小專題五 微生物的生長與發(fā)酵工程簡介,核心考點整合,考點整合一：微生物的生長 1生長曲線的形成條件 (1)菌種：數(shù)量上是少量，但不能是一個，若加大接種量能縮短調(diào)整期；種類上是一種，可避免不同種細菌之間的競爭。,(2)培養(yǎng)基：恒定容積的液體培養(yǎng)基。恒定容積提供一定的生存環(huán)境，但營養(yǎng)和空間是有限的；液體培養(yǎng)基便于測定群體生長，如通過樣品推測細菌總數(shù)。 (3)培養(yǎng)條件：適宜條件。 (4)菌體數(shù)量的測定方法：定期取樣。測細菌的細胞數(shù)目：將等量的待測樣品與已知含量的紅細胞混勻，固定染色，求出細菌與紅細胞的比例，計算出單位體積內(nèi)的細菌數(shù)目；分離出單位體積培養(yǎng)液中的細菌，稱重，計算出其中的細胞總重量。,2解讀生長曲線 (1)生長曲線如圖：,(2)生長曲線四個時期主要內(nèi)容的比較：,3.研究微生物生長曲線的實踐意義 (1)在工業(yè)發(fā)酵和科研中通常采取一定的措施縮短調(diào)整期： 通過遺傳學(xué)方法改變微生物的遺傳特性使之縮短； 利用對數(shù)期的細胞作為“種子”； 盡量使接種前后所使用的培養(yǎng)基組成不要相差太大； 以適當擴大接種量等方式縮短調(diào)整期。,(2)發(fā)酵中延長穩(wěn)定期、提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法連續(xù)培養(yǎng)： 基本原則：微生物培養(yǎng)過程中不斷地補充營養(yǎng)物質(zhì)和以同樣的速率移出培養(yǎng)物。 優(yōu)點：縮短發(fā)酵周期，提高設(shè)備利用率；便于自動控制；產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。 缺點：雜菌污染和菌種退化。,4影響微生物生長的環(huán)境因素,特別提醒： 1微生物生長速率曲線,2細菌的生長曲線與種群的增長曲線比較 (1)細菌的生長曲線與種群的增長曲線均以時間為橫坐標，但生長曲線縱坐標是細菌數(shù)目的對數(shù)，增長曲線縱坐標是種群數(shù)量。生長曲線可分為四個時期。,(2)生長曲線的“調(diào)整期對數(shù)期”與種群數(shù)量變化的“J”型曲線相似：“調(diào)整期對數(shù)期穩(wěn)定期”與種群數(shù)量變化的“S”型曲線相似。 (3)生長曲線中，種內(nèi)斗爭最激烈的階段是隱定期；與無機環(huán)境斗爭最激烈的階段是衰亡期；調(diào)整期和對數(shù)期種內(nèi)斗爭很小；產(chǎn)生初級代謝產(chǎn)物的最佳時期是調(diào)整期；產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的最佳時期是穩(wěn)定期。,【典例1】 用某種培養(yǎng)基培養(yǎng)谷氨酸棒狀桿菌，測得其生長曲線如圖甲所示。谷氨酸是谷氨酸棒狀桿菌的代謝產(chǎn)物之一，其合成途徑如圖乙所示。下列有關(guān)敘述，不正確的是( ),A該培養(yǎng)基是恒定容積的液體培養(yǎng)基，含有五大類營養(yǎng)要素物質(zhì) B谷氨酸脫氫酶是組成酶，谷氨酸在圖甲中的各個時期都有合成 C在圖甲中的時期，谷氨酸棒狀桿菌代謝旺盛，種內(nèi)斗爭最激烈 D在圖乙中，谷氨酸脫氫酶被抑制的直接原因是其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,解析 從生長曲線看，是微生物群體在恒定容積的條件下的生長情況；組成酶在各個時期都可以產(chǎn)生，誘導(dǎo)酶是在一定外界條件下產(chǎn)生的；在穩(wěn)定期種內(nèi)斗爭最激烈；谷氨酸脫氫酶被抑制的直接原因是其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，催化效率降低。 