2025年高二（下）生物微生物幸福化題一、微生物的基礎知識1.1微生物的概念與分類微生物是指個體微小、結構簡單的一類生物，通常需要借助顯微鏡才能觀察到。根據細胞結構和進化關系，微生物可分為原核微生物、真核微生物和非細胞型微生物三大類。原核微生物包括細菌、放線菌、藍細菌等，其細胞結構簡單，沒有核膜包被的細胞核；真核微生物如酵母菌、霉菌等，具有完整的細胞核和細胞器；非細胞型微生物主要是病毒，它們沒有細胞結構，只能在宿主細胞內繁殖。1.2微生物的形態(tài)結構1.2.1原核微生物的形態(tài)結構細菌是最常見的原核微生物，其基本形態(tài)有球狀、桿狀和螺旋狀，分別稱為球菌、桿菌和螺旋菌。細菌細胞主要由細胞壁、細胞膜、細胞質和擬核等部分組成。細胞壁的主要成分是肽聚糖，具有維持細胞形態(tài)和保護細胞的作用。細胞膜是一層緊貼細胞壁的薄膜，具有選擇性透過性，參與物質運輸和能量代謝。細胞質中含有核糖體、質粒等結構，是細菌進行新陳代謝的主要場所。擬核是細菌的遺傳物質所在區(qū)域，沒有核膜包被。放線菌是一類具有絲狀分枝細胞的原核微生物，其菌絲分為基內菌絲、氣生菌絲和孢子絲。基內菌絲生長在培養(yǎng)基內，主要功能是吸收營養(yǎng)物質；氣生菌絲由基內菌絲延伸到培養(yǎng)基表面形成，顏色較深；孢子絲是氣生菌絲發(fā)育到一定階段分化形成的，可產生孢子進行繁殖。藍細菌又稱藍藻，是一類能進行光合作用的原核微生物。其細胞內含有葉綠素和藻藍素等光合色素，沒有葉綠體，但有類囊體結構，是光合作用的場所。藍細菌的形態(tài)多樣，有單細胞、群體和絲狀體等。1.2.2真核微生物的形態(tài)結構酵母菌是單細胞真核微生物，通常呈圓形、橢圓形或卵形。其細胞結構包括細胞壁、細胞膜、細胞質、細胞核、線粒體、內質網、高爾基體等。細胞壁的主要成分是葡聚糖和甘露聚糖。酵母菌的繁殖方式有無性繁殖和有性繁殖兩種，無性繁殖主要通過出芽生殖，有性繁殖則產生子囊孢子。霉菌是多細胞絲狀真菌，其菌絲體由許多菌絲交織而成。菌絲分為營養(yǎng)菌絲和氣生菌絲，營養(yǎng)菌絲深入培養(yǎng)基內吸收營養(yǎng)，氣生菌絲生長在培養(yǎng)基表面，可產生孢子進行繁殖。霉菌的孢子類型多樣，如分生孢子、孢囊孢子、子囊孢子等，不同種類的霉菌產生的孢子形態(tài)和顏色各不相同。1.3微生物的營養(yǎng)與代謝1.3.1微生物的營養(yǎng)要素微生物的營養(yǎng)要素包括碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水。碳源是微生物合成細胞物質和獲取能量的主要來源，如葡萄糖、蔗糖、淀粉等；氮源用于合成微生物的蛋白質、核酸等含氮物質，如銨鹽、硝酸鹽、蛋白質等；能源為微生物的生命活動提供能量，根據能源的不同，微生物可分為光能營養(yǎng)型和化能營養(yǎng)型；生長因子是微生物生長所必需的微量有機物質，如維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等；無機鹽參與微生物細胞的組成、調節(jié)細胞滲透壓、維持酶的活性等；水是微生物細胞的重要組成部分，也是微生物新陳代謝的介質。1.3.2微生物的營養(yǎng)類型根據碳源和能源的不同，微生物可分為四大營養(yǎng)類型：光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型。光能自養(yǎng)型微生物以光為能源，以二氧化碳為碳源，如藍細菌、藻類等；光能異養(yǎng)型微生物以光為能源，以有機物為碳源，如紅螺菌等；化能自養(yǎng)型微生物以無機物氧化釋放的能量為能源，以二氧化碳為碳源，如硝化細菌、硫化細菌等；化能異養(yǎng)型微生物以有機物為碳源和能源，大多數細菌、真菌和原生動物都屬于此類。1.3.3微生物的代謝微生物的代謝包括分解代謝和合成代謝。