良渚交警中队电话:微生物与发酵工程专题111

微生物与发酵工程专题
微生物生长与发酵
微生物的营养
碳源
（1）概念：能为微生物提供碳元素的营养物质
（2）种类：无机碳源：（CO2、NaHCO3）—自养型微生物
有机碳源：糖类、脂类、蛋白质、酵母膏、牛肉膏、动植物组织提取液等
—异养型微生物
（3）作用：①构成微生物的细胞物质和一些代谢产物 ②异养微生物的主要能源物质
（4）应用：①微生物对碳源的需要量很大，最常用的碳源是糖类，尤其是葡萄糖
②不同微生物利用的碳源的种类和数量有差异
③某些微生物碳源特殊性的应用 (石油污染、有机物污染等）
氮源
（1）概念：能为微生物提供所需氮元素的营养物质
（2）种类：氮气—固氮菌 ； 氨、铵盐、硝酸盐—硝化细菌、反硝化细菌；
有机氮—尿素、牛肉膏、蛋白胨
（3）常用氮源：铵盐、硝酸盐 作用：合成蛋白质、核酸及含氮代谢产物
水和无机盐也是微生物需要的营养物质
水的作用：溶剂、介质、运输等
无机盐的作用：渗透平衡、酶的激活剂
生长因子
（1）概念：微生物生长必需的微量有机物
（2）种类：维生素、氨基酸、碱基
（3）原因：缺乏合成的酶或合成能力有限
（4）来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液等
（5）作用：酶和核酸的组成成分
1．下表是关于四种生物的能源、碳源、氮源、新陈代谢类型的描述。描述正确的一组生物是（ ）
A．硝化细菌、乳酸菌 　　　B．乳酸菌、根瘤菌
C．根瘤菌、衣藻 　　　　　D．硝化细菌、衣藻
[解析]
生物 硝化细菌 乳酸菌 根瘤菌 衣藻
能源 氧化NH3 分解乳酸 固定N2 利用光能
碳源 CO2 糖类等 糖类等 CO2
氮源 NH3 N2 N2 NO3―
代谢类型 自养需氧型 异养厌氧型 异养需氧型 自养需氧型
答案：D
2．下列有关圆褐固氮菌的描述正确的是（ ）
选项 结构 核苷酸种类 代谢类型 可遗传变异来源
A 原核细胞 5 自养需氧型 基因突变
B 原核细胞 8 异养需养型 基因突变
C 真核细胞 5 异养需养型 基因突变、基因重组
D 真核细胞 8 自养需氧型 基因突变、染色体变异
[解析]圆褐固氮菌是细菌，属于原核生物；体内既有DNA又有RNA，含有4种脱氧核苷酸和4种核糖核苷酸；新陈代谢类型是异养需养型；因为属于原核生物，它没有减数分裂也就没有基因重组现象，细菌含有大型环状DNA分子，但不能形成染色体。
答案：B
培养基的配置原则
配置原则
（1）目的明确：依据微生物种类(新陈代谢类型）和培养目标（实验或生产）
（2）营养协调：营养成分合理搭配
（3）pH适宜：细菌为6.5～7.5；放线菌为7.5～8.5
培养基的种类及用途
划分依据 种 类 用 途
物理性质 固体培养基 微生物的分离和鉴定
半固体培养基 观察微生物的运动、保存菌种
液体培养基 工业生产
化学成分 天然培养基 工业生产
合成培养基 微生物的分类和鉴定
用 途 选择培养基 分离菌种
鉴别培养基 鉴别不同种类的微生物
选择培养基实例
加入青霉素的培养基：分离酵母菌、霉菌等真菌
加入高浓度食盐的培养基：分离金黄色葡萄球菌
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
加入青霉素等抗生素的培养基：分离导入了目的基因的受体细胞
思考题：假设某一样品中含有大肠杆菌、硝化细菌、酵母菌、光合细菌（厌氧型）、金黄色葡萄球菌、圆褐固氮菌、乳酸菌等微生物，请你根据所学知识，从理论上一一将其中的纯种微生物分离出来。
[解析]
（1）混合菌接种在不含氮的培养基上培养—圆褐固氮菌
（2）混合菌接种在不含有机碳的培养基上培养—硝化细菌
（3）混合菌接种在加入较高浓度的NaCl的培养基上培养—金黄色葡萄球菌（或根据菌落的颜色呈金黄
色而将其挑取单独培养）
（4）混合菌接种在含有伊红美兰的培养基上培养—大肠杆菌
（5）混合菌接种在含有青霉素的培养基上培养—酵母菌
（6）混合菌接种在不含有机碳的培养基上，且置于无氧而有光照的环境中培养—光合细菌
（7）混合菌接种在普通的培养基中，置于无氧的环境中，然后加一定浓度的乳酸—乳酸菌。
微生物的代谢
代谢类型和特点：
