2025年大學《生物技術(shù)》專業(yè)題庫——環(huán)境微生物資源的開發(fā)利用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述從土壤環(huán)境中篩選高效降解石油烴的細菌時應考慮哪些關(guān)鍵因素？2.比較平板劃線法和稀釋涂布法在微生物分離純化中的原理和適用場景。3.簡述基因工程改造微生物用于提高有機酸產(chǎn)量的基本思路和關(guān)鍵步驟。4.列舉三種不同環(huán)境微生物資源在環(huán)境保護領(lǐng)域的應用實例，并簡述其作用機制。5.簡述固定化酶技術(shù)在利用微生物代謝產(chǎn)物方面的優(yōu)勢。6.闡述微生物在生物修復受重金屬污染土壤過程中的作用及其面臨的挑戰(zhàn)。二、論述題（每題10分，共40分）1.論述微生物基因組測序技術(shù)在環(huán)境微生物資源開發(fā)利用中的重要性及應用。2.結(jié)合具體實例，論述代謝工程在改良微生物發(fā)酵性能、提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量方面的作用。3.論述將環(huán)境微生物資源開發(fā)利用技術(shù)應用于生物能源生產(chǎn)的前景和面臨的挑戰(zhàn)。4.論述在利用環(huán)境微生物進行生物修復時，需要注意哪些生態(tài)安全相關(guān)問題？三、實驗設(shè)計題（20分）設(shè)計一個實驗方案，從當?shù)匚鬯幚韽S活性污泥中篩選能夠高效降解水中苯酚的細菌。請詳細說明實驗步驟，包括樣品處理、篩選方法、純化步驟以及初步鑒定方法。試卷答案一、簡答題1.答案：(1)選擇目標生境中石油烴污染較嚴重的區(qū)域取樣；(2)設(shè)計針對石油烴降解相關(guān)酶（如脂肪酶、酯酶）或代謝途徑的關(guān)鍵基因的選擇性培養(yǎng)條件或篩選培養(yǎng)基；(3)考慮微生物對特定石油烴組分（如鏈長、支鏈）的降解能力；(4)考慮微生物的生長速率、代謝效率和環(huán)境適應性（如耐油性、耐鹽性、耐溫性等）；(5)考慮篩選菌株的安全性，避免引入外來物種或產(chǎn)生耐藥性。解析思路：考察對環(huán)境微生物篩選策略的理解。篩選高效降解石油烴的細菌需要結(jié)合石油烴污染的實際環(huán)境，并利用其代謝特征進行定向選擇。這涉及到樣品來源的選擇、篩選培養(yǎng)基的設(shè)計（基于功能或選擇性）、目標降解物的考慮、菌株自身生理生化特性的評估以及生態(tài)安全性的考量。2.答案：(1)原理：平板劃線法通過接種環(huán)在瓊脂表面進行多次劃線，利用接種物濃度逐漸稀釋，使細菌在劃線過程中逐漸分散，最終獲得單個菌落；稀釋涂布法通過將樣品進行系列稀釋后，取一定體積的稀釋液均勻涂布在瓊脂表面，每個稀釋度的菌體在接觸瓊脂后分散成單個細胞，生長后形成單個菌落。適用場景：平板劃線法主要用于已經(jīng)獲得一定濃度微生物懸液時的初步分離和純化，操作相對簡便；稀釋涂布法適用于樣品初始濃度較高，需要獲得大量單菌落，或?qū)ο♂屵^程有特定要求的情況。解析思路：考察對兩種基本微生物分離純化技術(shù)的原理和適用性的掌握。需要清晰闡述兩種方法的操作差異如何導致微生物分散，并說明各自的優(yōu)勢和適用范圍。3.答案：(1)思路：利用基因工程手段，篩選或改造與目標有機酸合成相關(guān)的關(guān)鍵基因（如調(diào)節(jié)基因、結(jié)構(gòu)基因），通過過表達、下調(diào)或基因敲除等策略，改變微生物的代謝流向或酶活性，從而提高目標有機酸的產(chǎn)量。關(guān)鍵步驟：獲取目標微生物基因組或轉(zhuǎn)錄組信息；篩選關(guān)鍵調(diào)控基因或結(jié)構(gòu)基因；構(gòu)建基因工程表達載體；轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)染宿主微生物；篩選陽性克隆并進行驗證；優(yōu)化發(fā)酵條件；提取純化目標產(chǎn)物。解析思路：考察對代謝工程改造微生物的基本原理和流程的理解。需要從代謝網(wǎng)絡(luò)改造的角度闡述提高產(chǎn)量的途徑，并按照基因工程的基本操作步驟進行描述。4.答案：(1)生物修復：利用高效降解菌株處理有機污染物，如利用假單胞菌屬、芽孢桿菌屬等微生物降解土壤中的多環(huán)芳烴（PAHs）或農(nóng)藥殘留；(2)生物脫硫：利用硫氧化細菌（如硫桿菌屬）或硫還原細菌去除燃煤或石油中的硫化物，減少硫化物排放；(3)重金屬固定/富集：利用某些微生物（如假單胞菌屬、芽孢桿菌屬）的細胞壁或代謝產(chǎn)物吸附、沉淀或轉(zhuǎn)化為低毒性形態(tài)，固定土壤中的重金屬（如鎘、鉛、砷），或利用植物-微生物共生體系將重金屬從土壤中提取到植物體內(nèi)（phytoextraction）。