考点分析
本专题知识属于现代生物高科技及能够紧密联系并应用于生产、生活实际的技术。本考点常从以下几个方面命题：
1、微生物的类群：一方面是细菌的结构和繁殖，如细菌与真核细胞的结构的区别，细菌的分裂生殖和菌落的概念，另一方面是病毒的结构和增殖，如病毒没有细胞结构，是由核酸和蛋白质组成的衣壳构成及病毒的增殖过程。
2、微生物的营养及培养基的种类和配置原则，掌握各类物质的主要功能，如碳源、氮源和生长因子的类型及功能，同时要重视联系微生物的实际类型，尤其是代谢特点，明确微生物对碳源、氮源需求的特异性，如自养型微生物所需碳源是无机物，固氮微生物所需氮源为分子态氮等，达到熟练应用的目的。
3、微生物的代谢产物、微生物代谢的调节和人工控制；酶的合成调节和酶活性的调节。
4、微生物群体的生长规律和影响微生物生长的环境因素。
5、发酵工程的概念和内容（如发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离和提纯等）、发酵工程的生产实例（如味精的生产过程）及发酵工程的应用（如生产胰岛素、生长激素等药物；生产啤酒、食品添加剂和高蛋白饲料和食品等）。
6、生物工程各分支领域之间的关系（如重视发酵工程与基因工程和细胞工程的相互关系，这既是科技发展热点课题之一，也是考试命题热点之一）。
复习提示
近几年高考命题集中在微生物的概念和类群、微生物的营养、代谢和生长，复习时我们应注意以下两个方面：
1、应注意用所学知识去解释生产和生活中的一些现象，把所学知识应用于实际。例如：硝化细菌、反硝化细菌、根瘤菌在氮循环中的作用是什么？沼气池中微生物除臭的原理是什么？杀菌防腐的原理是什么？高温灭菌的原理是什么？制泡菜时坛口为何要加水密封？酵母菌酿酒为何要先通气后密封？水污染的鉴定办法以及如何治理水污染？如何选择菌种来缩短生产周期？如何延长稳定期，提高代谢产物的产量？理论联系实际，不仅能巩固所学生物学知识，而且能解决一些实际问题，这正是我们学习的目的。
2、发酵工程的应用要与当今社会发展相联系，根据发酵工程特点，认识发酵工程应用的领域及发展前景、分析发酵工程在产品的产量、质量及社会可持续发展中与传统发酵业的区别。
规律和方法
1、微生物类群辨析
微生物所包含的类群庞杂，目前已知的大约有十万种，它包括除植物界和动物界以外的所有生物即原核生物界、真菌界、原生生物界及病毒界等，现比较如下：
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病毒界 |
原核生物界 |
真菌界 |
原生生物界 |
结构特点 |
由核酸和蛋白质构成的衣壳构成的分子生物，无细胞结构。对抗生素不敏感但对干扰素敏感 |
无核膜包被的细胞核，无核仁与染色体及各种复杂细胞器，只有核糖体。对青霉素敏感 |
真核生物。有细胞壁，对青霉素不敏感 |
为真核生物一般指单细胞生物 |
遗传物质及其载体 |
DNA或RNA（裸露DNA分子或RNA分子） |
环状DNA分子
位于拟核中
位于质粒上 |
DNA分子主要位于染色体上，线粒体中也有少量DNA |
DNA分子，主要位于染色体上（线粒体或叶绿体中也有少量DNA） |
代谢类型 |
专性寄生生物，须用活体培养基（如活鸡胚）培养 |
自养型（如光合细菌、硝化细菌、蓝藻等）
异养型（如枯草杆菌、破伤风杆菌等）
异化作用既有需氧型也有厌氧型 |
为异养型，大多为需氧型 |
为自养需氧或异养需氧或异养厌氧型 |
繁殖方式 |
复制繁殖（在宿主活细胞中进行） |
二分裂方式无性生殖 |
无性生殖或有性生殖 |
无性生殖或有性生殖 |
含有的核酸 |
DNA或RNA |
DNA和RNA |
DNA和RNA |
DNA和RNA |
遗传物质 |
DNA或RNA |
DNA |
DNA |
DNA |
可遗传变异来源 |
基因突变 |
基因突变 |
基因突变
基因重组（进行有性生殖时）
染色体变异 |
基因突变
基因重组（进行有性生殖时）
染色体变异 |
相关链接 |
①病毒与遗传研究——噬菌体侵染细菌证明遗传物质是DNA
②病毒与基因工程——某些噬菌体、动植物病毒可作基因工程运载体
③病毒与动物细胞工程——灭活的病毒可作动物细胞融合的促融体
④病毒与免疫——可作为病原体，也可经过灭活制作疫苗 |
①与氮循环相关的原核生物——硝化细菌、反硝化细菌、固氮微生物等
②与发酵工程相关的原核生物——谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、大肠杆菌、乳酸菌等
