2025年高二（下）生物微生物利用題一、微生物的基本培養(yǎng)技術(shù)微生物培養(yǎng)是微生物利用的基礎(chǔ)，其核心在于創(chuàng)造適宜的營(yíng)養(yǎng)條件和無(wú)菌環(huán)境。培養(yǎng)基作為微生物生長(zhǎng)的基質(zhì)，需包含碳源、氮源、水、無(wú)機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子五大營(yíng)養(yǎng)要素。例如，培養(yǎng)酵母菌可采用麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基，其中麥芽汁提供碳源和生長(zhǎng)因子，瓊脂作為凝固劑；而培養(yǎng)硝化細(xì)菌時(shí)，銨鹽既能作為氮源，又能通過(guò)氧化過(guò)程提供能量。在配制培養(yǎng)基時(shí)，需根據(jù)微生物的代謝類型調(diào)整成分，如光能自養(yǎng)型的藍(lán)細(xì)菌不需要添加有機(jī)物，而異養(yǎng)型微生物則需提供葡萄糖等碳源。無(wú)菌技術(shù)是獲得純凈培養(yǎng)物的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)室常用的滅菌方法包括高壓蒸汽滅菌（適用于培養(yǎng)基）、干熱滅菌（適用于玻璃器皿）和過(guò)濾滅菌（適用于不耐熱的試劑如尿素溶液）。操作過(guò)程中，倒平板、劃線接種等步驟需在酒精燈火焰旁進(jìn)行，以防止雜菌污染。例如，在"分離能分解尿素的微生物"實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)基中的尿素需用G6玻璃砂漏斗過(guò)濾除菌，而其他成分則采用高壓蒸汽滅菌，這種組合滅菌方式可避免尿素高溫分解。微生物的分離純化常用平板劃線法和稀釋涂布平板法。平板劃線法通過(guò)連續(xù)劃線將聚集的微生物分散成單個(gè)細(xì)胞，最終形成單菌落，該方法操作簡(jiǎn)便，但菌落分布不均勻；稀釋涂布平板法則通過(guò)系列梯度稀釋使微生物單個(gè)分散在培養(yǎng)基表面，形成均勻菌落，適用于活菌計(jì)數(shù)。兩種方法均需在培養(yǎng)后觀察菌落特征，如形狀、顏色、邊緣特征等，以初步判斷微生物種類。例如，大腸桿菌在伊紅-亞甲藍(lán)培養(yǎng)基上可形成黑色帶金屬光澤的菌落，這一特征可用于其鑒定和計(jì)數(shù)。二、微生物在食品發(fā)酵中的應(yīng)用酵母菌和乳酸菌是食品發(fā)酵中最常用的微生物。酵母菌在無(wú)氧條件下通過(guò)乙醇發(fā)酵將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精和二氧化碳，這一過(guò)程在面包制作和釀酒工業(yè)中至關(guān)重要。在面包發(fā)酵中，酵母菌產(chǎn)生的二氧化碳使面團(tuán)膨脹，形成疏松的質(zhì)地；在啤酒釀造中，麥芽汁中的麥芽糖被酵母菌分解為酒精，同時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)賦予啤酒獨(dú)特口感。溫度對(duì)酵母菌發(fā)酵影響顯著，最適溫度為20-30℃，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致酶失活，過(guò)低則代謝緩慢。乳酸菌通過(guò)乳酸發(fā)酵將糖類轉(zhuǎn)化為乳酸，常用于酸奶、泡菜和青貯飼料的制作。酸奶發(fā)酵中，保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌協(xié)同作用，將牛奶中的乳糖分解為乳酸，使pH降低，牛奶中的酪蛋白凝固形成凝膠狀結(jié)構(gòu)。泡菜制作則利用天然存在的乳酸菌（如植物乳桿菌），在密閉環(huán)境中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生有機(jī)酸和風(fēng)味物質(zhì)，同時(shí)抑制雜菌生長(zhǎng)。值得注意的是，泡菜發(fā)酵過(guò)程中亞硝酸鹽含量會(huì)先升后降，一般在腌制10天后降至安全水平，因此食用時(shí)間需嚴(yán)格控制。