与其他生物相比，微生物代谢异常旺盛，这是由于微生物的表面积与体积的比很大，使它能够迅速地与外界环境进行物质交换。
代谢产物
初级代谢产物 次级代谢产物
生长繁殖是否必需 是 不是
产生阶段 一直产生 生长到一定阶段后产生（如稳定期）
是否有菌种特异性 微生物初级代谢产物基本相同 是
分布 细胞内 细胞内或细胞外
种类 氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等 激素、毒素、色素、抗生素
微生物代谢的调节
（1）微生物代谢调节的方式和意义
培养大肠杆菌：
培养基添加葡萄糖—利用葡萄糖
培养基添加葡萄糖和乳糖—先利用葡萄，然后利用乳糖
培养基只添加乳糖—利用乳糖
分析：
①分解葡萄糖的酶是组成酶，分解乳糖的酶是诱导酶
②诱导物对基因的选择性表达起着调控作用
（2）酶合成和酶活性调节的比较
酶合成的调节 酶活性的调节
调节对象
诱导酶的生成 酶的活性
调节机制
底物对基因表达的调控 产物对酶活性的反馈调节
意义
保证代谢的需要又避免物质和能量的浪费 快速、精细，避免代谢产物的积累
典型实例
大肠杆菌细胞半乳糖苷酶的合成 谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的调节
人工调控微生物
的代谢途径
改变微生物的遗传特性；控制发酵条件
1．下列物质中，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
答案：B
2．微生物在代谢过程中，会产生多种代谢产物。下列有关叙述不正确的是（ ）
A．初级代谢产物是微生物生长繁殖所必需的
B．次级代谢产物在代谢调节下产生
C．初级代谢产物的种类在不同种微生物中各不相同
D．次级代谢产物的积累有可能直接导致pH值的变化
答案：C
3．下列关于微生物代谢调节的说法中，错误的是（ ）
A．与酶合成的调节相比，酶活性的调节是一种快速、精细的调节方式
B．组成酶的合成只受遗传物质的控制
C．只要一种代谢产物积累过量，酶的活性就下降
D．酶合成的调节和酶活性调节可以同时存在
答案：C
4．下图为某细菌在培养过程中同一时期进行的相关实验结果示意图，图中曲线代表变化的趋势。请据图回答：
（1）根据图中细菌数目随时间变化所呈现的趋势，可以判断此时细菌处于生长曲线中的________期，
处于此时期的细菌常作为生产用的________________。
（2）由图中A酶活性的曲线的变化可推知，精氨酸可能是A酶催化反应的________（填“底物”或“产
物”），理由是________________。这种调节方式属于________________。
（3）当培养基中葡萄糖被耗尽，则细菌的生长繁殖会受到限制，此时在原本缺乏乳糖的培养基中加入
乳糖，可发现细菌的生长繁殖恢复正常。由图中B酶的曲线变化可知，加入乳糖后，B酶的合成
量________，由此推测B酶属于______（填“组成”或“诱导”）酶。由加入培养基的营养成分分
析，该细菌新陈代谢的同化作用类型为____________，加入培养基中的乳糖可作为细菌生长繁殖
所需的________________物质。
（4）图中A酶和B酶曲线变化对微生物生长的共同意义在于________________
答案：
（1）对数；菌种
（2）产物；加入精氨酸则A酶活性不再持续上升（或“加入精氨酸则A酶活性受抑制”）；
酶活性的调节
（3）增加；诱导；异养型；碳源
（4）既保证了代谢的需要，又能避免细胞内物质和能量的浪费，增强了微生物对环境的适应能力（合
理即可）
5．如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量生产氨基酸B，采取的最佳措施是（ ）
A．用CaCl2处理面包霉，改变其细胞膜的通透性
B．在反应物中增加面包霉生长因子的含量，并加大面包霉的接种量
C．人工诱变，选育出不能合成酶②的面包霉
D．人工诱变，选育出能产生抑制酶③的面包霉
答案：C
微生物群体生长规律
测定微生物群体生长的方法
（1）称重法:一般干重为湿重的10～20%
（2）比例计数法
微生物群体生长规律及应用
细胞分裂 细胞数量 细胞代谢特点 应 用
