专题四：微生物与发酵工程微生物与发酵工程

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1、微生物与发酵工程微生物与发酵工程 复习目标复习目标: 1.细菌、放线菌、病毒的结构和繁殖（识记）。细菌、放线菌、病毒的结构和繁殖（识记）。2.微生物所需的碳源、氮源、生长因子等营养物质的微生物所需的碳源、氮源、生长因子等营养物质的 主要来源和功能主要来源和功能(应用应用)3.培养基的种类和培养基配制的原则培养基的种类和培养基配制的原则(应用应用)4.微生物细胞内代谢产物的种类和主要功能微生物细胞内代谢产物的种类和主要功能 (理解理解) 。5.微生物代谢调节的方式，以及如何人工控制微生物微生物代谢调节的方式，以及如何人工控制微生物 的代谢的代谢(应用应用) 。6.发酵的概念和种类发酵的概念和种类

2、(理解理解)。7.微生物生长的规律及其在生产实践中的应用微生物生长的规律及其在生产实践中的应用(理解理解)8.测定微生物群体生长的方法（识记）。测定微生物群体生长的方法（识记）。9.温度、温度、pH和氧等因素对微生物生长的影响和氧等因素对微生物生长的影响(理解理解)。10.发酵工程的概念、内容和应用（了解）发酵工程的概念、内容和应用（了解）微生物的类群微生物的类群 微生物的营养微生物的营养 微生物的代谢微生物的代谢 微生物的生长微生物的生长 发酵工程简介发酵工程简介 微生物的类群微生物的类群 细菌细菌细菌的结构：细菌的结构： 单细胞的原核生物，主要由细胞壁、单细胞的原核生物，主要由细胞壁、细胞

3、膜、细胞质和拟核等部分构成。细胞膜、细胞质和拟核等部分构成。细菌的繁殖：细菌的繁殖： 细菌主要以细菌主要以 方式繁殖：方式繁殖：菌落：菌落：细菌的繁殖：细菌的繁殖：二分裂二分裂肉眼可见的，具有一定形态结构的子代细肉眼可见的，具有一定形态结构的子代细菌细胞群体。菌细胞群体。放线菌：放线菌：病毒病毒基内基内单细胞的原核生物，菌体一般由分支状单细胞的原核生物，菌体一般由分支状 的菌丝（分气生菌丝和的菌丝（分气生菌丝和 菌丝）构成菌丝）构成病毒的结构：病毒的结构： 主要由核酸和衣壳构成主要由核酸和衣壳构成病毒的繁殖：病毒的繁殖：只能在宿主的活细胞中进行，只能在宿主的活细胞中进行，病毒的繁殖方式称为增殖

4、病毒的繁殖方式称为增殖?微生物的营养微生物的营养 微生物需要的微生物需要的营养物质及功能营养物质及功能 培养基的配制原则培养基的配制原则 培养基的种类培养基的种类 碳源碳源氮源氮源生长因子生长因子水和无机盐水和无机盐 微生物的代谢微生物的代谢 微生物的代谢产物微生物的代谢产物 微生物的代谢调节微生物的代谢调节 微生物代谢的人工控制微生物代谢的人工控制 发酵的概念和种类发酵的概念和种类 微生物的生长微生物的生长 微生物群体生长的规律及其在实践中的应用微生物群体生长的规律及其在实践中的应用 微生物群体生长的测定微生物群体生长的测定 影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素 测微生物的细胞数

5、目测微生物的细胞数目 测重量测重量 (方法方法: )( )?发酵工程简介发酵工程简介 实例：谷氨酸发酵实例：谷氨酸发酵 发酵工程的概念发酵工程的概念: 。 发酵工程的内容发酵工程的内容 应用应用 医药工业医药工业种类繁多的药品种类繁多的药品（抗生素使用最多，利润最大）（抗生素使用最多，利润最大） 食品工业食品工业 传统产品传统产品啤酒、果洒、食醋等；啤酒、果洒、食醋等； 食品添加剂；食品添加剂； 单细胞蛋白单细胞蛋白微生物菌体。微生物菌体。?1、下列关于病毒的叙述正确的是、下列关于病毒的叙述正确的是(多选多选) A、病毒的衣壳决定其抗原的特异性、病毒的衣壳决定其抗原的特异性 B、含、含RNA的

