高三生物二轮复习学案微生物的代谢Word文档格式.docx

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如培养自身固氮微生物如圆褐固氮菌，培养基中则不必加氮源；

生产用培养基内可加入化学成分不明确的天然物质，而分类实验用培养基则应加入已知化学成分的物质。

（2）营养要协调：

注意各种营养物质的浓度和比例。

如：

营养物质浓度过高，微生物细胞内的水分通过细胞膜不断向外渗透，细胞发生质壁分离，影响微生物的正常生命活动，抑制微生物的生长；

在各种营养物质的比例中，碳源与氮源的比最为重要：

如谷氨酸生产中，C∶N＝4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；

C∶N＝3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。

（3）pH要适宜：

细菌PH＝6.5~7.5，放线菌PH＝7.5~8.5，真菌PH＝5.0~6.0。

可在培养基中加酸或碱调节或加PH缓冲液如K2HPO4/KH2PO4。

2、培养基的种类

划分标准

培养基

种类

特点

用途

物

理

性

质

液体

不加凝固剂

工业生产

半固体

加凝固剂如琼脂

观察微生物的运动、鉴定菌种

固体

微生物的分离、计数

化

学

成

分

天然

含化学成分不明确，如玉米粉、牛肉膏等

合成

成分明确（用化学成分已知的化学物质配制）

分类、鉴定

用

途

选择

培养基中加入某种化学物质，以抑制不需要的微生物，促进所需要的微生物的生长

培养、分离出特定的微生物（如培养和分离酵母菌和霉菌，可在培养基中加入青霉素；

培养和分离金黄色葡萄球菌，可在培养基中加入高浓度的食盐。

）

鉴别

根据微生物的代谢特点，在培养基中加入某种指示剂或化学药品

鉴别不同种类的微生物，如可用伊红——美蓝培养基鉴别饮水或乳制品中是否有大肠杆菌（若有，其代谢产物有机酸就一伊红和美蓝反应，使菌落呈深紫色，并有金属光泽）

说明：

液体培养基营养物质分布均匀与菌体充分接触，有利于微生物更快吸收营养，有利于菌体繁殖，积累产物，因而适于大规模的工业生产。

天然培养基配制方便，营养丰富且价廉，适于工业生产。

二、微生物的代谢

（一）、微生物代谢特点及原因：

代谢异常旺盛。

微生物的表面积与体积之比很大，使之能迅速与外界进行物质交换。

（二）、微生物代谢的产物

初级代谢产物

次级代谢产物

作用

生长发育所必须

对自身无明显生理功能，或并非生长发育所必须

产生时期

生长全过程一直在产生

生长到一定阶段（稳定期）

分布

细胞内

细胞内或外

种的特异性

无（不同种类微生物细胞内基本相同）

有（不同种类微生物细胞内不相同）

化学结构

比较简单

十分复杂

举例

氨基酸、核苷酸、多糖、脂质、维生素等

抗生素、毒素、激素、色素等

相同点

都是在微生物细胞的调节下有步骤的产生的

（三）、微生物代谢的调节

酶合成的调节

酶活性的调节

区别

调节对象

诱导酶的合成

已有酶（组成酶和诱导酶）的活性

调节结果

酶的种类和数量增加

酶的活性发生变化

特点（效果）

间接、缓慢

快速、精确，变化是可逆的

调节机制

基因（表达）水平上的调节，控制酶的合成，通过酶量的变化来调节来控制代谢速率

代谢水平的调节（反馈抑制），代谢过程中产生的产物与酶可逆性的结合，使酶的结构产生变化，导致酶的活性发生变化

调节意义

保证代谢的需要，又避免细胞内物质和能量的浪费，增强了微生物的适应能力。

如大肠杆菌分解乳糖

避免代谢产物积累过多。

如谷氨酸发酵过程中当谷氨酸过量时就会反馈性的抑制谷氨酸脱氢酶的活性

联系

同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行

组成酶和诱导酶

存在

诱导酶

诱导产生

既受遗传物质控制，又须诱导物的诱导

大肠杆菌分解乳糖的酶

组成酶

一直存在

只受遗传物质的控制

大肠杆菌分解葡萄糖的酶

（四）、微生物代谢的人工控制

人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件（即发酵条件）等。

其中应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节和通过控制细胞膜的渗透性来解除反馈抑制在发酵工业中得到了广泛的应用。

控制条件

控制方式

微生物的遗传特性

通过诱变育种选择符合生产要求的菌种，如选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种，让黄色短杆菌发酵积累大量的赖氨酸过程等；

