对招商引资工作的建议:微生物和发酵工程[中学生在线]

微生物和发酵工程
【知识网络结构】

【重点、难点、拓展知识解析】
一、自然界中的氮循环

1.植物和微生物在自然界氮循环中的作用
⑴ 无机氮进入生物群落
植物对硝酸盐和氨盐的同化作用
植物体内的有机氮被各级消费者利用
⑵ 生物群落中N返回无机环境
动物代谢终产物及动植物遗体通过微生物的分解作用（氨化作用）产生NH3
⑶ 无机N化合物的转化依赖于微生物的代谢活动
反硝化细菌
2. 硝化细菌（自氧需氧型）、反硝化细菌（厌氧型）、根瘤菌（异养需氧型）的新陈代谢类型：
3. 土壤通气不良对植物N素营养的影响：抑制了的根的有氧呼吸，从而阻碍了根对N等矿质元素的吸收；硝化细菌大量繁殖，导致土壤中氮素流失；抑制了硝化细菌的生长繁殖，不利于氨转化为NO3-
4.氮循环的生物化学知识综合


二、根据实验目的设计选择培养基加素的培养基
加入青霉素的培养基—— 分离酵母菌、霉菌等真菌
加入高浓度食盐的培养基—— 分离金黄色葡萄球菌
不加氮源的无氮培养基—— 分离固氮菌
不加含碳有机物的无碳培养基——分离自养型微生物
加入青霉素等抗生素的培养基——分离导入了目的基因的受体细胞
加入氨基喋呤、次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培养基—分离杂交瘤细胞
三、初级代谢产物和次级代谢产物的比较
初级代谢产物
次级代谢产物
生长繁殖是否必需
是
不是
产生阶段
一直产生
生长到一定阶段后产生（如稳定期）
是否有菌种特异性
不同种类微生物初级代谢产物基本相同
是
分布
细胞内
细胞内或细胞外
种类
氨基酸、核苷酸、
多糖、脂类、维生素等
激素、毒素、色素、抗生素
四、酶合成和酶活性调节的比较
酶合成的调节
酶活性的调节
调节对象
诱导酶的生成
酶的活性
调节机制
底物对基因表达的调控
产物对酶活性的反馈调节
意义
避免物质和能量的浪费
快速、精细避免代谢产物的积累
人工调控微生物的代谢途径
改变微生物的特性；控制发酵条件
五、微生物群体生长规律
细胞分裂
细胞数量
细胞代谢特点
应用
调整期
不分裂
不增加
代谢活跃、大量合成与细胞分裂有关的物质
对数期
快速分裂
细胞呈指数增长
生理特征定，
代谢旺盛
作为菌种,缩短生产周期
稳定期
细胞增加数等于死亡数
活菌数达到最高峰
大量积累代谢产物，特别是次级产物，营养物质减少
连续培养,延长稳定期,提高代谢产物的产量.
衰亡期
细胞死亡数大于增加数
活菌数下降
菌体释放代谢产物
六、微生物代谢及发酵工程特点
与其他生物相比，微生物代谢异常旺盛，这是由于微生物的表面积与体积的比很大，使它能够迅速地与外界环境进行物质交换。例如：不同生物的物质加倍时间
生物体
时间
细菌和酵母菌
霉菌和藻类
草本植物
鸡
猪
小牛
婴儿
20—120min
2—6h
1—2星期
2—4星期
4—6星期
1—2月
3—6月
发酵工程的特点：生产条件温和，来来源丰富且价格低廉，产物专一，生产效率高。废弃物对环境的污 染小和易于处理。
【单元练习】
1．与蓝藻同化作用类型相同的是
A　根瘤菌　　B　圆褐固氮菌　　 C　硝化细菌　　 D　乳酸菌
答案为：C
2．流感性感冒的病原体是流感病毒。流感病毒有多种亚型。现在虽然研制出了针对流感的疫苗，但有人注射了疫苗后仍可能会患流行性感冒，其原因可能是
A　针对疫苗的抗体在体内存留时间短
B　流感病毒使人的免疫系统受损
C　疫苗未刺激机体产生相应的记忆B细胞
D　流感病毒发生发生了变异
答案为：D
3．氮是蛋白质的基本组成元素之一，所有生物体均含有蛋白质，氮循环涉及到生物圈的全部领域。下面是关于氮被生物体吸收利用的叙述，其中正确的是
① N在大气中的体积分数高达78%，可被绝大多数生物直接利用
② 通过高能固氮，可将空气中的游离的氮转化为硝酸盐或氨，从而被植物所吸收
③ 绝大多数植物都具有生物固氮作用，其根部的根瘤菌可将氮气转变为硝酸盐，被植物吸收
④ 动物以植物为食而获得氮，并转化为动物蛋白
⑤ 动植物死亡后，遗骸中的蛋白质被微生物分解成NH4+、NO3-、NH3等，又回到土壤和水体中，被植物再次吸收。
A　①⑤　　 B　③⑤　　 C　②④⑤　　 D　②④
答案为：C
4．单细胞蛋白是指
A　单个植物的细胞培养得到的高纯度蛋白质
B　单个动物细胞培养得到的高纯度蛋白质
