第五章 微生物与发酵工程.doc

第五章 微生物与发酵工程一 微生物的类群、营养、代谢和生长复习建议1.微生物类群部分可从如下几个方面着手：充分挖掘知识的内涵与外延，注意以点带面，加强知识的引申与扩展。如：细菌一例，可复习植物的细胞壁的成分，基粒可联系基因工程中作为运载体的基粒，菌落的特点可联系种群与群落，联系肺炎双球菌转化实验中的两种细菌。病毒一例，又可考虑病毒的种类及特点，联系噬菌体侵染细菌的原理。2.微生物的营养、代谢和生长一部分，应与高等动植物的营养、代谢和生长相比较。可从以下几方面比较：(1)营养方面：可列表比较。它们之间存在着“营养的统一性”。(2)代谢方面：复习高等动物三大营养物质的代谢过程、代谢产物及调节过程(神经调节、体液调节)等；植物的矿质营养、水分代谢、光合作用、呼吸作用等产物以及调节过程；微生物代谢的产物，调节过程。(3)生长方面：生物的生长从细胞角度讲均是细胞数目的增多，细胞体积的增大。但是高等生物和微生物细胞数目的增殖方式不同，高等生物以有丝分裂为主，微生物的增殖方式多样，例细菌二分裂，放线菌孢子生殖，病毒的裂殖等。从代谢方面讲，生长均是合成代谢大于分解代谢，生物积累物质越来越多。微生物的群体生长规律的研究均是在实验室固定容积的液体培养基中培养得出的。影响微生物生长的环境因素主要是营养、pH、氧等。而高等生物种群的数量增长规律多数是在自然状态下得出的，那么影响高等生物种群数量变动的因素主要是出生率和死亡率、迁入与迁出率、年龄组成、性别比例等。疑难辨析1.理解细菌的结构及功能的特殊性(1)细胞壁成分的特殊性：糖类和蛋白质结合而成的化合物(肽聚糖)，要除去细菌的细胞壁需用溶菌酶或用青霉素抑制其合成，形成原生质体。与植物细胞壁成分(纤维素和果胶)不同，所以除去方法也不同。(2)细菌特殊结构及功能鞭毛：某些细菌长在体表的长丝状、波曲的附属物，称为鞭毛。具有运动的功能。荚膜：在某些细菌细胞壁外存在着一层厚度不定的胶状物质，称为荚膜。保护细菌免受干旱以及贮藏养料，以备营养缺乏时重新利用等功能。芽孢：某些细菌在其生长发育后期，可在细胞内形成一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体，称为芽孢。由于每一细胞仅形成一个芽孢，故它无繁殖功能。具有保护细菌度过休眠的功能。(3)细菌细胞膜的特殊功能与真核细胞的细胞膜功能有差别，是进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地、鞭毛的着生点和提供其运动所需的能量、合成细胞壁各种组分和荚膜等大分子的场所等。2.大肠杆菌的广泛应用(1)大肠杆菌质粒可作为基因的运载体。因大肠杆菌的质粒具备基因运载体的条件：能够在宿主细胞中复制并稳定的保存；具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有标记基因，便于进行筛选。(2)大肠杆菌的质粒可产生次级代谢产物。质粒内含有几个到几百个基因，控制着细菌的抗药性、固氮、抗生素生成等性状。而其产生的抗生素、激素、色素等是微生物生长到一定阶段产生的次级代谢产物。(3)大肠杆菌可作为基因受体。如将人的胰岛素A、B两链的基因分别组合到大肠杆菌质粒上，然后转移至大肠杆菌体内。这些重组质粒可在大肠杆菌细胞内进行正常的复制和表达，从而产生人的胰岛素A、B链，然后用人为方法，在体外合成有活性的人胰岛素。3.微生物与动、植物的营养比较不论从元素水平还是从营养要素的水平来看，微生物的营养与摄食型的动物(包括人类)和光合自养型的植物非常相似，它们之间存在着“营养上的统一性”。具体地说，微生物有五大营养要素物质，即碳源、氮源、生长因子、无机盐和水。实际上微生物有六大营养要素：除了碳源、氮源、生长因子、无机盐和水五大营养要素物质外，还有能源。