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2010高考二轮复习重点热点之微生物与发酵工程


高考二轮复习重点热点之微生物与发酵工程典例分析 考点一、微生物的类群 【调研 1】2008 年 5 月 20 日新华网报道:截至 2008 年 6 月 18 日 18 时,四川确认在汶川地震灾区已发现 58 例气 性坏疽患者,其中有 30 名患者须截肢。中国科学院武汉病毒所研究员杨荣阁说,这不是很可怕的疾病,气性坏疽 是芽胞杆菌引起的疾病,这种病一般都是两种或者几种以上的细菌感染

后造成的,引起这种疾病的细菌一般存在泥 土、粪便等中,由于地震造成的外伤很多,它们很容易进入到伤口当中,特别是像肌肉等厚实的深部组织,一旦菌 进入到这些组织中就会迅速繁殖,产生气体,导致疾病。如果伤口是开放的话就会缓解一些症状。请分析下列有关 “气性坏疽”病原体说法,不正确的是( )? A.一定不是生产者 B.一定是分解者? C.不具有核膜结构 D.不发生染色体变异?? 解析:本题以新情景为载体,考查芽胞杆菌的特征。引起气性坏疽的芽胞杆菌不能自行合成有机物,说明它一定不 是生产者;主要是寄生在人体内,且繁殖速度很快,说明它是消费者;引起气性坏疽的芽胞杆菌是一种原核生物, 属于细菌,细胞内没有核膜和染色体,不可能发生染色体变异。 答案:B 【发散类比】 类群比较 病 毒 原核生物 真 菌 原生生物 不具细胞结构, ①一般有细胞壁,主 ①单细胞或多细胞①单细胞的真核生 由核酸和衣壳构 要成分为肽聚糖 , 对 的真核生物 , 对青霉 物 , 细胞壁成分为纤 成 ( 核酸决定病 青霉素敏感 ; ②无核 素 不 敏 感 ; ② 有 核 维素、果胶 ; ②有核 毒遗传特性 , 衣 膜、核仁及染色体 ; 膜 . 核仁及染色体和 膜、核仁及染色体和 壳决定抗原特异 ③ 无 各 种 复 杂 的 细 复杂的生物膜系统 复杂的生物膜系统 性) 胞器,只有核糖体 DNA 或 RNA 基因突变 DNA 基因突变 DNA DNA

结构特点

遗传物质 可遗传 变异来源 繁殖方式

基因突变,染色体变 基因突变,染色体变 异,基因重组 异,基因重组 无性繁殖 或有性繁殖 无性繁殖 或有性繁殖

复制繁殖 , 培养 病毒需用活的组 二分裂方式繁殖 织细胞培养基

考点二、微生物的代谢 【调研 2】下列关于初级代谢产物和次级代谢产物的比较,其中正确的是() A.初级代谢产物只在微生物生长初期产生,次级代谢产物在生长到一定阶段产生 B.两者都是自始至终产生 C.初级代谢产物始终产生,次级代谢产物在生长到一定阶段产生 D.两者都是微生物生长和繁殖所必需的 解析:考查微生物的代谢。微生物的代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物,初级代谢产物是指微生物通过代 谢活动产生的、自身生长繁殖所必需的物质,不同微生物的初级代谢产物种类基本相同,合成在不停的进行;次级 代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的、化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能,或并非是微生物 生长和繁殖所必需的物质。 答案:C 【发散类比】微生物初级代谢产物与次级代谢产物比较表 内 容 初级代谢产物 是必需的 一直产生 基本相同 细胞内 次级代谢产物 并非必需的 生长到一定阶段才产生 不相同 细胞内或细胞外 生长繁殖 产生阶段 不同点 种的特异性 分 布 示 例