6、病毒较含的病毒较含DNA的病毒更易发生变异的病毒更易发生变异 C、病毒的繁殖只能在宿主的活细胞中进行、病毒的繁殖只能在宿主的活细胞中进行 D、灭活的病毒不具有抗原性、灭活的病毒不具有抗原性 例题讲解例题讲解 2、下列有关微生物营养物质的叙述中，正确的是、下列有关微生物营养物质的叙述中，正确的是 （ ） A、是碳源的物质不可能同时是氮源、是碳源的物质不可能同时是氮源 B、凡是碳源都能提供能量、凡是碳源都能提供能量 C、有些含氮的无机盐可以是生长因子、有些含氮的无机盐可以是生长因子 D、有些无机氮源也能提供能量、有些无机氮源也能提供能量 3、某一种细菌菌株需要从环境中摄取现成的亮氨酸、某一种细菌菌

7、株需要从环境中摄取现成的亮氨酸（20种氨基酸中的一种）才能够生长，此菌株对链霉素种氨基酸中的一种）才能够生长，此菌株对链霉素敏感。实验者用诱变剂处理此菌株，想筛选出表中列出的敏感。实验者用诱变剂处理此菌株，想筛选出表中列出的细菌菌株类型。根据实验目的，选用的培养基类型是细菌菌株类型。根据实验目的，选用的培养基类型是注：注：L亮氨酸亮氨酸 S链霉素链霉素 “+”示加入示加入 “”示不示不加入加入例如：例如：L：不加入亮氨酸；：不加入亮氨酸；S+：加入链霉素：加入链霉素 选选项项筛选出不需要亮筛选出不需要亮氨酸的菌株应使氨酸的菌株应使用的培养基用的培养基筛选出抗链霉素筛选出抗链霉素的菌株应使用的的

8、菌株应使用的培养基培养基筛选出不需要亮筛选出不需要亮氨酸、抗链霉素氨酸、抗链霉素的菌株应使用的的菌株应使用的AL+，S+L，SL+，SBL，SL+，S+L，S+CL，S+L+，S+L，SDL+，SL，SL+，S+4、下列属于选择培养基的有、下列属于选择培养基的有(多选多选)（ ） A、培养金黄色葡萄菌所用的加高浓度食盐的培养基、培养金黄色葡萄菌所用的加高浓度食盐的培养基 B、分离自生固氮菌所用的无氮培养基、分离自生固氮菌所用的无氮培养基 C、加入伊红、加入伊红美蓝用于检测大肠杆菌的培养基美蓝用于检测大肠杆菌的培养基 D、制备单克隆抗体时所用的能抑制骨髓瘤细胞和、制备单克隆抗体时所用的能抑制骨髓

9、瘤细胞和B细胞增殖而不抑制杂交瘤细胞增殖的培养基细胞增殖而不抑制杂交瘤细胞增殖的培养基 5、下列微生物的产物中没有菌种特异性的一组是、下列微生物的产物中没有菌种特异性的一组是 （ ） A、氨基酸、核苷酸、多糖、毒素、激素、氨基酸、核苷酸、多糖、毒素、激素 B、核苷酸、维生素、多糖、脂类、氨基酸、核苷酸、维生素、多糖、脂类、氨基酸 C、多糖、脂类、维生素、抗生素、氨基酸、多糖、脂类、维生素、抗生素、氨基酸 D、氨基酸、多糖、维生素、色素、抗生素、氨基酸、多糖、维生素、色素、抗生素 6、关于微生物代谢调节说法正确的是、关于微生物代谢调节说法正确的是 （ ） A、乳糖诱导大肠杆菌合成分解乳糖的酶属于

10、酶、乳糖诱导大肠杆菌合成分解乳糖的酶属于酶 活性的调节活性的调节 B、酶活性调节是一种快速、精细的调节方式、酶活性调节是一种快速、精细的调节方式 C、酶合成调节与酶活性调节不是同时存在的、酶合成调节与酶活性调节不是同时存在的 D、微生物的代谢产物与酶结合不会改变酶的结构、微生物的代谢产物与酶结合不会改变酶的结构7、科学家通过对黄色短杆菌进行诱变处理，选育了不、科学家通过对黄色短杆菌进行诱变处理，选育了不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种，从而达到了让黄色短杆能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种，从而达到了让黄色短杆菌大量积累赖氨酸的目的，这种人工控制的方法实质上菌大量积累赖氨酸的目的，这种人工控制的方法实质上利

