高中生物：第5章 微生物與發(fā)酵工程 課件（1）（舊人教版選修）.ppt

微生物與發(fā)酵工程 本章知識(shí)結(jié)構(gòu)及教學(xué)要求 微生物的類群 微生物 魏泰克的五界說(shuō) 原核生物界 細(xì)菌 放線菌等原生生物界 藻類 原生動(dòng)物等真菌界 酵母 霉菌植物界動(dòng)物界 病毒 細(xì)菌 一 形態(tài) 球狀 桿狀 螺旋狀 基本形態(tài) 1 細(xì)胞壁 如果將桿菌接入濃度為0 2mol l的蔗糖等滲溶液和盛有玻璃珠的三角瓶中加以搖動(dòng) 可以使細(xì)胞壁破裂 細(xì)胞內(nèi)含物流出 這樣就可以得到細(xì)胞壁的空殼 空殼成桿狀 而細(xì)胞內(nèi)含物卻是圓的 原生質(zhì)體 在人為條件下 用溶菌酶處理或在含青霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)而抑制新生細(xì)胞壁合成而形成的僅由一層細(xì)胞膜包裹的 圓球形 對(duì)滲透壓變化敏感的細(xì)胞 一般由革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌形成 特點(diǎn) 對(duì)環(huán)境條件變化敏感 低滲透壓 振蕩 離心甚至通氣等都易引起其破裂 五肽交聯(lián)橋五個(gè)甘氨酸 聚糖骨架g n 乙酰葡萄胺m n 乙酰胞壁酸 四肽側(cè)鏈l 丙 d 谷 l 賴 d 丙 主要成分肽聚糖 g 菌肽聚糖結(jié)構(gòu) 細(xì)胞壁 2細(xì)胞膜 證明細(xì)胞膜的存在 質(zhì)壁分離 選擇性染色 原生質(zhì)體破裂或電鏡觀察等方法 細(xì)胞膜的生理功能 選擇性地控制細(xì)胞內(nèi) 外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的運(yùn)送 合成細(xì)胞壁和糖被的各種組分 肽聚糖 磷壁酸 莢膜多糖等 的重要基地 膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代謝的酶系 是細(xì)胞的產(chǎn)能場(chǎng)所 含有抗藥性基因 固氮基因 抗生素生成基因 3細(xì)菌質(zhì)粒 4 核糖體 不同于真核生物 鏈霉素等抗生素通常作用于核糖體從而抑制蛋白質(zhì)的合成 但對(duì)人核糖體不起作用 所以可用鏈霉素治療由細(xì)菌引起的疾病 主要成分是多糖 多肽或蛋白質(zhì) 尤以多糖居多 經(jīng)特殊的莢膜染色 特別是負(fù)染色 又稱背景染色 后可在光學(xué)顯微鏡清楚地觀察到它的存在 b 莢膜等并非細(xì)胞生活的必要結(jié)構(gòu) 但它對(duì)細(xì)菌在環(huán)境中的生存有利 莢膜 某些細(xì)菌在其生長(zhǎng)發(fā)育后期 在細(xì)胞內(nèi)形成一個(gè)圓形或橢圓形 厚壁 含水量極低 抗逆性極強(qiáng)的休眠體 稱為芽孢 內(nèi)生孢子 芽孢 細(xì)菌芽孢的特點(diǎn) 整個(gè)生物界中抗逆性最強(qiáng)的生命體 是否能消滅芽孢是衡量各種消毒滅菌手段的最重要的指標(biāo) 芽孢是細(xì)菌的休眠體 在適宜的條件下可以重新轉(zhuǎn)變成為營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)胞 產(chǎn)芽孢細(xì)菌的保藏多用其芽孢 芽孢的有無(wú) 形態(tài) 大小和著生位置是細(xì)菌分類和鑒定中的重要指標(biāo) 6細(xì)菌的二分裂 放線菌是具有菌絲 以孢子進(jìn)行繁殖的一類原核微生物 放線菌 形態(tài)與結(jié)構(gòu) 單細(xì)胞 大多由分枝發(fā)達(dá)的菌絲組成 菌絲直徑與桿菌類似 約1mm 細(xì)胞壁組成與細(xì)菌類似 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與細(xì)菌基本相同 按形態(tài)和功能可分為營(yíng)養(yǎng) 氣生和孢子絲三種 1 營(yíng)養(yǎng)菌絲 匍匐生長(zhǎng)于培養(yǎng)基內(nèi) 吸收營(yíng)養(yǎng) 也稱基內(nèi)菌絲 