高中生物第五章微生物与发酵工程复习 旧人教 选修

高中生物第五章微生物与发酵工程复习旧人教选修【本章知识结构及教学要求】
【本节教材教法分析】
第一节微生物的类群
微生物是指形体微小、结构简单、通常需要用光学显微镜或电子显微镜才能看清楚的生物。

微生物所包含的类群很大，约有10万种
1.细胞壁
（1）运用材料引导学生分析细胞壁的功能。

（保护和维持细胞形状）
材料一：将杆菌接入浓度为0.2 mol／L的蔗糖等渗溶液和盛有玻璃珠的三角烧瓶中，加以摇动，可使细胞壁破裂，细胞内容物流出。

材料二：将细菌用溶菌酶处理，除去细胞壁，并接入低渗溶液，无细胞壁的细胞膜就会破裂。

这是因吸水过多而胀破的。

（2）细胞壁的成分肽聚糖；是酶、抗生素作用的靶物质。

（示图：作用部位），造成缺壁，使细菌对渗透压十分敏感，并在抗生素治疗上有重要意义。

2.细胞膜
（1）如何证明细胞膜的存在？（质壁分离、选择性染色、原生质体破裂或电镜观察等方法）
（2）细胞膜功能：除了控制物质交换外，还是产能（光合与呼吸产生ATP）基地；许多酶附着的部位；
微生物
许多大分子合成的场所等。

通过基因工程的运载体引入，质粒的特点：是环状的DNA，上面含有抗药性，固氮、抗生素、细菌毒素产生的基因，它们中有的可作为标记基因，这是作为运载体的其中一个条件。

几种质粒可同时共存于同一个细菌内；
4．核糖体
链霉素等抗生素通常作用于核糖体从而抑制蛋白质的合成，但对人核糖体不起作用。

所以可用链霉素治疗由细菌引起的疾病。

5．细菌的特殊结构：
（1）芽孢：（示图）某些菌生长一定阶段，于营养细胞内形成一个内生孢子，是对不良有抗性的休眠体。

每一细胞仅形成一个芽孢，所以其没有繁殖功能。

形成芽孢属于细胞分化（形态发生）。

结构特点：（含水量低平均40%），壁致密，有极强的抗热、辐射、化学药物和静水压的能力，休眠力惊人。

研究意义：细菌鉴定中的一项重要形态指标；衡量各种消毒灭菌措施的主要指标。

例如，在发酵工业中，要以是否杀死在自然界中存在的耐热性最强的嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢为标准（讲发酵工程时打下基础）；在肉类原料上，肉毒梭菌灭毒不彻底，会产生极毒的肉毒毒素，其芽孢在PH7.0时在100℃煮沸5.0-9.5H才能杀灭。

（贴近学生生活）
（2）荚膜：某些细菌细胞壁外面覆盖着一层疏松透明粘性物质。

厚度不同，名称不同。

成分：90%以上为水，余为多糖（肽）。

功能：1）抵抗干燥；2）加强致病力，免受吞噬；3）堆积某些代谢废物；4）贮存物。

6.细菌的二分裂繁殖方式：（教学的难点）
细菌分裂时，菌细胞首先增大，染色体复制与平分。

质的分裂是随机的，或细胞中部的细胞膜由外向内陷，形成横隔。

同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细胞的胞壁；或革兰氏阴性菌无中介体，染色体直接连接在细胞膜上。

复制产生的新染色体则附着在邻近的一点上，在两点之间形成新的细胞膜，将两团染色体分离在两侧。

最后细胞壁沿横膈内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。

7.菌落：（示图，）。

强调其可以用于鉴定。

单个细胞的克隆
8.病毒
（1）结构：囊膜上的蛋白质是否决定病毒抗原特异性？囊膜的作用是什么？囊膜的成分与细胞膜或核膜的成分相同？
囊膜来自细胞膜或核膜，但已被病毒改造成具有其独特抗原特性的膜状结构，其上的蛋白质是病毒核酸在细胞内合成的，决定病毒抗原特异性，与衣壳粒同；寄生于寄主细胞中的核内的疱疹病毒其DNA在核内复制，其囊膜来自核膜。

