微生物與發(fā)酵工程含生物固氮課件

考點一微生物與發(fā)酵工程考點解讀1.微生物的類群(細菌、病毒)2．微生物的營養(yǎng)(營養(yǎng)物質(zhì)及作用，培養(yǎng)基配制原則及種類)3．微生物的代謝(代謝產(chǎn)物，代謝調(diào)節(jié)與控制)4．微生物的生長(群體生長規(guī)律及影響因素)5．發(fā)酵工程簡介(發(fā)酵工程內(nèi)容、應用及實例)(2)將少量細菌接種到一定體積的液體培養(yǎng)基中，適宜條件下培養(yǎng)，定時取樣測定菌體數(shù)目，以時間為橫坐標，以菌體數(shù)目的對數(shù)為縱坐標，可以得到細菌的________曲線。該曲線中以菌體數(shù)目的對數(shù)作為縱坐標的原因是__________________________________________________________。實驗室中，為了獲得形態(tài)和生理特征一致的菌體，一般應在________期取材；在生產(chǎn)中，常收集培養(yǎng)至________期的細菌用于次級代謝產(chǎn)物的提取。[解析]本題主要考查微生物的營養(yǎng)、培養(yǎng)基的分類、微生物的代謝類型及細菌的生長規(guī)律等知識，意在考查理解能力、獲取信息的能力和綜合運用能力。(1)由所給培養(yǎng)基的組成成分及教材相關(guān)知識可知：凝固劑是瓊脂，碳源是葡萄糖，氮源為尿素。由于這種培養(yǎng)基只有能合成脲酶的細菌才能生長，因此，該培養(yǎng)基屬于選擇培養(yǎng)基；由于其化學成分清楚，屬于合成培養(yǎng)基；由于細菌所用碳源為有機碳源，因此，所培養(yǎng)的細菌為異養(yǎng)型。(2)通過題中操作所得曲線為細菌的生長曲線。在細菌的生長曲線中，對數(shù)期菌體的形態(tài)和生理特征一致；穩(wěn)定期菌體的次級代謝產(chǎn)物相對較多，生產(chǎn)中，常收集培養(yǎng)至穩(wěn)定期的細菌，用于提取次級代謝產(chǎn)物。[答案](1)瓊脂葡萄糖尿素選擇合成異養(yǎng)型(2)生長培養(yǎng)中的細菌以指數(shù)形式增殖，取對數(shù)便于反映細菌群體的生長規(guī)律(其他合理答案也給可)對數(shù)穩(wěn)定1．比較選擇培養(yǎng)基與鑒別培養(yǎng)基種類制備方法原理用途舉例選擇培養(yǎng)基①加入某種物質(zhì)②改變營養(yǎng)成分③除去某種物質(zhì)依據(jù)某些微生物代謝特點及對某些物質(zhì)的抗性而設(shè)計從眾多微生物中分離所需的微生物加入青霉素分離得到酵母菌和霉菌種類制備方法原理用途舉例鑒別培養(yǎng)基培養(yǎng)基中加入某種試劑或化學藥品依據(jù)微生物產(chǎn)生的某種代謝產(chǎn)物與培養(yǎng)基中特定試劑或化學藥品反應，產(chǎn)生明顯的特征變化而設(shè)計鑒別不同種類的微生物伊紅和美藍培養(yǎng)基可以鑒別大腸桿菌2．比較初級代謝產(chǎn)物與次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)物名稱產(chǎn)生時間作用分布種的特異性舉例相同點初級代謝產(chǎn)物不停地合成生長繁殖所必需細胞內(nèi)無氨基酸、核苷酸、多糖、脂質(zhì)等都在微生物細胞調(diào)節(jié)下有步驟地產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物生長后期對自身無明顯生理作用細胞內(nèi)或細胞外有抗生素、毒素、激素、色素等調(diào)節(jié)方式比較項目酶合成調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)特點較緩慢快速、精細意義既保證了代謝的需要，又避免了細胞內(nèi)物質(zhì)和能量的浪費，增強了微生物對環(huán)境的適應能力不會積累大量的代謝產(chǎn)物，保證各種代謝經(jīng)濟而高效地進行舉例大腸桿菌乳糖代謝中半乳糖苷酶的合成谷氨酸生產(chǎn)過程中，大量谷氨酸的積累抑制谷氨酸脫氫酶的活性4．