分解代謝是將復雜的有機物分解為簡單的無機物，并釋放能量的過程；合成代謝則是利用分解代謝產生的能量和中間產物，合成微生物自身的細胞物質的過程。微生物的代謝具有多樣性，不同種類的微生物具有不同的代謝途徑和產物。例如，酵母菌在無氧條件下進行乙醇發(fā)酵，將葡萄糖分解為乙醇和二氧化碳；乳酸菌進行乳酸發(fā)酵，產生乳酸。微生物的代謝調節(jié)方式主要有酶活性調節(jié)和酶合成調節(jié)。酶活性調節(jié)是通過改變酶的活性來調節(jié)代謝速率，如反饋抑制；酶合成調節(jié)是通過控制酶的合成量來調節(jié)代謝，如誘導酶的合成。1.4微生物的生長繁殖1.4.1微生物的生長曲線將少量微生物接種到適宜的培養(yǎng)基中，在適宜的條件下培養(yǎng)，其生長過程具有一定的規(guī)律性。以細菌為例，其生長曲線可分為遲緩期、對數期、穩(wěn)定期和衰亡期四個階段。遲緩期是微生物接種到新環(huán)境后，適應新環(huán)境的時期，生長速率較慢；對數期是微生物生長旺盛的時期，細胞數量呈指數增長，生長速率最快；穩(wěn)定期是由于營養(yǎng)物質消耗、代謝產物積累等原因，微生物的生長速率逐漸減慢，死亡速率逐漸增加，細胞數量達到最大值并保持相對穩(wěn)定；衰亡期是營養(yǎng)物質耗盡，代謝產物大量積累，微生物的死亡速率大于生長速率，細胞數量逐漸減少。1.4.2微生物的繁殖方式微生物的繁殖方式多樣，原核微生物主要通過二分裂方式進行無性繁殖；真核微生物的繁殖方式包括無性繁殖和有性繁殖，無性繁殖如酵母菌的出芽生殖、霉菌的孢子生殖等，有性繁殖如酵母菌產生子囊孢子、霉菌產生子囊孢子或擔孢子等；病毒則通過復制的方式進行繁殖，其過程包括吸附、侵入、脫殼、生物合成、組裝和釋放等階段。二、微生物的應用案例2.1農業(yè)領域的應用在農業(yè)領域，微生物技術的應用廣泛，為農業(yè)生產帶來了諸多益處。山東省寧陽縣的“五位一體”生態(tài)大棚就是一個典型案例，該大棚融合了“菜—豬—沼—能—肥”五要素，通過微生態(tài)技術有機串聯(lián)種植、養(yǎng)殖、生態(tài)、環(huán)保與能源利用五大環(huán)節(jié)。在種植區(qū)，含復合菌群的微生態(tài)制劑通過水肥一體化系統(tǒng)滲入土壤，這些益生菌如同“土壤醫(yī)生”，能破解土壤板結、作物病害等頑疾，恢復土壤系統(tǒng)微生態(tài)平衡。得益于農用微生態(tài)制劑的持續(xù)作用，番茄種苗長勢健壯，果實的糖度、產量與抗病性都得到顯著提升。在養(yǎng)殖方面，過去依賴抗生素防控病害，豬長得慢還影響肉質?，F在通過動物微生態(tài)制劑全面替代抗生素，調節(jié)腸道菌群平衡有效提升黑豬免疫力，不僅出欄時間縮短，其肌內脂肪與肌內膠原蛋白含量也顯著提高。這種“無抗養(yǎng)殖”模式讓黑豬肉質鮮嫩、營養(yǎng)均衡，加工制成的泰山黑豬肉腸憑借“零防腐、零色素”的優(yōu)勢成為各電商平臺的爆款。2.2環(huán)境保護領域的應用微生物技術在環(huán)境保護中發(fā)揮著重要作用，尤其在土壤修復和水體凈化方面效果顯著。某工業(yè)園區(qū)土壤修復項目中，通過引入特定微生物，降解土壤中的有機污染物，提高土壤肥力，恢復土壤生態(tài)環(huán)境。這些微生物通過其代謝活動，將復雜的有機污染物分解為簡單的無機物質，降低土壤中有害物質的濃度。同時，某些微生物可以與重金屬離子結合，形成穩(wěn)定的金屬-微生物復合體，降低重金屬的毒性，減少其對生態(tài)環(huán)境的污染。在水體凈化方面，某城市污水處理廠利用微生物技術處理污水，提高出水水質，減少對水環(huán)境的污染。微生物具有分解有機物、降解重金屬等能力，可以凈化水體。例如，利用活性污泥法處理污水，活性污泥中的微生物群落能夠將污水中的有機物分解為二氧化碳和水等無害物質。