高三生物020.doc

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期数： 0510 SWG3 020
学科：生物 年级：高三 编稿老师：郭彩凤
审稿老师：高毅

预 习 篇
[同步教学信息]

二、微生物的代谢和生长
【教材阅读提示】
1、微生物代谢的概念
2、代谢产物的分类：初级代谢产物、次级代谢产物
3、微生物代谢的调节：酶活性调节、酶合成调节
4、微生物代谢的人工控制（应用）
5、微生物生长的研究方法（了解）
6、微生物生长的规律：调整期、对数期、稳定期、衰亡期（理解）
7、研究微生物生长的意义（识记）
8、影响微生物生长的环境因素（理解）

【学习方法导航】
1、微生物的代谢属于生物体的代谢，与高等生物的新陈代谢有区别也有联系，理解微生物的代谢异常旺盛的特点和原因。
2、区分初级、次级代谢产物。
3、通过具体实例了解代谢的调节并比较两种调节方法，在此基础上掌握代谢的人工控制的具体方法和途径。
4、微生物生长与高等生物的生长发育有相同之处，但又有区别，注意学习微生物的生长规律及各时期特点。

【基础知识构建】
微生物的的代谢
初级代谢产物
微生物的代谢产物
次级代谢产物
酶合成的调节
微生物的代谢 微生物代谢的调节
酶活性的调节
改变菌种的遗传特征
微生物代谢的人工控制
控制发酵条件
微生物的生长
调整期、对数期、稳定期和衰亡期
微生物群体生长的规律
在实践中的应用
测细胞数目
微生物的生长 微生物群体生长的测定
测重量
温度
影响微生物生长的因素 pH
氧

1．微生物代谢异常旺盛的原因
①相对表面积很大，即表面积与体积比很大，因为小体积、大面积必然有一个巨大的营养吸收面，代谢废物的排泄面和环境信息的接受面。
②吸收多，转化快。
③生长旺，繁殖快。
④适应强，易变异。
2．初级代谢产物和次级代谢产物的比较

产生
功能
例子
存在部位
初级代谢产物
不停地合成
生长和繁殖的必需物质
氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素
细胞内
次级代谢产物
一定阶段才合成
生长和繁殖的非必须物质
抗生素、毒素、激素、色素
细胞内或外环境中
3．微生物代谢的调节
   微生物完成代谢调控主要是通过调节酶实现的。
   微生物代谢调节的主要方式：酶合成的调节和酶活性的调节。    
 （1） 酶合成的调节
    a.组成酶在细胞内一直存在，它的合成只受基因调控；诱导酶只有环境中存在诱导物才能合成、存在，它的合成受基因与诱导物共同控制；
    b.酶合成调节的对象是诱导酶；调节的结果是使细胞内酶的种类增多；
    c.酶合成调节的意义：既保证代谢需要，又避免细胞内物质和能量浪费，增强适应性。
 （2）酶活性的调节
    a.酶活性调节的对象是酶（组成酶和诱导酶）的催化能力，调节的结果是酶量发生变化；
    b.酶活性调节的机制——通过酶与代谢过程产生物质的可逆性结合进行调节；
    c.酶活性调节的特点：快速、精确；
    d.酶活性调节的意义：避免代谢产物积累过多。
 （3）两种调节方式的区别与联系
    区别：
    a.从调节对象看：酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化；
    b.从调节效果看：酶活性调节直接而迅速，酶合成调节间接而缓慢；
    c.从调节机制看：酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成；酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。
    联系：
    细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。
4．微生物代谢的人工控制：
（1）人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸。
    a.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的现象。
b.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。
(2)人工控制谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸。
a.   由谷氨酸积累过量会抑制谷氨酸脱氢酶活性;
b. 改变细胞膜透性,由此可大量生产谷氨酸。
结论：
（1） 改变遗传特性
（2） 改变培养条件
5．细菌群体生长四个主要时期比较

