广西高考生物 8.2微生物的代谢、生长和发酵 工程简介配套课件 新人教版 .ppt

第2讲微生物的代谢 生长和发酵工程简介 一 微生物的代谢与代谢产物1 代谢特点代谢 原因是微生物的 的比很大 能够迅速与外界环境进行物质交换 异常旺盛 表面积与体积 2 微生物的代谢产物 生长全过程 生长一段时间后 微生物自身生长和繁殖所必需 对自身无明显生理功能 细胞内 细胞内或外环境中 无 有 氨基酸 核苷酸 多糖 脂类 维生素等 激素 色素 毒素 抗生素等 点拨 四字 巧记次级代谢产物微生物次级代谢产物的种类 可用 抗击 激 色毒 四个字来形象记忆 这四个字分别表示抗生素 激素 色素和毒素 二 微生物代谢的调节及代谢的人工控制1 酶合成的调节 1 酶的种类 组成酶 细胞内 其合成只受 控制 诱导酶 环境中存在 时才能合成的酶 2 酶合成调节 调节对象 的合成 举例 大肠杆菌在环境中只有 作碳源时 才能合成 意义 避免物质和能量的浪费 保证了 需要 增强了微生物对环境的 一直存在 遗传物质 某种物质 诱导酶 乳糖 分 解乳糖的酶 代谢 适应能力 2 酶活性的调节 1 含义 通过改变已有酶的来调节 2 主要方式 致使发生变化 代谢产物增多 代谢产物与酶 酶的结构变化 酶的活性 代谢产物减少 代谢产物与酶 酶的结构 酶的活性 3 特点 是一种 的调节方式 4 意义 避免代谢产物 结合 被抑制 脱离 复原 恢复 快速 精细 积累 催化活性 代谢速率 代谢产物与酶结合 酶结构 3 微生物代谢的人工控制 诱变处理 选择符合生产要求的菌种 对需氧型微生物保证氧的供应 对厌氧型微生物控制氧的供应 以通气量和搅拌速度控制溶氧 加酸 加碱或加ph缓冲液 通过温度自动测试 控制装置进行检测和调整 三 微生物群体生长的规律及影响微生物生长的环境因素1 研究对象 2 研究方法 3 研究步骤 人工培养 4 微生物群体生长的测定方法 1 测定 2 测重量 测量 或 微生物群体 定期取样法 定期取样 测定生长情况 细菌的细胞数目 干重 湿重 5 生长规律 1 调整期 细菌对新环境的 阶段 2 对数期 细菌的 阶段 该时期的细菌常作为 和 的材料 3 稳定期 细菌的数量处于 细胞内大量积累 4 衰亡期 细菌的 超过 活菌数目 调整或适应 快速分裂 生 产用菌种 科研 动态平衡 代谢产物 死亡速率 繁殖速率 急剧下降 6 影响微生物生长的环境因素 1 温度 最适温度是 2 最适ph 多数细菌为 真菌为5 0 6 0 3 氧 点拨 微生物群体中不同阶段的特点 1 稳定期 种内斗争最激烈的阶段 2 衰亡期 与无机环境斗争最激烈的阶段 3 调整期和对数期 种内斗争很小的阶段 4 调整期 产生初级代谢产物的最佳时期 5 稳定期 产生次级代谢产物 提取产物的最佳时期 25 37 6 5 7 5 四 发酵工程1 概念采用 技术手段 利用微生物的某些特定功能 为人类生产有用的产品 或直接把微生物应用于 过程的一种新技术 2 发酵过程菌种的选育 自然选种 育种 育种 育种培养基的配制 根据培养基的 配制 配方需 灭菌 必须严格灭菌 现代工程 工业生产 人工诱变 基因工程 细胞工程 配制原则 反复试验 培养基 发酵设备 扩大培养和接种 让优良菌种增殖达 后接种发酵 中心阶段 代谢产物 采用 等方法菌体 采用 等方法 1 随时取样检测培养液中的 等 2 及时添加必需的 以满足菌种的 3 严格控制发酵条件 溶氧 转速等 分离提纯 一定数量 细菌数目 产物浓度 培养基组分 营养需要 温度 ph 通气量 蒸馏 萃取 离子交换 过滤 沉淀 3 实例 谷氨酸发酵制味精 1 菌种 黄色短杆菌等 其代谢类型属于 2 