专题二 生物的新陈代谢 4讲

第四讲 微生物与发酵工程(含生物固氮) 主干知识回扣一、微生物包含的类群 1.微生物包括没有细胞结构的病毒等，又包括 原核 生物界、

真菌 界以及 原生 生物界。2.细菌、大肠杆菌、幽门螺杆菌都属于 原核 生物界，禽流感 病毒、艾滋病病毒、朊病毒属于 非细胞 结构的生物；酵母 菌、蘑菇、木耳、青霉菌属于 真菌 界生物。 3.细菌细胞质中 质粒 ，其含有控制细菌 抗药性 、 固氮 、

抗生素生成 等性状的基因。 菌落 是鉴定菌种的重要依据之一。

4. 病毒结构主要由核酸和衣壳两部分组成， 有些病毒还有囊膜。 决定病毒抗原特异性的是衣壳，贮存着病毒全部遗传信息、 控制着病毒一切性状的物质是 核酸 。 病毒增殖过程包括吸附、 注入 、合成核酸和 蛋白质 、装配、 释放。 二、微生物需要的营养及作用 微生物的五大营养要素是碳源、氮源、生长因子、无机盐 和 水 。最常用的碳源是 葡萄糖(或糖类) , 碳源主要用于合成微 生物的 细胞物质 和一些 代谢产物 ；最常用的氮源是 铵盐 、 硝酸盐 等 ， 氮 主 要 用 于 合 成 蛋白质 、 核酸 以 及 含氮的代谢产物 ；生长因子主要包括 维生素 、 氨基酸 和 碱基 等，它们一般是酶和 核酸 的组成成分，常用的可提 供生长因子的天然物质有 酵母膏 、 蛋白胨 、 动植物组织提 取液等。

三、培养基的配制原则及种类 1.配制原则：目的明确、 营养协调 、pH 适宜。

合成 天然 选择 鉴别 四、微生物的代谢产物及调节 1.微生物的代谢产物分为初级代谢产物 和次级代谢产物。其 中前者是微生物生长发育所必需的。 2.微生物代谢的调节主要有两种方式： 酶合成的调节 和 酶活性的调节。 酶合成的调节是指 组成酶 和 诱导酶 在微生物不同的生 长阶段发挥不同作用的调节。 酶活性的调节是指微生物通过改变 已有酶的活性 ，来调节 代谢的 速率 ，是一种 快速 、 精细 的调节方式。 3.代谢的人工控制包括改变 遗传特性 和控制 生产条件 。

五、生物固氮 生物固氮是指 固氮微生物 将大气中的氮还原成 氨 的过程。 固氮微生物分为两类：共生固氮微生物(如 根瘤菌 )和自生 固氮微生物(如 圆褐固氮菌 )。 六、微生物的生长

稳定期 和衰亡期 1.微生物生长曲线可分为调整期 、 对数期 、四个主要时期。

对数期 的菌种常作为生产菌种和科研材料， 2. 原因是代谢旺盛 ， 个体 特征 比较稳定。3.形成芽孢的时期是 稳定期 ，原因是随 营养物质 的消耗， 代谢产物 积累，pH 变化。 4.影响微生物生长的环境因素主要有 温度 、pH 和 氧气 。

七、微生物发酵工程 1. 微生物发酵工程的内

容包括 菌种选育 、 培养基配制、灭菌 、 扩大培养和 接种 、发酵过程和产品的 分离与提纯 。 2.发酵过程是发酵的中心阶段，需严格控制 温度 、 pH 、溶 氧通气量和转速等发酵条件。在谷氨酸发酵过程中，当 pH 呈 酸性 时， 谷氨酸 就会生成乙酰谷氨酰胺； 溶氧量 不 当 足时，生成的代谢产物是乳酸或琥珀酸。

高频考点整合考点一 教材中列举的各种微生物的代谢类型及特征

1.微生物代谢异常活跃的原因 (1)表面积与体积比很大，能够迅速与外界环境进行物质交 换。 (2)具有复杂而精细的代谢调节方式 酶合成调节： 保证代谢需要， 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。 酶活性调节：通过酶分子结构的可逆改变达到快速、精细、 可逆地调节微生物的代谢。

2.细菌代谢特征 (1)转录和翻译同时同地(细胞质中)进行。 (2)基因结构包括编码区和非编码区，编码区是连续的，不 间断的。 (3)细菌细胞中只有核糖体这种细胞器，无线粒体、叶绿体 等有膜细胞器，但有些细菌能进行有氧呼吸(场所是细胞质 基质、细胞膜)和光合作用。 3.病毒代谢特征 专性活细胞内的寄生生物， 形体极其微小， 必须在电子显微 镜下才能观察，无产能系统、酶系统和蛋白质合成系统，单 独存在时不表现生命现象， 只能借助宿主细胞的合成代谢体 系为其复制核酸和蛋白质，最后装配成结构完整的病毒粒 子。 不存在个体的生长和二分裂等细胞的增殖方式， 在离体 条件下，能以无生命的化学大分子存在，并保持侵染力，对 一般抗生素不敏感。