调整期
一般不分裂 不增加 代谢活跃、体积增长快，大量合成与细胞分裂有关的物质
对数期
快速分裂 细胞呈指数增长 形态和生理特征稳定，
代谢旺盛 作为菌种，缩短生产周期
稳定期
细胞增加数等于死亡数 活菌数达到最高峰 大量积累代谢产物，特别是次级产物，某些细菌的芽孢在此阶段形成 连续培养，延长稳定期，提高代谢产物的产量
衰亡期
细胞死亡数大于增加数 活菌数
下降 细胞形态多，畸形，菌体解体释放代谢产物
1．下列关于微生物群体生长曲线的说法中不正确的是（ ）
A．调整期是大量合成诱导酶的阶段，代谢活跃
B．衰亡期细胞形态多样，死亡速率超过繁殖速率，菌体逐渐解体，释放出代谢产物
C．调整期、对数期、稳定期和衰亡期共同构成了菌种的“S”型生长曲线
D．稳定期种内斗争趋于激烈
答案：C
影响微生物生长的环境因素
温度 pH 氧
发酵及发酵工程
发酵和发酵工程的概念
发酵工程的实例
利用发酵工程生产谷氨酸
（1）菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌
（2）培养基成分：①豆饼（马铃薯）水解液、玉米浆、作用__________
②尿素、作用__________
③K2HPO4、K2O、Mg2SO4作用__________、生物素作用__________
（3）培养性质：液体培养
（4）培养过程：配制培养基→灭菌→接种→培养
（5）培养条件：温度 30~37℃；pH7 ~8；通气、无杂菌
（6）产品获得方式：分离提取→中和→过滤浓缩→离心分离 产品：谷氨酸钠（味精）
发酵工程基本流程
（1）获取菌种
①自然界中分离菌种②诱变育种、基因工程细胞工程育种
（2）培养基配制 性质______________
（3）灭菌 培养基、设备、（杀死细菌、孢子、芽孢等）
（4）扩大培养和接种 保证菌种数量；接种对数期菌种、控制无菌条件
发酵过程
①随时检测，使培养尽量保持在稳定期
②严格控制条件（温度、pH、溶氧、搅拌速度）
分离提纯
代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换 菌体：过滤、沉淀
[例题与解析]
1．下列说法正确的是（ ）
A．发酵罐中微生物的生长繁殖与代谢产物的形成都与pH有关
B．单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的
C．黄色短杆菌要在隔绝空气的条件下发酵才能得到谷氨酸
D．人工诱变、细胞工程、基因工程等都对微生物进行定向改造
答案：A
2．用蔗糖、奶粉和经蛋白酶水解后的玉米胚芽液，通过乳酸菌发酵可生产新班车权奶，下列相关叙述错误的是（ ）
A．蔗糖消耗量与乳酸生成量呈正相关
B．酸奶出现明显气泡说明有杂菌污染
C．应选择处于对数期的乳酸菌接种
D．只有奶粉为乳酸菌发酵提供氮源
答案：D
3．右图为谷氨酸发酵装置图。发酵工程的实例——利用发酵工程生产谷氨酸，
（1）菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌
（2）培养基成分：
①豆饼（马铃薯）水解液、玉米浆、作用________
②尿素、作用__________
③K2HPO4、K2O、Mg2SO4作用__________、
④生物素作用__________
答案：①碳源（多答能源和氮源也给分）；②氮源 ；③pH ④生长因子；
（3）培养性质：液体培养
（4）发酵
①图中3，6处是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流动的作用是_____________。
②谷氨酸发酵液的pH应控制在7～8范围内，随着代谢产物的积累，发酵液pH变化趋势是______，
控制办法是____________。发酵过程中，若谷氨酸积累过量，会抑制__________的活性，导致
合成途径中断，这种代谢调节方式称为____________调节。
③如果在4处通入空气，谷氨酸产量会_____________，原因是__________________。
答案：
(1)冷却(降温或使温度控制在30℃-37℃)
(2)下降 加碱(氨水) 谷氨酸脱氢酶 酶活性(反馈、负反馈)