氨基酸、 核苷酸、 维生素、 抗生素、毒素、激素、 多糖、脂类等 色素等

合成量最多时期 相同点

调整期

稳定期

均在微生物细胞的调节下,有步骤的产生

考点三、酵母菌呼吸方式探究 【调研 3】酵母菌是一种单细胞真菌,在有氧和无氧的条件下都能生存,属于兼性厌氧菌,因此便于用来研究细胞 呼吸的不同方式;右图是某研究性学习小组为了探究酵母菌的细胞呼吸类型而设计的实验装置(酵母菌利用葡萄糖 作为能源物质) ;下列有关实验装置和结果的分析,不正确的是: A.通过装置 1 液滴移动情况仅仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸 B.用水代替 NaOH 溶液设置装置 2, 通过装置 2 液滴的移动情况可以探究出 酵母菌是否进行无氧呼吸 C.用水代替 NaOH 溶液设置装置 2,如果装置 1 中液滴左移,装置 2 中液滴 右移;说明酵母菌即进行有氧呼吸又进行无氧呼吸 D.用水代替 NaOH 溶液设置装置 2,装置 2 中液滴可能向左移 解析:本题以酵母菌的异化类型为基础,考查学生的实验设计和分析能力。装置 1 装有 NaOH 溶液用来吸收呼吸放 出的 CO2,因此装置 1 中有色液向左移动说明有氧气的消耗,即进行了有氧呼吸;而对装置 2 来说,用等量蒸馏水 来代替 NaOH 溶液,此时装置 2 中有色液向左移动的数值表示了消耗氧和释放二氧化碳的体积之差。若差值为零, 说明消耗氧气量等于产生的 CO2 量, 酵母菌只进行有氧呼吸; 若差值为正值时, 说明消耗氧气量大于产生的 CO2 量, 这种情况不会出现;若差值为负值(即有色液向右移动)时,说明消耗氧气量小于产生的 CO2 量;若酵母菌即进行 有氧呼吸又进行无氧呼吸时,消耗氧气量小于产生的 CO2 量;装置 2 有色液滴右移。总结如表: 现象 装置 1 中液滴 ① ② ③ 左移 不移动 左移 装置 2 中液滴 不移动 右移 右移 结论 只进行有氧呼吸 只进行无氧呼吸 既进行有氧呼吸, 又进行无氧呼吸

答案:D 【误区分析】①没有掌握有氧呼吸与无氧呼吸方程式、两者之间的联系与异同点,没有理清酵母菌的呼吸方式的改 变对实验装置中气体体积造成的影响;②注意设计过程中实验基本原则的遵循。 考点四、酶合成调节与酶活性调节 【调研 4】精氨酸酶与酪蛋白代谢密切相关。当鼠的饲料中不含酪蛋白时,鼠肝中几乎测不出精氨酸酶;当鼠的饲 料中酪蛋白从 8%增至 70%时,可使鼠肝中精氨酸酶的含量明显增加。通过这种代谢的调节,生物可最经济地利用营 养物质,并做到“既不缺乏也不剩余”。以下有关说法的正确组合是 ①精氨酸酶是组成酶,它的合成只受遗传物质控制;②精氨酸酶是诱导酶,它的合成不受遗传物质控制;③精氨酸 酶是组成酶,它的合成不受遗传物质控制;④精氨酸酶是诱导酶,它的合成也受遗传物质控制;⑤所谓“既不缺乏 也不剩余”指的是酶合成的调节,并不包括酶活性的调节;⑥通过改变细胞膜的通透性而调节物质出入细胞,这是 人工对酶活性的调节 A.④⑥ B ②⑤ C ①⑤⑥ D ③⑤ 解析:本题考查微生物代谢的调节。微生物体内有两种酶,组成酶和诱导酶,组成酶是一直存在的酶,其合成只受 遗传物质的控制;诱导酶是在诱导物的诱导下才能合成的酶,其合成既受诱导物的控制,又受遗传物质的控制。由 题意可知,精氨酸酶是在酪蛋白的诱导下合成的,因此是诱导酶。当生物的某种代谢产物过多时,这种产物和与这 种产物形成过程中的某种酶结合,来降低酶的活性,进而减少营养物质向该产物的转变,同时也不会使这种产物在 细胞中过剩;所以所谓“既不缺乏也不剩余”指的既包括酶合成的调节,也包括酶活性的调节。 答案:A 【知识链接】微生物代谢的调节 1.酶合成的调节? (1)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时才能合成、存在,它的合 成受基因与诱导物共同控制。(2)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。(3)酶合成调 节的机制(本质)——原核生物基因表达的调控,如大肠杆菌乳糖操纵子学说。(4)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? (1)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。 (2)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。(3)酶活性调节的特点:快速、精确。(4)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:(1)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。(2)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。(3)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、准确地控制代谢的正常进行。 考点五、微生物生长曲线分析 【调研 5】下图中曲线 A 为谷氨酸棒状杆菌的生长曲线,那么曲线 B 纵坐标可能 表示( ) A.谷氨酸的产量 B.谷氨酸的产生速率 C.培养基的消耗量 D.培养基的消耗速率 解析: 本题考查微生物生长过程中营养物质和代谢产物的变化情况。 谷氨酸是谷氨酸棒状杆菌生长必需的营养物质, 在开始时产生速率不能为 0;当谷氨酸棒状杆菌达到稳定期后,合成的谷氨酸可以从菌体内排出,谷氨酸的产量开 始增加。培养基是从细菌生长开始就被消耗并逐渐增大的;消耗速率在微生物代谢旺盛和数目较多时达到最大值。 答案:A 【发散类比】动物和微生物群体数量增长曲线对比