所谓能源是指为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能。代谢类型不同的微生物能源不同：(1)各种异养微生物的能源就是其碳源。(2)自养微生物的能源：化能自养微生物的能源是一些还原态无机物；光能自养微生物的能源是光能、辐射能。4.培养基的配制要求及几种培养基的应用(1)培养基配制的基本要求：培养基是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。任何培养基都应具备微生物生长所需要的五大营养要素物质，且其间的比例是合适的。任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌，否则很快会引起杂菌丛生，并破坏其固有成分和性质。(2)固体培养基、半固体培养基与液体培养基的配制与应用固体培养基(a)凝固培养基是在液体培养基中加入1%2%琼脂(凝固剂)，制成遇热可融化、冷却后则凝固的固体培养基。常用于分离、鉴定、保藏、计数及菌落特征的观察。(b)天然固体培养基：由天然固体状基质直接制成的培养基。例如培养蘑菇等食用菌用的由麸皮、米糠、木屑、纤维、稻草粉等配制成的固体培养基。应用于酒精厂、酿造厂。半固体培养基：在凝固性固体培养基中，如凝固剂低于正常量，培养基呈现出在容器倒放时不致流下，但在剧烈振荡后则能破散的状态。用于观察微生物的运动，观察判断某细菌是否有鞭毛存在及保藏菌种。液体培养基：呈液体状态的培养基，通常叫做培养液。液体培养基中的营养物质分布均匀，与菌种充分接触，能大量溶解微生物的代谢产物。应用于大规模工业生产，也常用于微生物生理、代谢的研究。(3)鉴别培养基的应用培养基中加有能与某种菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂，从而用肉眼就能区分该菌菌落与外形相似的它种细菌。常用的伊红美蓝乳糖培养基，可用来鉴别饮用水和乳制品中是否存在大肠杆菌等细菌。如果有大肠杆菌，因其强烈分解乳糖而产生大量的混合酸，菌体带H+，故菌落被染成深紫色，从菌落表面的反射光中还可以看到金属光泽。我国规定饮用水标准：自来水中细菌总数不可超过100个/mL(37，培养24 h)，大肠杆菌数不能超过3个/L(37，培养24 h)。根据病原菌与最常见的数量很大的大肠杆菌同样来自动物粪便污染的原理，只要通过检查水样中的大肠杆菌数即可知道该水源被粪便污染程度，从而间接推测其他病原菌存在的概率。检测大肠杆菌，可用伊红美蓝鉴别培养基。5.有关微生物的代谢(1)微生物代谢异常旺盛的原因相对表面积很大，即表面积与体积比很大，因为小体积、大面积必然有一个巨大的营养吸收面，代谢废物的排泄面和环境信息的接受面。吸收多，转化快。生长旺，繁殖快。适应强，易变异。分布广，种类多。(2)微生物代谢中合成代谢与分解代谢的关系微生物的代谢即微生物的新陈代谢，简称代谢。新陈代谢包括合成代谢和分解代谢。分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁衍。微生物要进行正常的合成代谢，必须从分解代谢途径中抽走大量的代谢产物以满足其合成细胞基本物质的需要。这样以来，势必造成分解代谢不能正常运转，并进而影响产能功能的严重后果。为解决上述矛盾，生物体在其长期进化过程中，发展了独特功能的代谢途径。(3)微生物独特的合成代谢途径生物固氮：固氮微生物，都是原核微生物。肽聚糖的合成：肽聚糖是微生物结构大分子，绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成分，它在细菌的生命活动中有着重要的功能。6.关于微生物的生长微生物不论其在自然条件下还是在人工条件下发挥作用，都是“以数取胜”或是“以量取胜”的。