一般無(wú)隔膜 直徑0 2 0 8mm 長(zhǎng)度差別很大 2 氣生菌絲 營(yíng)養(yǎng)菌絲發(fā)育到一定階段 伸向空間形成氣生菌絲 疊生于營(yíng)養(yǎng)菌絲上 可覆蓋整個(gè)菌落表面 在光學(xué)顯微鏡下觀察 顏色較深 直徑較粗 1 1 4mm 有的產(chǎn)色素 3 孢子絲 氣生菌絲發(fā)育到一定階段 其上可分化出形成孢子的菌絲 即孢子絲 又稱產(chǎn)孢絲或繁殖菌絲 其形狀和排列方式因種而異 常被作為對(duì)放線菌進(jìn)行分類的依據(jù) 分布特點(diǎn)及與人類的關(guān)系 放線菌常以孢子或菌絲狀態(tài)極其廣泛地存在于自然界 土壤中最多 其代謝產(chǎn)物使土壤具有特殊的泥腥味 能產(chǎn)生大量的 種類繁多的抗生素 其中90 由鏈霉菌產(chǎn)生 少數(shù)寄生型放線菌可引起人 動(dòng)物 如皮膚 腦 肺和腳部感染 的疾病 藍(lán)細(xì)菌 也稱藍(lán)藻或藍(lán)綠藻 是一類含有葉綠素a 能以水作為供氫體和電子供體 通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能 同化co2為有機(jī)物質(zhì)的光合細(xì)菌 以前曾歸于藻類 因?yàn)樗透叩戎参镆粯泳哂泄夂蜕?葉綠素a 能進(jìn)行產(chǎn)氧型光合作用 典型病毒粒的構(gòu)造 核心和衣殼合稱核衣殼 為病毒的基本結(jié)構(gòu) 有些復(fù)雜的病毒在衣殼的外面包裹著一層由脂類 蛋白質(zhì)和多糖組成的囊膜 有的囊膜上還長(zhǎng)有刺突 8病毒 8病毒 學(xué)生提出的問(wèn)題 囊膜的成分為什么與細(xì)胞膜的成分相同 囊膜上的蛋白質(zhì)是否決定病毒抗原特異性 囊膜的作用是什么 刺突的作用 病毒粒子并無(wú)個(gè)體的生長(zhǎng)過(guò)程 而只有其兩種基本成分的合成和裝配 即 核酸復(fù)制 蛋白質(zhì)合成 核蛋白 病毒粒子 一般可分五個(gè)階段 即吸附侵入增殖 復(fù)制與生物合成 成熟 裝配 裂解 釋放 病毒繁殖 艾滋病毒侵染 1病毒特點(diǎn) 無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu) 專性活細(xì)胞內(nèi)寄生 沒(méi)有酶或酶系統(tǒng)極不完全 不能進(jìn)行代謝活動(dòng) 個(gè)體極小 能通過(guò)細(xì)菌濾器 對(duì)抗生素不敏感 對(duì)干擾素敏感 小結(jié) 細(xì)菌 放線菌和病毒的比較表 碳源 氮源 生長(zhǎng)因子 無(wú)機(jī)鹽和水能源 1 碳源 微生物生長(zhǎng)過(guò)程中能為微生物提供碳素來(lái)源的物質(zhì) 微生物營(yíng)養(yǎng) 目前在微生物工業(yè)發(fā)酵中所利用的碳源物質(zhì)主要是單糖 淀粉 麩皮 米糠等 對(duì)于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來(lái)說(shuō) 碳源是兼有能源功能營(yíng)養(yǎng)物 微生物利用的碳源物質(zhì)主要有糖類 有機(jī)酸 醇 脂類 烴 co2及碳酸鹽等 凡是能被用來(lái)構(gòu)成菌體物質(zhì)中或代謝產(chǎn)物中氮素來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)稱為氮源 1 氮源 氮源譜 有機(jī)氮 無(wú)機(jī)氮 nh3銨鹽硝酸鹽n2 蛋白質(zhì)核酸氨基酸尿素 氮源 1 微生物的氮源譜也很廣 大大廣于動(dòng)物或植物的 2 氨基酸自養(yǎng)型生物 綠色植物 很多微生物 尿素 銨鹽 硝酸鹽和氮?dú)?