（2）建议增加HIV（动物病毒的代表）的增殖：（图）
过程：吸附（刺突可以起吸附作用）→侵入（连同衣壳）→脱壳→合成→装配→释放
9.微生物比较表作为总结；
微生物比较表
第二节：微生物的营养、代谢和生长
一、微生物的营养
营养要素一表
1．碳源
（1）微生物的碳源谱很广,大大广于动植物
(2)不同种的微生物其具体碳源利用范围很悬殊
(3)异养微生物最适碳源是“C·H·O”型，糖类(尤其是单糖)，其次是醇类、有机酸、脂类
(4)异养微生物的碳源同时又是能源
（5）应用：利用某些微生物碳源的特殊性解决环境污染、粮食危机等问题。

①利用某些细菌、放线菌、酵母菌以石油作为碳源的原理，消除石油污染；
②运用某些细菌可以分解、利用氰化物、酚等有毒物质的原理处理有害物质；
③研究开发以纤维素、石油、二氧化碳等作为碳源和能源的工业微生物，解决工业发酵用粮与人们日常用粮的矛盾。

2．氮源
(1)微生物的氮源谱也很广,大大广于动物或植物的
(2)一般说来，异养微生物对氮源利用的顺序是：“N·C·H·O”或“N·C·H·O·X”类优于“N·H”类，更优于“N·O”类，而最不易被利用的则是“N”类
(3) 氨基酸自养型生物-----------绿色植物、很多微生物(尿素、铵盐、硝酸盐和氮气)
氨基酸异养型生物------------动物、大量异养微生物
(4)“N·C·H·O”类营养物常是异养微生物的能源、碳源兼氮源
（5）氨基酸自养型微生物利用：为了充实人及动物的氨基酸营养，除了继续向绿色植物索取外，今后要更多地利用氨基酸自养型的微生物，让它们将人或动物原先无法利用的廉价的尿素、铵盐、硝酸盐或大气中的氮转化成菌体蛋白(SCP及食用菌等)或含氮的代谢产物(谷氨酸和其他氨基酸等)，以丰富人类的食物资源。

3．生长因子
（1）概念：作用、化学本质、含量（微生物正常代谢必不可少；有机物；需要量一般很少。

）
（2）种类和来源（重点之一，见表格）
生长因子虽是一种重要的营养要素，但它与碳源、氮源和能源不同，并非任何一种微生物都须从外界吸收的。

各种微生物与生长因子的关系可分三类（见表格）
（3）问题：如何证明某种物质是某种微生物的生长因子？可以让学生讨论，训练学生实验设计能力。

（思路：在含碳源、氮源、水、无机盐但缺乏某种物质的培养基中培养微生物，微生物不能生长或生长极差，向培养基加入该种物质，微生物正常生长。

）
4．微生物营养类型的分类
5．依据微生物生长所需碳源物质的性质以及生长所需能源，将微生物的营养类型进行归纳，以此作为知识的归纳、巩固、深化
*还原态的NH4、NO2、S、H2S、H2、Fe等
6．微生物培养基的配制原则
(1)目的明确：何菌？不同微生物对C、N、PH生长因子的有无以及特殊成分的添加要求不同。

例子.何目的？作生产中的“种子”? (一般营养成分丰富些，尤其是N源的比例高些)发酵产物？（N源含量比种子培养基低一些）生产次级代谢产物还要考虑是否加入特殊元素。

例如，B12加Co。

（2）营养协调：注意各种营养物质的浓度和比例。

含量一般规律：水>C源+能源>N源>P、S> K、Mg>生长因子
尤其C/N（培养基中所含的C源中C原子的摩尔数/N源中N原子的摩尔数）影响代谢的方向（书上的例子）
（3）PH要适宜：不同的微生物适宜生长的PH范围不同。

放线菌7.5~8.5细菌6.5~7.5霉菌4.0~5.8酵母菌3.8~6.0
7．培养基的种类
(1)固体培养基：用于微生物的分离、鉴定
半固体培养基：用于观察微生物的运动、保藏菌种
液体培养基：用于工业生产
简介琼脂：由石花菜等海藻中提取加工制成，主要成分：多聚半乳糖的硫酸酯。

极难被生物所分解，无营养价值（仅起支撑作用），透明度好；粘着力强，耐加压。

广泛应用于微生物的分离培养、菌种鉴定和保藏 （2）
（3）
①下列材料可以以问题的形式出现，培养学生应用已学知识解决问题的能力。

加入青霉素的培养基：分离酵母菌、霉菌等真菌（抑制细菌、放线菌） 加入高浓度食盐的培养基：分离金黄色葡萄球菌（抑制多种细菌） 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
②着重原理和目的。