③生态系统成分中的原核生物——生产者如硝化细菌、消费者如根瘤菌、分解者如圆褐固氮菌 |
①真菌与生物工程——基因工程受体细胞、发酵工程菌种（如酵母菌等）
②生态系统成分中分解者（如腐生真菌）、消费者（如寄生虫 |
生态系统成分中的生产者（如小球藻、衣藻）、消费者（如疟原虫）、分解者（如腐生原生生物） |
2、微生物的营养、代谢和生长
（1）微生物的代谢特点：与其他生物相比，微生物的代谢异常旺盛。
（2）初级代谢产物与次级代谢产物的比较：
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遗传物质 |
产生时间 |
功能 |
分布 |
种的特异性 |
举例 |
初级代谢产物 |
拟核DNA |
生长全过程 |
生长和繁殖的必需物质 |
细胞内 |
无 |
氨基酸、核苷酸、多糖、脂质、维生素 |
次级代谢产物 |
质粒DNA |
生长后期（稳定期、衰亡期） |
对自身无明显生理作用
|
细胞内或外 |
有 |
抗生素、毒素、激素、色素 |
（3）比较组成酶与诱导酶
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组成酶 |
诱导酶 |
概念 |
细胞内固有的酶类（其合成不需诱导物诱导） |
在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下由诱导物诱导而生成的酶 |
合成条件 |
组成酶基因的表达——只受基因控制，不因分解底物是否存在而受影响 |
①内因：诱导酶基因的表达（须由基因控制合成）
②外因：有诱导物存在时才产生，且微生物需要时才合成，不需要时即终止合成 |
举例 |
大肠杆菌利用葡萄糖的酶,无论其是否利用葡萄糖及有无葡萄糖利用,该酶均能合成 |
大肠杆菌利用乳糖的酶,其合成时取决于①环境中必须有乳糖②除乳糖外再无其他糖可利用时才合成该酶 |
相同点 |
合成都受遗传物质（基因）控制,遵循中心法则,合成场所均为核糖体,化学本质均为蛋白质 |
不同点 |
只受遗传物质控制,一生都存在 |
既受遗传物质控制也受外界诱导物的影响,保证细胞代谢需要,又节省能量和材料 |
（4）微生物代谢的调节——酶合成调节与酶活性调节的比较
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酶合成调节 |
酶活性调节 |
原理 |
通过影响酶的合成来调节微生物的代谢 |
通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率 |
调节过程 |
在环境中存在诱导物（通常是反应底物）的情况下才能合成诱导酶 |
代谢产物与酶的结合，致使酶的结构产生变化（该种变化是可逆的） |
结果 |
改变酶的种类与数量 |
不改变酶种类及数量，但改变已有酶的活性 |
调节特点 |
较缓慢 |
快速、精细 |
意义 |
既保证了代谢的需要，又避免了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 |
不会积累大量的代谢产物，保证各种代谢经济而高效进行 |
举例 |
大肠杆菌乳糖代谢中半乳糖苷酶的合成 |
谷氨酸生产过程中，大量谷氨酸的积累抑制谷氨酸脱氢酶的活性 |
微生物代谢调节的意义：代谢调节对微生物的意义，首先是使复杂的代谢活动协调，从而使微生物能及时地得到所需的代谢产物和停止生产过剩的代谢产物。例如，谷氨酸棒状杆菌能够利用葡萄糖，经过复杂的代谢过程形成谷氨酸，但当终产物——谷氨酸的合成过量时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，从而导致合成途径中断。当谷氨酸因消耗而浓度下降时，抑制作用就会被解除，该合成反应又重新启动。
代谢调节也是微生物适应外界环境所不可缺少的。代谢实质上是微生物和外界的物质交换和能量交换。由于环境不断发生变化，生物体也必须随着变化，这就要求对代谢进行调节。例如，在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基上培养大肠杆菌时，大肠杆菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖。但当葡萄糖被消耗完毕以后，大肠杆菌在乳糖的诱导下能够合成乳糖酶，从而利用乳糖。这种调节，既保证了代谢的需要，又避免了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。但是，微生物的代谢调节，往往不利于人类的工业生产。因此，人们能过改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件等措施来实现对微生物代谢调节的人工控制，使微生物能最大限度地积累对人类有用的代谢产物。