作用機制：主要包括生物降解（分解有機物）、生物轉(zhuǎn)化（改變化學性質(zhì)）、生物吸附（物理或化學吸附）、離子交換（交換重金屬離子）、沉淀（與微生物代謝物反應生成沉淀物）、生物積累（在細胞內(nèi)富集）等。解析思路：考察對微生物在環(huán)境保護中具體應用實例的了解，并能解釋其基本作用機制。需要列舉不同類型的污染治理實例，并說明微生物發(fā)揮作用的生物學過程。5.答案：(1)提高產(chǎn)物得率和純度：酶固定后，可以重復使用，減少酶的損失，提高產(chǎn)物濃度；固定化酶通常具有更高的熱穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性，拓寬了反應條件范圍，有利于提高產(chǎn)物得率；固定化狀態(tài)可以更容易地與底物分離，簡化產(chǎn)物純化過程。解析思路：考察對固定化酶技術(shù)優(yōu)勢的理解。重點在于與傳統(tǒng)游離酶相比，固定化酶在反應效率、穩(wěn)定性以及下游處理方面的優(yōu)越性。6.答案：(1)作用：微生物通過代謝活動將有毒重金屬轉(zhuǎn)化為毒性較低的形態(tài)（如溶解性降低、不易被植物吸收的形態(tài)），或通過物理吸附、離子交換等方式將重金屬吸附固定在細胞表面或從環(huán)境中去除，從而降低土壤中重金屬的毒性，改善土壤環(huán)境質(zhì)量。挑戰(zhàn)：(1)重金屬對微生物的毒性作用，可能抑制微生物生長和代謝活性；(2)部分重金屬難以降解，或降解產(chǎn)物仍具毒性；(3)重金屬可能誘導微生物產(chǎn)生抗性基因，存在生態(tài)風險；(4)修復效率受環(huán)境條件（如pH、Eh、有機質(zhì)含量）影響較大；(5)難以實現(xiàn)重金屬的完全去除，可能存在二次污染風險。解析思路：考察對微生物生物修復重金屬污染原理和實際挑戰(zhàn)的認識。需要說明微生物修復的基本機制，并列舉實際應用中遇到的主要障礙和潛在風險。二、論述題1.答案：(1)重要性：基因組測序提供了微生物遺傳信息的“藍圖”，有助于深入了解微生物的遺傳背景、生理功能、代謝網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)適應性，為環(huán)境微生物資源的發(fā)掘、利用和保藏提供基礎(chǔ)；(2)應用：可用于快速鑒定未知環(huán)境微生物，構(gòu)建環(huán)境微生物群落基因圖譜，發(fā)現(xiàn)新的功能基因和代謝途徑，為篩選特定功能微生物或改造微生物性能提供依據(jù)，指導環(huán)境微生物資源的合理開發(fā)和應用，如用于生物修復、生物能源、生物農(nóng)藥等領(lǐng)域。解析思路：考察對基因組測序技術(shù)在環(huán)境微生物研究中的價值的理解。需要從提供遺傳信息、揭示功能潛力、指導實際應用等多個層面論述其重要性，并結(jié)合具體應用場景進行說明。2.答案：(1)代謝工程通過基因工程技術(shù)手段，對目標微生物的基因組進行修飾和改造，以優(yōu)化其代謝途徑，提高目標產(chǎn)物（如有機酸、氨基酸、抗生素、生物能源前體等）的產(chǎn)量、改善產(chǎn)品質(zhì)量或賦予其新的功能。其作用體現(xiàn)在：通過引入外源基因、敲除負面調(diào)控基因、過表達關(guān)鍵酶基因、改造關(guān)鍵酶活性或調(diào)控蛋白，可以改變微生物的代謝流向，將更多的碳源和能量流向目標產(chǎn)物合成途徑；可以增強關(guān)鍵酶的表達水平和穩(wěn)定性，提高代謝速率；可以構(gòu)建多酶體系或優(yōu)化酶的空間結(jié)構(gòu)，提高催化效率和產(chǎn)物特異性；可以克服代謝瓶頸，解除反饋抑制，提高目標產(chǎn)物的最終產(chǎn)量。解析思路：考察對代謝工程核心概念和作用機制的深入理解。需要闡述代謝工程改造微生物的具體策略，并詳細說明這些策略如何影響微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)，最終達到提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量或改善性能的目的。3.答案：(1)前景：利用環(huán)境微生物資源開發(fā)生物能源具有巨大潛力。