控制细胞膜的渗透性也能达到控制微生物代谢的目的。

如在谷氨酸的生产过程中，可以采取一定的手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸能迅速排放到细胞外面，从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的控制作用，提高谷氨酸产量。

发酵

条件

溶氧

需氧生物保证氧的供应；

厌氧生物控制氧的供应。

在发酵过程以通气量和搅拌速度来控制溶氧

PH

加酸、加碱或加缓冲剂

温度

注意降温，使温度控制在所培养微生物的最适温度

（五）、发酵的概念和种类：

通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程

根据培养基的物理状态分

根据生成的产物分

根据发酵过程对氧的需求情况

固体发酵

抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等

厌氧发酵

（如酒精发酵、乳酸发酵）

液体发酵

需氧发酵

（如抗生素发酵、氨基酸发酵）

三、微生物的生长

（一）、微生物群体生长规律

细

菌

的

生

长

曲

线

不立即繁殖（增长率最小）

繁殖速度快，以等比数列的形式增加（增长率最快）

增长率为0（繁殖速

度与死亡速度相

等），活数量最大，

大量积累代谢产物

增长率小于0

死亡速率超过繁

殖速率），活菌数

目急剧下降

形成

原因

对新环境的短暂调节或适应

生存条件（空间、营养等）适宜

生存条件（空间缩小、营养消耗等）恶化，种内斗争加剧

生存条件（有害代谢产物积累、PH变化等）极度恶化。

与无机环境的斗争最为激烈

菌体

特征

体积增长较快

形态、生理特征稳定

有些种类开始出现芽孢

出现多种形态甚至畸形，有些细胞开始解体

代谢

代谢活跃，大量合成分裂所需的酶类、ATP及其它细胞成分

代谢旺盛

大量积累代谢产物特别是次级代谢产物

释放代谢产物

应用

与控制

缩短该期的措施：

①采用与原培养基相同的培养基②增大接种量③接种对数期的菌种

可作为菌种和材料科研。

延长该期可在开始时多放些培养基

通过以一定的速度添加新培养基，放出老培养基，控制其它生产条件（如温度、PH、溶氧）来延长该期

（1）、种群数目的增长与细菌群体生长的异同点。

相同点：

细菌的生长也符合种群增长的“J”型和“S”型曲线，其中对数期相当于“J”型曲线，调整期、对数期和稳定期相当于“S”型曲线。

不同点：

在自然条件下，一般不会出现细菌在人为的培养条件下的衰亡期，原因是处在自然条件下的种群，它总是处于一定的食物链和食物网中，种群数量受它的天敌、食物等多种因素的影响。

（2）、调整期的微生物虽然不能分裂，但是代谢仍是活跃进行的，从这个时期开始产生初级代谢产物，并贯穿微生物的一生，这是为对数期的分裂做准备。

次级代谢产物在稳定期开始产生并达到最多。

由于对数期的微生物代谢旺盛，繁殖速度快，所以应用此期的细菌做菌种。

稳定期的活菌数最多，培养条件（空间、资源）有限，种内斗争最激烈。

由于环境恶化，细菌抵御不良环境的芽孢出现。

细胞形态最多的时期是衰亡期，由于环境极度恶化，细菌与环境间的生存斗争最为激烈（主要是与无机环境的斗争）。

（二）、研究微生物生长曲线的意义

人们培养微生物的目的是想获得菌体本身或代谢产物

1、得到菌种——延长对数期：

培养开始时多放一些培养基，以延长细菌处在有丰富营养环境中的时间。

2、得到代谢产物——延长稳定期：

用连续培养法，即以一定的速度添加新的培养基，同时以同样的速度放出老的培养基，以保证微生物生长对营养的需求，同时又排出了部分有害代谢产物，从而使微生物能保持较长时间的高速生长。

思考：

连续培养应用_______培养基。

对于好氧性微生物在连续培养过程中除了要添加培养基外，还应该___________________________。

（液体通入无菌的空气）

（三）、微生物群体生长的测定

1、测定细胞数目

2、测定湿重或干重

（四）、影响微生物生长的环境因素

环境因素

影响的原因

不适宜因素的结果

影响蛋白质和核酸的结构

低时反应速度降低，高时蛋白质和核酸的结构发生不可逆的破坏（绝大多数微生物最适生长温度为25~37C0）

影响酶的活性和细胞膜的稳定性

酶失活或膜的稳定性破坏，降低对营养物质的吸收（最适PH：

细菌6.5~7.5、真菌5.0~6.0、放线菌7.5~8.5）

氧气

影响微生物的细胞呼吸

有氧型：

大多数细菌和真菌等

严格厌氧型：

短时间的有氧也会造成生长停滞或死亡，如产甲烷杆菌

一般厌氧型：

有无氧都进行无氧呼吸，有氧时细胞呼吸受抑制，如某些链球菌

兼性厌氧型：

无氧时进行无氧呼吸，有氧时进行有氧呼吸，如酵母菌、大肠杆菌

四、发酵与发酵工程

发酵是通过微生物的培养大量生产各种代谢产物的过程。

发酵工程是一种生物技术，采用现代工程技术手段，利用微生物的某种特定功能，为人类生产有用的产品或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。