氨基酸異養(yǎng)型生物 動(dòng)物 大量異養(yǎng)微生物 3 n c h o 類營(yíng)養(yǎng)物常是異養(yǎng)微生物的能源 碳源兼氮源 3生長(zhǎng)因子 事實(shí) 問(wèn)題 如何證明某種物質(zhì)是某種微生物的生長(zhǎng)因子 幾種微生物所需的生長(zhǎng)因子 生長(zhǎng)因子小結(jié) 對(duì)微生物正常代謝必不可少有機(jī)物需要量一般很少生長(zhǎng)因子種類 維生素 堿基 卟啉及其衍生物 甾醇 胺類 c4 c6的分枝或直鏈脂肪酸 氨基酸 總結(jié) 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型 光能自養(yǎng)型 以無(wú)機(jī)物如h2 h2s s等作為供氫體或電子供體 使co2還原為細(xì)胞物質(zhì) 例如 藻類及藍(lán)細(xì)菌等和植物一樣 以水為電子供體 供氫體 進(jìn)行產(chǎn)氧型的光合作用 合成細(xì)胞物質(zhì) 而紅硫細(xì)菌 以h2s為電子供體 產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì) 并伴隨硫元素的產(chǎn)生 光能異養(yǎng)型 以有機(jī)物作為供氫體 利用光能將co2還原為細(xì)胞物質(zhì) 例如 紅螺菌屬中的一些細(xì)菌能利用異丙醇作為供氫體 將co2還原成細(xì)胞物質(zhì) 同時(shí)積累丙酮 培養(yǎng)基的配制原則 一 目的明確二 營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)三 物理化學(xué)條件適宜 目的明確 何菌 何目的 例如 發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物b12加co 1營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度合適 過(guò)低 不能滿足正常生長(zhǎng) 過(guò)高 可能對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用 2營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)間比例 c n 營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào) c n 培養(yǎng)基中所含的c源中c原子的摩爾數(shù) n源中n原子的摩爾數(shù) 例如 谷氨酸發(fā)酵c n 4 1菌體大量繁殖 產(chǎn)生的谷氨酸少c n 3 1菌體繁殖抑制 產(chǎn)生的谷氨酸多 三 物理化學(xué)條件適宜 ph微生物種類最適ph 一般 放線菌7 5 8 5細(xì)菌6 5 7 5霉菌4 0 5 8酵母菌3 8 6 0 為了維持培養(yǎng)基ph的相對(duì)恒定 通常在培養(yǎng)基中加入ph緩沖劑 或在進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵時(shí)補(bǔ)加酸 堿 培養(yǎng)基的種類 據(jù)物理性質(zhì)分 液體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基 凝固劑瓊脂 固體培養(yǎng)基 凝固劑瓊脂 據(jù)用途的不同 選擇培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基教法 自學(xué) 表格 歸納 瓊脂 主要成分 多聚半乳糖的硫酸酯特性 極難分解 無(wú)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值 起支撐作用 透明度好 粘著力強(qiáng) 耐加壓 三種培養(yǎng)基的比較 用途分 分離 微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)要求或?qū)ζ淠郴瘜W(xué) 物理因素抗性 某種指示劑與某一菌的無(wú)色代謝產(chǎn)物發(fā)生顯色反應(yīng) 鑒別 選擇培養(yǎng)基參考資料 加入青霉素的培養(yǎng)基分離酵母菌 霉菌等真菌 抑制細(xì)菌 放線菌 加入高濃度食鹽的培養(yǎng)基分離金黃色葡萄球菌 抑制多種細(xì)菌 不加氮源的無(wú)氮培養(yǎng)基分離固氮菌不加含碳有機(jī)物的無(wú)碳培養(yǎng)基分離自養(yǎng)型微生物加入氨基喋呤 次黃嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培養(yǎng)基分離雜交瘤細(xì)胞 