高中生物 专题7 微生物与发酵工程典例剖析 新人教版必修1

典例剖析（第一部分专题七　微生物与发酵工程）【例1】2010北京西城模拟，6)与高等动植物相比，微生物的代谢速率较高，下列解释正确的是（　　）①微生物个体体积小，表面积与体积比值大，与外界物质交换迅速　②微生物的异化作用始终大于同化作用，释放出的能量较多　③微生物的代谢类型多，其代谢受环境影响比较小　④微生物体内的酶合成与酶活性的调节，减少了代谢产物的积累，加速了物质的交换A.①③B.②④C.②③D.①④解析：微生物代谢速率高的原因从细胞大小与物质运输速率的关系看，是体积小，表面积与体积比值大，与外界物质交换迅速；从酶活性的调节看，微生物体内的酶合成与酶活性的调节，减少了代谢产物的积累，加速了物质的交换。答案：D【例2】(2009江苏 高考 地理事物空间分布特征语文高考下定义高考日语答题卡模板高考688高频词汇高考文言文120个实词 ，23)下列有关谷氨酸棒状杆菌的生长和谷氨酸发酵的叙述，错误的是（　　）A.组成酶是维持菌体基本生活的必要条件B.菌体能合成各种生长因子，不需要从外界补充C.发酵液pH呈酸性时，就会生成乙酰谷氨酰胺D.细胞膜透性的改变，可以解除代谢产物对有关酶活性的抑制解析：组成酶在微生物体内一直存在，它们的合成只受遗传物质的控制；谷氨酸棒状杆菌的培养液中含有生物素，生物素就是生长因子，说明菌体不能合成所有的生长因子，需外界补充；当发酵呈酸性或溶氧不足时，产物分别是乙酰谷氨酰胺和乳酸(或琥珀酸)；当菌体内大量积累代谢产物时，就会抑制相应酶的活性，从而使合成途径中断，在谷氨酸生产过程中可采用一定的手段改变细胞膜透性，使谷氨酸能迅速地排放到细胞外面，从而解除谷氨酸对相应酶的抑制作用，提高谷氨酸的产量。答案：B点评：本题是对影响谷氨酸棒状杆菌发酵生产因素的综合考查，要着重理解在培养过程中环境条件发生变化后，谷氨酸棒状杆菌自身的调节变化。深化·拓展　　（1）能够影响发酵液pH的因素主要有：代谢产物的积累、营养物质的不均等消耗、呼吸产生的二氧化碳等。（2）调节发酵液pH的方法有：加缓冲液，加酸或加碱性物质。（3）发酵液pH的变化对微生物生长的影响主要表现在影响酶的活性、细胞膜的稳定性等，从而影响微生物对营养物质的吸收。【例3】(2009江西新建模拟，5)下图所示为某种培养基的配方，根据表格可以判断出（　　）成分含量成分含量K2HPO42g(NH4)2SO41.4gMgSO4·7H2O0.3gCaCl20.3g纤维素粉20g琼脂20g水1000mLpH5.5A.此培养基可以用来筛选生产纤维素酶的菌种B.此培养基因原料来源广泛，可用于工业生产C.此培养基可以用来筛选自生固氮菌D.此培养基中含有微生物所必需的五大营养要素解析：此培养基中以纤维素粉为唯一碳源，所以可以用来筛选生产纤维素酶的菌种；含有铵盐，不能用来筛选自生固氮菌；培养基中含有水、无机盐、碳源、氮源四类营养要素。工业生产一般用天然培养基。答案：A【例4】谷氨酸发酵生产过程中，控制好发酵的条件是十分重要的，下列关于谷氨酸发酵过程中的处理正确的是（　　）A.从控制磷脂合成或使细胞膜受损入手，降低谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性，有利于提高谷氨酸的合成速度B.谷氨酸棒状杆菌属于好氧型细菌，发酵过程中应进行通气和搅拌，以提高培养液中的溶氧量C.控制碳、氮比例为3∶1，既有利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，又有利于谷氨酸的大量合成D.