培养基配制 玉米浆 氧化钾 硫酸镁 生物素等 谷氨酸棒状杆菌 异养需氧型 豆饼 或马铃薯等 的水解液 尿素 磷酸氢二钾 3 发酵过程 方法 连续培养 控制条件 味精的生成和提取 加适量 溶液中和后 再经过 等 氧气 不断通入 并不断 温度 控制在 ph 控制在 无菌空气 搅拌 30 37 7 8 na2co3 过滤 浓缩 离心分离 4 发酵工程的应用医药工业食品工业方面 大量生产药物同 工程 细胞工程结合 生产 产品生产食品添加剂生产 食品 基因 传统发酵 高蛋白 低脂肪 点拨 发酵与发酵工程的区别发酵是个过程 是通过微生物培养大量生产各种代谢产物的过程 而发酵工程是一种生物技术 采用现代工程技术手段 人工控制环境条件 进行大规模发酵生产 思维判断 1 微生物生长过程中一直产生的物质都是初级代谢产物 分析 有些产物虽可在微生物生长期间一直产生 但并非这些产物都是初级代谢产物 如乳酸菌产乳酸 酵母菌产酒精等 确认初级代谢产物与次级代谢产物的主要依据是该产物是否为微生物生长繁殖所必需 2 有些微生物的生长不需要生长因子 所以培养该微生物的培养基不需添加生长因子 分析 所有微生物生长均需生长因子 但有些微生物所需生长因子可通过自身代谢产生 不需在培养基中补充生长因子 而许多微生物需向其培养基中补充生长因子 这是因为这些微生物可能缺乏合成生长因子所需的酶 或者其合成能力有限所致 如某种维生素缺陷型菌株 必须向其补充该种维生素方可使菌株生长 3 从微生物生长曲线上可以看出 微生物生存斗争最激烈的时期为稳定期 因为此时微生物数量最多 分析 在调整期和对数期 几乎不存在种内斗争 在稳定期 种内斗争最激烈 在衰亡期 因营养缺乏 生存环境恶化 生存斗争最激烈 4 酶活性的调节是一种正反馈调节 分析 酶活性的调节是一种负反馈调节 其特点是使酶暂时失去催化能力 从而使代谢作用迅速停止 酶合成的调节和酶活性的调节比较 高考警示钟 组成酶与诱导酶的辨析 1 组成酶与诱导酶是两个相对的概念 一种酶在某种微生物内是组成酶 在另一种微生物内可能是诱导酶 2 组成酶与诱导酶都是胞内酶 在不同环境中产生的组成酶相同 诱导酶不同 3 根据微生物产生某种酶所需的条件可判断该酶是组成酶 还是诱导酶 典例训练1 下列关于酶合成的调节的叙述中 正确的是 a 组成酶的合成受遗传物质控制 诱导酶的合成不受遗传物质控制b 诱导酶的合成调节属于基因表达的调节c 诱导酶的合成一旦开始 就不受环境中诱导物的影响d 酶合成的调节与增强微生物的适应能力无关 解题指南 1 考查实质 本题主要考查影响酶合成调节的因素 2 解题关键 组成酶调节只受遗传物质的控制 诱导酶合成受遗传物质和环境的共同影响 解析 选b 组成酶的合成受遗传物质控制 诱导酶的合成既受环境因素的影响 又受遗传物质的控制 通过酶的合成调节能够使生物体适应环境 又不至于造成原料的浪费 变式训练 如图是某种微生物体内某一物质代谢过程的示意图 下列有关酶活性调节的叙述 错误的是 a 丁物质既是酶 催化生成的产物 又是酶 的反馈抑制物b 戊物质通过与酶 结合导致酶 结构变化而使其活性下降 c 当丁物质和戊物质中任意一种过量时 酶 的活性都将受到抑制d 若此代谢途径的终产物不断排出菌体外 可消除丙物质对酶 的抑制作用 解析 选c 仔细分析题图可以得出 丙物质分别在酶 和酶 的催化下生成丁物质和戊物质 且丁物质对酶 起抑制作用 戊物质对酶 起抑制作用 若此代谢的终产物丁 戊不断排出菌体外 则丙可以通过酶 和酶 代谢而不会对酶 起抑制作用 a b d选项均正确 丁物质或戊物质只有一种过量时 丙物质可以通过不过量的途径代谢而不会对酶 起抑制作用 c选项错误 