2025年大学《生物技术》专业题库- 环境微生物资源的开发利用

2025年大学《生物技术》专业题库——环境微生物资源的开发利用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题5分，共30分）1.简述从土壤环境中筛选高效降解石油烃的细菌时应考虑哪些关键因素？2.比较平板划线法和稀释涂布法在微生物分离纯化中的原理和适用场景。3.简述基因工程改造微生物用于提高有机酸产量的基本思路和关键步骤。4.列举三种不同环境微生物资源在环境保护领域的应用实例，并简述其作用机制。5.简述固定化酶技术在利用微生物代谢产物方面的优势。6.阐述微生物在生物修复受重金属污染土壤过程中的作用及其面临的挑战。二、论述题（每题10分，共40分）1.论述微生物基因组测序技术在环境微生物资源开发利用中的重要性及应用。2.结合具体实例，论述代谢工程在改良微生物发酵性能、提高目标产物产量方面的作用。3.论述将环境微生物资源开发利用技术应用于生物能源生产的前景和面临的挑战。4.论述在利用环境微生物进行生物修复时，需要注意哪些生态安全相关问题？三、实验设计题（20分）设计一个实验方案，从当地污水处理厂活性污泥中筛选能够高效降解水中苯酚的细菌。请详细说明实验步骤，包括样品处理、筛选方法、纯化步骤以及初步鉴定方法。试卷答案一、简答题1.答案：(1)选择目标生境中石油烃污染较严重的区域取样；(2)设计针对石油烃降解相关酶（如脂肪酶、酯酶）或代谢途径的关键基因的选择性培养条件或筛选培养基；(3)考虑微生物对特定石油烃组分（如链长、支链）的降解能力；(4)考虑微生物的生长速率、代谢效率和环境适应性（如耐油性、耐盐性、耐温性等）；(5)考虑筛选菌株的安全性，避免引入外来物种或产生耐药性。解析思路：考察对环境微生物筛选策略的理解。筛选高效降解石油烃的细菌需要结合石油烃污染的实际环境，并利用其代谢特征进行定向选择。这涉及到样品来源的选择、筛选培养基的设计（基于功能或选择性）、目标降解物的考虑、菌株自身生理生化特性的评估以及生态安全性的考量。2.答案：(1)原理：平板划线法通过接种环在琼脂表面进行多次划线，利用接种物浓度逐渐稀释，使细菌在划线过程中逐渐分散，最终获得单个菌落；稀释涂布法通过将样品进行系列稀释后，取一定体积的稀释液均匀涂布在琼脂表面，每个稀释度的菌体在接触琼脂后分散成单个细胞，生长后形成单个菌落。适用场景：平板划线法主要用于已经获得一定浓度微生物悬液时的初步分离和纯化，操作相对简便；稀释涂布法适用于样品初始浓度较高，需要获得大量单菌落，或对稀释过程有特定要求的情况。解析思路：考察对两种基本微生物分离纯化技术的原理和适用性的掌握。需要清晰阐述两种方法的操作差异如何导致微生物分散，并说明各自的优势和适用范围。3.答案：(1)思路：利用基因工程手段，筛选或改造与目标有机酸合成相关的关键基因（如调节基因、结构基因），通过过表达、下调或基因敲除等策略，改变微生物的代谢流向或酶活性，从而提高目标有机酸的产量。关键步骤：获取目标微生物基因组或转录组信息；筛选关键调控基因或结构基因；构建基因工程表达载体；转化或转染宿主微生物；筛选阳性克隆并进行验证；优化发酵条件；提取纯化目标产物。解析思路：考察对代谢工程改造微生物的基本原理和流程的理解。需要从代谢网络改造的角度阐述提高产量的途径，并按照基因工程的基本操作步骤进行描述。4.