结合，致使酶的结构产生变化(该种变化是可逆的)结果改变酶的种类与数量不改变酶的种类和数量，但改变已有酶的活性第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四

调节方式比较项目酶合成调节酶活性调节调节特点较缓慢快速、精细意义既保证了代谢的需要，又避免了细胞内物质和能量的浪费，增强了微生物对环境的适应能力不会积累大量的代谢产物，保证各种代谢经济而高效地进行举例大肠杆菌乳糖代谢中半乳糖苷酶的合成谷氨酸生产过程中，大量谷氨酸的积累抑制谷氨酸脱氢酶的活性第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四4．微生物群体生长规律微生物在各个时期的规律和特点如下：细菌的生长曲线特点不立即繁殖(增长率最小)繁殖速率快，以等比数列的形成增加(增长率最大)增长率为0，活菌数量最大，大量积累代谢产物增长率小于0，活菌数目急剧下降第12页，共51页，2023年，2月20日，星期四形成原因对新环境的短暂调节或适应生存条件(空间、营养等)适宜生存条件(空间缩小、营养消耗等)恶化，种内斗争加剧生存条件极度恶化。与无机环境的斗争最为激烈菌体特征体积增长较快形态、生理特征稳定某些细菌开始出现芽孢出现多种形态甚至畸形，有些细胞开始解体第13页，共51页，2023年，2月20日，星期四代谢特点代谢活跃，大量合成分裂所需的酶类、ATP及其他细胞成分代谢旺盛大量积累代谢产物，特别是次级代谢产物释放代谢产物应用与控制缩短该期的措施：①采用与原培养基相同的培养基；②增大接种量；③接种对数期的菌种可作为菌种和科研材料。在开始时多放些培养基可延长该期通过以一定的速度添加新培养基，放出老培养基，控制其他生产条件(如温度、pH、溶氧)来延长该期第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四考点二生物固氮考点解读1.共生固氮微生物与自生固氮微生物2．生物固氮的意义3．生物固氮在农业生产中的应用第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四2．(全国卷Ⅱ)根瘤菌是一种固氮微生物，其生物学特征之一是(

)A．在土壤中独立生活时能够固氮B．需氧的异养细菌C．所需能量由自身的线粒体提供D．单细胞真核生物第16页，共51页，2023年，2月20日，星期四[解析]

根瘤菌的新陈代谢类型为异养需氧型，根瘤菌只有侵入到豆科植物的根内才能进行生物固氮，在土壤中独立生活时不能够固氮。根瘤菌属于单细胞原核生物，并没有线粒体。[答案]

B第17页，共51页，2023年，2月20日，星期四1．生物固氮(1)两种固氮微生物的比较比较项目共生固氮微生物自生固氮微生物常见类型根瘤菌圆褐固氮菌与豆科植物关系共生，有专一性无固氮产物及其去向氨——可直接进入共生植物体，提供氮源氨——需经硝化细菌转化为NO，再被植物利用对植物的作用提供氮素提供氮素、生长素固氮量大小-3第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四(2)生物固氮在农业生产上的应用①根瘤菌拌种豆科作物，可增产10%～20%；②用豆科植物作绿肥，增加土壤含氮量；③新鲜的豆科植物饲料饲养家畜，其粪便还田肥沃土壤，提高作物、畜产品产量。④制作圆褐固氮菌菌剂施至土壤，为作物提供氮肥和生长素。第19页，共51页，2023年，2月20日，星期四2．氮循环示意图第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四3．氮循环中几种微生物的特殊作用及其在生态系统中的地位辨析在氮循环中的作用代谢类型在生态系统中的地位根瘤菌将N2合成NH3异养需氧型消费者圆褐固氮菌将N2合成NH3异养需氧型分解者细菌、真菌将生物遗体中的含氮化合物转化为氨异养需氧型分解者硝化细菌将土壤中的氨转化为硝酸盐自养需氧型生产者反硝化细菌将硝酸盐转化为N2异养厌氧型分解者第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四[特别提示](1)所有固氮微生物都是原核生物，其固氮基因位于质粒上，基因编码区是连续的，其可遗传变异来源只有基因突变。(2)共生固氮微生物也有自养型(如共生蓝藻)。(3)自生固氮微生物同化类型既有自养型(如自生固氮的蓝藻)，也有异养型(如圆褐固氮菌)；异化类型既有需氧型(如圆褐固氮菌)，也有厌氧型(如巴氏梭菌)。第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四热点一微生物的营养、代谢与生长热点指数★★★★★命题点本热点内容包括微生物的类群、微生物所需的营养、微生物代谢及调节、微生物群体生长规律命题角度以上内容在历年高考中一向为考查重点之一，近年高考更多地以非选择题形式呈现对微生物代谢与生长规律的考查，多把微生物的结构、代谢特点与环境问题相联系创设新情境，考查对“微生物在环境保护等方面的应用”这方面知识的理解和掌握第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四[例1]