微生物群体生长规律1 研究微生物生长的方法 2 微生物生长规律曲线和生长速率曲线 3 微生物生长规律的分析 典例训练2 请据图回答问题 1 该图是细菌生长曲线 从图中可看出细菌生长分为 期 期 期 期 2 大量合成细胞分裂所需酶及atp的时期在 期 若扩大再生产选取菌种最好在 期 这两时期细菌的增长与 型增长相似 种群数量接近k值出现在 期 其原因是 若该细菌用来生产抗生素 为了增加产量 则应该 曲线 形成的原因是 解题指南 1 考查实质 本题考查微生物生长规律的相关知识 2 解题关键 掌握微生物生长的变化规律 理解微生物生长的每个阶段生物代谢特点是解答本题的关键 解析 本题主要考查细菌生长各阶段的主要特点 图中 分别表示调整期 对数期 稳定期 衰亡期 大量合成细胞分裂所需酶及atp的时期在调整期 若扩大再生产选取菌种最好在对数期 这两时期细菌的增长接近于 j 型增长 种群数量接近k值出现在稳定期 其原因包括营养物质的消耗 代谢产物 特别是有害代谢产物 的积累 ph的变化等 抗生素属于微生物的次级代谢产物 稳定期是大量积累次级代谢产物的时期 衰亡期 微生物的生存环境急剧恶化 导致微生物出现菌体畸形 解体等现象 答案 1 调整对数稳定衰亡 2 调整对数 j 稳定营养物质消耗 有害物质积累 ph变化等在菌体数目增加后 及时补充营养物质有害物质积累 菌体畸形 有些出现解体 变式训练 2011 四川高考 下列关于微生物生长曲线的叙述 不正确的是 a 在相同培养条件下接种对数期的菌种 调整期将缩短b 进入对数期的微生物代谢旺盛 形态和生理特性比较稳定c 进入稳定期后不再产生新细胞 活细胞数目维持相对恒定d 进入衰亡期后部分细胞解体 可释放出抗生素等代谢产物 解析 选c a项 对数期的菌种细胞代谢能力最强 分裂能力强 增长速度快 此时接种 调整期将缩短 b项 对数期的微生物菌体以等比数列形式增加 增长速度快 细胞代谢能力最强 细菌很少死亡或不死亡 微生物内部各成分最为均匀 形态和生理特性比较稳定 c项 进入稳定期后生长速率下降 死亡率上升 细胞数目达到最大值 新生的细胞数和死亡的细胞数相当 d项 进入衰亡期后部分细胞解体 可释放一些对人类有用的抗生素等次级代谢产物 变式备选 在含乳糖和少量葡萄糖的培养基中培养大肠杆菌 其生长曲线如图 下列叙述正确的是 a b d均为对数期 此时大肠杆菌的增殖方式为出芽生殖b c时期细胞内正在合成利用乳糖的酶 该调节方式为酶活性的调节 c 培养基中的葡萄糖和乳糖既是大肠杆菌的碳源 又是能源物质d 在只含乳糖的培养基中培养大肠杆菌 以b时期的大肠杆菌为菌种可缩短调整期 解析 选c b d均为对数期 此时期大肠杆菌的增殖方式仍是二分裂的裂殖 而并非出芽生殖 c时期细胞内正在合成利用乳糖的酶 这种酶是诱导酶 该调节方式为酶合成的调节 在只含乳糖的培养基中培养大肠杆菌 应以d时期的大肠杆菌为菌种 才可缩短调整期 发酵工程1 发酵工程流程 2 影响发酵过程的因素分析 1 温度 2 ph 影响酶的活性 影响生物合成的途径 影响发酵液的物理性质和菌种对营养物质的分解和吸收 影响酶活性 影响细胞膜的通透性 影响培养基中营养物质的分解 影响产物的合成 ph改变的原因 发酵工程中营养物质的利用 代谢产物的积累等 调整措施 添加缓冲液或在发酵过程中补加氨水 尿素 nh4 2co3 caco3等 调整措施 可调节通气量和搅拌速度 4 营养物质的浓度 c n的比值 无机盐 维生素等会影响菌体的生长和代谢产物的积累 3 溶氧 影响异养微生物的生长 繁殖与代谢 影响产物的合成 高考警示钟 菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同 