“J”型曲线是在理想条件下的种群数量增长曲线,无 K 值,种群增长率始终不变;而“S”型曲线和微生物生长曲 线都是在有限环境中的数量变化曲线,有 K 值,种群增长率在各阶段是不相同的,当环境条件变化时,K 值也会随 之变化。 。 “J”型曲线 “S”型曲线和生长曲线 种群数量增长曲线 研究范围 微生物群体生长曲线

区别

只研究种群数量增长阶段 研究微生物从生长到死亡整个生命周期 的变化规律 的数量变化规律 微生物数目的对数,不代表实际数量

纵轴含义 种群的实际数量

①“J”曲线也有调整期和对数期,即微生物群体生长曲线的调整期和对数期 符合“J”型曲线 联系 ②“S”型曲线也可以分为三个阶段:对环境的适应期、快速增长期、数目稳 定期,曲线总体趋势和微生物群体生长曲线的调整期、对数期和稳定期相一致 考点六、发酵工程 【调研 6】人造蛋白质是现代微生物工程的杰作之一,食用真菌蛋 白是人造蛋白的一种。 真菌蛋白的制造过程的图解如下图所示。 请 据图解回答下列问题: (1) 往 发 酵 罐 内 注 入 少 量 氨 水 的 目 的 是 __________________ _________。 (2)制造真菌蛋白时,要向发酵罐内注入空气,由此可以推知发酵 罐中的真菌的异化作用类型是________。

(3)往发酵罐内添加的一切物品都要经过消毒, 从生态学的角度进行分析, 其原因是___________________________。 (4)添加的糖被真菌利用,转化形成真菌蛋白,必须经过的生理过程有_______________。 (5)从自然界中分离出的真菌菌种,用于制造真菌蛋白时,真菌蛋白的产量较低。要获得更多的真菌蛋白,培育优 良的真菌菌种可采用_______方法。 (6)利用微生物工程方法制造出的真菌蛋白,常作为家畜(如猪)的饲料添加剂。猪食用这些添加剂后,可加速育肥 的原因是__________________;这些添加剂在猪体内的代谢产物有__________________。 (7)青霉素是青霉菌代谢的产物,该产物属于_________代谢产物;在其生长过程中,________期青霉素产生最多。 (8)倘若在培养基中加入青霉素,该培养基不能用来培养________类的微生物。 (9)在下列 4 种物质中,可以用来作为青霉菌培养的主要能源物质的是_______。(填选项序号) A.脂肪 B.葡 萄糖 C.蛋白质 D.生长因子 解析:本题以真菌蛋白的制造过程为背景,考查与发酵工程有关的问题,包括微生物的营养、代谢、培养基的配置、 代谢的调节、发酵过程的人工控制等。(1)氨水含氮,且呈碱性,因此既可作为氮源又可调节培养基的 pH。(2)制造 真菌蛋白时向发酵罐内注入空气,说明发酵罐内真菌的异化作用类型为需氧型。(3)发酵罐及添加物需经过消毒灭 菌,都是为了避免杂菌与真菌的竞争。(4)糖转化为蛋白质,必须先经过呼吸形成中间产物,然后经转氨基作用形 成氨基酸,再经缩合形成蛋白质。(5)真菌育种常用诱变育种方法。(6)蛋白质用于家畜育肥,是将蛋白质转化为脂 肪,须经脱氨基作用。(7)青霉素为青霉菌在一定阶段产生的自身生长非必需的物质,因此为次级代谢产物,主要 在稳定期合成。(8)青霉素能抑制细菌细胞壁的形成,因此,加入青霉素的培养基不能培养细菌。(9)青霉菌为异养 型生物,含碳有机物均可作为其能源,但以碳源为主。 答案:(1)给真菌提供合成蛋白质所需要的氮源,调节 pH (2)需氧型 (3)避免杂菌与真菌竞争而降低真菌蛋白产 量 (4)转氨基作用、 脱水缩合 (5)人工诱变 (6)蛋白质经脱氨基作用后可转变为脂肪 水、 二氧化碳、 尿素 (7) 次级 稳定 (8)细菌 (9)B 【发散类比】菌种选育常用的方法比较 育种类型 诱变育种 原理 基因突变 方法 物理、化学、生物因素 优点(缺点) 能大幅读改变某些性状,操作简 单,但也有很大的盲目性