(3)下降 混入杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸
4．发酵法生产酒精后的废液（pH4.3 ）含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下：
请据图分析回答问题：
（1）实验过程中培养白地霉的培养基是______________。培养基定量分装前，先调节____________，
分装后用棉塞封瓶口，最后______________________处理。
（2）图中 ① 过程称为________________，从甲到丁的培养过程是为了____________。白地霉的代谢
类型为__________________。
（3）为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量_____________的质量。过滤后需反复烘干称量，直
至________________________。所得菌体干重等于________________________________。
答案：
（1）废液上清液 pH 灭菌
（2）接种 扩大培养 异养需氧型
（3）滤纸 恒重（质量基本不变）恒重时的质量与滤纸质量之差
5．请据图回答问题
（1）当营养液浓度逐步提高到______________mg/mL后，生长速率不受影响；
（2）当营养液浓度为6.0mg/mL时，过了f点，新生的细胞数目与死亡的细胞数目的比值______(大于1；
小于1；等于1)
（3）当营养液浓度为4.0mg/mL时，可以在a-e范围内选取菌种，其原因是__________________，此时期
是_______________期。
（4）若这种营养液是培养青霉菌的，随营养液浓度的增加，产量______________(可以，不可以)一直
增加，原因是________________。
（5）生产上若利用青霉菌大量产生青霉素，应适当延长生长的_______期，采用的方法是_________，
青霉素是_____代谢产物，结合此图，在营养液浓度为6.0mg/mL时，应该延长的时间段是______
（用图中字母表示）
答案：
（1）2.0
（2）等于1
（3）细胞快速分裂，代谢旺盛，个体形态和生理特性比较稳定 对数
（4）不可以 营养液浓度过高，青霉菌因失水过多而无法正常生存
（5）稳定　　 连续培养法 次级 f-g
6．选育啤酒酵母菌种时，科研人员得到因线粒体缺失导致的呼吸缺陷型酵母菌。在育种中发现，同样培养条件下该型酵母菌形成的菌落比正常酵母菌小三分之二。
（1）酵母菌培养基的营养物质应包括五大类：____________，麦芽糖属于其中的________________。
在营养和氧气充足时，正常酵母菌主要的生殖方式是________________生殖。
（2）将等量的呼吸缺陷型酵母菌和正常酵母菌分别在有氧条件下培养，测得正常酵母菌产气量的变化
如下图中曲线a所示，请回答问题。
①请在图中用虚线画出呼吸缺陷型酵母菌产气量的变化曲线。
②酵母菌经历了调整期之后，生长变化的几个阶段是________________。
③如果以C6H12O6为原料，请写出两种酵母菌产气的代谢反应式：
（3）在扩大培养呼吸缺陷型酵母菌时，研究人员利用了下列装置，甲、乙、丙装置内均盛有适合菌种
生长的培养液。要得到大量菌种，正确的做法是：
应在甲瓶呼吸缺陷型酵母菌处于______期时，将菌种______到
乙瓶和丙瓶中；为使乙瓶和丙瓶中菌群获得最大增长率，应采
取的主要控制措施有________________（写出两项）。
[解析]本题主要考查微生物的营养，微生物生长规律及生长的影响因素。
答案：
（1）碳源、氮源、生长因子、水和无机盐（缺一不可） 碳源 出芽
（2）① 画出低于a的曲线就给分
② 对数期、稳定期和衰亡期
（3）对数 接种 保持适宜的温度和pH（增加营养物质、振荡、搅拌）
7．适宜条件下培养大肠杆菌，定期取样测定的群体数量，绘制的生长规律和生长速率关系的标准曲线如图所示。请回答：
（1）曲线A是________________图， 曲线B是________________图。