答案：(1)生物修复：利用高效降解菌株处理有机污染物，如利用假单胞菌属、芽孢杆菌属等微生物降解土壤中的多环芳烃（PAHs）或农药残留；(2)生物脱硫：利用硫氧化细菌（如硫杆菌属）或硫还原细菌去除燃煤或石油中的硫化物，减少硫化物排放；(3)重金属固定/富集：利用某些微生物（如假单胞菌属、芽孢杆菌属）的细胞壁或代谢产物吸附、沉淀或转化为低毒性形态，固定土壤中的重金属（如镉、铅、砷），或利用植物-微生物共生体系将重金属从土壤中提取到植物体内（phytoextraction）。作用机制：主要包括生物降解（分解有机物）、生物转化（改变化学性质）、生物吸附（物理或化学吸附）、离子交换（交换重金属离子）、沉淀（与微生物代谢物反应生成沉淀物）、生物积累（在细胞内富集）等。解析思路：考察对微生物在环境保护中具体应用实例的了解，并能解释其基本作用机制。需要列举不同类型的污染治理实例，并说明微生物发挥作用的生物学过程。5.答案：(1)提高产物得率和纯度：酶固定后，可以重复使用，减少酶的损失，提高产物浓度；固定化酶通常具有更高的热稳定性和pH稳定性，拓宽了反应条件范围，有利于提高产物得率；固定化状态可以更容易地与底物分离，简化产物纯化过程。解析思路：考察对固定化酶技术优势的理解。重点在于与传统游离酶相比，固定化酶在反应效率、稳定性以及下游处理方面的优越性。6.答案：(1)作用：微生物通过代谢活动将有毒重金属转化为毒性较低的形态（如溶解性降低、不易被植物吸收的形态），或通过物理吸附、离子交换等方式将重金属吸附固定在细胞表面或从环境中去除，从而降低土壤中重金属的毒性，改善土壤环境质量。挑战：(1)重金属对微生物的毒性作用，可能抑制微生物生长和代谢活性；(2)部分重金属难以降解，或降解产物仍具毒性；(3)重金属可能诱导微生物产生抗性基因，存在生态风险；(4)修复效率受环境条件（如pH、Eh、有机质含量）影响较大；(5)难以实现重金属的完全去除，可能存在二次污染风险。解析思路：考察对微生物生物修复重金属污染原理和实际挑战的认识。需要说明微生物修复的基本机制，并列举实际应用中遇到的主要障碍和潜在风险。二、论述题1.答案：(1)重要性：基因组测序提供了微生物遗传信息的“蓝图”，有助于深入了解微生物的遗传背景、生理功能、代谢网络和生态适应性，为环境微生物资源的发掘、利用和保藏提供基础；(2)应用：可用于快速鉴定未知环境微生物，构建环境微生物群落基因图谱，发现新的功能基因和代谢途径，为筛选特定功能微生物或改造微生物性能提供依据，指导环境微生物资源的合理开发和应用，如用于生物修复、生物能源、生物农药等领域。解析思路：考察对基因组测序技术在环境微生物研究中的价值的理解。需要从提供遗传信息、揭示功能潜力、指导实际应用等多个层面论述其重要性，并结合具体应用场景进行说明。2.答案：(1)代谢工程通过基因工程技术手段，对目标微生物的基因组进行修饰和改造，以优化其代谢途径，提高目标产物（如有机酸、氨基酸、抗生素、生物能源前体等）的产量、改善产品质量或赋予其新的功能。其作用体现在：通过引入外源基因、敲除负面调控基因、过表达关键酶基因、改造关键酶活性或调控蛋白，可以改变微生物的代谢流向，将更多的碳源和能量流向目标产物合成途径；可以增强关键酶的表达水平和稳定性，提高代谢速率；可以构建多酶体系或优化酶的空间结构，提高催化效率和产物特异性；可以克服代谢瓶颈，解除反馈抑制，提高目标产物的最终产量。解析思路：考察对代谢工程核心概念和作用机制的深入理解。需要阐述代谢工程改造微生物的具体策略，并详细说明这些策略如何影响微生物的代谢网络，最终达到提高目标产物产量或改善性能的目的。3.答案：(1)前景：利用环境微生物资源开发生物能源具有巨大潜力。