此外，微生物技術還可用于水體修復，如治理黑臭水體，通過投加功能性微生物制劑，改善水體微生態(tài)環(huán)境，恢復水體的自凈能力。2.3醫(yī)藥領域的應用基因編輯技術在微生物制藥領域的應用案例逐漸增多。例如，通過編輯大腸桿菌基因，實現高產胰島素的菌株構建，為糖尿病治療提供新的途徑。利用CRISPR/Cas9技術靶向編輯大腸桿菌的基因，使菌株在發(fā)酵過程中能夠更高效地合成胰島素，提高菌株產量，降低生產成本，為患者提供更加經濟的治療選擇。此外，基因編輯技術還被用于提高抗生素、疫苗等藥物的生產效率和質量。通過編輯微生物基因組，如大腸桿菌、酵母菌等，使其高效生產抗生素如青霉素、頭孢菌素等，以及疫苗如乙肝疫苗、流感疫苗等。基因編輯技術不僅提高了產物的產量，還可以減少副產物生成，提高產品的純度和質量，同時增強菌株的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。2.4工業(yè)領域的應用在工業(yè)領域，微生物技術廣泛應用于發(fā)酵工業(yè)、生物能源等方面。在微生物發(fā)酵工業(yè)中，通過編輯酵母菌的基因組，可以增強其乙醇發(fā)酵能力，從而提高酒精產量。研究人員利用CRISPR/Cas9技術靶向刪除或替換酵母菌中的特定基因，如乙醇脫氫酶基因，實現乙醇產量的顯著提升，同時優(yōu)化發(fā)酵條件，使菌株能夠適應更廣泛的溫度、pH值等條件，降低生產成本。在生物能源開發(fā)方面，利用微生物發(fā)酵有機廢棄物，產生生物能源，減少化石能源消耗，降低溫室氣體排放。例如，利用產甲烷菌發(fā)酵農作物秸稈、畜禽糞便等有機廢棄物，產生甲烷氣體，作為清潔能源使用?；蚓庉嫾夹g可以改良微生物的代謝途徑，提高生物能源的產量和利用效率，推動生物能源產業(yè)的發(fā)展。三、微生物的科學探究3.1微生物的探究歷程微生物的探究歷程可以追溯到17世紀，荷蘭科學家列文虎克用自制的顯微鏡首次觀察到了細菌等微生物，開啟了人類對微生物世界的認識。19世紀，法國科學家巴斯德通過曲頸瓶實驗，證明了微生物不是自然發(fā)生的，而是由空氣中的微生物孢子繁殖而來，推翻了自然發(fā)生論。同時，巴斯德還發(fā)明了巴氏消毒法，為食品保鮮和醫(yī)療衛(wèi)生做出了重要貢獻。德國科學家科赫則建立了微生物的純培養(yǎng)技術，提出了科赫法則，為病原微生物的鑒定奠定了基礎。他發(fā)現了炭疽桿菌、結核桿菌和霍亂弧菌等多種病原微生物，推動了醫(yī)學微生物學的發(fā)展。20世紀以來，隨著分子生物學技術的發(fā)展，微生物學進入了分子水平研究階段，科學家們對微生物的遺傳物質、基因結構和功能等進行了深入研究，基因工程、蛋白質工程等技術的應用，使得微生物在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥等領域的應用更加廣泛。3.2微生物的實驗室培養(yǎng)與觀察3.2.1培養(yǎng)基的制備培養(yǎng)基是人工配制的適合微生物生長繁殖或積累代謝產物的營養(yǎng)基質。制備培養(yǎng)基的基本步驟包括：計算、稱量、溶化、調pH、滅菌、倒平板等。根據微生物的營養(yǎng)需求和培養(yǎng)目的不同，培養(yǎng)基可分為基礎培養(yǎng)基、選擇培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基等?；A培養(yǎng)基含有微生物生長所需的基本營養(yǎng)物質，如牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；選擇培養(yǎng)基是在基礎培養(yǎng)基中加入某種化學物質，抑制不需要的微生物生長，促進所需微生物生長，如加入青霉素的培養(yǎng)基可選擇培養(yǎng)酵母菌和霉菌；鑒別培養(yǎng)基則是在培養(yǎng)基中加入某種指示劑或化學藥品，用于鑒別不同種類的微生物，如伊紅美藍培養(yǎng)基可鑒別大腸桿菌。