（选择培养基原理投其所好或取其所抗，达到富集的目的） 二、微生物的代谢
1．微生物代谢的特点：微生物代谢是指微生物细胞内所发生的全部化学反应。

教法建议：分析资料得出微生物代谢的特点：代谢异常旺盛，对物质的转化利用快 资料1.若干微生物和动物、植物组织的呼吸速率
资料2：发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000~10000倍的乳糖。

资料3：产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用牛强10万倍 探究其原因：微生物的表面积与体积比很大，有利于与外界环境进行物质交换。

2．微生物的代谢产物
微生物的代谢产物分为初级产物(合成不停；缺少不行；种类基本相同)和次级产物（种类不同；有无都行）大类。

根据化学成分分为：
合成培养基：用已知成分的化学物质配成
天然培养基：用成分不明确的天然物质配成，用于工业生产
拓展：
（1）毒素：细菌可产生内、外毒素，与细菌的致病性密切相关。

内毒素即革兰氏阴性菌细胞壁的脂多糖，其毒性成分为类脂A 。

菌体死亡崩解后释放出来。

外毒素是由革兰氏阳性菌及少数革兰氏阴性菌在生长代谢过程中释放至菌体外的蛋白质。

具有抗原性强、毒性强、作用特异性强的突出特点。

（2）色素：有些细菌能产生色素，对细菌的鉴别有一定意义。

细菌色素有两类：①水溶性色素，如绿脓杆菌产生的绿脓色素使培养基呈绿色。

②脂溶性色素，不溶于水，仅保持在菌落内使之呈色而培养基颜色不变，如金黄色葡萄球菌色素。

细菌色素的产生需一定条件（营养丰富、氧气充足、温度适宜），无光合作用，对细菌的功能尚不清。

（3）抗生素：某些微生物代谢过程中可产生一种能抑制或杀死某些微生物或癌细胞的物质，称抗生素。

抗生素多由放线菌和真菌产生。

3．微生物代谢的调节
教法：可以让学生自学，也可以教师讲解以下实例 实例1：大肠杆菌合成半乳糖苷酶的调节； 实例2：谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的调节
学生分析得出微生物代谢调节的两种主要方式：酶合成的调节和酶活性的调节。

师生共同总结下表
（1）把诱导酶与组成酶作一比较(举例；合成条件；存在时间)
（2）学生提出的问题：半糖苷酶为什么在葡萄糖和乳糖同时存在时不能合成？
酶合成调节有两种形式：诱导和阻遏。

葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成，称为葡萄糖效应---阻遏。

（3）酶合成的调节机制与第三章结合。

4．微生物代谢的人工控制 教法：
（1）以谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸为例，组织学生讨论如何解决上述矛盾？ 问题的焦点：如何使细胞内的谷氨酸不会抑制谷氨酸脱氢酶恬性？ 办法：改变细胞膜透性
控制细胞膜透性的方法（为第三节发酵工程作一铺垫）： ①通过生理学手段控制细胞膜的渗透性（培养条件控制）
在谷氨酸发酵生产中，生物素（维生素的一种，在肝、肾、酵母和牛奶中含量较多）的浓度对谷氨酸
措 施
改变微生物的遗传特性：例如诱变处理 控制发酵条件：例如改变细胞膜的透性
的积累有明显的影响，只有把谷氨酸的浓度控制在亚适量情况下，才能分泌出大量的谷氨酸（其原理是其含量可以改变细胞膜的成分，进而改变膜的透性和影响谷氨酸的分泌。

）
生物素对谷氨酸产量的影响
②细胞膜缺损突变株的应用：通过细胞膜缺损突变控制其渗透性：例如，油酸缺陷型菌株：油酸是细菌细胞膜磷脂中的重要脂肪酸，因为不能合成油酸使细胞膜缺损，在限量添 加油酸的培养基中，因细胞膜发生渗漏提高谷氨酸产量。

（诱变育种）； （3）氧、温度、PH 和磷酸盐的调节和控制（表见教师参考用书P77）
（4）学习黄色短杆菌合成赖氨酸的途径及代谢调节过程。

由苏氨酸、赖氨酸共同积累过量会抑制天冬氨酸激酶的活性，而赖氨酸单独过量不会出现抑制的代谢特点引导学生逐步推理，最后落脚点是：通过诱变育种选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种作为工业微生物，达到大量生产赖氨酸的目的。