环境中蕴藏着丰富的微生物资源，特别是来自极端环境（如高温、高压、高盐）的微生物，其代谢途径往往独特，可用于高效降解废弃物、转化非粮原料为生物燃料（如乙醇、丁醇、氢气、甲烷），或用于生产生物基化学品和材料，有助于实现能源可持续发展和碳减排。挑战：(1)环境中功能微生物的筛选和高效培养技术仍需完善，特别是对于生长缓慢或培养条件苛刻的微生物；(2)微生物发酵过程的效率、产物分离纯化的成本和技术有待提高；(3)生物能源转化过程的动力学和反应工程学研究不足；(4)生物能源的规模化生产和成本控制是商业化应用的关键；(5)部分生物能源（如生物乙醇）与粮食生产的竞争问题。解析思路：考察对环境微生物资源在生物能源领域应用前景和挑战的辩证思考。需要既看到其发展潜力，也要认识到当前面临的技术、经济和伦理等方面的挑战。4.答案：(1)生态安全相关问题：在利用环境微生物进行生物修复时，需要注意：(1)外来物种引入风险：引入的非本地微生物可能在新的环境中过度繁殖，排挤本地物种，破坏生态平衡；(2)基因转移风险：转基因微生物可能通过水平基因转移将抗性基因等有害基因传递给环境中其他微生物，产生生态风险；(3)产生新的污染物：微生物代谢活动可能产生新的、未知的或更毒的副产物；(4)长期效果不确定性：生物修复的长期效果、对生态系统功能的潜在影响尚不完全清楚；(5)效果的可控性和稳定性：微生物的生长和活性受环境条件影响，修复效果可能不稳定；(6)监测和评估：需要建立完善的监测和评估体系，以跟踪修复过程，及时发现和应对潜在风险。解析思路：考察对生物修复技术应用中生态安全问题的关注程度。需要识别并阐述使用环境微生物（尤其是基因工程改造微生物）进行生物修复可能带来的潜在生态风险，并强调风险评估和监测的重要性。三、实验设计题答案：实验目的：从当地污水处理厂活性污泥中筛选能够高效降解水中苯酚的细菌。实验原理：利用苯酚作为唯一碳源和能源的选择性培养方法，结合平板分离和纯化技术，从活性污泥样品中分离得到能够生长的苯酚降解菌。通过初步的生理生化特性测试和/或分子生物学方法进行鉴定。实验步骤：1.样品采集与处理：采集污水处理厂活性污泥样品，置于无菌容器中。取适量样品，用无菌水进行系列稀释（如10^-1至10^-6）。取不同稀释度的样品，分别接种于含有适当营养盐（如NaNO₃,MgSO₄,K₂HPO₄,FeSO₄等）的液体培养基中。2.选择性培养：将接种了样品的液体培养基置于适宜温度（如30°C）下培养（如3-5天）。同时设置不加样品的空白培养基作为对照。在培养过程中，定期向培养液中补充苯酚，维持其浓度在适宜范围（如50-200mg/L），以抑制非降解菌的生长，并确保苯酚作为唯一碳源。也可使用含有苯酚作为唯一碳源和能源的固体选择培养基（如在NA或LB培养基中添加苯酚）进行初筛。3.平板划线分离：取对数生长期的苯酚降解菌液体培养物，采用平板划线法（如四区划线）在固体选择培养基上进行多次划线，逐步稀释细菌，直至获得单个菌落。4.纯化：将获得的单个菌落反复进行平板划线，直至获得纯培养物。将纯培养物接种于液体选择培养基中，进行增殖，用于后续实验或保藏。5.初步鉴定：*生理生化特性测试：对纯培养物进行一系列生理生化特性测试，如革兰氏染色、运动性、氧化酶试验、接触酶试验、对常用染料的降解能力（如亚甲基蓝、刚果红）等初步鉴定，以了解菌株的基本特征。*分子生物学鉴定（可选但推荐）：提取纯培养物的基因组DNA，PCR扩增16SrRNA基因片段，进行测序。将测序结果与公共数据库（如