在发酵过程中应保持温度的恒定，有利于谷氨酸高效持久的大量合成解析：从控制磷脂合成或使细胞膜受损入手，提高谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性，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抑制作用，有利于提高谷氨酸的合成速度。控制碳、氮比例为3∶1，不利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，有利于谷氨酸的大量合成。答案：B点评：谷氨酸发酵是本专题的考查重点，要掌握好谷氨酸发酵过程中各种因素的影响以及发酵条件的控制。【例5】(2009北京西城模拟，14)在缺乏氮源的培养基上大部分微生物无法生长，在培养基中加入青霉素可以抑制细菌和放线菌，在培养基中加入10%酚可以抑制细菌和霉菌。利用上述选择培养基依次能从混杂的微生物群体中分离出的微生物是（　　）A.乳酸菌、金黄色葡萄球菌、放线菌B.固氮细菌、大肠杆菌、放线菌C.固氮细菌、霉菌、放线菌D.固氮细菌、金黄色葡萄球菌、放线菌解析：在缺乏氮源的选择性培养基上只有固氮微生物能够正常生长；青霉素可以抑制细菌和放线菌生长，而在此培养基上真菌可以正常生长；在培养基中加入10%酚可以抑制细菌和霉菌，而放线菌可以正常生长。答案：C【例6】(经典回放)酵母菌培养过程中的生长曲线如下图所示，a、b、c、d分别表示不同的生长时期，其中适于作为生产用菌种的时期是（　　）A.aB.bC.cD.d解析：微生物的生长曲线可分为四个时期：调整期，菌体不立即开始分裂，代谢活跃，体积增长较快，大量合成所需物质；对数期，快速分裂，代谢旺盛，菌体形态和生理稳定，常用作生产用菌种和科研材料；稳定期，活体达到最高数值，积累代谢产物；衰亡期，细胞出现畸形，部分细胞开始解体释放代谢产物。答案：B点评：考查了识图能力，要求能正确地辨析各时期对应的区段，并理解酵母菌培养过程中每个时期的特点。【例7】(2008天津高考理综，31)（1）人们不会在热泉中发现活着的嗜冷海藻，而经常可能在冷水环境中分离嗜热微生物。请根据酶的特性分析产生这种现象的原因。（2）淀粉酶可以通过微生物的发酵生产。为了提高酶的产量，请你设计一个实验，利用诱变育种方法，获得产生淀粉酶较多的菌株。①写出主要实验步骤。②根据诱发突变率低和诱发突变不定向性的特点预测实验结果。解析：考查酶的特性、利用诱变育种的方法对细菌进行处理，选育产生较多淀粉酶的菌株的实验设计、结果预测。酶在较高的温度条件下，酶被破坏，失去活性，所以不会在热泉中发现活着的嗜冷海藻，相反酶在低温下不失活，遇到合适的温度又恢复活性。微生物的培养首先要配制培养基，对于该题则要求配制含淀粉的固体培养基，以便于观察菌落周围的透明圈。同时要注意设计对照实验，以增强实验的说服力。利用诱变育种可以对实验组菌株进行相应处理；对照组不处理。然后接种到培养基上，在适宜的条件下培养，观察记录实验数据。由于基因突变是不定向的，且突变率低，所以经处理的菌株，接种到培养基培养后形成的透明圈，可以与对照组进行比较分析。生产菌株在含有淀粉的固体培养基上，随其生长可释放淀粉酶分解培养基中的淀粉，在菌落周围形成透明圈。答案：（1）嗜冷海藻体内的酶遇到高温后，酶的分子结构被破坏而失去活性，海藻很快会死亡；而嗜热微生物的酶遇到低温环境，酶的活性降低，但酶分子结构没有被破坏，遇到合适的温度又可以恢复活性。（2）①主要实验步骤：第一步：将培养好的生产菌株分为两组，一组用一定剂量的诱变剂处理，另一组不处理作对照。