（2）微生物群体生长状况的常用测定方法是测定样品中微生物的________________。
（3）要想通过发酵生产获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，首先要选育菌种，常用
的方法有________（至少写出两种）。用于发酵的菌种，应取自图中数字表示的________阶段。
（4）若将选育出的菌种接种到只含乳糖为碳源的培养基中，与接种到葡萄糖为碳源的培养基中比较，
在其他条件相同的情况下1期的时间变化是_____________，原因是______________________。
（5）从曲线分析，出现4阶段的原因是________________。
（6）如果大肠杆菌产生基因突变，则可能发生在图中数字表示的________________阶段。
答案：
（1）生长速率 　 群体生长规律（或：生长曲线）
（2）数量或重量
（3）人工诱变、基因工程和细胞工程　　2
（4）延长（或：变长） 大肠杆菌需在乳糖的诱导下合成分解乳糖的酶，所以时间延长了
（5）营养物质消耗、有害代谢产物积累、pH变化等
（6）１、２、３、４
8．生产实践中配制微生物发酵所需要的培养基时，一般遵循“经济节约”的原则。如“以野（野生植物）代家（栽培植物）”、“以纤（秸秆）代糖（淀粉）”、“以氮（非蛋白氮）代朊（蛋白氮）”、“以烃代粮”等。下列表述不正确的是（ ）
A．“以野代家”培养微生物时，需要加入更多的生长因子
B．“以纤代糖”能为某些微生物的生长提供碳源和能源
C．“以氮代朊”是因为铵盐、硝酸盐等是微生物常用的氮源
D．“以烃代粮”培养的微生物可以用于净化被石油污染的海域
[解析]本题考查主要考查微生物的营养。
答案：
（1）碳源：①无机碳源：CO2、NaHCO3—自养型微生物。
②有机碳源：糖类、脂类、蛋白质、核酸等—异养型微生物，异养微生物的主要能源物质
③利用某些微生物以石油作为碳源的原理，消除石油污染
④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。
所以本题BD的描述正确
（2）氮源：
（3）水、无机盐
①水的作用：溶剂、介质、运输等
②无机盐的作用：渗透平衡、酶的激活剂、参与复杂化合物
（4）生长因子——微生物生长必需的、微量有机物
种类：维生素、氨基酸、碱基
来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液等
必需原因：缺乏合成的酶或合成能力有限
作用：酶和核酸的组成成分
所以A以野生植物为营养时，他们含有丰富的C源、N源、生长因子和无机盐。
答案：A
9．新型塑料是生态文明建设的一个典型实例。新型塑料是科学家利用植物秸秆在密闭发酵罐中生产的A细菌提取物及其他物质合成的一种可降解塑料。
（1）这种可降解塑料中有机物的碳的来源是，空气中的CO2通过___________进入植物体内的。A细菌的
新陈代谢类型是________________。
（2）新型塑料超过使用期限后可在___________作用下自然分解，从而能有效地防止“白色污染”。
（3）在利用植物秸杆发酵生产A细菌提取物的过程中，以单一的植物秸秆为原料，微生物生长很慢，适
当添加哪些物质可加快生产进程？（至少说出两点）________________。
（4）植物秸秆经过预处理后，应该选用_____________酶进行水解，使之转化为发酵所需的葡萄糖。
（5）为了测定发酵罐的培养液中A细菌的数目，将500个红细胞与5ml该培养液混匀，然后制片观察。随
机统计结果如下表：
视野1 视野2 视野3 视野4
红细胞数 21 17 22 20
细菌个数 102 98 106 94
则该5毫升培养液中共含有A细菌________________个。
[解析]本题为微生物代谢习题，因为A细菌在植物秸秆在密闭发酵罐中生长繁殖。
答案：
（1）光合作用 异养厌氧型
（2）微生物(分解者)
（3）氮源、生长因子、无机盐；
（4）纤维素酶水解；
（5）红细胞平均数20个，细菌平均个数100个，所以500：20=X：100，可得X=2500。