所以发酵工程是应用于发酵的一种生物技术。

五、谷氨酸发酵

（一）、常用菌种：

谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌（都是异自需氧型微生物）

以谷氨酸棒状杆菌为例说明选种应该注意什么？

（应选对数期的菌种；

选择细胞膜通透性大的谷氨酸棒状杆菌，因为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸会因在细胞内积累而终止。

（二）、培养基：

1、液体培养基（天然培养基）

2、原料（五类营养要素物质）：

豆饼水解液、玉米浆、磷酸二氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素（生长因子）等。

为什么选用液体天然培养基？

（①、液体培养基能够使培养基中的营养物质在发酵过程中得到充分利用，还能为菌体提供更大的空间，同时也有利于生产过程中培养条件的控制和产物的提取；

②采用天然培养基作为营养物质，既能满足菌体对营养的需求，又能降低成本，还可以减少对环境的污染）。

（三）、发酵过程

1、培养方式：

连续培养

2、控制条件：

温度、PH、溶氧、搅拌速度等

搅拌的目的是什么？

（对于需氧性微生物，在培养过程中，必须不断通入无菌空气，搅拌不但可使空气成为小泡迅速溶解以增加培养基的溶氧，还能使菌种下培养基充分接触，提高原料的利用率。

（四）、味精的生成与提取

用适量的碳酸钠中和，经过滤、浓缩、离心分离等步骤，即可获得所需产品

影响发酵过程的因素——温度、PH、溶氧、营养物质的浓度等

六、发酵工程的内容（一般流程）

（一）、菌种选育

思考:

从自然界分离的菌种为什么一般不直接作为生产用菌种？

菌种选育的常用方法有哪些？

这些方法在改造菌种遗传特性方面有什么不同特点？

（定向育种）

原理

产品

自然选种

自然突变

一般微生物能生产

诱变育种

人工诱变

不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌

细胞工程

DNA重组（构建工程细胞或工程菌）

一般微生物不能生产

生产人生长激素的工程菌

基因工程

（二）、培养基配制

根据培养基配制的原则，选择原料制备培养基，应该注意的是：

1、根据不同的菌种，选择不同的材料，配制的培养基应满足微生物对碳源、氮源、水、无机盐和生长因子等方面的要求，并能够为微生物的生长提供适宜的PH。

2、培养基的营养要协调，注意各种营养物质的浓度和比例，特别是碳氮比，以利于微生物代谢产物的合成。

3、应尽量降低生产成本，以得到更大的经济效益。

以天然成分的培养基为好。

如谷氨酸发酵：

培养基中必需有生长因子——生物素，如缺少谷氨酸合成会受阻；

C∶N＝3∶1；

PH应为弱碱性，否则会生成谷氨酰胺；

溶氧量必须充足。

（三）、灭菌

为什么要灭菌？

哪些对象需要灭菌？

（如混入其它微生物，将与菌种形成竞争关系，对菌种的繁殖和代谢造成不良影响。

如在谷氨酸发酵过程中，混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡；

如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌就会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。