鑒別培養(yǎng)基 伊紅美藍(lán)乳糖培養(yǎng)基 emb 機(jī)理 染料抑制g 在低酸度時(shí) 結(jié)合形成沉淀 起著產(chǎn)酸指示劑的作用 用途 多種腸道菌鑒別 微生物的代謝 資料1 若干微生物和動(dòng)物 植物組織的呼吸速率 代謝特點(diǎn) 資料2 發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1小時(shí)內(nèi)可分解其自重1000 10000倍的乳糖 產(chǎn)朊假絲酵母合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍 比食用牛強(qiáng)10萬(wàn)倍 結(jié)論 代謝旺盛探究其原因 體積小 面積大 有利于吸收 排泄和信息的交換 初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物的不同 教法 自學(xué)表格交流 微生物代謝的調(diào)節(jié) 重點(diǎn) 微生物細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)控制酶的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的 調(diào)節(jié)類型 酶合成調(diào)節(jié) 酶活性調(diào)節(jié) 通過(guò)酶分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)調(diào)節(jié)變構(gòu)調(diào)節(jié) 可逆性 通過(guò)調(diào)節(jié)酶的合成進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制 是在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的 酶合成的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)的比較 合成條件基因和誘導(dǎo)物只基因控制 調(diào)節(jié)教法建議 實(shí)例1谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的調(diào)節(jié)實(shí)例2大腸桿菌合成半乳糖苷酶的調(diào)節(jié) 微生物代謝調(diào)節(jié)的兩種主要方式 總結(jié)比較表 問(wèn)題 半糖苷酶為什么在葡萄糖和乳糖同時(shí)存在時(shí)不能合成 酶合成調(diào)節(jié)有兩種形式 誘導(dǎo)和阻遏 葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成 稱為葡萄糖效應(yīng) 阻遏 微生物代謝的人工控制 重難點(diǎn) 措施 改變微生物的遺傳特性 例如誘變處理控制發(fā)酵條件 例如改變細(xì)胞膜的透性 控制細(xì)胞膜的滲透性 加入亞適量生物素 培養(yǎng)條件控制 在谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中 生物素的濃度對(duì)谷氨酸的累積量有明顯的影響 只有把生物素的濃度控制在亞適量的情況下 才能分泌大量的谷氨酸 因此控制生物素的含量可以改變細(xì)胞膜的成分 進(jìn)而改變膜的透性 谷氨酸的分泌和反饋調(diào)節(jié) 高絲氨酸缺陷型菌株不能合成高絲氨酸酶 故不能合成高絲氨酸 也不能合成蘇氨酸和甲硫氨酸 在補(bǔ)給適量的高絲氨酸就可產(chǎn)生大量的賴氨酸 示圖 協(xié)同抑制現(xiàn)象及結(jié)果控制目的 原理 方法 微生物的生長(zhǎng) 細(xì)菌數(shù)目的對(duì)數(shù) 時(shí)間 1 2 3 4 群體生長(zhǎng)的實(shí)質(zhì)是包含著個(gè)體細(xì)胞生長(zhǎng)與繁殖交替進(jìn)行的過(guò)程 調(diào)整期 延遲期 適應(yīng)期 特點(diǎn) 菌數(shù)不立即增加 或增加很少 生長(zhǎng)速度接近于零 代謝活躍 