基因工程

DNA 重组

将目的基因导入细胞,构建 能定向改变微生物的遗传性状, 工程细胞或工程细菌 但操作过程复杂,要求高 能克服远缘杂交不亲和的障碍, 定向改变遗传性状

细胞工程

原生质体融合等 体细胞杂交等

微生物代谢的人工控制 控制对象 溶氧 pH 温度 控制方式 对需氧型微生物保证氧的供应,对厌氧型微生物控制氧的供应. 措施:控制通气量和搅拌速度等 加酸、加碱或加缓冲液 注意降温,使温度控制在所培养微生物的最适温度。 措施:控制搅拌速度、冷却水的循环速度等

创新预测 1..加州大学戴维斯分校的土木和环境工程助理教授 Jason DeJong 近来研究发现天然土壤中的一种被称为巴氏 芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)的细菌,这种微生物会使得方解石(碳酸钙)沉积在沙砾周围,从而将它们 胶合在一起达到固定的目的。通过注射培养的细菌、附加营养和氧气,研究人员发现这些细菌能够将松散液态的沙 砾转化为固态,有助于稳固地球预防地震。下列有关巴氏芽孢杆菌的叙述,正确的是 A.巴氏芽孢杆菌的遗传物质是 DNA,抗药基因位于质粒上 B.巴氏芽孢杆菌的基因中无内含子,只有外显子 C.巴氏芽孢杆菌的异化类型为厌氧型 D.巴氏芽孢杆菌无核膜,也无细胞器,但能进行有氧呼吸 2..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 3. 某科研小组研究营养物质浓度对细菌数量的影响,获得如图所示的结果。据图能得出的结论是 ( ) A.营养物质浓度很低时,其浓度不会影响生长速率 B.随营养物质浓度升高,生产速率将不再受营养物质浓度影响 C.超过一定浓度,营养物质浓度只影响最终菌体产量,不影响生长速率 D.高浓度的营养物质对生长速率和菌体产量都不产生影响 4.某生物制品厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸,结果代谢产物中没有谷氨酸而产生乳酸等酸性物质。据此,以 下的分析叙述中正确的一项是( ) A.温度控制不适,初级代谢产物转化成了次级代谢产物 B.溶氧不足,导致发酵生产过程中谷氨酸棒状杆菌的代谢途径发生改变 C.通气量过多,改变了谷氨酸棒状杆菌的代谢类型 D.错误地表达了控制谷氨酸合成的基因,其内含子被转录,导致 pH 呈酸性 5. 实验室内用液体培养基对某种细菌进行培养,定时测试细菌数目,并在 a、b 两点分别加入两种营养物质,A、B 是细胞中两种酶的含量变化曲线,S 是细菌的细胞数目,如下图所示。以下判断错误的是 A.A、B 两种酶的合成量对细菌繁殖无影响 B.b 点加入营养物质能促进 A 酶的合成 C.A、B 两种酶都是诱导酶 D.b 点加入的营养物质导致 B 酶含量不再增加是酶的合 成调节。 6.用某种培养基培养谷氨酸棒状杆菌,测得其生长曲线如图 A 所示。谷氨酸是谷氨酸棒状杆菌的代谢产物之一,其 合成途径如图 B 所示。下列有关叙述,不正确的是 A.该培养基是恒定容积的液体培养基,含有五大类营养要素物质 B.谷氨酸脱氢酶是组成酶,谷氨酸在图 A 中的各个时期都有合成 C.在图 A 中的②时期,谷氨酸棒状杆菌代谢旺盛,种内斗争剧烈 D.在图 B 中,谷氨酸脱氢酶被抑制的直接原因是其结构发生改变