所以要防止杂菌的污染，在发酵前应用高温高高压的方式对培养基和发酵设备进行严格彻底的灭菌处理，杀死所有杂菌的胞体、芽胞和孢子）

（四）、扩大培养

结合细菌的群体生长规律分析：

菌种接种前为什么要进行扩大培养？

（增加接种时的菌量，以缩短调整期，进而缩短生产周期。

扩大培养与发酵的目的不同，前者是为了在短期内获得大量的菌种，而发酵是为了获得代谢产物，所以采用的培养条件也不同。

如谷氨酸棒状杆菌在扩大培养时，碳氮比应为4∶1，而在发酵获得谷氨酸时碳氮比应为3∶1；

再如酒精发酵中，扩大培养应在有氧条件下进行，让其迅速进行出芽生殖，而在发酵时应在无氧条件下进行。

（五）、接种：

在保证无杂菌污染的条件下进行接种

（六）、发酵过程（中心阶段）——使培养保持稳定期，以获得更多的发酵产物

1、随时取样监测培养液中细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程。

2、及时添加必需的营养基组分，以满足菌种的营养需要。

3、严格控制温度、PH、溶氧、通气量和转速等发酵条件，确保微生物代谢向着有利的方向快速进行

（1）、为什么要随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以人工控制？

因为随着发酵过程的进行，营养物质被大量消耗，代谢产物的积累，同时会产生大量的热量和某些酸性或碱性物质，使培养液中的温度、PH、溶氧、各种营养物质的浓度特别是碳氮比等发生改变，会影响微生物的生长繁殖、代谢途径（代谢方向或产物的种类）、酶的活性、膜的通透性等，所以要随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以人工控制。

（2）、如何控制发酵过程中的各种条件呢？

对发酵条件的控制可能通过发酵罐上的各种装置来进行。

如温度控制可通过发酵罐上的温度自动测试和控制装置进行检测和调整（微生物代谢、机械搅拌都会使温度升高，发酵罐壁散热，水分蒸发都会使温度下降）；

溶氧可通过通气量和搅拌速度来调节；

PH可通过加料装置，添加酸或碱或缓冲液来调节；

营养物质可通过采取连续培养的方法调节。

（七）、分离提纯

1、产品为菌体：

采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中提取出来。

2、产品为代谢产物：

可用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。

七、发酵工程的应用

（一）、在医药工业上的应用

1、批量生产药品

2、生产基因工程、细胞工程药品

（二）、在食品工业上的应用

1、生产传统发酵产品

2、生产食品添加剂

3、生产单细胞蛋白，解决粮食短缺问题（单细胞蛋白是指通过发酵获得的大量微生物菌体本身：

单细胞蛋白又叫微生物蛋白、菌体蛋白。

单细胞蛋白具有以下优点：

第一，生产效率高，第二，生产原料来源广，而且经济。

第三，可以工业化生产。

但是任何一种新型食品原料的问世，都会产生可接受性，安全性等问题。

单细胞蛋白也不例外。

例如单细胞蛋白的核酸含量在４％——１８％，食用过多的核酸可能会引起痛风等疾病。

此外，单细胞作为一种食物，人们习惯上一时难以接受。

但经过微生物学家的努力，这些问题会得到圆满解）

基因工程、细胞工程、发酵工程的比较

主要技术

工具酶

主要操作对象

基本原理

和工程目的

与其它工程的关系

①DNA拼接技术

②DNA重组技术

限制性内切酶DNA连接酶

基因及动物细胞、植物细胞、微生物细胞（供体或受体细胞）

应用分子遗传学原理，在分子水平上定向改造生物的遗传特性（定向改造物种）

①工程菌生产药物②转基因动植物③超级细菌（分解石油净化环境）

通过细胞工程、发酵工程使目的基因得以表达

①细胞培养②植物体细胞杂交③动物细胞融合④单克隆抗体制备⑤体外受精⑥核移植⑦胚胎移植

纤维素酶果胶酶胰蛋白酶

动物细胞、

植物细胞、

微生物细胞

在细胞或细胞器水平上定向改造细胞的遗传结构和遗传特性（定向改造特种）

①人工种子（植物组织培养）②番茄马铃薯（植物体细胞杂交）③试管动物（胚胎移植）④单克隆抗体（杂交瘤技术）⑤克姓动物（核移植）

可以为发酵工程提供菌种、使基因工程得以实现

发酵工程

①菌种培育（自然选种、诱变育种、基因工程）②细胞（微生物）大规模培养③产物（菌体或代谢产物）的收获

微生物

利用微生物（特别是经过DNA重组技术改造过的）完成生化反应使其产生出最多的产物（菌体或代谢产物）

①生产药品②生产传统发酵产品③生产食品添加剂④生产单细胞蛋白

为酶工程提供酶的来源，使基因工程、细胞工程的目的基因得以表达

相互联系

人们按照自己的意愿改造物种采用基因工程或细胞工程，而基因工程或细胞工程的成果大多必须通过发酵工程和酶工程来实现产业化。

基因工程、细胞工程、发酵工程中所需要的酶，往往要通过酶工程来获得，酶工程中酶的生产一般要通过发酵的方法。

二例题分析

1．下列与微生物的代谢活动异常旺盛无关的原因是：

A．表面积与体积比大　　B．表面积大

C．对物质的转化利用快　D.数量多

微生物的代谢特点:

2．右图表示某种细菌细胞中的一个反应程序。

在这个程序中，一种氨基酸在酶的作用下产生另外的氨基酸。

1～6代表不同的氨基酸（对生命都是必需的），V～Z代表不同的酶。

原始种的细菌只要培养基中有氨基酸l就能生长，而细菌的变异种只有在培养基中有氨基酸l、2、5时才能生长。

该种细菌的变异种中不存在的酶是

A．V、ZB．W、YC．Y、ZD．V、W

问题1：

氨基酸属于微生物的代谢产物，是指对

对微生物\的物质,在不同种类的微生物细胞中,初级代谢产物--------（有无菌种特异性）

2.次级代谢产物是指\

或的物质.