(2010·重庆高考)炭疽病是由炭疽杆菌引起的一种人畜共患传染病。炭疽杆菌两端截平、呈竹节状排列，菌落呈卷发状。对炭疽病疑似患者，可根据噬菌体的宿主专一性，通过实验确诊。(1)细菌培养：采集疑似患者的样本，分离培养，获得可疑菌落。(2)细菌鉴定：实验流程如下图所示：第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四①对配制的液体培养基等需采取_______方法灭菌；实验所用液体培养基的碳源为________(填“无机碳”或“有机碳”)。②挑选可疑菌落制片后，用_________观察，可看到呈竹节状排列的杆菌。③接种可疑菌后，35℃培养24小时，液体培养基变浑浊，原因是______。对照组试管中应加入_____，与实验组同时培养6小时后，若实验组液体培养基的浑浊度比对照组_____(填“高”或“低”)，则可明确疑似患者被炭疽杆菌感染；反之则排除。④对排除的疑似患者及易感人群，可接种炭疽杆菌疫苗，刺激机体产生相应抗体，与产生抗体相关的细胞除T细胞、B细胞外，还有________________________。第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四[解析]

本题考查培养基的灭菌、微生物的特点及营养和免疫等相关知识，意在考查对知识的理解能力、应用能力和实验分析、设计能力。①培养基应用高压蒸汽法进行灭菌。炭疽杆菌同化类型为异养型，应选有机碳作为其碳源。②微生物个体小，肉眼观察不到，必须借助显微镜才能观察到菌体特征。③在液体培养基中，细菌大量繁殖会导致培养液变浑浊；该实验中实验变量为是否加入噬菌体，所以对照组除不加噬菌体外，其他处理都应该和实验组保持一致(即应加入不含噬菌体的生理盐水)。噬菌体可破坏细菌细胞，从而使培养液变清。④在特异性免疫的感应阶段，吞噬细胞参与了抗原的呈递，效应B细胞是直接产生抗体的细胞。第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四[答案](2)①高压蒸汽(98kPa蒸汽)有机碳②显微镜③细菌大量繁殖等量生理盐水低④吞噬细胞、效应B细胞第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四“种群数量增长曲线”与“微生物群体生长曲线”的区别及联系(1)曲线图示第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四(2)图示表解种群数量增长曲线微生物群体生长曲线区别研究内容只研究种群数量增长阶段的变化规律研究微生物从生长到死亡整个生命周期的数量变化规律纵轴含义种群的实际数量微生物数目的对数，不代表实际数量第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四种群数量增长曲线微生物群体生长曲线联系①“J”型曲线无K值但也有调整期和对数期，微生物群体生长曲线的调整期和对数期符合“J”型曲线②“S”型曲线也可分为三个阶段：对环境的适应期、快速增长期、数目稳定期，曲线总体趋势与微生物生长曲线的调整期、对数期和稳定期相一致第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四1．如图为某细菌培养过程中的增长率曲线，a、b、c代表不同的时刻，下列有关叙述中不正确的是

(

)A．组成酶在每个时期都相同B．0～a段可以看做是“J”型增长C．b时刻细胞内可能大量积累次级代谢产物D．连续培养的目的主要是为了延长a～b段时间.第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四解析：组成酶是细菌中固有的，只受遗传物质控制，与环境中物质无关；0～a段是细菌刚刚接种到培养基中，空间、资源等生活条件充裕，所以会出现近似“J”型的增长；图中b时刻细菌死亡率和繁殖率相等，代表进入稳定期，此时活菌数目达到最大，细胞内积累大量代谢产物，尤其是次级代谢产物；a～b段代表稳定期前的时期，而连续培养有助于延长稳定期。答案：D第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四热点二发酵工程及其应用热点指数★★★★命题点本热点内容包括发酵工程的内涵，发酵工程几个重要环节，发酵条件的控制及发酵工程应用实例命题角度近年高考多以选择题形式考查发酵工程重要环节、发酵条件的控制等，也可通过与微生物代谢与调节相结合的模式考查发酵工程的应用及产品的分离与提纯第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四[例2]