答案 C,【互動探究1】 (2009上海卷)在光照下，將等細胞數(shù)量的衣藻和大腸桿菌分別接種到只含無機鹽的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，結(jié)果是(虛線和實線分別表示大腸桿菌和衣藻的生長曲線)( ),解析 本題考查自養(yǎng)型生物和異養(yǎng)型生物的生長曲線。在沒有有機物供應(yīng)的情況下，明確大腸桿菌的生長狀況是解答本題的突破口。大腸桿菌是異養(yǎng)型生物，不能利用無機物制造有機物，只能攝取現(xiàn)成的有機物進行生長繁殖，因此在只含無機鹽的培養(yǎng)基上幾乎不能生長繁殖，而四個圖中只有C符合該結(jié)論。衣藻是含有葉綠體的低等植物，能進行光合作用合成有機物，因此能生長繁殖，其生長曲線應(yīng)近似于“S”型曲線。 答案 C,考點整合二：發(fā)酵工程 一、發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)品的流程簡圖,歸納總結(jié)： 1菌種選育的常用方法比較,2.發(fā)酵工程與其他生物工程的比較,二、發(fā)酵的影響因素及控制 1溫度 (1)造成的影響：溫度影響酶活性，進而影響代謝速率；影響生物合成的途徑，如金色鏈霉菌在30C以下時合成金霉素能力較強，在35C以上時則只合成四環(huán)素；影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)以及菌種對營養(yǎng)物質(zhì)的分解和吸收。,(2)采取的措施：要根據(jù)生產(chǎn)實際合理控制溫度，如最適生長溫度不一定是該菌體內(nèi)生成代謝產(chǎn)物的最適溫度。發(fā)酵罐中熱量來源于有機物的氧化分解、機械摩擦等，需要通過發(fā)酵罐壁、水分蒸發(fā)、冷卻水等將熱量散發(fā)出去，最終使發(fā)酵罐中的溫度保持動態(tài)平衡。,2pH (1)造成的影響：pH的改變可以影響酶活性，造成細胞膜通透性改變，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排出；影響產(chǎn)物種類，如谷氨酸棒狀桿菌在pH為酸性時生成乙酰谷氨酰胺而不是谷氨酸。,(2)采取的措施：在微生物的代謝過程中，產(chǎn)生的二氧化碳、有機酸等會引起培養(yǎng)基中pH的降低，某些無機鹽的選擇性吸收可能會引起pH的上升，pH的改變不利于生產(chǎn)，因此要及時調(diào)整。過酸時加Na2CO3等中和，過堿時加稀鹽酸等中和。,3溶解氧 (1)造成的影響：不同代謝類型的微生物對溶氧的要求不同，氧可以促進需氧型微生物的代謝，抑制厭氧型微生物的代謝；溶氧還可以影響產(chǎn)物的合成，如當氧氣不足時，谷氨酸棒狀桿菌生成的是乳酸或琥珀酸，而不是谷氨酸。 (2)采取的措施：對需氧型生物進行發(fā)酵，發(fā)酵過程中要不斷地通入無菌空氣，并進行攪拌(要合理控制轉(zhuǎn)速)；對厭氧型生物進行發(fā)酵，要隔絕空氣。,4營養(yǎng)物質(zhì)的濃度 C/N、無機鹽、維生素等均能影響微生物的生長和代謝產(chǎn)物的積累。如當C/N3時，谷氨酸棒狀桿菌大量合成谷氨酸；當C/N4時，谷氨酸棒狀桿菌大量繁殖而產(chǎn)生的谷氨酸很少。,【典例2】 如圖所示為發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)品的流程圖，據(jù)圖回答：,(1)能生產(chǎn)人生長激素的工程菌是通過_培育的；高產(chǎn)青霉素菌種是通過培育的，是_，是_。 (2)整個過程的中心階段是發(fā)酵，要隨時取樣檢測培養(yǎng)基中的細菌數(shù)目、產(chǎn)物濃度等。