傳統(tǒng)發(fā)酵食品往往依賴混合菌種作用。腐乳制作過(guò)程中，毛霉產(chǎn)生的蛋白酶將豆腐中的蛋白質(zhì)分解為小分子肽和氨基酸，酵母菌和曲霉則進(jìn)一步代謝產(chǎn)生醇類和酯類物質(zhì)，形成獨(dú)特的風(fēng)味。豆豉發(fā)酵涉及米曲霉、酵母菌和乳酸菌等多種微生物的協(xié)同作用，其中米曲霉分泌的淀粉酶將淀粉分解為可發(fā)酵糖，酵母菌產(chǎn)生酒精，乳酸菌則調(diào)節(jié)pH并抑制腐敗菌生長(zhǎng)。這些傳統(tǒng)工藝體現(xiàn)了微生物群落的復(fù)雜相互作用，是我國(guó)飲食文化的重要組成部分。三、微生物在醫(yī)藥與環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用抗生素生產(chǎn)是微生物制藥的典型代表。青霉素由青霉菌產(chǎn)生，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成發(fā)揮殺菌作用。工業(yè)生產(chǎn)中，青霉菌的發(fā)酵需在嚴(yán)格控制的條件下進(jìn)行，包括適宜的碳氮比、溶氧量和pH值。發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整通氣量和攪拌速度控制溶氧，初始階段高溶氧促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，后期降低溶氧誘導(dǎo)青霉素合成。類似地，鏈霉菌產(chǎn)生的鏈霉素、放線菌產(chǎn)生的四環(huán)素等抗生素，其生產(chǎn)過(guò)程均需優(yōu)化發(fā)酵參數(shù)以提高產(chǎn)量?；蚬こ碳夹g(shù)使微生物成為生產(chǎn)藥用蛋白的重要宿主。利用重組大腸桿菌生產(chǎn)胰島素是這一領(lǐng)域的成功案例：將人胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，通過(guò)發(fā)酵培養(yǎng)使工程菌高效表達(dá)胰島素前體，再經(jīng)分離純化獲得具有生物活性的胰島素。與傳統(tǒng)從動(dòng)物胰腺提取相比，微生物發(fā)酵法產(chǎn)量高、成本低且純度高。此外，利用酵母菌生產(chǎn)乙肝疫苗、干擾素等生物制品，也已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，這些技術(shù)為疾病防治提供了有力支持。微生物在環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著不可替代的作用。在污水處理中，活性污泥法利用好氧微生物分解有機(jī)污染物，厭氧消化法則通過(guò)產(chǎn)甲烷菌將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，實(shí)現(xiàn)能源回收。例如，餐余垃圾處理中，篩選高效降解淀粉的微生物可提高處理效率，研究人員通過(guò)添加抗生素的選擇培養(yǎng)基，從環(huán)境中分離具有抗性的降解菌，經(jīng)富集培養(yǎng)后用于強(qiáng)化生化處理過(guò)程。微生物還參與自然界的物質(zhì)循環(huán)，如氮循環(huán)中，固氮菌（如根瘤菌）將大氣氮轉(zhuǎn)化為氨，硝化細(xì)菌將氨氧化為硝酸鹽，反硝化細(xì)菌則將硝酸鹽還原為氮?dú)?，維持生態(tài)系統(tǒng)的氮平衡。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用固氮菌制成的生物肥料可減少化肥使用，降低環(huán)境污染。此外，某些微生物如假單胞菌能降解石油烴類物質(zhì)，在石油污染修復(fù)中具有應(yīng)用前景。四、微生物的遺傳變異與育種基因突變是微生物育種的基礎(chǔ)。自發(fā)突變頻率低（約10^-6-10^-9），工業(yè)上常采用誘變育種提高突變率，如使用紫外線、亞硝酸等誘變劑處理微生物。