11、用了以下哪种调节方式？利用了以下哪种调节方式？ （ ） A、酶合成的调节、酶合成的调节 B、酶活性的调节、酶活性的调节 C、二者都有、二者都有 D、二者都无、二者都无8、下列对连续培养优点的叙述，正确的是、下列对连续培养优点的叙述，正确的是 （ ） A、能及时补充所需的营养，提高产量、能及时补充所需的营养，提高产量 B、有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中、有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中 C、能消除不利于微生物生长的某些环境因子、能消除不利于微生物生长的某些环境因子 D、提高了设备的利用率、提高了设备的利用率9、下图为细菌生长曲线，请据图回答下列问题。、下图为细菌生长曲线，请据图

12、回答下列问题。 图中图中AB段为段为_期，期，BC段为段为_期，期，CD段为段为_期，期，DE段为段为_期。期。 大量合成细胞分裂所需的酶和大量合成细胞分裂所需的酶和ATP的时期在的时期在_期，期，若扩大再生产选取菌种最好在若扩大再生产选取菌种最好在_期，该期细菌的增长期，该期细菌的增长呈呈_型增长。型增长。调整调整对数对数稳定稳定衰亡衰亡调整调整对数对数J从从BC段进入段进入CD段的原因有段的原因有_、_、_等。等。发酵工业为了获得较多的代谢产品，需延长发酵工业为了获得较多的代谢产品，需延长_期，期，此时除了要适当补充营养物质外，还应严格控制的条件有此时除了要适当补充营养物质外，还应严格控制

13、的条件有_等。等。营养物质的消耗营养物质的消耗有害代谢产物的积累有害代谢产物的积累PH的改变的改变稳定稳定温度、温度、PH、溶氧量、转速、溶氧量、转速若在培养中灭菌不严格混入了青霉菌，那么初期出现若在培养中灭菌不严格混入了青霉菌，那么初期出现的生态学现象是的生态学现象是_，一段时间后发现细菌，一段时间后发现细菌_，原因是原因是_。从生存斗争角度考虑，种内斗争最激烈的是从生存斗争角度考虑，种内斗争最激烈的是_期。期。竞争竞争死亡死亡青霉菌产生青霉素抑制细菌生长青霉菌产生青霉素抑制细菌生长稳定稳定10、右图是人们利用黄、右图是人们利用黄色短杆菌合成赖氨酸的途色短杆菌合成赖氨酸的途径。请回答下列问题

14、：径。请回答下列问题： 黄色短杆菌中含有遗黄色短杆菌中含有遗传物质的结构分别是传物质的结构分别是_和和_。 用黄色短杆菌生产赖用黄色短杆菌生产赖氨酸，培养基按物理性质氨酸，培养基按物理性质分属于分属于_。 含含C、H、O、N的某的某相对大分子化合物可以为相对大分子化合物可以为黄色短杆菌提供哪些营养黄色短杆菌提供哪些营养要素物质？要素物质？ _ _核区核区 质粒质粒液体培养基液体培养基碳源、氮源碳源、氮源能源、生长因素能源、生长因素由图可知，要增加赖由图可知，要增加赖氨酸产量，就必须氨酸产量，就必须_。为了培育新品种，科为了培育新品种，科学家通常采用的方法是学家通常采用的方法是_。赖氨酸是黄色短

15、杆菌赖氨酸是黄色短杆菌的的_产物，产物，在生产实际中，人们通在生产实际中，人们通过黄色短杆菌的培养，过黄色短杆菌的培养，大量生产赖氨酸的过程大量生产赖氨酸的过程叫叫_。消除高丝氨酸脱氢酶消除高丝氨酸脱氢酶诱变育种诱变育种初级代谢初级代谢发酵发酵在黄色短杆菌培养过在黄色短杆菌培养过程中要进行灭菌。灭菌程中要进行灭菌。灭菌是指杀死一定环境中所是指杀死一定环境中所有微生物的有微生物的_ 。在黄色短杆菌培养过在黄色短杆菌培养过程中，如果培养基中的程中，如果培养基中的pH发生变化，将影响发生变化，将影响黄色短杆菌细胞中的黄色短杆菌细胞中的_等，等，从而影响黄色短杆菌对从而影响黄色短杆菌对营养物质的吸收。