同時，要嚴格控制_和轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件。 (3)若是單細胞蛋白的話，是_，氨基酸、維生素屬中的_產(chǎn)物。,基因工程,誘變育種,細胞工程,溶解氧、溫度、pH,微生物菌體,初級代謝,解析 一般情況下，從自然界中分離得到的野生菌種不能滿足人們的需求，因此需進行改造，常用的措施有基因工程、誘變育種、細胞工程。影響發(fā)酵的主要條件有溶解氧、溫度、pH等。發(fā)酵工程的產(chǎn)品有兩類，一是菌體本身，二是代謝產(chǎn)物。,【互動探究2】 (2009全國理綜)下列關(guān)于通過發(fā)酵工程生產(chǎn)谷氨酸的敘述，錯誤的是( ) A發(fā)酵時需不斷通入無菌空氣，否則會積累乳酸 B發(fā)酵時常采用的培養(yǎng)基為液體天然培養(yǎng)基 C從自然界分離的野生型菌株可直接用于生產(chǎn) D當菌體生長進入穩(wěn)定期時，補充營養(yǎng)物可提高谷氨酸產(chǎn)量,解析 本題以谷氨酸發(fā)酵過程為切入點，主要考查與發(fā)酵工程相關(guān)的知識，熟知發(fā)酵工程的基本步驟及每步中需要注意的事項，是解題的關(guān)鍵。發(fā)酵工程生產(chǎn)谷氨酸，溶液不足時，會產(chǎn)生乳酸或琥珀酸；培養(yǎng)基中含豆餅的水解液、玉米漿等成分復(fù)雜的物質(zhì)，工業(yè)生產(chǎn)常用液體培養(yǎng)基，因此該培養(yǎng)基屬于液體天然培養(yǎng)基；從自然界分離的野生型菌株，產(chǎn)量一般都比較低，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，通常要用人工誘變的方法處理，使菌種產(chǎn)生突變，再從中篩選出符合要求的優(yōu)良菌種，才能用于生產(chǎn)；,當菌體生長進入穩(wěn)定期時，要及時補充營養(yǎng)物質(zhì)，以滿足菌體的營養(yǎng)需求，提高谷氨酸的產(chǎn)量。 答案 C,高考鏈接,(2010全國)下列是與微生物培養(yǎng)有關(guān)的問題，請回答： (1)某細菌固體培養(yǎng)基的組成成分是KH2PO4、Na2HPO4、MgSO4、葡萄糖、尿素、瓊脂和蒸餾水，其中凝固劑是_，碳源是_，氮源是_。 已知只有能合成脲酶的細菌才能在該培養(yǎng)基上生長，故該培養(yǎng)基屬于_培養(yǎng)基。按照化學(xué)成分分類，該培養(yǎng)基屬于_培養(yǎng)基。從同化作用類型看，用該培養(yǎng)基培養(yǎng)的細菌屬于_。,瓊脂,葡萄糖,尿素,選擇,合成,異養(yǎng)型,(2)將少量細菌接種到一定體積的液體培養(yǎng)基中，適宜條件下培養(yǎng)，定時取樣測定菌體數(shù)目，以時間為橫坐標，以菌體數(shù)目的對數(shù)為縱坐標，可以得到細菌的_曲線。該曲線中以菌體數(shù)目的對數(shù)作為縱坐標的原因是_。實驗室中，為了獲得形態(tài)和生理特征一致的菌體，一般應(yīng)在_期取材；在生產(chǎn)中，常收集培養(yǎng)至_期的細菌用于次生代謝產(chǎn)物的提取。,生長,培養(yǎng)中的細菌以指數(shù)形式增殖，取對數(shù)便于反映細菌群體的生長規(guī)律(其他合理答案也可),對數(shù),穩(wěn)定,解析：(1)在細菌固體培養(yǎng)基組成成分中，凝固劑是瓊脂，碳源是葡萄糖，氮源是尿素；由于只有能合成脲酶的細菌才能在該培養(yǎng)基上生長，從培養(yǎng)基用途上看，該培養(yǎng)基應(yīng)屬于選擇培養(yǎng)基；按照培養(yǎng)基的化學(xué)成分劃分，該培養(yǎng)基應(yīng)屬于合成培養(yǎng)基；由于該細菌利用有機物(葡萄糖)作碳源，故從同化作用類型看，該細菌屬于異養(yǎng)型。(2)細菌