例如，在青霉素高產(chǎn)菌株的選育中，通過(guò)多次紫外線誘變和篩選，使青霉素產(chǎn)量從最初的20單位/mL提升至數(shù)萬(wàn)單位/mL。誘變育種的關(guān)鍵在于高效篩選方法，如利用影印平板法快速檢出營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株?；蛑亟M技術(shù)為微生物育種提供了精確手段。通過(guò)質(zhì)粒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移，可將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞。例如，將分解纖維素的基因?qū)氪竽c桿菌，構(gòu)建工程菌用于纖維素降解；或向酵母菌中導(dǎo)入植酸酶基因，提高飼料中磷的利用率。基因工程育種不僅定向性強(qiáng)，還可實(shí)現(xiàn)跨物種基因轉(zhuǎn)移，極大拓展了微生物的應(yīng)用潛力。微生物的代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中至關(guān)重要。谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中，谷氨酸棒狀桿菌在有氧條件下積累谷氨酸，當(dāng)環(huán)境中缺乏生物素時(shí)，細(xì)胞膜通透性增加，谷氨酸大量分泌到胞外。通過(guò)控制培養(yǎng)基中生物素的濃度，可提高谷氨酸產(chǎn)量。類似地，在賴氨酸發(fā)酵中，通過(guò)選育高絲氨酸缺陷型突變株，阻斷蘇氨酸合成途徑，解除反饋抑制，使賴氨酸大量積累。五、實(shí)驗(yàn)分析與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)一：酵母菌的純培養(yǎng)與計(jì)數(shù)某興趣小組采用麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)酵母菌，實(shí)驗(yàn)步驟如下：配制培養(yǎng)基：將麥芽汁、瓊脂和水按比例混合，調(diào)pH至6.0，高壓蒸汽滅菌（121℃，20min）；接種：采用平板劃線法將酵母菌接種到培養(yǎng)基上，30℃恒溫培養(yǎng)48h；觀察：菌落呈乳白色，圓形，邊緣整齊，直徑約2-3mm；計(jì)數(shù)：取1mL菌液稀釋1000倍后，用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，五個(gè)中方格內(nèi)酵母菌平均數(shù)為80個(gè)，則原菌液濃度為80×5×10^4×1000=4×10^9個(gè)/mL。實(shí)驗(yàn)二：果酒與果醋的制作某同學(xué)利用塑料瓶制作櫻桃酒和櫻桃醋，操作要點(diǎn)如下：櫻桃汁制備：榨汁后裝入發(fā)酵瓶，預(yù)留1/3空間，不進(jìn)行滅菌（利用天然酵母菌）；果酒發(fā)酵：28℃密封培養(yǎng)，每天擰松瓶蓋放氣一次，發(fā)酵液密度從1.08g/mL降至0.98g/mL；果醋發(fā)酵：加入醋酸菌，30-35℃通氣培養(yǎng)，pH從4.5降至3.2，出現(xiàn)明顯醋香。實(shí)驗(yàn)中需注意：果酒發(fā)酵后期放氣間隔可延長(zhǎng)，因酵母菌活性下降，產(chǎn)氣減少；果醋發(fā)酵需持續(xù)通氣，以滿足醋酸菌的有氧呼吸需求。實(shí)驗(yàn)三：土壤微生物的分離與鑒定為篩選高效降解淀粉的微生物，某研究小組進(jìn)行如下操作：樣品采集：從農(nóng)田土壤中取樣，制備土壤浸出液；選擇培養(yǎng)：在含淀粉和抗生素的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，37℃振蕩培養(yǎng)24h；純化：采用稀釋涂布平板法接種到含淀粉的固體培養(yǎng)基上，培養(yǎng)后挑取透明圈大的菌落；鑒定：通過(guò)革蘭氏染色、菌落形態(tài)觀察和生化試驗(yàn)，確定菌株為枯草芽孢桿菌。該實(shí)驗(yàn)中，抗生素的添加可抑制非目標(biāo)微生物生長(zhǎng)，透明圈大小反映菌株降解淀粉的能力，透明圈直徑與菌落直徑比值越大，降解能力越強(qiáng)