7. 下图表示利用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸所获得的两条曲线。下列有关叙述不正确的是 A.该生长曲线是微生物在连续培养条件下获得的? B.产物曲线表示的代谢产物最可能属于初级代谢产物? C.谷氨酸棒状杆菌产生的谷氨酸属于初级代谢产物? D.产物曲线表明该产物的生成速率与菌体数量密切相关? 8.酵母菌的维生素、蛋白质含量高,可作食用、药用等,是提取核苷酸、 三磷酸腺苷等多种生化产品的原料,还可用于生产维生素、氨基酸等。请 回答下列有关问题:? (1) 科学家发现了物质 X 能延长酵母菌的寿命, 这种物质通过一系列反应 激活生物体内一种称为 Sir2 的酶,这种酶与寿命延长直接相关,寿命延长的调节方式属于________的调节,其特

点是快速而精细。如果一变异酵母菌只有在培养基中加入物质 C 和物质 X 时才能延长寿命,则说明该变异酵母菌缺 少________________。?

(2)氨基酸是酵母菌的________级代谢产物。如果要利用酵母菌大量生产氨基酸,则应采用________培养法,使 酵母菌处于________期。? (3)将 10 毫升酵母液放在适宜温度下培养,并于不同时间内等量均匀取样 4 次,分别测定样品中酵母菌的数量和 pH,结果如下表。请分析?回答:?

表中样品的取样先后次序为________________,若第 5 次均匀取样时,样品中的酵母菌数量为 760 个/立方毫米, 产生这一结果的原因是_____________________________________。 参考答案: 1.A 解析:巴氏芽孢杆菌属原核生物,其结构特点为无核膜,只有核糖体一种细胞器;该生物基因中无外显子与内含 子之分;根据题目信息,注射培养的细菌的同时要附加营养和氧气,说明其异化类型为需氧型。 2.A 解析:野生植物属于天然的培养基,含有微生物生长的各种成分,包括生长因子。 3.C 解析:曲线的斜率代表细菌的生长速率;据图可以看出:在营养物质浓度比较低的情况下,生长曲线的斜率相 同,即生长速率相同,当营养物质浓度超过 2.0mg/ml 时,生长曲线的斜率(即生长速率)随营养物质浓度增高而 增大。 4.B 考查发酵工程的知识。次级代谢产物是微生物生长到一定阶段产生的,不是微生物生长繁殖所必需的物质。 如果是正常发酵,谷氨酸棒状杆菌不会产生乳酸,所以乳酸不是次级代谢产物。谷氨酸棒状杆菌是原核生物,基因 编码区是连续的,没有内含子,pH 呈酸性时,谷氨酸棒状杆菌的代谢产物是乙酰谷氨酰胺,所以 D 错。当氧气充足 时,谷氨酸棒状杆菌产生正常代谢产物谷氨酸。当氧气不足时,谷氨酸棒状杆菌产生异常代谢产物乳酸或琥珀酸。 所以 C 错。 5. D b 点加入的营养物质调节了 A 酶的合成 6.C 解析:②过程为对数期,细菌快速增殖;③细菌数目最多,种内斗争最激烈。 7.B ?解析:由图示可知,该产物主要是在微生物生长的稳定期产生,所以应是次级代谢产物。初级代谢产物在任 何时期都能产生。 8.解析:物质 X 可通过一系列反应激活生物体内的一种与寿命有关的酶,所以这种延长寿命的调节方式属于酶活性 的调节;在酵母菌发酵的过程中,由于代谢产物中有一些酸性物质(丙酮酸、二氧化碳溶于水等) ,导致其 pH 逐渐 降低,所以判断样品取样的顺序可根据其 pH 的变化。 答案: (1)酶活性 E 酶; (2)初 连续 稳定; (3)2,4,1,3 培养液中的营养物质不断被消耗,部分酵母菌 因营养缺乏而死亡并解体?


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