環(huán)境中蘊藏著豐富的微生物資源，特別是來自極端環(huán)境（如高溫、高壓、高鹽）的微生物，其代謝途徑往往獨特，可用于高效降解廢棄物、轉(zhuǎn)化非糧原料為生物燃料（如乙醇、丁醇、氫氣、甲烷），或用于生產(chǎn)生物基化學品和材料，有助于實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和碳減排。挑戰(zhàn)：(1)環(huán)境中功能微生物的篩選和高效培養(yǎng)技術(shù)仍需完善，特別是對于生長緩慢或培養(yǎng)條件苛刻的微生物；(2)微生物發(fā)酵過程的效率、產(chǎn)物分離純化的成本和技術(shù)有待提高；(3)生物能源轉(zhuǎn)化過程的動力學和反應工程學研究不足；(4)生物能源的規(guī)?；a(chǎn)和成本控制是商業(yè)化應用的關(guān)鍵；(5)部分生物能源（如生物乙醇）與糧食生產(chǎn)的競爭問題。解析思路：考察對環(huán)境微生物資源在生物能源領(lǐng)域應用前景和挑戰(zhàn)的辯證思考。需要既看到其發(fā)展?jié)摿?，也要認識到當前面臨的技術(shù)、經(jīng)濟和倫理等方面的挑戰(zhàn)。4.答案：(1)生態(tài)安全相關(guān)問題：在利用環(huán)境微生物進行生物修復時，需要注意：(1)外來物種引入風險：引入的非本地微生物可能在新的環(huán)境中過度繁殖，排擠本地物種，破壞生態(tài)平衡；(2)基因轉(zhuǎn)移風險：轉(zhuǎn)基因微生物可能通過水平基因轉(zhuǎn)移將抗性基因等有害基因傳遞給環(huán)境中其他微生物，產(chǎn)生生態(tài)風險；(3)產(chǎn)生新的污染物：微生物代謝活動可能產(chǎn)生新的、未知的或更毒的副產(chǎn)物；(4)長期效果不確定性：生物修復的長期效果、對生態(tài)系統(tǒng)功能的潛在影響尚不完全清楚；(5)效果的可控性和穩(wěn)定性：微生物的生長和活性受環(huán)境條件影響，修復效果可能不穩(wěn)定；(6)監(jiān)測和評估：需要建立完善的監(jiān)測和評估體系，以跟蹤修復過程，及時發(fā)現(xiàn)和應對潛在風險。解析思路：考察對生物修復技術(shù)應用中生態(tài)安全問題的關(guān)注程度。需要識別并闡述使用環(huán)境微生物（尤其是基因工程改造微生物）進行生物修復可能帶來的潛在生態(tài)風險，并強調(diào)風險評估和監(jiān)測的重要性。三、實驗設(shè)計題答案：實驗目的：從當?shù)匚鬯幚韽S活性污泥中篩選能夠高效降解水中苯酚的細菌。實驗原理：利用苯酚作為唯一碳源和能源的選擇性培養(yǎng)方法，結(jié)合平板分離和純化技術(shù)，從活性污泥樣品中分離得到能夠生長的苯酚降解菌。通過初步的生理生化特性測試和/或分子生物學方法進行鑒定。實驗步驟：1.樣品采集與處理：采集污水處理廠活性污泥樣品，置于無菌容器中。取適量樣品，用無菌水進行系列稀釋（如10^-1至10^-6）。取不同稀釋度的樣品，分別接種于含有適當營養(yǎng)鹽（如NaNO?,MgSO?,K?HPO?,FeSO?等）的液體培養(yǎng)基中。2.選擇性培養(yǎng)：將接種了樣品的液體培養(yǎng)基置于適宜溫度（如30°C）下培養(yǎng)（如3-5天）。同時設(shè)置不加樣品的空白培養(yǎng)基作為對照。在培養(yǎng)過程中，定期向培養(yǎng)液中補充苯酚，維持其濃度在適宜范圍（如50-200mg/L），以抑制非降解菌的生長，并確保苯酚作為唯一碳源。也可使用含有苯酚作為唯一碳源和能源的固體選擇培養(yǎng)基（如在NA或LB培養(yǎng)基中添加苯酚）進行初篩。3.平板劃線分離：取對數(shù)生長期的苯酚降解菌液體培養(yǎng)物，采用平板劃線法（如四區(qū)劃線）在固體選擇培養(yǎng)基上進行多次劃線，逐步稀釋細菌，直至獲得單個菌落。4.純化：將獲得的單個菌落反復進行平板劃線，直至獲得純培養(yǎng)物。將純培養(yǎng)物接種于液體選擇培養(yǎng)基中，進行增殖，用于后續(xù)實驗或保藏。5.初步鑒定：*生理生化特性測試：對純培養(yǎng)物進行一系列生理生化特性測試，如革蘭氏染色、運動性、氧化酶試驗、接觸酶試驗、對常用染料的降解能力（如亞甲基藍、剛果紅）等初步鑒定，以了解菌株的基本特征。*分子生物學鑒定（可選但推薦）：提取純培養(yǎng)物的基因組DNA，PCR擴增16SrRNA基因片段，進行測序。將測序結(jié)果與公共數(shù)據(jù)庫（如