通常通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度 进行分段控制 典例训练3 人造蛋白食品是现代生物工程的杰作之一 食用真菌蛋白是人造蛋白的一种 真菌蛋白的制造过程如图所示 请据图回答下列问题 1 往发酵罐内注入少量氨水的目的是 2 制造真菌蛋白时 要向发酵罐内注入空气 由此可以推知发酵罐中真菌的异化作用类型是 3 往发酵罐内添加的一切物品都要经过消毒 灭菌 其目的是 4 添加的糖被真菌利用 转化形成真菌蛋白 必须经过的生理过程是 5 从自然界分离出的真菌菌种 用于制造真菌蛋白时 真菌蛋白的产量较低 要获得较多的真菌蛋白 培育优质的真菌菌种可采用 等方法 解题指南 1 考查实质 本题考查发酵工程应用的相关知识 2 知识储备 1 微生物的生长需要水 无机盐 碳源 氮源和生长因子 含氮元素的化合物能为微生物提供氮源 2 发酵时要保持无菌操作 以避免杂菌的污染 3 大幅改良生物的性状需用诱变育种的方法 解析 1 如图所示 往发酵罐中注入少量的氨水 其主要目的是为该真菌提供生长所需的氮源 2 往发酵罐中通入无菌空气是为了给该真菌提供氧气 由此可以推测发酵罐中真菌的异化作用类型是需氧型 3 往发酵罐内添加的一切物品在进入之前一定都要经过消毒 灭菌 其目的是防止杂菌的污染 即防止杂菌与真菌间进行竞争 进而影响代谢产物的品质和数量 4 培养基内添加的糖被真菌利用后 在其体内经过氨基转换作用形成新的氨基酸 以新氨基酸为原料合成真菌蛋白 5 要培育出高产菌株 最常用的方法为人工诱变育种等 答案 1 满足真菌所需的氮源 2 需氧型 3 防止杂菌与真菌间的竞争 4 氨基转换作用 5 人工诱变育种 变式备选1 有关微生物和发酵工程的叙述中 正确的是 酶合成的调节增强了微生物对环境的适应能力 影响微生物生长的环境因素主要有 光 温度 水 氧气 ph 在基因工程中可用大肠杆菌作受体细胞 通过发酵工程可用来大量生产人的胰岛素 微生物的初级代谢产物具有物种的特异性 为了验证谷氨酸脱氢酶的化学本质 可以用双缩脲试剂 在发酵工程中要对培养基 发酵设备等进行严格灭菌a 是正确的b 是错的c 是正确的d 是错的 解析 选c 酶合成的调节增强了微生物对环境的适应能力 影响微生物生长的环境因素主要有 温度 氧气 ph 在基因工程中可用大肠杆菌作受体细胞 导入人的胰岛素基因 通过发酵工程可用来大量生产人的胰岛素 微生物的初级代谢产物是微生物生长繁殖必需的 不具有物种的特异性 验证谷氨酸脱氢酶的化学本质可以用双缩脲试剂 谷氨酸脱氢酶与双缩脲试剂反应呈紫色 在发酵工程中要对培养基 发酵设备等进行严格灭菌 防止感染杂菌得不到发酵产物 变式备选2 如图表示发酵罐中各种因素对谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸的影响 其中不正确的是 解析 选c 本题考查影响发酵工程的因素的相关知识 熟知发酵所用微生物的代谢类型 影响微生物新陈代谢的主要因素及影响的机理 是解题的关键 在最适温度和最适ph时 酶的活性最高 谷氨酸产生速率最大 高于或低于该值都会使酶活性降低 谷氨酸产生速率下降 谷氨酸棒状杆菌是好氧菌 在一定范围内随着溶氧量的增加 谷氨酸 初级代谢产物 的产生速率会随着该菌生长繁殖速率的加快而增加 当溶氧量增大到一定值时 由于受其他条件 如酶的数量与活性等 的限制 谷氨酸产生速率不可能继续增加 随时间的推移 谷氨酸的产生速率在最初阶段可能不断加快 当活菌数目达到最多 稳定期 时 谷氨酸产生总量会继续增加 