4.微生物举例 (1)噬菌体：无细胞结构的 DNA 病毒(细菌病毒),它与细菌 属于寄生关系。 (2)烟草花叶病毒：RNA 病毒又称植物病毒，通过烟草花叶 病毒侵染实验证明 RNA 是遗传物质。 (3)艾滋病病毒(HIV):RNA 病毒(逆转录病毒，在宿主细胞 内先转录为单链 DNA),以 T 细胞为宿主，使人体免疫力基 本丧失。 (4)病毒：无细胞结构，遗传物质为 DNA 或 RNA,由衣壳 和核酸构成， 严格的寄生生物， 无自己的酶系统和代谢系统， 必需依赖宿主的酶系统和代谢系统，离开宿主无生命活动， 必须使用活体材料培养，通过复制的方式增殖。

(5)大肠杆菌：原核，兼性厌氧，异养，某些大肠杆菌能为人体 合成维生素，与人构成共生关系。 (6)乳酸菌：原核，厌氧，异养。如泡菜、酸乳制作原理。 (7)酵母菌：真核，兼性厌氧，异养，出芽生殖也可进行有性生 殖，可与青霉菌生活在一起。 (8)放线菌：原核，需氧，异养，由气生和基内菌丝组成，进行 孢子生殖。 (9)根霉：真核，需氧，异养，孢子生殖(青霉菌)。 (10)

根瘤菌：原核，需氧，异养，共生固氮，只有和豆科植物 形成共生关系并形成根瘤才能固氮。 (11)圆褐固氮菌：原核，需氧，异养，自生固氮(可生活在无氮 的培养基中),可以产生生长素，促进植物生长。

(12)硝化细菌：原核，需氧，自养，属于生产者，氧化材料是 氨。 (13)黄色短杆菌：原核，需氧，异养，用于工业发酵生产赖氨 酸。 (14)谷氨酸棒状杆菌：原核，需氧，异养，用于工业发酵生产 味精。 (15)肺炎双球菌：原核，需氧，异养，根据菌落特征可分为 R 型(无毒)、S 型(有毒),通过肺炎双球菌转化实验证明 DNA 是 遗传物质。 (16)红螺菌：光能自养、化能异养、厌氧(兼性光能营养型)。 (17)氢单胞菌：化能自养，化能异养(兼性自养)。

(18)蓝藻：原核，需氧，自养，无叶绿体，属于生产者。 (19)衣藻：真核，需氧，自养，属于生产者。 (20)绿藻：真核，需氧，自养，属于生产者。 (21)变形虫：单细胞原生动物，真核，需氧，异养，分裂生殖。 (22)大草履虫、小草履虫：单细胞原生动物，真核，需氧，异 养，分裂生殖，受刺激引起反应，叫应激性，不能叫反射。

训练 1 下列有关大肠杆菌的叙述，正确的是 分子

( D ) A.大肠杆菌以复制方式进行繁殖，其拟核是一个环状 DNA B.在含葡萄糖和乳糖的培养基上，大肠杆菌首先利用乳糖 作碳源 C.用大肠杆菌工程菌生产干扰素时，应及时添加核酸等生 长因子 D.处于对数期的大肠杆菌，常作为生产用的菌种和科研的

材料 解析 大肠杆菌是一种细菌，以二分裂的方式进行繁殖；

在含葡萄糖和乳糖的培养基上，大肠杆菌首先利用葡萄糖 作能源，然后再利用乳糖；利用大肠杆菌作为工程菌生产 干扰素时，不需要添加外源生长因子；处于对数期的大肠 杆菌细胞代谢最旺盛，常作为生产用的菌种和科研的材料。

训练 2

(2009· 上海卷)甲型 H1N1 流感病毒能在宿主细胞内繁 ( D )

殖，其主要原因是该病毒 A.基因组变异过快 B.基因复制和表达过程过于简单 C.基因和蛋白质的结构与宿主的相似性很高 D.利用宿主细胞的酶完成基因复制和表达

解析

病毒的生命活动离不开细胞，原因是由于病毒的

结构简单，绝大多数病毒是由蛋白质外壳和核酸构成的，在进行代谢活动时必须依靠宿主细胞提供必要的场所、 条件和原料才能进行自身的代谢活动。

考点二

微生物的营养物质及培养基类型

1.异养型微生物与自养型微生物碳源不同，前者为糖类等有机 物，后者为 CO2 等无机物。 2.培养基比较分类 培养基 标准 种类 固体培 养基 物理 半固体 性质 培养基 液体培 养基 培养基特点 —— —— —— 作用