生长、繁殖就是保证微生物获得巨大数目的必要前提。可以说，没有一定的数量就等于没有微生物的存在。一个微生物细胞在合适的外界环境条件下，不断地吸取营养物质，并按其自身的代谢方式进行新陈代谢。如果同化作用的速度超过了异化作用，则其原生质的总量(重量、体积、大小)就不断增加，于是出现了个体的生长现象。如果这是一种平衡生长，即各细胞组成成分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就会发生繁殖，从而引起个体数目的增加，这时，原有的个体已经发展成一个群体。随着群体中各个个体的进一步生长，就引起了这一群体的生长。所以，可以用以下关系表示其生长过程：个体生长个体繁殖群体生长群体生长=个体生长+个体繁殖除了特定的目的以外，在微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有实际意义，因此，提到微生物的生长，均指群体生长。典例剖析例1质粒是细菌中的一种特殊结构，它属于细菌的A.染色体B.细胞器C.主要遗传物质载体D.某些基因的载体【解析】 细菌是原核生物，它没有染色体和除核糖体外的细胞器。主要遗传物质是存在于核区内的环状DNA分子，存在于核区外的质粒控制着细菌的抗药性、固氮、抗生素生成等。【答案】 D例2对细菌群体生长规律测定的正确表述是A.在液体培养基上进行B.至少接种一种细菌C.接种一个细菌D.及时补充消耗的营养物质【解析】 细菌群体生长规律的测定是人们在一定条件下进行的。这些条件是：一种细菌，恒定容积的培养基，液体培养基，定时测定细菌总数。在这些条件下，才能测定出细菌的生长规律。测定时只能用一种细菌的子细胞群体表达微生物的生长；恒定容积是给微生物提供一定的生存环境；液体培养基才能通过样品推测细菌总数。若接种多种细菌，则会发生种间斗争而不能测定一种微生物的生长规律。在接种时，要保证一定的接种量。【答案】 A例3自养型微生物所需的碳源和能源为不同的物质，而异养型微生物作为碳源和能源的是【解析】 碳源主要用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物，有些碳源还是异养微生物的主要能源物质，而异养微生物不能自己制造有机物，通常只能够利用现成的含碳有机物作碳源。【答案】 D例4在微生物群体生长规律的测定中，种内斗争显著激烈的时期是A.调整期B.对数期C.稳定期D.衰亡期【解析】 种内斗争反映了同种生物对生存空间和生活资源的争夺。在生活空间充裕，营养充足的时候，种内斗争的程度是比较低的。随着微生物个体数目的增加，每个个体的生存空间越来越少，营养物质也越来越少，每个个体对生存空间和资源的争夺也越来越激烈，种内斗争就越来越激烈。由此可知，在稳定期的种内斗争最激烈。在衰亡期，微生物的数目已经开始减少，且已经极度不适于微生物的生存，次级代谢产物积累到很高的程度，这时的微生物的生存斗争主要是与无机环境的斗争。【答案】 C例5控制细菌合成抗生素性状的基因，控制放线菌主要遗传性状的基因，控制病毒抗原特异性的基因依次位于核区大型环状DNA上 质粒上 细胞核染色体上 衣壳内核酸上A.B.C.D.【解析】 细菌质粒上的基因控制着细菌固氮、抗药性、抗生素生成等性状。放线菌是原核生物，核区大型环状DNA分子控制其主要遗传性状。病毒的遗传物质是衣壳内核酸，病毒的抗原特异性是由病毒的衣壳体现出来的，由核酸控制合成的衣壳。【答案】 D例6关于微生物酶的叙述中，正确的是A.组成酶是胞内酶，诱导酶是胞外酶B.大肠杆菌分解乳糖和葡萄糖的酶都是组成酶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.酶合成的调节增强了微生物的适应能力【解析】 微生物的酶有组成酶和诱导酶的区别，还有胞内酶的胞外酶，它