3.2.2微生物的接種與培養(yǎng)微生物的接種方法有多種，如平板劃線法、稀釋涂布平板法、斜面接種法、液體接種法等。平板劃線法是將微生物樣品在固體培養(yǎng)基表面連續(xù)劃線，使微生物細胞逐漸分散，最終形成單個菌落；稀釋涂布平板法是將微生物樣品進行梯度稀釋后，取一定體積的稀釋液涂布在固體培養(yǎng)基表面，培養(yǎng)后形成單個菌落。接種后的培養(yǎng)基需要在適宜的溫度、濕度和氣體環(huán)境下進行培養(yǎng)，如細菌一般在37℃下培養(yǎng)1-2天，霉菌在25-28℃下培養(yǎng)3-5天。3.2.3微生物的觀察微生物的觀察方法包括顯微鏡觀察和肉眼觀察。顯微鏡觀察是觀察微生物形態(tài)結構的主要方法，根據觀察目的和微生物種類的不同，可選用普通光學顯微鏡、相差顯微鏡、熒光顯微鏡、電子顯微鏡等。觀察時需要制作微生物涂片，進行染色處理，如革蘭氏染色法可將細菌分為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，便于觀察和鑒別。肉眼觀察主要用于觀察微生物的菌落特征，如菌落的大小、形狀、顏色、邊緣、表面、質地等，不同種類的微生物形成的菌落特征不同，可用于微生物的初步鑒別。3.3微生物的遺傳變異與育種3.3.1遺傳變異的物質基礎微生物的遺傳物質是核酸，包括DNA和RNA。大多數微生物的遺傳物質是DNA，少數病毒的遺傳物質是RNA。微生物的基因是具有遺傳效應的DNA片段，控制著微生物的性狀?；蛲蛔兪俏⑸镞z傳變異的主要來源，是指DNA分子中堿基對的增添、缺失或替換，導致基因結構的改變?；蛲蛔兙哂衅毡樾?、隨機性、低頻性、不定向性和多害少利性等特點。3.3.2基因重組基因重組是指不同DNA分子之間發(fā)生的遺傳物質的交換和重新組合，導致微生物性狀的改變。微生物的基因重組方式包括轉化、轉導、接合和原生質體融合等。轉化是指受體細胞吸收供體細胞釋放的DNA片段，并整合到自己的基因組中，從而獲得供體細胞的遺傳性狀；轉導是指以噬菌體為媒介，將供體細胞的DNA片段轉移到受體細胞中，引起受體細胞的遺傳變異；接合是指細菌通過性菌毛相互連接，將遺傳物質從供體細胞轉移到受體細胞中；原生質體融合是指將兩種不同的微生物細胞去除細胞壁后，在融合劑的作用下使原生質體融合，形成雜種細胞，從而實現基因重組。3.3.3誘變育種誘變育種是利用物理、化學或生物因素誘導微生物發(fā)生基因突變，從而選育優(yōu)良菌株的方法。常用的誘變因素包括紫外線、X射線、γ射線等物理因素，以及亞硝酸、硫酸二乙酯、吖啶橙等化學因素。誘變育種的基本步驟包括：出發(fā)菌株的選擇、誘變處理、突變株的篩選和鑒定等。通過誘變育種，可以提高微生物的產量、改善產品質量、增強菌株的抗性等，在工業(yè)微生物育種中得到廣泛應用。3.4微生物的生態(tài)與環(huán)境保護3.4.1微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用微生物在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，主要作為分解者參與物質循環(huán)和能量流動。它們能夠分解動植物遺體和排泄物中的有機物，將其轉化為無機物，如二氧化碳、水和無機鹽等，供生產者重新利用。微生物還參與氮、碳、磷、硫等元素的循環(huán)，如固氮菌能將大氣中的氮氣轉化為氨，供植物吸收利用；硝化細菌能將氨氧化為硝酸鹽，反硝化細菌則將硝酸鹽還原為氮氣，釋放到大氣中。此外，微生物還與其他生物之間存在著共生、寄生、捕食等關系。例如，根瘤菌與豆科植物共生，形成根瘤，進行固氮作用；地衣是真菌和藻類的共生體，真菌為藻類提供水分和無機鹽，藻類為真菌提供有機物；寄生微生物則從宿主生物體內獲取營養(yǎng)物質，對宿主造成危害，如病原微生物引起動植物和人類的疾病。