第二步：制备含有淀粉的固体培养基。第三步：把诱变组的大量菌株接种于多个含淀粉的固体培养基上，同时接种对照组，相同条件下培养。第四步：比较两组菌株菌落周围透明圈的大小，选出透明圈变大的菌株。②预期实验结果：a.由于诱发突变率低，诱变组中绝大多数菌落周围的透明圈大小与对照组相同。b.由于诱发突变不定向性，诱变组中极少数菌落周围的透明圈与对照组相比变大或变小。点评：此类题目的解决一定要仔细地阅读题目所提供的信息，突破口往往在所给予的信息中上。实验设计类题目往往占分比较多，在分析题干的基础上运用所掌握的知识进行实验步骤的设计，要符合实验设计的一般原则。【例8】(2008江苏高考，33)抗生素作为治疗细菌感染的药物，其高效性和巨大的经济价值使抗生素工业经久不衰。其中青霉素的发现和应用具有划时代的意义。(1)青霉菌发酵产生青霉素。青霉菌的新陈代谢类型是_________，青霉素是青霉菌的________代谢产物。(2)在生产和科研中，常选用处于_______期的青霉菌作为菌种或研究材料，因为此时的青霉菌代谢旺盛，_______和_______比较稳定。(3)对青霉菌菌体情况的测定：取一定体积的发酵液，经离心分离、反复洗涤后，A.玉米粉和有氧B.大豆粉和有氧C.玉米粉和无氧D.大豆粉和无氧解析：酵母菌是兼性微生物，其异化作用的特点是在有氧气的条件下，进行有氧呼吸，产物为二氧化碳和水，同时释放大量能量，此时，酵母菌繁殖较快；在无氧的条件下，则进行无氧呼吸，产物是酒精和二氧化碳，释放能量较少。因此，在酵母菌产生酒精的阶段，应控制的条件是无氧的环境和提供给酵母菌较多的营养物质。考查酵母菌的呼吸类型，能力要求B。答案：C拓展题例【例1】(2010江西新建模拟，31)请用圆圈表示原核生物、青霉、真核生物、根瘤菌、病毒、噬菌体、蓝藻、草履虫这些概念的从属关系解析：考查生物的分类，原核生物包括蓝藻、根瘤菌，真核生物包括青霉、草履虫，病毒包括噬菌体。【例2】炭疽病是一种由炭疽芽孢杆菌引起的疾病。症状之一是皮肤等组织发生黑炭状坏死。炭疽芽孢杆菌是通过产生外毒素来增强微血管通透性，导致出血和组织肿胀，对中枢神经系统具有迅速和显著的抑制作用，从而使人发生呼吸衰竭和心脏衰竭而死亡。日本邪教组织奥姆真理教想利用炭疽病发动细菌战争，但他们的阴谋未能得逞，是因为这些邪教徒手中的炭疽菌丢失了一个质粒。炭疽病的诊断方法之一为：从病区采样，在5%的血液琼脂平板培养基上室温培养，然后镜检出有芽孢的病菌。炭疽病的预防可采用预防接种的办法，但需持续、频繁注射菌苗才能具有长期的保护作用。请根据上述材料，分析回答下列问题：（1）炭疽芽孢杆菌的同化作用类型为________。若在培养基中添加青霉素，病菌的生长情况为________。芽孢是一种___________________________。（2）炭疽芽孢杆菌外毒素的产生是受________基因控制的。人和动物感染病菌后，可通过产生________，获得抵抗再感染的免疫力。解析：细菌在含青霉素的培养基上生长会受到抑制，而真菌和酵母菌则不会，芽孢是细菌对抗不良环境的一种休眠体。细菌中的大型环状DNA控制着主要性状，但质粒上有抗生素的生成基因、固氮基因等。答案：（1）异养　受抑制　对恶劣环境有很强抵抗力的休眠体　（2）质粒DNA上的　抗体（或记忆细胞）【例3】近代分子生物学研究表明，细菌的质粒(环状DNA)独立于核区的DNA能自我复制，且能拼接到DNA中，还能从一个细胞进入另一个细胞。噬菌体作为病毒，其生活方式是①________，离开宿主就相当于没有生命的分子。