举例

用于微生物的分 选择培养基、 离、计数等 鉴别培养基 观察微生物的运 动、鉴定菌种等 ——

谷氨酸发酵 常用于工业生产 的培养基 工业生产 分类、鉴定等 蛋白胨、 牛肉 膏 鉴别培养基

天然培 由天然物质配制而 化学 养基 成，化学成分不明确 性质 合成培 由化学物质配制而 养基 成，化学成分明确

选择 培养 用 途 基 鉴别 基

在培养基中加入了某 种化学物质，抑制不需 分离 要的微生物的生长，促 菌种 进所需微生物的生长 在培养基中加入指示 不同种类的微生物

加入青霉素 的培养基、 无 氮培养基

培养 剂或化学药品，以鉴别

鉴别 伊红—美蓝 菌种 培养基

训练 3 利用微生物分解玉米淀粉生产糖浆，具有广阔的应用 前景。但现有野生菌株对淀粉的转化效率低，某同学尝试对 其进行改造，以获得高效菌株。 实验步骤： (1)配制________(固体、半固体、液体)培养基，该培养基的 碳源应为________。 (2)将______________接种到已灭菌的培养基平板上。 (3)立即用适当剂量的紫外线照射，其目的是_____________。 (4)菌落形成后，加入碘液，观察菌落周围培养基的颜色变化 和变化范围的大小。周围出现________现象的菌落即为初选 菌落。经分离、纯化后即可达到实验目的。

解析 本题中配制培养基的目的是选择培养分解玉米淀粉的高 产菌株，因此要用固体培养基。培养基的碳源为玉米淀粉。向 培养基中加入适量的碘液，使培养基呈蓝色。向培养基中接种 野生菌株后可用紫外线照射，诱导野生菌株发生基因突变。由 于微生物可将淀粉分解使培养基褪色，因此菌落周围的培养基 浅色范围大的菌落为初选菌落。

答案

(1)固体

玉米淀粉

(2)野生菌株

(3)对野生菌株

进行诱变

(4)浅色范围大

训练 4

(09· 石家庄高三期末)不同的微生物对营养物质的需要 ( B )

各不相同。下列有关一种以 CO2 为唯一碳源的自养微生物营 养的描述中，不正确的是 A.氮源物质为该微生物提供必要的氮素 B.碳源物质也是该微生物的能源物质 C.无机盐是该微生物不可缺少的营养物质 D.水是该微生物的营养要素之一

解析 无机碳源 CO2、 NaHCO3 等并不是微生物的能源， 有机碳源才可充当能源。

考点三

微生物的代谢、生长 酶活性的调节 已有酶(组成酶和诱导酶)的 活性 代谢水平调节，代谢产物 调节 基因水平调节，调节 与酶可逆性结合，使酶的 机制 酶的合成 结构发生可逆性改变 区 调节 细胞内酶的数量、种 细胞内酶的活性发生变化 别 结果 类增多 调节 间接而缓慢 快速、精细 特点 既保证代谢的需要， 调节 又避免物质和能量的 避免代谢产物积累过多 意义 浪费，增

强适应能力 两种调节方式同时存在，密切配合、协调起作 联系 用，高效、准确地控制代谢的正常进行

1.微生物代谢的调节 项目 酶合成的调节 调节 诱导酶的合成 对象

2.微生物的生长曲线 曲线

项目 形成原 适应新 因 环境

条件适宜

生存条件恶化

繁殖>死亡，繁殖=死亡， 活 增殖特 不立即 迅速增殖， 菌数量最多， 指 接 点 繁殖 数增长 近K值 大量积累代谢 代谢活 代谢旺盛， 产物， 个 特别是次 形态生 跃， 体积 体形态、 生理 级代谢产物， 有 理特征 增长较 特性稳定 些种类出现芽 快 孢

生存条件 极度恶化 繁殖<死 亡，活菌数 目急剧下 降 细胞出现 多种形态、 畸变、自 溶，释放代 谢产物

增长 率曲 线 几乎不存 种内斗 在种内斗 争越来 争的阶段 越激烈 通过菌 种、接种 量、培养 基等，缩 短调整期 种内斗争最激烈 的阶段 与无机环境 斗争最激烈 的阶段

说明 生产 应用 与控 制

作为生 以一定速率添加 菌体裂解释 产用的 新培养基， 放出原 放代谢产 菌种和 培养基和控制其 物，便于分 科研材 他生产条件， 延长 离提纯产品 料 稳定期

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ovz4.html