总结人工控制微生物代谢的措施
5．发酵的概念与分类
概念：发酵是指通过微生物的培养大量产生各种代谢产物的过程 发酵分类：
三、微生物的生长
1．如何测定？（请参考教师教学用书） 2．微生物群体生长的规律
典型的生长曲线分为4个时期（参考问题如下）：
措 施
改变微生物的遗传特性：例如诱变处理
控制发酵条件：例如改变细胞膜的透性；影响代谢方向
厌氧发酵：如酒精发酵、乳酸发酵 需氧发酵：如抗生素发酵、氨基酸发酵
据产物分 固体发酵 液体发酵
（1）调整期的特点是什么？如何缩短？
（2）对数期有何特点？处于此期的微生物有何实际应用？
（3）稳定期有何特点？为什么在对数期后，如果不创造特殊条件，就必然进入稳定期？
在工业发酵过程，需要延长稳定期，以提高代谢产物的产量。

如何解决？学生讨论。

连续培养法：一方面以一定的速度流进新鲜培养基，并立即搅拌均匀，一方面利用溢流的方式，以同样的流速不断流出培养物，这样，培养物就达到平衡。

问题：连续培养有无时间限制？
（菌种易于退化：长期处于高速繁殖下的微生物，即使其自发突变率极低，也无法避免变异的发生，尤其发生比原来生产菌株生长速率高、营养要求低、代谢产物少的类型；易遭杂菌污染：在长期的运转中，保持各种设备无渗漏，尤其是通气系统不出任何故障，是极其困难的，所以，有时间限制，一般可以达到数
月至1、2年。

此外，在连续培养中，营养物的利用率一般低于单批培养。

3．影响微生物生长的环境因素
（1）充足的营养：
（2）适宜的温度：
注意：对同一微生物，其不同的生理生化过程有着不同的最适温度，即最适生长温度不等于累积代谢产物最高时的温度。

在最适生长温度范围内，其生长速率随温度上生加快。

（影响对数期的因素之一）
各类细菌对温度的要求不同，可分为嗜冷菌，最适生长温度为（10℃～20℃）；嗜温菌，20℃～40℃;嗜热菌，在高至56℃～60℃生长最好。

病原菌均为嗜温菌，最适温度为人体的体温，即37℃，故实验室一般采用37℃培养细菌。

有些嗜温菌低温下也可生长繁殖，如5℃冰箱内，金黄色葡萄球菌缓慢生长释放毒素，故食用过夜冰箱冷存食物，可致食物中毒。

（3）合适的酸碱度：细菌为6.5－7.5；真菌为5.0－6.0。

多数病原菌最适PH为中性或弱碱性（pH7.2～7.6）。

问题：
为什么微生物在生长繁殖过程中会引起培养基PH的改变？
（代谢产生有机酸；N源的利用产生氨；微生物对无机盐的选择性吸收等原因。

为什么要调节？（PH变化影响细菌正常生长；影响代谢的方向。

）
如何调节？
①培养基中应加入缓冲剂，保持PH稳定。

例如：磷酸缓冲液的方式，调节K2HPO4和）KH2PO4的浓度比可以获得从pH6.0～7.6的一系列稳定的pH，当两者为等摩尔浓度比时，pH可稳定在pH6.8。

K2HPO4 + HCl →KH2PO4 + KCl
KH2PO4 +KOH→ K2HPO4+H2O
②在发酵过程中加酸（HCl 、H2SO4）或碱（NaOH、Na2CO3）或加适当C源（糖、乳酸）N源（尿素、NH4OH、蛋白质）
注意：对同一微生物，其不同的生理生化过程有着不同的最适pH。

例如，丙酮丁醇梭菌在pH5.5~7.0范围，以菌体生长繁殖为主，pH4.3~5.3 范围才进行丙酮丁醇发酵。

(4)氧气：
第三节发酵工程简介
一、应用发酵工程的生产实例―－谷氨酸发酵
常用菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌。

培养基液体培养基
原料：豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸二氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素发酵过程罐连续培养
控制条件：温度、PH值、溶氧、搅拌速度
二、一般流程：
三、应用
1．医药工业：(1)直接生产多种药品，如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸
(2)与基因工程和细胞工程结合来生产药品，如：人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子等。