（5）微生物的营养物质与动植物营养物质的区别与联系
它们既有相同的成分，又有不同的成分。不同之处表现在：
①微生物所需的无机盐与植物所需的矿质元素有差别。例如，NH4＋在微生物中是氮源，在植物中是矿质元素，人及动物所需的无机盐中没有氮，它们所需的氮来自有机物蛋白质。
②人和动物的糖类指的是有机碳。微生物的碳源则不一定，对异养型微生物是有机碳、脂质，对自养型微生物则为无机碳。
③维生素是人需要的微量有机物，生长因子是微生物需要的微量有机物。维生素在人体内是维持新陈代谢和某些生理功能必不可少的物质，大多是酶的组成部分。生长因子在微生物中也是酶的组成成分，如氨基酸和维生素，有些还是核酸的组成成分，如碱基。
（6）微生物的群体生长规律
测定方法 |
将少数某种细菌接种到恒定容积的液体培养基中，并置于适宜条件下培养，定期取样测定培养基中细菌群体的生长情况，然后测细胞数目或测重量 |
生长曲线 |
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特点 |
不立即繁殖 |
繁殖速度快，以等比数列的形式增加 |
繁殖速率与死亡速率相等，活细菌数量最大，大量积累代谢产物 |
死亡速率超过繁殖速率，培养基中活菌数目急剧下降 |
形成原因 |
对环境进行的短暂调整或适应 |
生存条件适宜，营养充足 |
生存条件相对恶化（营养物质消耗、有害代谢产物积累、pH变化等） |
生存条件极度恶化 |
菌体特征 |
体积增长较快 |
个体形态和生理特性稳定 |
开始出现芽孢，菌体数量最多的时期达到K值 |
存在多种形态，甚至畸形，有些细胞开始解体——菌体形态最多的时期 |
代谢特点 |
代谢活跃，大量合成细胞分裂所需酶类、ATP以及其他细胞成分 |
代谢旺盛 |
大量积累代谢产物，特别是次级代谢产物 |
释放代谢产物 |
生产应用与控制 |
通过菌种、接种量、培养基等，缩短调整期 |
作为生产用菌种和科研材料 |
以一定速度添加新培养基，放出老培养基和控制其他生产条件，延长稳定期缩短培养周期 |
菌体裂解释放代谢产物，便于分离提纯产品 |
3、发酵工程重要知识点
（1）发酵过程的六大环节
①菌种选育：自然界选种、诱变育种、细胞工程、基因工程等。
②培养基的配制：根据培养基的配制原则制备，实践中需多次实验配方。
③灭菌：用高压蒸气法将培养基和发酵设备均严格灭菌（杀死所有杂菌）。
④扩大培养与接种：大规模生产中需使菌种达到一定量，然后将菌种接种到培养基上（需防杂菌污染）。
⑤发酵过程（中心阶段）：随时检测了解发酵进程，满足营养需要；严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。
⑥分离提纯
（2）发酵过程中热量的来源与散失
①热量来源：搅拌器搅拌产热，微生物代谢产热。
②热量散失：发酵罐壁散热，冷却水散热。
（3）搅拌器的作用
①能增加培养液中的溶解氧。
②能促使培养液与菌种充分接触，提高原料的利用率。
（4）严格控制发酵条件
发酵条件的改变及培养基成分比例不协调，均会导致产量下降甚至不能得到正常产物，现分析如下表：
控制因素 |
作用机理 |
控制方法 |
温度 |
①影响酶的活性；②影响生物合成途径；③影响培养基的理化性质以及菌种对营养物质的分解吸收；④影响微生物生长 |
通过控制产热与散热的平衡来控制培养基的温度 |
pH |
①影响酶的活性；②影响细胞膜的带电情况，导致细胞膜通透性改变从而影响对营养物质的吸收和产物的排出；③影响培养基营养物质的分解 |
加入缓冲溶液，补加氨水、尿素、CaCO3、NH4HCO3等来控制pH |
溶解氧 |
①促进有氧呼吸微生物的呼吸；②抑制厌氧型微生物代谢 |
通过气量和搅拌速度来控制 |
泡沫 |
①占据发酵罐的空间；②影响通气、搅拌；③导致代谢异常 |
安装消泡沫挡板或用消泡沫剂 |
营养物质浓度 |
C/N、无机盐、维生素：影响菌体生长和代谢产物的积累，如C∶N=3∶1时，谷氨酸棒状杆菌大量合成谷氨酸；但当C∶N=4∶1时，谷氨酸棒状杆菌大量繁殖而产生谷氨酸少。O2减少时，产生乳酸或琥珀酸 |