细菌数目变化
特征
调整期
基本不增加
细菌的代谢活跃，体积增长较快，大量合成细胞分裂所需的酶类、ATP以及其他细胞成分
对数期
以几何级增加
代谢旺盛，个体的形态和生理特性比较稳定，常作为生产用的菌种(也叫种子)和科研的材料
稳定期
增加的细菌数等于死亡的细菌数
活菌数目达到最高峰，细胞内大量积累代谢产物，特别是次级代谢产物，某些细菌的芽孢也是在这个时期形成的
衰亡期
活菌数急剧下降
细胞会出现多种形态，甚至畸形，有些细胞开始自溶，释放出代谢产物等
【应用举例】
1、以下不属于发酵的是
A 利用需氧型的青霉菌生产青霉素 B 缺氧时人的组织细胞产生乳酸
C 利用酵母菌的无氧呼吸获得酒精 D 利用乳酸菌制作泡菜
解析：首先理解发酵的概念，是指在生产实际中，人们通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。根据概念可知A、C、D都符合发酵概念。容易选错的原因是，对发酵的狭义理解出错，必修中学过微生物的无氧呼吸就叫发酵，但不是所有生物的无氧呼吸都叫发酵。
答案：B
2、对细菌群体生长规律的测定的正确叙述是
A 在液体培养基上进行 B 至少接种一种细菌
C 接种一个细菌 D 及时补充消耗的营养物质
解析：细菌群体的生长规律的测定是人们在一定条件下进行的。这些条件是：一种细菌，恒定容积的液体培养基，定时测定，细菌总数，这样的条件下才能测定出细菌的生长规律。测定时只能用同种细菌的子细胞群体的变化规律表达微生物的生长。
答案：A
3、在微生物群体生长规律的测定中，种内斗争最显著最激烈的时期是
A 调整期 B 对数期 C 稳定期 D 衰亡期
解析：种内斗争是一种生态因素。种内斗争反应了种内生物对生存空间和生活资源的争夺。在生活空间充裕，营养充足的时候，种内斗争的程度是较低的。随着微生物个体数目的增加，生存空间和营养物质越来越少，个体间的争夺也越来越激烈，在衰亡期，微生物的数目已经开始减少，环境极不适于微生物生存，此时微生物的生存斗争主要是与无机环境的斗争
答案：C
4、关于微生物酶的叙述中，正确的是
A．组成酶是胞内酶，诱导酶是胞外酶
B．大肠杆菌分解乳糖和葡萄糖的酶都是组成酶
C．酶合成的调节与酶活性的调节不能共存于同一种微生物体内
D．酶合成的调节增强了微生物的适应能力
解析： 微生物的酶有组成酶和诱导酶的区别，还有胞内酶和胞外酶之分，它们之间的关系是：组成酶和诱导酶都是胞内酶。它们的区别是：组成酶是细胞内一直存在的酶，它们的合成只受遗传物质的控制；而诱导酶是在一定条件下才存在的酶，这个条件就是某物质的存在。这种物质的存在是诱导酶合成的条件，当然遗传物质也对诱导酶的合成进行控制，而且控制的情况更加复杂。大肠杆菌分解葡萄糖的酶是组成酶，分解乳糖的酶是诱导酶。酶合成的调节与酶活性的调节同时存在，密切配合，协调起作用。酶合成的调节，保证了代谢的需要，充分利用原料和能量，增强了适应环境的能力。
答案：D
【教材习题解答】
《微生物的代谢》
复习题一、1.（×）；2.（√）；3.（×）；4.（√）。
二、黄色短杆菌能够利用天冬氨酸合成赖氨酸、苏氨酸等。在生产赖氨酸的过程中，当黄色短杆菌细胞内的赖氨酸和苏氨酸都超过一定浓度时，就会抑制天冬氨酸激酶的活性，使赖氨酸的合成停止。科学家通过人工诱变，选育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌，从而解决了这一问题。因为高丝氨酸脱氢酶是合成苏氨酸过程中不可缺少的一种酶，不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌，就不能合成苏氨酸。这就解除了苏氨酸等对天冬氨酸激酶的抑制作用，使黄色短杆菌能不断合成赖氨酸。
旁栏思考题 
大肠杆菌分解乳糖的酶主要是半乳糖苷酶。编码半乳糖苷酶的基因是基因lac Z。基因lac Z的表达过程详见选修课本第三章中“原核生物基因表达的调控”部分。
《微生物的生长》
复习题二、1.（B）；2.（B）。
三、1.研究微生物群体生长的规律具有重要的实践意义。例如，多数代谢产物是在稳定期内合成的。但在这个时期，培养基中不仅营养物质的含量大大减少，而且积累了多种有害的代谢产物，不利于微生物的生长。针对这种情况，在生产过程中，当微生物生长进入稳定期以后，就可以采取补充营养物质等措施，以延长稳定期、提高代谢产物的产量。