因此次级代谢产物对微生物没有意义，对吗？

它们可能积累在

也可能排到有等。

3．以下是用葡萄糖和乳糖培养大肠杆菌，培养基中葡萄糖和乳糖及细胞中分解葡萄糖的酶和利用乳糖的酶的含量，请分别指出。

A

B

C

D

（1）微生物代谢调节的主要方式:

.

还有吗？

（2）微生物的胞内酶可分为和.一般微生物的胞外酶主要是酶

（3）组成酶和诱导酶的区别:

组成酶是的酶,他们的合成只受

诱导酶则是在才能合成的酶.这种调节的意义？

[思考]诱导酶是诱导DNA的复制、RNA的转录、翻译？

4下图是谷氨酸棒状杆菌利用葡萄糖生产谷氨酸的途径示意图

（1）当终产物谷氨酸合成过量时，往往会导致合成途径中断，原因时谷氨酸抑制了的活性，这属于

的调节.

归纳：

微生物代谢过程酶活性发生变化的主要原因？

该调节的特点1

2．

针对原因提出工业生产中提高产量的一种方法

写出在生产谷氨酸的过程中对数期和稳定期的培养基的C/N比

在工业上生产谷氨酸使用的培养基从成分、物理性质分别属于什么培养基？

分别有什么优点

课堂练习

1．蘑菇是一种市场上常见的食用菌。

回答：

（1）因为蘑菇是型生物，所以种植蘑菇一般用棉籽壳或其他有机质作培养基，按化学成分该培养基为培养基，按物理性质该培养基为培养基。

（2）培养基在接种前要进行灭菌处理，简单的就是将培养基堆放也能达到目的，为什么？

灭菌的主要目的是为了消除其他细菌、真菌等其他微生物与平菇间的。

2．某课题小组的研究性学习课题是"

探究影响细菌生长繁殖的因素。

"

他们在培养细菌的过程中发现了某种细菌（记作X）的周围其他细菌的生长繁殖受到抑制。

他们把X细菌接种到专门的培养基上培养，一段时间后除去X细菌，用该培养基再培养其他细菌，结果其他细菌仍然不能生长和繁殖。

据以上材料回答下列问题：

1）从生态学的角度分析，X细菌与其周围细菌之间的关系称　竞争　　　　　　　。

（2）X细菌周围的其他细菌不能生长和繁殖的原因最可能是　X细菌代谢过程中产生了能抑制其他细菌生长和繁殖的物质　　　　　　　　　　　　。

（3）为验证

（2）中的原因进行了如下实验。

请参照上述题目中给出的有关材料，补充相关的实验步骤及结果：

第一步：

取两个培养皿，按相同营养成分配制成甲、乙两个培养基。

第二步：

在甲培养基上接种X细菌，培养一段时间后将X细菌除去；

乙培养基上不接种X细菌作为对照　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

第三步：

在这两个培养基上分别培养接种相同的其他细菌　　　　　　　　　　　　　　

第四步：

在相同条件下，让甲、乙两个培养基上的细菌生长繁殖。

实验结果：

甲培养基上的其他细菌不能生长繁殖，乙培养基上的其他细菌能正常生长繁殖

3．在污水处理方法中，最关键、最有效和最常用的方法是微生物处理法。

微生物污水处理的一种方法：

整个过程及其装置的基本原理见右图。

（1）曝气池中的微生物主要的新陈代谢类型为_____________。

沉淀池中的微生物主要的新陈代谢类型为_____________。

（2）这个装置实际也是连续培养装置，在曝气池中的微生物大多处于__________期。

（3）污水为曝气池中的微生物提供了____________________等营养物质。

（4）利用翼轮搅拌的作用是_____________________________________。

课后巩固

微生物群体生长的规律（以细菌为例）

1．微生物的生长常常以单位来研究。

2微生物群体的生长的规律，以为例说明，研究步骤，，

测定细菌群体生长的方法有两种，一种是，另一种是。

3．微生物群体生长规律的的曲线-----------

（1）绘制方