严格按不同微生物对不同营养物质的需求，控制各种营养物质的浓度和比例，使培养基营养协调 |
4、四种培养基与无土栽培培养液的比较
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自养型微生物培养基 |
异养型微生物培养基 |
植物组织培养培养基 |
动物细胞培养培养基 |
无土栽培培养液 |
培养对象 |
自养型微生物 |
异养型微生物 |
植物离体细胞、组织或器官或杂种细胞 |
动物组织细胞或融合细胞 |
绿色植株或幼苗 |
培养基成分（都需水） |
①碳源——无机碳源；②氮源——NH3、铵盐、硝酸盐等。
注：自养微生物一般不需生长因子 |
①碳源——有机碳源；②氮源——铵盐、硝酸盐、含氮有机物等；
③生长因子——有些需生长因子（如乳酸菌），有些不需生长因子（如某些维生素生产菌） |
①矿质元素（大量元素与微量元素）；②有机添加物（如甘氨酸、维生素等）；③蔗糖（提供碳源与能源）；④植物激素——主要指生长素与细胞分裂素 |
①无机盐；②维生素、氨基酸、葡萄糖等；③动物血清 |
①需植物生长所必需的全部矿质元素（大量元素、微量元素）；②需向培养液中通入空气（促进主动运输） |
培养基特点 |
均需无菌条件 |
不必灭菌 |
可将CO2合成有机物 |
需有机碳源提供能源 |
需植物激素 |
需动物血清 |
需植物全部必需矿质元素 |
举例 |
硝化细菌、铁细菌、蓝藻等 |
乳酸菌、酵母菌等 |
植物体细胞培养、花药离体培养 |
培养杂交瘤细胞制备单克隆抗体 |
用溶液培养法栽培蔬菜 |
共性 |
配制培养基的原则相同，即：（1）目的明确，（2）营养要协调，（3）pH要适宜 |
典型例题
例1、下列有关微生物的相关的叙述中，正确的是（ ）
A．所有微生物的生长都需要额外补充生长因子
B．大肠杆菌在琼脂培养基上的菌落呈亮紫色
C．生长期各阶段的细菌内部都会发生酶活性的调节
D．某种代谢产物在细胞中积累，将直接导致合成此物质的酶的活性下降
答案：C
例2、（2007年全国卷I）通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是（ ）
A．溶氧充足时，发酵液中有乳酸的积累
B．发酵液中碳源和氮源比例的变化不影响谷氨酸的产量
C．菌体中谷氨酸的排出，有利于谷氨酸的合成和产量的提高
D．发酵液pH值呈碱性时，有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺
答案：C
例3、（2007年天津理综）下列叙述正确的是（ ）
A．当病毒侵入人体后，只有细胞免疫发挥防御作用
B．大肠杆菌在葡萄糖和乳糖为碳源的培养基上，只有葡萄糖耗尽时才能利用乳糖
C．在水分供应充足的大田中，只有通风透光才能提高光能利用率
D．当甲状腺激素含量偏高时，只有反馈抑制下丘脑活动才能使激素含量恢复正常
答案：B
例4、（2006年重庆卷）下列所述环境条件下的微生物，能正常生长繁殖的是（ ）
A．在缺乏生长素的无氮培养基中的圆褐固氮菌
B．在人体表皮擦伤部位的破伤风杆菌
C．在新配制的植物矿质营养液中的酵母菌
D．在灭菌后的动物细胞培养液中的禽流感病毒
答案：A
例5、（2007年广东卷．40．15分）为了实现燃料供应来源多样化，发展长期替代化石燃料的产品如燃料酒精、生物柴油、沼气等已经列入我国未来10年的发展计划。
广东省是我国甘蔗主产区之一。甘蔗是一种高光效的C4植物，单位面积产量很高，种植面积日益扩大，目前已成为南方地区燃料酒精生产的重要原料。利用甘蔗生产燃料酒精的一般工艺流程为：甘蔗→榨汁（蔗糖）→酵母发酵→蒸馏→成品（燃料酒精）。
请根据上述材料，回答下列问题：
（1）简述甘蔗大规模快速繁殖技术的过程。
（2）具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌是理想的酒精发酵菌种，对野生酵母菌进行诱变后通过筛选可以得到具有这些特性的突变菌，诱变及筛选过程如下：
步骤1：野生菌液体培养一段时间后接受紫外线照射诱变处理。
步骤2：制备选择培养基。在基本培养基的基础上，注意___________和___________，加琼脂后灭菌，制成固体平板。
步骤3：将紫外照射后的菌液稀释涂布平板。
步骤4：根据___________筛选出突变菌。
（3）上述步骤2、3和4的依据分别是______________________。
