高中生物選修三的發酵工程?從社會中來青黴素是世界上第一個應用于臨床的抗生素早期科學家隻能從青黴菌中提取少量青黴素，它的價格貴如金随着高産菌種的選育、發酵技術的發展等，青黴素步入了産業化生産的道路如今，1瓶規格160萬單位的青黴素注射劑的價格隻要1元左右那麼，在工業上，青黴素究竟是怎樣生産的呢？，下面我們就來說一說關于高中生物選修三的發酵工程?我們一起去了解并探讨一下這個問題吧!

高中生物選修三的發酵工程

從社會中來

青黴素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家隻能從青黴菌中提取少量青黴素，它的價格貴如金随着高産菌種的選育、發酵技術的發展等，青黴素步入了産業化生産的道路如今，1瓶規格160萬單位的青黴素注射劑的價格隻要1元左右。那麼，在工業上，青黴素究竟是怎樣生産的呢？

【提示】問題僅作為引入本節學習的提示,本節将就此問題展開詳細叙述。

第1小節

旁欄思考題1

某鎮特産一種美酒，以下是對該鎮環境的描述：四面環山，地勢低窪，氣候炎熱，具有獨特的微生物種群，因為與外界的空氣對流循環較緩慢，所以微生物種群較穩定。這對你理解發酵工程中菌種選育的重要性有什麼啟示？

【答案】我國幅員遼闊,地理生态環境多樣，為各種微生物的生長繁殖提供了條件，這有利于發酵工程選育菌種。優良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發酵産品的産量高、質量穩定等優點，它往往還會賦予發酵産品獨特的風味，因此菌種選育環節很大程度上決定了生産發酵産品的成敗。

探究 •實踐1

結合圖1-9，分析和讨論以下問題。

1. 微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？

【答案】需要考慮的因素包括：在低成本的培養基上能迅速生長繁殖；生産所需代謝物的産量高；發酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。

2. 怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？

【答案】要對溫度、pH、溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，使其最适合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養組分。

3. 在産物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？

【答案】傳統發酵技術獲得的産物一般不是單一的組分，而是成分複雜的混合物，很多時候不會再對産物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉澱、過濾等方法來分離和提純産物。在發酵工程中使用的分離和提純産物的方法較多。在産物的初分離階段，常采用沉澱、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發酵工程産物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢査,合格後才能成為正式産品。

4. 在進行發酵生産時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎？為什麼？

【答案】不能。因為在進行發酵生産時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。為了減少或避免污染物的産生和排放，實現清潔生産,應該對排出的氣體和廢棄培養液進行二次清潔或滅菌處理。

探究 •實踐2

1. 與傳統的手工發酵相比，在下面啤酒的發酵生産過程中，哪些工程手段使啤酒的産量和質量明顯提高？

【答案】菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制、産品的消毒等，都有助于提高啤酒的産量和品質。

2. 現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎麼看待這個問題？“精釀” 啤酒是小規模釀造産品，發酵時間長、産量低和價格高，卻依然有着市場需求，我們如何辯證地看待大規模生産與小規模制作？

【答案】 應該辯證地看待這一産品。一方面，這類産品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面，這類産品是手工作坊式生産的，存在啤酒品質不穩定、價格昂貴的問題。

旁欄思考題2

請你回憶一下自己做過的生物學實驗，想一想曾經使用過哪些酶制劑。

【答案】澱粉酶等。

到社會中去

【提示】根據實際情況回答。

練習與應用

一、概念檢測

與傳統發酵技術相比，發酵工程的産品種類更加豐富，産量和質量明顯提高。判斷下列相關表述是否正确。

1. 發酵工程與傳統發酵技術最大的區别就是前者可以利用微生物來進行發酵。(x)

2. 發酵工程的産品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。(√ )

3. 在發酵工程的發酵環節中，發酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝途徑。(√ )

4. 通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。(x)

二、拓展應用

1. 在青黴素的發酵生産過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發揮想象力，提出解決這些問題的思路。

