微生物与发酵工程.docx

微生物与发酵工程 知识网络 知识结构一、微生物的类群（一）微生物的概念和种类1、概念：体型微小，结构简单，通常需要借助光学显微镜或电子显微镜才能看清楚的生物。2、分类概况 （二）细菌1、形态：球形、杆形和螺旋形 2、结构细胞壁：与植物细胞壁的不同，肽聚糖，保护、维持形态细胞膜：生物膜结构，膜上有与细菌呼吸有关的酶细胞质：有核糖体、质粒（小型环状DNA分子，控制抗药性、固氮等性状，有侵染性）及贮藏颗粒等拟核：一个大型环状DNA分子，控制主要的遗传性状特殊结构：荚膜、鞭毛和芽胞等3、繁殖：二分裂的方式（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，是鉴定菌种的重要依据。（三）放线菌1、形态结构：原核单细胞的分枝状菌丝体2、繁殖方式：孢子生殖*生产抗生素的主要来源（四）生物固氮作用固氮微生物1、生物固氮的概念：固氮微生物将大气中的氮气还原为氨的过程2、固氮微生物的分类类别固氮特征种类及实例自生性在土壤中自行独立生活好氧型细菌固氮菌厌氧型细菌固氮梭菌共生性与一些绿色植物互利共生根瘤菌可与豆科植物共生放线菌可与豆科植物共生蓝藻可与满江红共生的鱼腥藻（1）共生固氮菌根瘤菌形态特征：棒槌形、“T”形或“Y”形代谢类型：异养需氧型根瘤菌固氮的条件和根瘤的形成：根瘤菌侵入根部不断繁殖，刺激根内的薄壁细胞分裂形成根瘤。共生关系的体现：豆科植物为根瘤菌提供有机物，而根瘤菌通过生物固氮作用为植物提供可以利用的氮素。（2）自生固氮微生物：概念：能够独立进行固氮的微生物圆褐固氮菌的形态、作用：多为双球菌，外有荚膜，能分泌生长素自生固氮菌的分离实验：实验原理：将表土泥浆接种到无氮培养基上，只有自生性固氮菌能够生长繁殖。方法步骤：a、在无菌环境中将表土样品接种到无氮培养基上b、将接种的培养皿置于2830条件下培养34天c、从培养基上挑取少许黏液制作涂片（用亚甲基蓝或结晶紫染色）d、依次用低倍镜和高倍镜观察圆褐固氮菌的形态特征。3、生物固氮的过程和意义（1）生物固氮的过程（2）自然界氮循环植物和微生物在自然界氮循环中的作用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分解生物群落中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无机N化合物的转化依赖于微生物的代谢活动：硝化作用、反硝化作用、固氮作用思考：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）的新陈代谢类型思考：土壤通气不良对植物N素营养的影响：（抑制了根的有氧呼吸，从而阻碍了根对N等矿质元素的吸收；反硝化细菌大量繁殖，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-）（3）生物固氮的意义和应用意义：为植物提供氮素营养、有利于自然界中的氮素循环的进行在农业生产中的应用：根瘤菌拌种、豆科植物做绿肥、固氮基因转移补充资料：氮循环的生物化学知识综合生物固氮 高能固氮 工业固氮 硝化作用 （五）病毒1、病毒的结构：2、病毒的种类（1）DNA病毒和RNA病毒（2）动物病毒、植物病毒、噬菌体（3）有囊膜病毒和无囊膜病毒3、病毒的增殖（1）噬菌体的增殖：（2）HIV的增殖：吸附、注入、逆转录、整合、RNA和蛋白质合成、组装、释放（3）朊病毒的链反应二、微生物的营养、代谢和生长（一）微生物的营养1、微生物的代谢类型营养类型能源氢的供体基本碳源实例光能自养型光无机物二氧化碳蓝细菌、藻类光能异养型光有机物二氧化碳及简单有机物红螺菌化能自养型无机物无机物二氧化碳硝化细菌、氢细菌化能异养型有机物有机物有机物多数细菌和真核生物2、微生物所需要的营养物质及功能分析下列图表：表1：细菌、玉米及人体内含量较多的化学元素及其比例表2：细菌细胞中主要有机物的含量（1）碳源概念：能为微生物提供碳元素的营养物质种类：无机碳源：（CO2、NaHCO3）自养型微生物有机碳源：糖类、脂类等异养型微生物作用：构成微生物的细胞物质和一些代谢产物异养微生物的主要能源物质微生物对碳源的需要量很大，最常用的碳源是糖类，尤其是葡萄糖不同微生物利用的碳源的种类和数量有差异某些微生物碳源特殊性的应用：（石油污染、有机物污染等）（2）氮源概念：能为微生物提供所需氮元素的营养物质种类：氮固氮菌氨、铵盐、硝酸盐硝化细菌、反硝化细菌有机氮尿素、牛肉膏、蛋白胨常用氮源：铵盐、硝酸盐作用：合成蛋白质、核酸及含氮代谢产物（3）水和无机盐也是微生物需要的营养物质水的作用：溶剂、介质、运输等无机盐的作用：渗透平衡、酶的激活剂（4）生长因子概念：微生物生长必需的微量有机物种类：维生素、氨基酸、碱基原因：缺乏合成的酶或合成能力有限来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液等作用：酶和核酸的组成成分附表：不同微生物需要的生长因子微生物 生长因子需要量(ml-1)III型肺炎链球菌 胆碱6ug金黄色葡萄球菌 硫胺素0.5ug白喉杆菌 丙氨酸1.5ug破伤风芽胞杆菌 尿嘧啶0.4ug肠膜状串珠菌 吡哆醛0.025ug3、培养基的配置原则（1）配置原则目的明确：依据微生物种类（新陈代谢类型）和培养目标（实验或生产）营养协调：营养成分合理搭配pH适宜：细菌为6.57.5；放线菌为7.58.5（2）培养基的种类及用途划分依据种类用途物理性质固体培养基微生物的分类和鉴定半固体培养基观察微生物的运动、保存菌种液体培养基工业生产化学成分天然培养基工业生产合成培养基微生物的分类和鉴定用途选择培养基分离菌种鉴别培养基鉴别不同种类的微生物（如饮用水中大肠杆菌的鉴定）（3）选择培养基实例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嘌呤、次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培养基分离杂交瘤细胞补充资料：微生物纯种的分离方法1、平板划线分离2、液体稀释法3、利用选择培养基分离4、菌丝间断切割（二）微生物的代谢1、代谢特点：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。