16、营养物质的吸收。细胞、芽孢、孢子细胞、芽孢、孢子酶的活性、酶的活性、细胞膜的稳定性细胞膜的稳定性 碳源碳源概念概念 .种类种类自养自养/异养生物对碳源要求的区别异养生物对碳源要求的区别 .凡是能为微生物提供所需碳元素凡是能为微生物提供所需碳元素的营养物质，就叫做碳源的营养物质，就叫做碳源 CO2、NaHCO3等含碳无机物等含碳无机物糖类、脂肪酸等含碳有机物糖类、脂肪酸等含碳有机物花生粉饼、石油等成分复杂的天然物质花生粉饼、石油等成分复杂的天然物质 功能功能构成微生物的细胞物质和一些代谢产物构成微生物的细胞物质和一些代谢产物异养微生物的主要能源物质异养微生物的主要能源物质 概念概念:种类：种类：

17、功能：功能：氮源氮源凡是能为微生物提供所需氮元素的营养凡是能为微生物提供所需氮元素的营养物质，就叫做氮源。物质，就叫做氮源。分子态氮、氨、铵盐、硝酸盐、尿素、分子态氮、氨、铵盐、硝酸盐、尿素、牛肉膏和蛋白胨等。牛肉膏和蛋白胨等。其中铵盐、硝酸盐等是最常用的氮源其中铵盐、硝酸盐等是最常用的氮源 氮源主要用于合成蛋白质、核酸以及氮源主要用于合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物含氮的代谢产物 ?生长因子生长因子 有些微生物不需要补充生长因子，如大肠杆菌；有些微生物不需要补充生长因子，如大肠杆菌；而有些微生物则必须补充生长因子才能正常生长，如而有些微生物则必须补充生长因子才能正常生长，如乳酸杆菌就需要补

18、充多种维生素和氨基酸。乳酸杆菌就需要补充多种维生素和氨基酸。 化学本质：化学本质：有机物。有机物。主要有：主要有：氨基酸、维生素、碱基等氨基酸、维生素、碱基等概念：概念：微生物生长不可缺少的微量有机物微生物生长不可缺少的微量有机物 含量：微量含量：微量 作用：作用：一般是酶和核酸的组成成分一般是酶和核酸的组成成分 补充原因：补充原因：缺乏合成某些物质所需的酶缺乏合成某些物质所需的酶或合成能力有限或合成能力有限 培养基的配制原则培养基的配制原则 目的要明确目的要明确: 自养自养/异养；固氮异养；固氮/非固氮等非固氮等营养要协调营养要协调: 注意各营养物质的浓度和比例注意各营养物质的浓度和比例 p

19、H要适宜要适宜: 真菌真菌 细菌细菌 放线菌放线菌 . ? 根据物理性质划分根据物理性质划分:根据化学成分划分根据化学成分划分:根据用途划分根据用途划分:培养基的种类培养基的种类 液体、半固体和固体培养基液体、半固体和固体培养基 选择培养基、鉴别培养基选择培养基、鉴别培养基 天然培养基、合成培养基天然培养基、合成培养基 ?1、微生物的代谢产物、微生物的代谢产物 初级代谢产物：初级代谢产物： 微生物生长和繁殖所必需的物质。微生物生长和繁殖所必需的物质。 如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。 在不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种在不同种类的微生物细

20、胞中，初级代谢产物的种类基本相同。类基本相同。 次级代谢产物：次级代谢产物： 微生物生长到一定阶段才产生的化学结构微生物生长到一定阶段才产生的化学结构 十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非 是微生物生长和繁殖所必需的物质。是微生物生长和繁殖所必需的物质。 如抗生素、毒素、激素、色素等。如抗生素、毒素、激素、色素等。 不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同。 ?2、微生物的代谢调节、微生物的代谢调节 酶合成的调节酶合成的调节组成酶：组成酶：诱导酶：诱导酶： 微生物细胞内一直存在的酶，它们的合成只受微生

21、物细胞内一直存在的酶，它们的合成只受遗传物质的控制。例如，大肠杆菌分解葡萄糖的酶遗传物质的控制。例如，大肠杆菌分解葡萄糖的酶 在环境中存在某种物质的情况下才能够合成的在环境中存在某种物质的情况下才能够合成的酶。例如，大肠杆菌分解乳糖的酶酶。例如，大肠杆菌分解乳糖的酶意义：意义： 既保证了代谢的需要，又避免了细胞内物质和能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。量的浪费，增强了微生物对环境的适应能力。 酶活性的调节酶活性的调节 示例：谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的过程示例：谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的过程特点：快速、精细特点：快速、精细 ?3、微生物代谢的人工