2.食品工业： (1)使传统的发酵产品质量和产量得到提高
(2)生产各种食品添加剂，如：酸味剂(L-苹果酸、柠檬酸、乳酸)、鲜味剂(肌苷酸、谷氨酸)、色素(红曲素、β-胡萝卜素)、甜味剂(高果糖浆、甜菜糖)。

(3)解决粮食问题的重要途径，如生产单细胞蛋白。

教法：涉及的知识有：菌种的选育；谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸代谢调节；培养基的种类及其选择；培养基的配制；微生物生长需要的条件和条件的控制；接种菌龄的选择；等等。

让学生为谷氨酸发酵设计发酵流程，并说明原因。

例如，选种问题？培养基的选择（液体？）和配制问题？
以问题的形式，把已学知识和现实问题结合起来。

问题：
谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径；
选用什么样的培养基？培养基各成分的作用（6大营养要素）？
发酵的主体设备的作用？设备中的这些控制部分在生产过程中有什么用呢？
发酵条件的控制？（温度：30-37℃通过冷却水的进出控制温度；pH：7-8 通过添加尿素控制pH （注意C/N）；溶氧：通入无菌空气）
发酵过程是怎样的？
谷氨酸的提取和加工？
师生共同总结出大致过程。

发酵工程内容
1．菌种的选育
问题：人们怎样才能得到优良的菌种呢？
以谷氨酸发酵（基因突变）、人的胰岛素（基因工程）、单克隆抗体（细胞工程）有关内容为依托进行讨论。

扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。

扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？
（扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。

例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。

而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。

）
3．发酵过程的控制（略）
问题：发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？（复习）
出示影响谷氨酸代谢途径的因素表格，讨论
4．发酵工程的应用
拓展：5．发酵工程应用
（1）能源工业。

经济的高速发展加速了世界各国对能源需求，而目前利用的能源不仅污染重而且终将枯竭，而有些微生物则可发酵生产再生性能源和新能源。

酒精是石油很好的替代品，而利用酵母发酵生产酒精技术已相当成熟。

人类未来最合适的能源是氢，其高能和“绿色”无人能比。

而某些海洋光合细菌（如假单细胞）能利用玉米甚至制糖厂、造纸厂的废液直接发酵放氢，这方面研究一旦突破其效益是不可估量的。

（2）环保。

目前环境问题日益受到关注，且成为阻碍经济发展的障碍。

工业化时代的大生产中产生的废物是不可避免的。

用一般的物理化学方法难以彻底处理。

但是微生物对污染物有惊人的降解能力。

利用微生物发酵是污染控制研究中最活跃领域。

如上提到利用酵母发酵亚硫酸纸浆废液即是一个很好的例子。

6．发酵工程的发展依赖于技术的进步
厌氧发酵技术→深层通气技术→代谢控制发酵技术→定向育种→综合技术自动控制
7．微生物的地位：
第四节酶工程简介（选学）
一、酶制剂的生产
概念：酶制剂是指含有酶的制品，可以分为两类。

液体：如胃蛋白酶液(治疗某些胃病)。

固体：如加酶洗衣粉中的蛋白酶和脂肪酶。

酶的提取：
早期：从动植物组织和器官中提取(如从胰脏中提取蛋白酶，从麦芽中提取淀粉酶)。

目前：大多数来自微生物。

分离和纯化
制成酶制剂：在纯化后的酶中加入适量的稳定剂和填充剂。

固定化酶：将酶固定到一定载体上，以便以催化反应结束后能将酶回收。

二、酶制剂的应用
治疗疾病：如溶菌酶因其能分解病原菌的细胞壁，具有抗菌和消炎作用。

尿激酶可用于治疗血栓病加工生产产品：
食品加工：利用果胶酶来澄清果酒和果汁；木瓜酶制成嫩肉粉。

药品生产：，生产出氨苄青霉素。

化验诊断和水质监测：如：尿糖试纸、血糖快速测试仪、多酚氧化酶传感器(用于水质监测)
生物工程其他分支领域：如：限制性内切酶、DNA连接酶、纤维素酶等
三、生物工程各分支领域的关系
用大肠杆菌通过发酵工程生产人的胰岛素的过程为例，展开讨论。