微生物群體生長規(guī)律微生物在各個時期的規(guī)律和特點如下：細菌的生長曲線特點不立即繁殖(增長率最小)繁殖速率快，以等比數(shù)列的形成增加(增長率最大)增長率為0，活菌數(shù)量最大，大量積累代謝產(chǎn)物增長率小于0，活菌數(shù)目急劇下降形成原因?qū)π颅h(huán)境的短暫調(diào)節(jié)或適應生存條件(空間、營養(yǎng)等)適宜生存條件(空間縮小、營養(yǎng)消耗等)惡化，種內(nèi)斗爭加劇生存條件極度惡化。與無機環(huán)境的斗爭最為激烈菌體特征體積增長較快形態(tài)、生理特征穩(wěn)定某些細菌開始出現(xiàn)芽孢出現(xiàn)多種形態(tài)甚至畸形，有些細胞開始解體考點二生物固氮考點解讀1.共生固氮微生物與自生固氮微生物2．生物固氮的意義3．生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用2．(全國卷Ⅱ)根瘤菌是一種固氮微生物，其生物學特征之一是()A．在土壤中獨立生活時能夠固氮B．需氧的異養(yǎng)細菌C．所需能量由自身的線粒體提供D．單細胞真核生物[解析]根瘤菌的新陳代謝類型為異養(yǎng)需氧型，根瘤菌只有侵入到豆科植物的根內(nèi)才能進行生物固氮，在土壤中獨立生活時不能夠固氮。根瘤菌屬于單細胞原核生物，并沒有線粒體。[答案]B(2)生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用①根瘤菌拌種豆科作物，可增產(chǎn)10%～20%；②用豆科植物作綠肥，增加土壤含氮量；③新鮮的豆科植物飼料飼養(yǎng)家畜，其糞便還田肥沃土壤，提高作物、畜產(chǎn)品產(chǎn)量。④制作圓褐固氮菌菌劑施至土壤，為作物提供氮肥和生長素。2．氮循環(huán)示意圖3．氮循環(huán)中幾種微生物的特殊作用及其在生態(tài)系統(tǒng)中的地位辨析在氮循環(huán)中的作用代謝類型在生態(tài)系統(tǒng)中的地位根瘤菌將N2合成NH3異養(yǎng)需氧型消費者圓褐固氮菌將N2合成NH3異養(yǎng)需氧型分解者細菌、真菌將生物遺體中的含氮化合物轉(zhuǎn)化為氨異養(yǎng)需氧型分解者硝化細菌將土壤中的氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽自養(yǎng)需氧型生產(chǎn)者反硝化細菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2異養(yǎng)厭氧型分解者熱點一微生物的營養(yǎng)、代謝與生長熱點指數(shù)★★★★★命題點本熱點內(nèi)容包括微生物的類群、微生物所需的營養(yǎng)、微生物代謝及調(diào)節(jié)、微生物群體生長規(guī)律命題角度以上內(nèi)容在歷年高考中一向為考查重點之一，近年高考更多地以非選擇題形式呈現(xiàn)對微生物代謝與生長規(guī)律的考查，多把微生物的結(jié)構(gòu)、代謝特點與環(huán)境問題相聯(lián)系創(chuàng)設(shè)新情境，考查對“微生物在環(huán)境保護等方面的應用”這方面知識的理解和掌握[解析]本題考查培養(yǎng)基的滅菌、微生物的特點及營養(yǎng)和免疫等相關(guān)知識，意在考查對知識的理解能力、應用能力和實驗分析、設(shè)計能力。①培養(yǎng)基應用高壓蒸汽法進行滅菌。炭疽桿菌同化類型為異養(yǎng)型，應選有機碳作為其碳源。②微生物個體小，肉眼觀察不到，必須借助顯微鏡才能觀察到菌體特征。③在液體培養(yǎng)基中，細菌大量繁殖會導致培養(yǎng)液變渾濁；該實驗中實驗變量為是否加入噬菌體，所以對照組除不加噬菌體外，其他處理都應該和實驗組保持一致(即應加入不含噬菌體的生理鹽水)。噬菌體可破壞細菌細胞，從而使培養(yǎng)液變清。④在特異性免疫的感應階段，吞噬細胞參與了抗原的呈遞，效應B細胞是直接產(chǎn)生抗體的細胞。