22、控制、微生物代谢的人工控制 改变微生物遗传特性改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条件控制生产过程中的各种条件( (即发酵条件即发酵条件) ) 科学家通过对黄色短杆菌进行诱变处理，科学家通过对黄色短杆菌进行诱变处理，选育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种选育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种 在谷氨酸的生产过程中，可以采取一定的在谷氨酸的生产过程中，可以采取一定的手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸能迅速排放手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸能迅速排放到细胞外面，从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶到细胞外面，从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的抑制作用，提高谷氨酸产量。的抑制作用，提高谷氨酸产量。 ?4、发酵的概念和

23、种类、发酵的概念和种类 通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程叫做发酵过程叫做发酵 根据培养基的物理状态可以分为：根据培养基的物理状态可以分为： 根据所生成的产物可以分为：根据所生成的产物可以分为： 根据发酵过程对氧的需求情况可以分为：根据发酵过程对氧的需求情况可以分为：固体发酵和液体发酵；固体发酵和液体发酵；抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等；抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等；厌氧发酵厌氧发酵( (如酒精发酵、乳酸发酵如酒精发酵、乳酸发酵) )和和需氧发酵需氧发酵( (如抗生素发酵、氨基酸发酵如抗生素发酵、氨基酸发酵) )。 1、微生物群体

24、生长的规律及其在实践中的应用、微生物群体生长的规律及其在实践中的应用调整期调整期 对数期对数期 稳定期稳定期 衰亡期衰亡期 代谢活跃，代谢活跃，V增大，合成分裂所需增大，合成分裂所需ATP、酶等、酶等 长短与菌种、培养条件有关长短与菌种、培养条件有关 快速分裂，呈等比数列递增；快速分裂，呈等比数列递增； 特点特点: 代谢旺盛，形态和生理特性稳定；代谢旺盛，形态和生理特性稳定； 应用应用: 作菌种作菌种缩短生产周期缩短生产周期 数目最多数目最多达达K值值， 生存斗争最剧烈生存斗争最剧烈 大量积累大量积累 （特别是（特别是 ）；芽孢形成）；芽孢形成 “连续培养连续培养”延长稳定期，提高产量，缩短生

25、产周期延长稳定期，提高产量，缩短生产周期 死亡速率死亡速率繁殖速率繁殖速率 数目急剧下降数目急剧下降 分化分化解体解体 释放代谢产物释放代谢产物 ?2、影响微生物生长的环境因素、影响微生物生长的环境因素 温温 度度 pH O2 最适温度：最适温度：25 37 影响影响: 超过最适生长温度以后，微生物的生长超过最适生长温度以后，微生物的生长 速率会急剧下降，这是由于细胞内的蛋白速率会急剧下降，这是由于细胞内的蛋白 质和核酸等发生了不可逆的破坏。质和核酸等发生了不可逆的破坏。每种微生物的最适每种微生物的最适pH不同不同 （ ）影响：超过最适影响：超过最适pH范围以后，就会影响酶的活范围以后，就会影

26、响酶的活 性、细胞膜的稳定性等，从而影响微生物性、细胞膜的稳定性等，从而影响微生物 对营养物质的吸收等对营养物质的吸收等 对不同代谢类型的微生物，有不同的影响对不同代谢类型的微生物，有不同的影响 如如 。实例：谷氨酸发酵实例：谷氨酸发酵 常用生产菌常用生产菌谷氨酸棒状杆菌，黄色短杆菌等。谷氨酸棒状杆菌，黄色短杆菌等。 培养基类型培养基类型液体（培养液）、天然培养基。液体（培养液）、天然培养基。 途径途径谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径。谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径。 方法：方法： 灭菌灭菌接种接种发酵罐中发酵发酵罐中发酵中和中和分离分离 （98Kpa）进出料口、搅拌（溶氧、接触）、进出料口、搅

27、拌（溶氧、接触）、 进排气口进排气口 谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径 发酵工程的内容发酵工程的内容 菌种选育菌种选育:人工诱变、细胞工程、基因工程人工诱变、细胞工程、基因工程 培养基的配制培养基的配制: 对象对象 选择原料选择原料 反复试验确定配方反复试验确定配方 灭菌（概念、目的、常用方法：灭菌（概念、目的、常用方法： ） 扩大培养扩大培养(目的目的 )和接种和接种 发酵过程发酵过程（中心环节）（中心环节）取样检测取样检测了解发酵进程了解发酵进程 ；及时添加必需的培养基成分；及时添加必需的培养基成分；严格控制温度、严格控制温度、pH值、溶氧等。值、溶氧等。分离提纯分离提纯代谢产物代谢产物菌体菌体 蒸馏、萃取、离子交换蒸馏、萃取、离子交换过滤沉淀过滤沉淀