（4）利用获得的突变菌和蔗汁进行酒精发酵实验，除了将培养基灭菌、保持空间洁净外，发酵过程中防止外来杂菌入侵还有哪些可行方法？（列举两种）
（5）甘蔗榨汁以后还有大量的蔗渣废弃物，主要成分为木质素、纤维素和半纤维素，但是酵母菌无法直接利用，原因是其___________。请提出解决该问题的方法。（列举两种方法）
答案：
（1）选取甘蔗外植体，通过诱导脱分化产生愈伤组织，然后通过调整植物激素比例，再分化形成芽和根，获得大量试管苗（或通过诱导大量形成胚状体，制成人工种子，适宜条件下萌发长成幼苗）。
（2）添加高浓度蔗糖（葡萄糖）；调低pH值；是否能在选择培养基上生长。
（3）提供高糖和酸性的筛选环境；获得单菌落；能生长代表该菌落具有耐高糖和耐酸的特性。
（4）①利用突变菌的耐酸特性，降低培养基的pH值，达到抑菌的目的；②利用突变菌的耐高糖特性，通过高渗环境达到抑菌目的；③保持厌氧环境，达到抑菌目的；④在培养基中添加一些抑制物如特殊的抗生素，达到抑菌目的。
（5）缺乏相应分解酶系（或缺乏纤维素酶和半纤维素酶）。在酵母菌中转入分解酶系相关基因；利用酶或微生物分解蔗渣；利用物理和化学方法分解蔗渣；将酵母菌与其他能分解蔗渣的微生物混合发酵。
例6、（2006年天津卷．8．14分）
（1）下图为某细菌的生长曲线及A、B两种代谢产物积累曲线。
请据图回答问题：
①A产物合成始于细菌生长曲线的期，属于代谢产物。
②B产物的积累量在细菌生长曲线的期最大。
（2）绝大多数微生物最适生长温度为25～37℃。为了探究培养温度对谷氨酸棒状杆菌代谢产物（谷氨酸）合成量的影响，设计如下实验。在实验中有4处错误，分别标以①、②、③、④，请依次分析错误原因。
第一步：设定培养温度为
第二步：将菌种接种到灭菌后的液体培养基中，分别在设定的温度条件下
第三步：在
定时取样，分别测定谷氨酸合成量，记录结果并绘制曲线。
实验结果预测及结论：若在30℃培养条件下，谷氨酸合成量最大，则认为，
。
①__________________________________________________。
②__________________________________________________。
③__________________________________________________。
④__________________________________________________。
答案：
（1）①对数；次级 ②稳定
（2）①温度设定范围过窄
②谷氨酸棒状杆菌是好氧细菌，不应密闭培养
③从调整期至衰亡期均有谷氨酸的合成，故取样时期有遗漏
④实验结果有局限性，合成谷氨酸的最适培养温度有可能高于30℃
例7、（2001年全国理科综合卷）在啤酒生产过程中，发酵是重要环节。生产过程大致如下：将经过灭菌的麦芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌种后输入发酵罐。初期，酵母菌迅速繁殖，糖度下降，产生白色泡沫，溶解氧逐渐耗尽。随后，酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降低，酒精浓度逐渐上升，泡沫不断增多。当糖浓度下降一定程度后，结束发酵。最后分别输出有形物质和鲜啤酒。
根据上述过程，回答以下问题：
（1）该过程表明啤酒酵母菌异化作用的特点是____________________。
（2）初期，酵母菌迅速繁殖的主要方式是____________________。
（3）经测定酵母菌消耗的糖中，98.5％形成了酒精和其它发酵产物，其余1.5％则是用于________________。
（4）请写出由麦芽糖→葡萄糖→酒精的反应方程式
（5）如果酵母菌消耗的糖（设为麦芽糖，其分子量为342）有98.5％（质量分数）形成了酒精（分子量为46.0）和其他发酵产物。设有500t麦芽汁，其中麦芽糖的质量分数为 8.00％，发酵后最多能生产酒糟浓度为3.20％（质量分数）的啤酒多少吨？
答案：
（1）既能进行有氧呼吸有能进行无氧呼吸（4分）
（2）出芽生殖（2分）
（3）酵母菌自身的生长和繁殖（5分）
（4）请写出由麦芽糖→葡萄糖→酒精的反应方程式
C12H22O11＋H2O
2C6H12O6（2分）
C6H12O6
2C2H5OH＋2CO2（2分）
（5）C2H5OH的分子量为46.0
500t×8.00%×98.5%×
＝662t（10分）