2.提示：好氧型微生物只有在有氧的条件下才能正常生长，因为它们必须从外界环境中摄取氧来氧化分解体内的有机物，释放出能量，维持自身各项生命活动的进行。厌氧型微生物的生长不需要氧，因为它们在缺氧的条件下，仍能将体内的有机物氧化，从中获取能量。兼性厌氧微生物在有氧和无氧条件下都能生长，因为它们能以不同的代谢方式生长繁殖。
3.提示：当培养基的pH高于或低于某种微生物的最适pH时，它的生长就会受到抑制。因此，可以配制出不同pH的培养基，如pH为3、5、7、9、11的培养基，经灭菌、接种后，在适宜的环境条件下进行培养。最后，观察在不同pH的培养基上微生物的生长情况。其中，生长良好的那个培养基的pH，就是这种微生物的最适pH。
【强化训练】
同步落实(基础级)
1．在微生物生长的过程中，细胞形态最多和数目最多的时期分别是
A．稳定期、稳定期 B．衰亡期、稳定期
C．稳定期、衰亡期 D．衰亡期、对数期
2．微生物的代谢调节属于
A．神经调节 B．激素调节
C．酶的调节 D．基因调节
3．微生物群体生长状况的测定方法可以是 （ 　）
　　①测定样品的细胞数目 　　　②测定次级代谢产物的总含量 
　　③测定培养基中细菌的体积　④测定样品的细胞重量
　　A．②④ B．①④ C.①③ 　D.②③
3．利用酵母菌生产酒精，投放的最适原料和产生酒精阶段要控制的必要条件是
A.玉米粉和有氧 B.大豆粉和有氧
C.玉米粉和无氧 D.大豆粉和无氧
4．下列措施中能把微生物生长的调整期缩短的是
A 接种多种细菌 B 增加培养基的量
C 加大接种的量 D 选用孢子接种
同步检测(提高级)
5．大量生产酵母菌时，不正确的措施是
A 隔绝空气 B 在对数期获得菌种
C 过滤、沉淀进行分离 D 使菌体生长长期处于稳定期
6．下图是人们利用黄色短杆菌合成赖氨酸的途径。请回答下列问题：
（1）在生产实际中，人们通过黄色短杆菌的选育培养，大量生产赖氨酸的过程叫___________________。赖氨酸是黄色短杆菌的___________________产物。
（2）用黄色短杆菌生产赖氨酸，培养基属于
A.液体培养基B.半固体培养基 C.固体培养基 D.天然培养基
（3）为了解决生产赖氨酸遇到的问题，科学家们可采用_________________、_________________、_____ ____、 _ ______等方法，选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种。
（4）在黄色短杆菌培养过程中，培养基的pH会发生变化，主要原因是_________________。培养基的pH变化会影响黄色短杆菌种细胞中的_________________、_________________。对此，调节和控制培养基pH的方法有①_________________，②_________________。
答案：1 B 2C 3B 4C 5C 6A
3．（1）发酵工程 初级代谢
（2）AD
（3）自然选育 诱变育种 基因工程 细胞工程
（4）菌体对营养物质的利用和代谢产物的积累 酶的活性 膜的活性
在培养基中添加pH缓冲液 添加酸或碱进行调节
参考资料
1． 微生物生长的测定 
微生物生长的测定，在生产和实验中有着广泛的用途，可作为发酵过程中判断微生物生长状况和发酵进程的重要指标。常用的微生物生长测定法有多种，一般分为测生长量和测细胞数目两大类。
测生长量 
常用的测生长量的方法有以下几种。
① 干重法。将单位体积待测的培养液离心后，用清水洗涤1～5次，放入干燥器中加热干燥，加热温度一般在100～105 ℃之间，再称重。以细菌为例，一个细胞一般重约10-12～10-13 g。也可在较低的温度（如40 ℃）下进行真空干燥。
②湿重法。将一定量的菌液离心或过滤，得到菌体，反复洗涤后称湿重。干重一般为湿重的20%～25%。
③微生物细胞内蛋白质、DNA等的含量比较稳定，所以常作为生长量的测定指标。例如，细菌的含氮量一般是菌体干重的14%，这样，测出细菌的含氮总量，就可换算出菌体的干重。测定含氮量的方法也很多。例如，将样品与氧化铜混合，在CO2气流中加热就会产生氮气，将氮气收集在呼吸计中，用KOH吸去CO2，就可测出氮气量。
④微生物的某些生理指标，如耗氧量或CO2等代谢产物的量，在一定条件与群体的生长量成正比。因此，也可用这些指标来代表生长量。