2、代谢产物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3、微生物代谢的调节 微生物代谢调节的方式和意义4、微生物与人类生活：（1）微生物与人类生活环境微生物有净化环境的作用：降解非生物物质，如农药、除草剂、制冷剂、海洋浮油；处理污水和废物资源化水体中微生物的迅速繁殖威胁净水资源（2）微生物与人类生活地层沉积的天然气来源于古细菌的无氧呼吸；利用微生物进行传统的食品加工（3）微生物与人体健康许多微生物是病原体；微生物用于生产医药（三）微生物群体生长规律1、测定微生物群体生长的方法（1）称干重（离心法）一般干重为湿重的1020%将待测培养液放入离心管中，清水离心洗涤15次后，干燥处理，然后称干重。一个细胞（细菌）一般重约10-1210-15g。（2）比例计数法将已知颗粒（如霉菌孢子或红细胞等）浓度的液体与一般待测细胞的菌液按一定比例均匀混合，在显微镜下数出各自的数目，然后求未知菌液中的细胞浓度。（3）平板菌落计数法取一定体积的稀释菌液与合适的固体培养基在其凝固前均匀混合，或涂布于固体培养基平板上，经培养在培养基上（内）出现的菌落乘以菌液稀释度，计算出原菌液含菌数。微生物群体生长规律及应用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稳定，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2、影响微生物生长的环境因素：温度、pH、氧（四）发酵及发酵工程1、微生物代谢特点2、发酵和发酵工程的概念：3、发酵工程的实例利用发酵工程生产谷氨酸菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌培养基成分：豆饼(马铃薯)水解液、玉米浆、尿素、K2HPO4、K2O、Mg2SO4、生物素(生长因子)培养方式：液体培养培养过程：配制培养基灭菌接种培养培养条件：温度3037；pH78；通气、无杂菌培养时间：2832h产品获得方式：分离提取中和过滤浓缩离心分离产品：谷氨酸钠(味精)4、发酵工程主要内容选育菌种、培养基配制、灭菌、扩大培养菌种、调控发酵过程、分离提纯5、发酵工程的应用(1)发酵工程的特点：生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉，产品专一、废弃物对环境的污染小且易处理(2)发酵工程的应用：微生物细胞：细菌疫苗、酵母、霉菌、食用菌(单细胞蛋白)酶类：酶制剂代谢产物：传统发酵产品、食品添加剂、医药用药品等典型题解析1、作为生产用和科研材料用的菌种，常选：（）A、稳定期 B、衰亡期 C、对数期 D、调整期解析本题考察的知识点是微生物群体生长的规律，各个时期的特点。对数期的细菌处于快速生长的阶段，代谢旺盛，个体的形态和生理特性比较稳定，所以常作生产和科研用菌种。答案：C2、在微生物生长的过程中，细胞形态最多和数目最多的时期是：（）A、对数期、稳定期B、衰亡期、稳定期C、稳定期、衰亡期D、衰亡期、对数期解析本题考察微生物群体生长曲线时期的特点。答案：B3、关于微生物代谢产物的说法中不正确的是：（）A、初级代谢产物是微生物生长和繁殖所必需的B、次级代谢产物并非是微生物生长和繁殖所必需的C、次级代谢产物在代谢调节下产生D、初级代谢产物的合成无需代谢调节解析本题考察初级代谢产物和次级代谢产物的概念、产生阶段及其与细菌生命活动的关系。细菌的代谢产物均是在微生物细胞的调节下，有步骤地产生的。答案：D4、谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。(1)谷氨酸的R基是CH2CH2COOH，其结构式为_。(2)如果在蛋白质的合成过程中，携带谷氨酸的转运RNA如图1所示，可知谷氨酸的密码子是_。(3)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有_。A、噬菌体B人类免疫缺陷病毒(HIV)C、禽流感病毒D肺炎双球菌E酵母菌G硝化细菌H、乳酸菌(4)谷氨酸发酵的培养基成分，主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图2所示。可以判断谷氨酸棒状杆菌的新陈代谢类型为_型。某厂用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸，结果代谢产物中出现大量的乳酸，其原因很可能是_。(5)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的_，而且还起到调节培养液_的作用，所以应该分次加入。