C　单个细菌细胞分泌的蛋白质
D　发酵获得的大量微生物菌体
答案为：D
5．根瘤菌新陈代谢的基本类型是
A　自养需氧型　　 B　自养厌氧型
C　异氧需氧型　　 D　异氧厌氧型
答案为：C
6．关于微生物的叙述中，正确的是
A　所有微生物都是形体微小、结构简单、对人有害的
B　所有微生物分属于原核生物界、真菌界、原生生物界
C　细菌、放线菌、青霉菌都属于原核生物
D　微生物在一定条件下繁殖所形成的菌落，可以作为菌种鉴定的重要依据
答案为：D
7．下列关于细菌代谢的叙述中，正确的是
A　细菌没有细胞器，只能进行无氧呼吸
B　细菌的蛋白质合成在自身的核糖体上进行
C　细菌的代谢最终产物也是CO2和水
D　细菌的新陈代谢类型是异养需氧型
答案为：D
8．下列有关微生物的表述是正确的是
A　放线菌是单细胞原核生物
B　病毒的衣壳由蛋白质、多糖和脂类组成
C　病毒的繁殖过程可在宿主的活细胞中进行，也可在体外进行
D　微生物的代谢异常旺盛，是由于微生物的结构简单
答案为：A
9．发酵工程的发酵过程中，不需要
A　随时取样检测培养液中的微生物数目、产物浓度等，以了解发酵进程
B　及时添加必须的培养基成分，以满足菌种的营养需要
C　严格控制温度、pH、溶氧等条件
D　定期向培养液中补充工程菌
答案为：D
10．下列不可作为选择培养基的是
A　根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基
B　根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基上增减不同的生长因子
C　根据微生物遗传组成上的差异，在培养基中加入不同比例的核酸
D　根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素
答案为：C
11．下列有关生物工程的表述不正确的是
A　在实际应用中基因工程和细胞工程是相对独立的
B　基因工程和细胞工程都可以实现基因的改变
C　细胞工程和基因工程的研究成果，可以通过发酵工程和酶工程实现产业化
D　生物工程的安全性是人们需要考虑的
答案为：A
12．下面是家庭酿酒的具体操作过程：先将米煮熟，待冷却至30℃左右时，加少许水和一定量的酒药与米饭混合后均匀置于一瓷坛内，在中间要挖一个洞，加盖并简单密封后置于适当的地方保温（28℃左右）12小时既成。请根据上述过程回答以下问题：
⑴ 在米饭中央挖一个洞的目的是增加氧气量，保证菌种的数量尽快升到相应数值，此时酵母菌的繁殖方式主要是__________。
⑵ 有经验的主妇在家里酿米酒时,总会发现坛内先“来水”，后“来酒”。先来水的原因是_____; 后“来酒”的原因___。
⑶ 请写出“来酒”过程的生化反应方程式
⑷ 酒药中含有曲霉、毛霉和酵母等多种微生物，酿米酒的反应分糖化和酒化两个过程。糖化指的是曲霉和毛霉能把米饭中的淀粉转化为葡萄糖；酒化则是指酵母菌在没有氧气地条件下，把葡萄糖分解成酒精。如果酒酿制时间加长,味道如何变化？为什么？
⑸ 制作过程并未对用具专门进行灭菌，坛口也未严格密封，但一般情况下，坛内的米饭不会被杂菌污染，试简要阐明原因：
① 初始阶段__________________________________________。
② 发酵过程中_________________________________________。
⑹ 根据推测，在此酿制过程中，坛内物质的重量会________________,原因是____________________。
⑺ 请你画出酵母菌种群数量变化的曲线。
答案：
⑴ 出芽生殖
⑵ 酵母菌先进行有氧呼吸，产生了水　 后来由于氧气减少，酵母菌进行酒精发酵而产生酒精。
⑶ C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量
⑷ 甜度降低，酒味变浓，更多的葡萄糖通过酵母菌的无氧呼吸转化为酒精。
⑸ ① 由于接种了酵母菌，使酵母菌在与杂种的竞争中占据优势
② 在与杂菌的竞争中，酵母菌产生的酒精可抑制杂菌的生长繁殖下降，酵母菌等微生物的呼吸作用消耗有机物
⑹ 下降，酵母的呼吸作用消耗有机物。
⑺ 略
13．人造蛋白食品是现代微生物工程的杰作之一，食用真菌蛋白是人造蛋白的一种。真菌蛋白制造过程的图解如下图所示。请根据图回答下列问题