噬菌体的DNA可独立存在于大肠杆菌细胞质中，也可以整合到大肠杆菌的DNA中，并与其一起复制。用同位素示踪法研究人噬菌体侵染大肠杆菌发现，噬菌体将其②________注入到大肠杆菌体内；由大肠杆菌提供完整的酶系统、原料和③________，以噬菌体DNA为 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合成④________，并在大肠杆菌的核糖体上合成蛋白质。进一步研究发现，噬菌体没有自身特有的遗传密码，含有的基因常和大肠杆菌的基因相同或相似，而和其他病毒的基因不同，当子代的噬菌体从大肠杆菌释放出后，又可继续侵染其他的大肠杆菌。(1)在上文数字标号处填写恰当的生物学名词。①________，②________，③________，④________。（2）有一种观点认为“病毒来自细胞，是细胞分出来的部分”，上文中有哪些材料支持这一观点。___________________________。解析：病毒的生活方式为细胞内专性寄生。答案：（1）①寄生　②DNA　③ATP　④噬菌体的DNA和它的mRNA　（2）噬菌体的DNA与细菌的质粒有相似的功能；噬菌体没有自身特有的遗传密码，含有的基因常和大肠杆菌的基因相同或相似【例4】某实验室有两个菌种，分别是胱氨酸依赖型细菌（无胱氨酸不能生长）和甲基营养细菌，甲基营养细菌只能利用甲醇、甲烷作碳源，但试管上标签脱落，请根据它们的代谢特点设计实验方案鉴别两管细菌，同时证明胱氨酸是胱氨酸依赖型细菌必需的营养物质，甲醇或甲烷是甲基营养细菌必需的营养物质，并对实验结果作出分析：第一步：在两个菌种的试管上分别标上A、B请补充以下步骤。结果分析：解析：本题要求设计实验方案鉴别两管细菌，同时，证明胱氨酸是胱氨酸依赖型细菌必需的营养物质，甲醇或甲烷是甲基营养细菌必需的营养物质，并对实验结果作出分析。明确实验目的后，再构思实验步骤。因为要证明胱氨酸是胱氨酸依赖型细菌必需的营养物质，甲醇或甲烷是甲基营养细菌必需的营养物质，所以必需设计对照实验。对照实验必需遵循的原则有：对照原则，等量原则，单因子变量原则，可重复可操作原则等。而对照的方法有：空白对照，条件对照，相互对照，自身对照等。本实验可设置“既不加胱氨酸又不加甲醇或甲烷”的空白对照组，分别与“只加胱氨酸”、“只加甲醇或甲烷”的实验组形成对照，从而得出结论。实验方案的设计要考虑全面，一些重要的步骤不能省略，如微生物培养时，“灭菌”就是非常重要的步骤，因为接种前不进行灭菌，将得不到任何实验结果。本实验方案的设计容易出错，一是实验步骤的顺序错了，如写成先接种再配培养基，二是对培养基的表述不正确，写成只加胱氨酸，只加甲醇或甲烷，不要其他的营养物质，三是未写上“灭菌”，“在适宜条件下培养”等关键性步骤。答案：第一步：配制不含胱氨酸和甲基营养（甲醇和甲烷），但含有微生物所需的各种其他营养物质的普通培养基，分装到6支试管中，标上1、2、3、4、5、6，在1和2中加胱氨酸，3和4中加甲醇或甲烷，5和6中都不加，调节适宜的pH，一起灭菌。第二步：将A管菌接种于1、3、5号试管中，B管菌接种于2、4、6号试管中，适宜条件下培养数天。结果分析：因为1、3、5试管中，只有1号管加有胱氨酸，只有3号管加有甲醇或甲烷。因此，若只有1上有细菌生长，则A管菌为胱氨酸依赖型细菌；若只有3号上有细菌生长，则A管菌为甲基营养细菌。同理，2、4、6试管中，只有2号管加有胱氨酸，只有4号管加有甲醇或甲烷。因此，若只有2上有细菌生长，则B管菌为胱氨酸依赖型细菌；若只有4号上有细菌生长，则B管菌为甲基营养细菌。