用某种培养基培养谷氨酸棒状杆菌，测得其生长曲线如图A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B所示；图C为生产谷氨酸的发酵罐的结构示意图。请据此回答下列相关问题：第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四(1)要得到图A所示生长曲线，该培养基应是____________，含有水、无机盐、碳源、________、________五大类营养要素物质。(2)图A中①是________期，为了缩短该期，可采取的措施是________________________。(3)谷氨酸在图A中的________(填标号)时期都有合成。第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四(4)由图B可知，当谷氨酸的合成过量时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，酶活性发生改变的原因是________________________________。(5)图C中④⑥处是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流动的作用是________________________。(6)谷氨酸发酵液的pH应控制在7～8范围内，随着代谢产物的积累，发酵液的pH变化趋势是________________，控制的办法是________________________。第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四[解析]

首先要识别不同图形所代表的生物学含义和过程。微生物生长曲线是在容积恒定的液体培养基中培养微生物时得到的，即微生物生长繁殖所需的营养物质、生存空间是有限的。生长曲线包括①调整期、②对数期、③稳定期、④衰亡期，通常采用加大接种量和使用对数期菌种的方法缩短调整期，在发酵工程中通常采用连续培养的方法，缩短培养周期。谷氨酸属于初级代谢产物，在微生物的一生中都必须不停地合成，否则就会影响微生物的正常生命活动。冷却水的作用是降低发酵罐和培养液的温度，使其维持在微生物代谢适宜的温度范围之内。由于谷氨酸棒状杆菌的呼吸作用会产生CO2，使培养液pH下降，可向培养液中添加氨水，既可作为氮源，又能调节pH。第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四[答案]

(1)容积恒定的液体培养基氮源生长因子(2)调整加大接种量和使用对数期菌种(3)①②③④

(4)代谢产物与酶结合，导致酶结构发生变化(5)冷却或降温(6)下降加碱(氨水)第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四发酵工程流程简图第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四2．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，相关叙述不正确的是(

).第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四A．人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性和控制发酵条件等B．目前采用①诱变育种已经选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌新菌种C．在发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明赖氨酸或谷氨酸的生产采用了连续培养的发酵方式D．图中②所示的提取方法包括过滤、沉淀等方法第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四解析：微生物代谢的人工控制包括改变微生物遗传特性和控制生产过程中的各种条件等方法，目前选育菌种的方法除了基因工程和细胞工程培育的工程菌外，还有诱变育种，目前已经成功选育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌菌种来生产谷氨酸。生产上常采用连续培养法来达到可以源源不断地生产谷氨酸或赖氨酸的目的。由于发酵生产的产品为代谢产物，因此常采用萃取、蒸馏、离子交换等方法进行分离提纯。答案：D第43页，共51页，2023年，2月20日，星期四热点三生物固氮与氮循环热点指数★★★★命题点本热点内容包括固氮微生物类型及实例、氮循环过程、生物固氮的意义及应用等命题角度生物固氮部分的知识点在高考中所占比重很小，常以选择题的形式对固氮微生物的种类、代谢类型、在生态系统中的地位及在生产实践中的应用等知识进行考查，也可以与氮循环、矿质代谢、蛋白质代谢等知识进行学科内的综合，以理解能力、获取信息的能力为考查重点第44页，共51页，2023年，2月20日，星期四[例3]

(2009·北京高考)为研究森林群落在生态系统物质循环中的作用，美国一研究小组在某无人居住的落叶林区进行了3年实验。实验区是两个毗邻的山谷(编号1、2)，两个山谷各有一条小溪。1965年冬，研究人员将2号山谷中的树木全部砍倒留在原地。通过连续测定两条小溪下游的出水量和硝酸盐含量，发现2号山谷小溪出水量比树木砍倒前升高近40%。两条小溪中的硝酸盐含量变化如图所示。第45页，共51页，2023年，2月20日，星期四第46页，共51页，2023年，2月20日，星期四请回答问题：(1)大气中的N2进入该森林群落的两种途径有____________________。在森林群落中，能从环境中直接吸收含氮无机物的两大类生物是____________________。(2)氮元素以N2、和________的形式被生物吸收，进入细胞后主要用于合成________两类生物大分子。(3)图中显示，1号山谷溪水中的硝酸盐含量出现季节性规律变化，其原因是不同季节生物_______________________________________________。第47页，共51页，2023年，2月20日，星期四(4)1966年5月后，2号山谷溪水中的硝酸盐含量急剧升高，主要的两个原因是______________________________。(5)硝酸盐含量过高的水不宜饮用。在人体消化道中，硝酸盐可转变成亚硝酸盐。能使DNA中C—G碱基对中的“C”脱氨成为“U”。上述发生突