(6)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群几乎死亡殆尽，但人们侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌的这种新性状的产生来自于_。(7)图2所示的连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出老的培养基，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因_。解析本题以微生物发酵工程为载体，综合考察遗传、蛋白质的基本单位、微生物的连续培养发酵过程的具体细节等问题。答案：(1) (2)GAG(3)ABCE(4)异养需氧型 通气量不足(混入其它杂菌)(5)氮源 pH(6)基因突变(7)保证微生物对营养物质的需求 排出部分代谢产物 使微生物保持较长时间的快速增长5、假设某一样品中含有大肠杆菌、硝化细菌、酵母菌、光合细菌、金黄色葡萄球菌、圆褐固氮菌、乳酸菌等微生物，请你根据所学知识，从理论上一一将其中的纯种微生物分离出来。解析本题综合考察各种微生物形态、生理特性、选择培养基的原理以及同学们运用所学的知识解决实际问题的能力。答案：混合菌放在不含氮的培养基上培养圆褐固氮菌混合菌放在不含有机碳的培养基上培养硝化细菌混合菌放在不含有机碳的培养基上，且置于无氧而有光照的环境中培养光合细菌混合菌放在加入较高浓度的NaCL的培养基上培养金黄色葡萄球菌(或根据菌落的颜色呈金黄色而将其挑取单独培养)混合菌放在含有伊红美兰的培养基上培养大肠杆菌混合菌放在含有青霉素的培养基上培养酵母菌混合菌放在普通的培养基中，置于无氧的环境中乳酸菌和酵母菌，然后加一定浓度的乳酸，抑制酵母菌的生长，通过镜检分离出乳酸菌。6、基因工程中最常用的运载体是质粒，作为运载体，需要有标记基因，如抗青霉素基因、抗四环素基因等，现有一种细菌，不清楚其质粒上抗药性基因的情况。请根据提供的材料和用具，设计实验方案，鉴别该种细菌的抗药性基因类别，并预测实验结果。材料和用具：青霉素的10万单位溶液、四环素的10万单位溶液、菌种试管1支(内有细菌)、已灭菌含有细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱(1)请写出实验步骤：(2)预测实验结果：解析本题考察同学们独立设计和完成实验的能力。实验目的是鉴别细菌的抗药性基因类别，同学们可以推测存在如下几种可能：细菌质粒上有两种抗性基因；细菌质粒上没有这两种抗性基因；细菌质粒上只有青霉素抗性基因；细菌质粒上只有四环素抗性基因；每一种情况可能出现的实验现象是什么。由此构思实验思路，设计实验步骤。答案：(1)方法步骤：第一步：取3个含有细菌培养基的培养皿，标号为1、2、3号，在酒精灯旁，用3支注射器分别注入1mL蒸馏水、青霉素液和四环素液，并使之分布在整个培养基表面。第二步：将接种环在酒精灯上灼烧，并在酒精灯火焰旁取菌种，在3个培养基中接种；第三步：将接种后的3个培养皿放入37恒温箱中培养24h。观察菌落的生长状况。(2)预测实验结果1、2、3号培养皿中都有细菌生长，说明该细菌质粒上有两种抗性基因；1号培养皿有细菌生长培养，而2、3号培养皿中都没有细菌生长，说明该细菌质粒上没有这两种抗性基因；1、2号培养皿中有细菌生长而3号培养皿中没有细菌生长，说明该细菌质粒上只有青霉素抗性基因；1、3号培养皿中有细菌生长而2号培养皿中没有细菌生长，说明该细菌质粒上只有四环素抗性基因；在线测试窗体顶端选择题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 窗体底端窗体顶端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 窗体底端窗体顶端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 窗体底端窗体顶端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窗体底端窗体顶端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窗体底端窗体顶端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、染色体的变异窗体底端窗体顶端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、维生素窗体底端窗体顶端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窗体底端窗体顶端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，次级代谢产物窗体底端窗体顶端10、异养微生物最常用的碳源是( ) A、糖类 B、蛋白质 C、脂肪 D、维生素在线测试窗体顶端选择题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 窗体底端窗体顶端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 窗体底端窗体顶端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 窗体底端窗体顶端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窗体底端窗体顶端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