[答案](2)①高壓蒸汽(98kPa蒸汽)有機碳②顯微鏡③細菌大量繁殖等量生理鹽水低④吞噬細胞、效應B細胞“種群數(shù)量增長曲線”與“微生物群體生長曲線”的區(qū)別及聯(lián)系(1)曲線圖示(2)圖示表解種群數(shù)量增長曲線微生物群體生長曲線區(qū)別研究內(nèi)容只研究種群數(shù)量增長階段的變化規(guī)律研究微生物從生長到死亡整個生命周期的數(shù)量變化規(guī)律縱軸含義種群的實際數(shù)量微生物數(shù)目的對數(shù)，不代表實際數(shù)量種群數(shù)量增長曲線微生物群體生長曲線聯(lián)系①“J”型曲線無K值但也有調(diào)整期和對數(shù)期，微生物群體生長曲線的調(diào)整期和對數(shù)期符合“J”型曲線②“S”型曲線也可分為三個階段：對環(huán)境的適應期、快速增長期、數(shù)目穩(wěn)定期，曲線總體趨勢與微生物生長曲線的調(diào)整期、對數(shù)期和穩(wěn)定期相一致1．如圖為某細菌培養(yǎng)過程中的增長率曲線，a、b、c代表不同的時刻，下列有關(guān)敘述中不正確的是()A．組成酶在每個時期都相同B．0～a段可以看做是“J”型增長C．b時刻細胞內(nèi)可能大量積累次級代謝產(chǎn)物D．連續(xù)培養(yǎng)的目的主要是為了延長a～b段時間.解析：組成酶是細菌中固有的，只受遺傳物質(zhì)控制，與環(huán)境中物質(zhì)無關(guān)；0～a段是細菌剛剛接種到培養(yǎng)基中，空間、資源等生活條件充裕，所以會出現(xiàn)近似“J”型的增長；圖中b時刻細菌死亡率和繁殖率相等，代表進入穩(wěn)定期，此時活菌數(shù)目達到最大，細胞內(nèi)積累大量代謝產(chǎn)物，尤其是次級代謝產(chǎn)物；a～b段代表穩(wěn)定期前的時期，而連續(xù)培養(yǎng)有助于延長穩(wěn)定期。答案：D熱點二發(fā)酵工程及其應用熱點指數(shù)★★★★命題點本熱點內(nèi)容包括發(fā)酵工程的內(nèi)涵，發(fā)酵工程幾個重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵條件的控制及發(fā)酵工程應用實例命題角度近年高考多以選擇題形式考查發(fā)酵工程重要環(huán)節(jié)、發(fā)酵條件的控制等，也可通過與微生物代謝與調(diào)節(jié)相結(jié)合的模式考查發(fā)酵工程的應用及產(chǎn)品的分離與提純[例2]用某種培養(yǎng)基培養(yǎng)谷氨酸棒狀桿菌，測得其生長曲線如圖A所示；谷氨酸是谷氨酸棒狀桿菌的代謝產(chǎn)物之一，其合成途徑如圖B所示；圖C為生產(chǎn)谷氨酸的發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。請據(jù)此回答下列相關(guān)問題：(1)要得到圖A所示生長曲線，該培養(yǎng)基應是____________，含有水、無機鹽、碳源、________、________五大類營養(yǎng)要素物質(zhì)。(2)圖A中①是________期，為了縮短該期，可采取的措施是________________________。(3)谷氨酸在圖A中的________(填標號)時期都有合成。(4)由圖B可知，當谷氨酸的合成過量時，就會抑制谷氨酸脫氫酶的活性，酶活性發(fā)生改變的原因是________________________________。(5)圖C中④⑥處是發(fā)酵罐夾層中水的進出口，水在發(fā)酵罐夾層流動的作用是________________________。(6)谷氨酸發(fā)酵液的pH應控制在7～8范圍內(nèi)，隨著代謝產(chǎn)物的積累，發(fā)酵液的pH變化趨勢是________________，控制的辦法是________________________。[解析]首先要識別不同圖形所代表的生物學含義和過程。微生物生長曲線是在容積恒定的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物時得到的，即微生物生長繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)、生存空間是有限的。生長曲線包括①調(diào)整期、②對數(shù)期、③穩(wěn)定期、④衰亡期，通常采用加大接種量和使用對數(shù)期菌種的方法縮短調(diào)整期，在發(fā)酵工程中通常采用連續(xù)培養(yǎng)的方法，縮短培養(yǎng)周期。谷氨酸屬于初級代謝產(chǎn)物，在微生物的一生中都必須不停地合成，否則就會影響微生物的正常生命活動。冷卻水的作用是降低發(fā)酵罐和培養(yǎng)液的溫度，使其維持在微生物代謝適宜的溫度范圍之內(nèi)。