3.4.2微生物與環(huán)境污染物的降解微生物具有降解環(huán)境污染物的能力，是環(huán)境治理的重要力量。不同種類的微生物能夠降解不同類型的污染物，如細菌、真菌、放線菌等可以降解石油烴、多環(huán)芳烴、農藥、染料等有機污染物；某些微生物還可以轉化和固定重金屬離子，降低其毒性。微生物降解污染物的途徑主要包括氧化、還原、水解、脫羧、脫氨等化學反應，將復雜的污染物分解為簡單的無害物質。利用微生物降解污染物的方法主要有生物修復技術，包括土壤生物修復、水體生物修復等。土壤生物修復是通過向污染土壤中添加微生物制劑、營養(yǎng)物質等，促進微生物的生長繁殖，提高其降解污染物的能力；水體生物修復則是利用微生物的代謝作用，凈化水體中的污染物，如利用活性污泥法處理污水、利用生物膜法凈化河流湖泊等。3.4.3微生物與可持續(xù)發(fā)展微生物技術在可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義，它可以實現資源的循環(huán)利用，減少環(huán)境污染，推動經濟社會的綠色發(fā)展。例如，利用微生物處理有機廢棄物，生產有機肥料和生物能源，實現廢棄物的資源化利用；利用微生物進行生物防治，減少農藥的使用，降低對生態(tài)環(huán)境的危害；開發(fā)微生物藥物和保健品，提高人類健康水平。未來，隨著微生物學研究的不斷深入和技術的不斷創(chuàng)新，微生物在環(huán)境保護、資源利用、醫(yī)療衛(wèi)生等領域的應用將更加廣泛，為實現可持續(xù)發(fā)展目標做出更大的貢獻。四、微生物傳染病的傳播和預防4.1微生物傳染病的病原體引起傳染病的微生物稱為病原微生物，主要包括細菌、病毒、真菌、支原體、衣原體、立克次氏體等。不同的病原微生物引起的傳染病具有不同的特點，如細菌引起的傳染病有肺結核、霍亂、傷寒等；病毒引起的傳染病有流感、肝炎、艾滋病、新冠肺炎等；真菌引起的傳染病有皮膚癬病、念珠菌病等。病原微生物具有致病性，能夠侵入宿主生物體內，生長繁殖，釋放毒素或引起免疫病理反應，導致宿主發(fā)病。病原微生物的致病性強弱稱為毒力，主要取決于其侵襲力、毒素和其他毒力因子。侵襲力是指病原微生物侵入宿主并在體內定植、繁殖和擴散的能力；毒素是病原微生物產生的有毒物質，分為外毒素和內毒素，外毒素是病原微生物在生長繁殖過程中分泌到體外的毒性蛋白質，內毒素則是革蘭氏陰性菌細胞壁中的脂多糖成分，當細菌死亡裂解后釋放出來。4.2微生物傳染病的傳播途徑微生物傳染病的傳播途徑主要包括空氣傳播、飛沫傳播、接觸傳播、消化道傳播、呼吸道傳播、血液傳播、母嬰傳播等。空氣傳播是指病原微生物通過空氣飛沫、塵埃等形式傳播，如流感病毒、結核桿菌等；飛沫傳播是指患者咳嗽、打噴嚏時產生的飛沫中含有病原微生物，被他人吸入而感染，如新冠肺炎病毒、流感病毒等；接觸傳播是指通過直接接觸患者或間接接觸被污染的物品而感染，如皮膚病病原體、手足口病病毒等；消化道傳播是指通過食用被病原微生物污染的食物或水而感染，如霍亂弧菌、傷寒桿菌、甲肝病毒等；呼吸道傳播是指病原微生物通過呼吸道進入人體而感染，如流感病毒、新冠病毒、結核桿菌等；血液傳播是指通過輸血、共用注射器、蚊蟲叮咬等方式，病原微生物進入血液而感染，如乙肝病毒、丙肝病毒、艾滋病病毒等；母嬰傳播是指病原微生物通過胎盤、產道或哺乳等方式從母親傳給胎兒或嬰兒，如乙肝病毒、艾滋病病毒等。4.3微生物傳染病的預防與控制4.3.1控制傳染源控制傳染源是預防和控制傳染病的重要措施之一。對患者要做到早發(fā)現、早診斷、早報告、早隔離、早治療，防止病原微生物擴散。對于傳染病的疑似患者和密切接觸者，要進行醫(yī)學觀察和隔離檢疫，必要時進行預防性治療。對于動物傳染源，如患病的畜禽，要進行隔離治療或撲殺處理，