但产生速率则不再加快 错因分析型实验 温度对谷氨酸棒状杆菌代谢产物合成量的影响 案例 如图为某细菌的生长曲线及a b两种代谢产物的积累曲线 请据图回答问题 绝大多数微生物最适生长温度为25 37 为了探究培养温度对谷氨酸棒状杆菌代谢产物 谷氨酸 合成量的影响 设计如下实验 在实验中有4处错误 分别标以 请依次分析错误原因 第一步 设定培养温度为28 29 30 第二步 将菌种接种到灭菌后的液体培养基中 分别在设置的温度条件下密闭 培养 第三步 在衰亡期 定时取样 分别测定谷氨酸合成量 记录结果并绘制曲线 实验结果预测及结论 若在30 培养条件下 谷氨酸合成量最大 则认为 30 为该细菌合成谷氨酸的最适培养温度 命题人透析 1 避免答成改错类实验 实验步骤中出现错误的题目 通常情况下的要求是改错 而本实验的要求是分析错误原因 不要将本实验当做改错类实验 2 确定最适温度时的实验分组 在确定最适温度时需根据温度范围设置温度梯度进行分组 确定温度梯度大小时需根据划定的温度范围 若温度范围较大 划定的温度范围应较大 本实验中温度梯度可以是1或2 3 根据曲线图确定取样时期 曲线图中细菌数目的变化可分为调整期 对数期 稳定期和衰亡期 在调整期就有代谢产物的形成 因此 取样应从调整期开始 标准答案 题目信息 最适生长温度为25 37 故应在此温度区间内选取梯度温度设置对照实验 谷氨酸棒状杆菌为异养需氧型细菌 故应通无菌空气 有利于其生长 从调整期至衰亡期均有谷氨酸产生 故应间隔均匀取样检测 虽然30 培养条件下 谷氨酸合成量最大 但最适培养温度可能在30 以上 如30 3 等 故实验温度还需细分后确定 阅卷人点评 得分要点 必须体现 在此温度区间内选取梯度温度设置对照实验 必须有 无菌空气 必须是 从调整期到衰亡期间隔均匀取样检测 设置的温度梯度中必须有大于30 的 失分案例 1 审题不清 题目要求对四处错误分析错误原因 因误理解成改正错误而出错 错答为 27 28 29 30 31 或 28 5 29 29 5 30 30 5 错答为 通入空气 错答为 对数期 或 稳定期 或 衰亡期 错答为 温度设置应更密集 2 回答问题语言不规范 对错误原因未分析透彻或表述不准确 不完整而失分 1 2012 城防港模拟 下列关于微生物代谢的说法中 不正确的是 a 微生物的代谢调节主要有酶合成的调节和酶活性的调节两种方式b 由于微生物表面积与体积的比很大 所以其代谢异常旺盛c 微生物的代谢产物不全部积累在细胞内d 诱导酶是微生物细胞内一直存在的酶 它们的合成只受遗传物质的控制 解析 选d 诱导酶是微生物受到诱导物的诱导作用产生的 并非微生物体内一直存在 它的产生要受到诱导物和遗传物质的共同控制 2 利用酵母菌发酵生产酒精时 投放的最适原料和产生酒精的阶段要控制的必要条件是 a 玉米粉和有氧b 大豆粉和有氧c 玉米粉和无氧d 大豆粉和无氧 解析 选c 酒精是酵母菌在无氧条件下分解淀粉等糖类物质的产物 玉米粉主要成分为淀粉 大豆粉主要成分为蛋白质和脂类 所以选c 3 下列物质均属于微生物的次级代谢产物的是 a 氨基酸 维生素 抗生素b 抗生素 毒素 色素c 多糖 核苷酸 维生素d 激素 维生素 色素 解析 选b 次级代谢产物是微生物生长到一定阶段产生的对微生物无明显生理功能 或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质 如抗生素 毒素 激素 色素等 4 下列有关发酵工程说法不正确的是 a 菌种的选育可采用细胞工程 基因工程等方法b 培养基的配方要经过反复试验才能确定c 发酵过程要严格控制温度 ph 溶氧 通气