由于谷氨酸棒狀桿菌的呼吸作用會產(chǎn)生CO2，使培養(yǎng)液pH下降，可向培養(yǎng)液中添加氨水，既可作為氮源，又能調(diào)節(jié)pH。[答案](1)容積恒定的液體培養(yǎng)基氮源生長因子(2)調(diào)整加大接種量和使用對數(shù)期菌種(3)①②③④(4)代謝產(chǎn)物與酶結(jié)合，導致酶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(5)冷卻或降溫(6)下降加堿(氨水)發(fā)酵工程流程簡圖2．發(fā)酵工程在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應用，其生產(chǎn)流程如下圖所示。結(jié)合賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)實際，相關(guān)敘述不正確的是().A．人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物的遺傳特性和控制發(fā)酵條件等B．目前采用①誘變育種已經(jīng)選育出不能合成高絲氨酸脫氫酶的黃色短桿菌新菌種C．在發(fā)酵過程中，產(chǎn)物源源不斷地產(chǎn)生，這說明賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)采用了連續(xù)培養(yǎng)的發(fā)酵方式D．圖中②所示的提取方法包括過濾、沉淀等方法解析：微生物代謝的人工控制包括改變微生物遺傳特性和控制生產(chǎn)過程中的各種條件等方法，目前選育菌種的方法除了基因工程和細胞工程培育的工程菌外，還有誘變育種，目前已經(jīng)成功選育出了不能合成高絲氨酸脫氫酶的黃色短桿菌菌種來生產(chǎn)谷氨酸。生產(chǎn)上常采用連續(xù)培養(yǎng)法來達到可以源源不斷地生產(chǎn)谷氨酸或賴氨酸的目的。由于發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品為代謝產(chǎn)物，因此常采用萃取、蒸餾、離子交換等方法進行分離提純。答案：D熱點三生物固氮與氮循環(huán)熱點指數(shù)★★★★命題點本熱點內(nèi)容包括固氮微生物類型及實例、氮循環(huán)過程、生物固氮的意義及應用等命題角度生物固氮部分的知識點在高考中所占比重很小，常以選擇題的形式對固氮微生物的種類、代謝類型、在生態(tài)系統(tǒng)中的地位及在生產(chǎn)實踐中的應用等知識進行考查，也可以與氮循環(huán)、礦質(zhì)代謝、蛋白質(zhì)代謝等知識進行學科內(nèi)的綜合，以理解能力、獲取信息的能力為考查重點[例3](2009·北京高考)為研究森林群落在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中的作用，美國一研究小組在某無人居住的落葉林區(qū)進行了3年實驗。實驗區(qū)是兩個毗鄰的山谷(編號1、2)，兩個山谷各有一條小溪。1965年冬，研究人員將2號山谷中的樹木全部砍倒留在原地。通過連續(xù)測定兩條小溪下游的出水量和硝酸鹽含量，發(fā)現(xiàn)2號山谷小溪出水量比樹木砍倒前升高近40%。兩條小溪中的硝酸鹽含量變化如圖所示。請回答問題：(1)大氣中的N2進入該森林群落的兩種途徑有____________________。在森林群落中，能從環(huán)境中直接吸收含氮無機物的兩大類生物是____________________。(2)氮元素以N2、和________的形式被生物吸收，進入細胞后主要用于合成________兩類生物大分子。(3)圖中顯示，1號山谷溪水中的硝酸鹽含量出現(xiàn)季節(jié)性規(guī)律變化，其原因是不同季節(jié)生物_______________________________________________。(4)1966年5月后，2號山谷溪水中的硝酸鹽含量急劇升高，主要的兩個原因是______________________________。(5)硝酸鹽含量過高的水不宜飲用。在人體消化道中，硝酸鹽可轉(zhuǎn)變成亞硝酸鹽。能使DNA中C—G堿基對中的“C”脫氨成為“U