⑴ 网发酵罐内注射少量氨水的目的是_______________
⑵ 制造真菌蛋白时,要向罐内注入无菌空气,由此可推知发酵罐中真菌的代谢类型是______________。
⑶ 往发酵罐内添加的一切物品都要经过消毒，从生态学的角度分析，这样做的目的是________________________。
⑷ 从自然界中分离到的菌种，用于制造真菌蛋白时产量较低，欲获得较多的真菌蛋白，培育优良的真菌菌种可采用__________和__________方法。
⑸ 利用微生物培养获得蛋白产品和利用动物饲养获得蛋白产品相比，其优势主要表现在______________________
⑹ 请分别列举实例说明发酵工程在食品工业、医辽和环保方面的应用。
答案：
⑴ 为真菌提供氮元素
⑵ 异养需氧型
⑶ 避免其他微生物与该生产菌竞争而降低蛋白的含量
⑷ 人工诱变，基因工程
⑸ 微生物代谢旺盛,繁殖速率高,产生蛋白的效率高;生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉,产物专一，废弃物对环境的污染小和容易处理。
⑹（略）
14．生活污水中含有大量的有机和无机含氮化合物，这些过量的含氮化合物会造成水体污染，危害水生生物的生存和人类的健康。脱氮是污水处理的重要内容之一。下面是生物脱氮工艺流程图。

⑴ 在1级反应池内，有机物在细菌、原生动物等作用下，会大量减少。从同化和异化作用方式看，这些生物的代谢类型主要是_____,这些生物在自然生态系统中属于________者。
⑵ 在2级反应池内，pH值为8.0_8.4时,硝化细菌大量繁殖,它们能将NH3氧化为NO2-和NO3-,并利用这一硝化过程所释放的__________合成__________，用于自身的生长发育和繁殖。
⑶ 实践发现，当2级反应池中有机物含量过多时，硝化细菌难以大量繁殖起来，原因是______________________
⑷在3级反应池内,加入适量的有机物(如甲醇),并在低氧或无氧条件下,反硝化细菌繁殖起来,通过无氧呼吸把NO2-和NO3-还原成N2，无氧呼吸除释放能量外，还为还原反应提供了__________。
答案为：
⑴ 需氧异养型，分解者
⑵ 能量,有机物
⑶ 异养生物大量繁殖，抑制了硝化细菌的生长繁殖。
⑷氢
测试
选择题
1、以下不属于发酵的是(　 )
A、利用需氧型青霉素生产“青霉素”
B、缺氧时人的某些组织细胞产生乳酸
C、利用酵母菌的无氧呼吸获得酒精
D、利用乳酸菌制作泡菜
2、稳定期的主要特点之一是(　 )
A、大量积累初级代谢产物
B、活菌数目最多
C、pH不会发生变化
D、营养物质开始被消耗
3、当环境温度超过最适生长温度以后，微生物的生长速率会急剧下降，是由于细胞内哪些物质发生了不可逆的破坏(　 )
A、蛋白质和核酸　　　B、蛋白质和磷脂
C、核酸和核膜　  　　D、载体DNA
4、下列叙述中正确的一项是(　 )
A、微生物都是原核生物　　　　　B、微生物都是异养型生物
C、微生物的遗传物质都是DNA　 　D、微生物都要进行呼吸作用
5、下列特征中与微生物代谢不符的是(　 )
A、体表面积与体积之比很大
B、迅速与外界进行物质交换
C、不受外界环境的限制，均有旺盛的代谢
D、在代谢过程中产生代谢产物多
6、人工控制微生物的代谢的措施之一是改变微生物的遗传特性，科学家常采用的方法是（　 ）
A、基因的自由组合　　　B、基因的互换
C、基因的突变　    　　D、染色体的变异
7、下列属于微生物次级代谢产品的是(　 )
A、碱基　　　B、氨基酸
C、抗生素　　D、维生素
8、下列说法中正确的是(　 )
A、酶活性的调节不利于微生物的生长、繁殖
B、酶合成的调节增强了微生物的适应能力
C、酶合成的调节与酶活性的调节不能共存于同一种微生物体内
D、大肠杆菌分解利用葡萄糖的酶属于诱导酶
9、发酵工业常利用酵母菌发酵获得酒精，那么酒精是酵母菌的(　 )
A、有氧呼吸产物，初级代谢产物
B、无氧呼吸产物，初级代谢产物
C、有氧呼吸产物，次级代谢产物
D、无氧呼吸产物，次级代谢产物
10、异养微生物最常用的碳源是(　 )
A、糖类　　　B、蛋白质
C、脂肪　　　D、维生素
答案与解析
答案：
1、B　　2、B　　3、A　　4、D　　5、C　　6、C　　7、C　　8、B　　9、D　　10、A
解析：
1、发酵是指微生物的无氧呼吸。
2、在稳定期，活菌数达最高峰，细胞内大量积累代谢产物，特别是次级代谢产物。
3、温度能影响微生物的生长，高温细胞内的蛋白质和核酸发生不可逆的破坏。
4、所有生物都要进行呼吸作用。
5、影响微生物的生长的因素很多，主要有温度、pH和氧气。
6、人工诱变，影响DNA复制，属于基因突变。
7、碱基、氨基酸、维生素是微生物生长所必需的，为初级代谢产物。
8、这种调节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。
9、酵母菌无氧呼吸的产物是酒精，酒精不是酵母菌生活中的必需物质，属于次级代谢产物。
10、异养微生物最常用的碳源是糖类，糖类是主要的供能物质。