通過(guò)遺傳學(xué)方法改變種的遺傳特性使之縮短 利用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)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 適當(dāng)擴(kuò)大接種量等方式縮短 克服不良的影響 在工業(yè)發(fā)酵和科研中通常采取一定的措施縮短延滯期 對(duì)數(shù)期 細(xì)菌個(gè)體形態(tài) 化學(xué)組成和生理特性等均較一致 代謝旺盛 生長(zhǎng)迅速 代時(shí)穩(wěn)定 是研究微生物基本代謝的良好材料 在生產(chǎn)上用作種子 以最大的速率生長(zhǎng)和分裂 細(xì)菌數(shù)量呈對(duì)數(shù)增加 穩(wěn)定期 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗 代謝產(chǎn)物積累和ph等環(huán)境變化 逐步不適宜于細(xì)菌生長(zhǎng) 原因 采取措施 補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或取走代謝產(chǎn)物或改善培養(yǎng)條件 如對(duì)好氧菌進(jìn)行通氣 攪拌或振蕩等 生長(zhǎng)速率降零代謝產(chǎn)物大量積累的產(chǎn)物如外毒素 內(nèi)毒素 抗生素 以及芽胞等 衰亡期 細(xì)菌代謝活性降低 細(xì)菌衰老并出現(xiàn)自溶 產(chǎn)生或釋放出一些產(chǎn)物 細(xì)胞呈現(xiàn)多種形態(tài) 有時(shí)產(chǎn)生畸形 細(xì)胞大小懸殊 該時(shí)期死亡的細(xì)菌以對(duì)數(shù)方式增加 現(xiàn)象 教法建議 給出某種細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線得到此曲線需要的條件 如何測(cè)定 請(qǐng)參考教師教學(xué)用書 分析各期的特點(diǎn)和成因 分析其的實(shí)踐意義 參考問(wèn)題如下 1 調(diào)整期的特點(diǎn)是什么 如何縮短 2 對(duì)數(shù)期有何特點(diǎn) 處于此期的微生物有何實(shí)際應(yīng)用 3 穩(wěn)定期有何特點(diǎn) 為什么在對(duì)數(shù)期后 如果不創(chuàng)造特殊條件 就必然進(jìn)入穩(wěn)定期 在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程 需要延長(zhǎng)穩(wěn)定期 以提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量 如何解決 連續(xù)培養(yǎng) 連續(xù)培養(yǎng)的基本原則 微生物培養(yǎng)過(guò)程中不斷的補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和以同樣的速率移出培養(yǎng)物 優(yōu)點(diǎn) 縮短發(fā)酵周期 提高設(shè)備利用率 便于自動(dòng)控制 降低動(dòng)力消耗及體力勞動(dòng)強(qiáng)度 產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定 缺點(diǎn) 雜菌污染和菌種退化 環(huán)境因素對(duì)微生物的影響 影響因素 氧 溫度 ph值 一 溫度 微生物生長(zhǎng)的最適溫度不同 可以將微生物分為嗜冷 兼性嗜冷 嗜溫 嗜熱和超嗜熱等五種不同的類型 最適生長(zhǎng)溫度 某菌分裂代時(shí)最短或生長(zhǎng)速率最高時(shí)的培養(yǎng)溫度 二 ph 三 氧 根據(jù)氧與微生物生長(zhǎng)的關(guān)系可將微生物分為 好氧 微好氧 耐氧型 兼性厭氧 專性厭氧 能源工業(yè)酒精 利用酵母發(fā)酵生產(chǎn)酒精技術(shù)已相當(dāng)成熟 氫 而某些海洋光合細(xì)菌 如假單細(xì)胞 能利用玉米甚至制糖廠 造紙廠的廢液直接發(fā)酵放氫 這方面研究一旦突破其效益是不可估量的 環(huán)