测细胞数目 
常用的测细胞数目的方法有以下几种。
①血球计数板法。血球计数板是一块特制的载玻片，计数是在计数室内进行的，即将菌液置于血球计数板的计数室内，在显微镜下进行计数。由于计数室的体积是一定（0.1 mL）的，这样，根据计数出来的数字，就可以算出单位体积菌液内的菌体总数。但一般情况下，要取一定数量的计数室进行计数，在算出计数室的平均菌数后，再进行计算。
②染色涂片计数法。将已知体积的菌液均匀地涂布在玻片的一定面积上，经固定染色在显微镜下数视野中的菌数，并得出若干个视野中的平均菌数。通常在1.0 cm2的玻片上涂布0.01 mL样品。用台微尺测视野的直径，算出视野面积（πr2）。1.0 cm2除以视野面积即为1.0 cm2中的视野数。然后按下列公式计算每毫升的细胞数：视野中的细胞平均数×（1. cm2÷视野面积）×100。
③比浊法。细菌的菌体是不透光的，呈混浊状态。根据混浊程度，可用比浊计、分光光度计等来测定菌液的透光度，然后根据事先绘制的标准曲线查出菌液浓度。
2． 微生物的培养方法 
根据培养基的物理性质，可将微生物的培养方法分为固体培养法和液体培养法。
固体培养法是指在固体培养基上所进行的微生物培养。琼脂斜面培养就是典型的固体培养法。工业上常用麸皮、米糠、豆渣等为主要原料，加水及其他营养物质制成固体状态的培养基，然后接种进行微生物培养。酱油、醋、白酒及豆酱等常用这种方法进行生产。根据设备和通气方式的不同，固体培养法又可以分为浅盘法、转桶法、厚层通气法等。如酒曲就是采用浅盘法制作的：在木盘、竹盘或竹帘上铺3～5 cm厚的固体培养基，接种后置于温度、湿度适宜的曲房中进行培养和发酵。
液体培养法所用的培养基是液态的。实验室中的摇瓶培养法就是一种液体培养法。将装有液体培养基的三角瓶置于摇床上不断振荡，目的是让空气中的氧不断地溶解到液体培养基中。深层液体培养法也叫液体深层发酵法，它是目前发酵工业上常用的一种发酵方法。根据操作方法的差异，液体深层发酵法又可以分为分批发酵法、分批补料发酵法和连续发酵法。
①分批发酵法。此法是指一次性地向发酵罐中投入培养液，发酵完毕后，又一次性地放出原料的发酵方法。放料后再重复投料、灭菌、接种、发酵等过程。在这一过程中，菌种的生长可分为调整期、对数期、稳定期和衰亡期四个时期。
②分批补料发酵法。此法是指在分批发酵中，间歇或连续补加新鲜培养基的发酵方法。所补的原料可以是全料，也可以是氮源、碳源等，目的是延长代谢产物的合成时间等。用这种方法生产青霉素，使生产效率提高了20%。
③连续发酵法。此法是指向发酵罐连续加入培养液的同时，连续放出老培养液的发酵方法。其优点是设备利用率高、产品质量稳定，便于自动控制等，缺点是容易污染杂菌。这种技术已用于生产酵母菌菌体、乙醇、乳酸、丙酮丁醇，以及石油脱蜡、污水处理等。
微生物纯种的分离方法自然界中的微生物总是杂居在一起，即使一粒土或一滴水中也生存着多种微生物。要研究其中的某一种微生物，首先必须将它分离出来。下面介绍几种纯种微生物的分离方法。
平板划线分离  将已经熔化的培养基倒入培养皿中制成平板，用接种环沾取少量待分离的材料，在培养基表面平行或分区划线（图5-5），然后，将培养皿放入恒温箱里培养。在线的开始部分，微生物往往连在一起生长，随着线的延伸，菌数逐渐减少，最后可能形成纯种的单个菌落。

液体稀释法  将待分离的样品经过大量稀释后，取稀释液均匀地涂布在培养皿中的培养基表面，培养后就可能得到单个菌落。
利用选择培养基进行分离  不同的微生物对不同的试剂、染料、抗生素等具有不同的抵抗能力，利用这些特点可配制出适合某种微生物生长而限制其他微生物生长的选择培养基。用这种培养基来培养微生物就可以达到纯种分离的目的。
菌丝尖端切割  这种方法适于丝状真菌。用无菌的解剖刀切取位于菌落边缘的菌丝的尖端，将它们移到合适的培养基上培养后，就能得到新菌落。
3． 发酵 
广义的发酵是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。狭义的发酵是指微生物在厌氧条件下，以体内的某些有机物作为最终氢（电子）受体的产能过程。例如，在缺氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物分解葡萄糖的产能过程。发酵在微生物细胞的细胞质中进行。由于发酵过程对有机物的氧化不彻底，因此会积累多种多样的发酵产物。