(1) 青黴素發酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發酵過程中給微生物持續高效地供氧呢？(提示：血紅蛋口具有攜帶O2的能力)

【答案】可以用基因工程的方法，将血紅蛋白基因轉入青黴素生産菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。

(2) 在發酵過程中，總有頭抱黴素産生。人們通過對青黴素生産菌代謝途徑的研究發現，在青黴素與頭抱黴素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經過兩種不同酶的作用分别合成兩個産物。如何改造青黴素生産菌使其隻生産青黴素.或者隻生産頭抱黴素呢？

【答案】可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青黴素生産菌隻生産一種産物。

2. 通過微生物發酵，可以将糧食(如玉米、 小麥等)及各種植物纖維加工成燃料乙醇；将燃 料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環保性令人稱道。調査顯示，使用乙醇汽油與使用普通汽油相比，排放到空氣中的NO2、 CO等均有不同程度下降。有人認為燃料乙醇“可再生”；但也有人認為，生産燃料乙醇需要消耗大量糧食, 會增加糧食短缺的風險。請你嘗試通過查閱資料, 評估這一風險，并說明在生産時應如何規避這一風險。

【提示】學生通過査找資料可以知道，這一風險是存在的。在生産燃料乙醇時，為了規避這一風險，應該使用陳化糧食(如陳化的稻谷等)或者非糧食生物材料(如稭稈等)。使用陳化糧食來生産燃料乙醇，還有利于防止問題糧食流入市場。

複習與提高

1. 某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌 (目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析冋答問題。

(1) 在培養基中加入化合物A的目的是 ，這種培養基屬于 培養基。

【答案】篩選出可以降解化合物A的微生物 選擇

(2) 培養若幹天後，應選擇培養瓶中化合物A含量 的培養液，接入新的培養液中連 續培養，使目的菌的數量 。

【答案】顯著降低 擴增

(3) 若要研究目的菌的生長規律，可挑取單個菌落進行液體培養，再采用 方法進行計數。請你預測目的菌的種群數量會發生怎樣的變化。

【答案】細菌計數闆計數 S型增長

(4) 将目的菌用于環境保護實踐時，還有哪些問題需要解決？

【提示】目的菌能否在自然環境中大量生長繁殖、是否會産生對環境有害的代謝物、降解化合物A後是否會産生二次污染等問題都需要研究清楚後，才能進行實踐。

(5) 有人提出，可以通過改造細菌的基因來獲得能夠降解化合物A的細菌，請分析這種方法是否可行。

【提示】可行。這是後面将要學習的基因工程的基本思路。

2. 某個高溫日，某校三位高中學生相約去吃冰激淩，之後兩人都出現腹瀉現象，于是他們懷疑冰激淩中的大腸杆菌含量超标。老師建議他們利用學過的有關微生物培養的知識對此冰激淩進行檢測。經過一番資料查閱，他們提出了如下實驗設計思路。

立即去賣冰激淩的小店再買一個同樣品牌的同種冰激淩；配制伊紅一亞甲藍瓊脂培養基(該培養基可用來鑒别大腸杆菌，生長在此培養基上的大腸杆菌菌落呈深紫色，并有金屬光澤)、滅菌、倒平闆；取10 mL剛融化的冰激淩作為原液， 然後進行梯度稀釋，稀釋倍數為1 x 10〜1 X105；取每個濃度的冰激淩液各0.1mL，用塗布平闆法進行接種，每個濃度塗3個平闆，一共培養18個平闆；在适宜溫度下培養48 h,統計菌落數目。

(1) 請你從下面幾個角度對這三位同學的思路進行評議。

① 他們隻打算對一個冰激淩進行檢測，理由是：兩個人吃過冰激淩後，都拉肚子了，所以 再檢測一個就足以說明問題。你同意這樣的觀點嗎？為什麼？

② 有沒有必要對冰激淩原液進行梯度稀釋？為什麼？【提示：我國衛生部門規定的飲用水标 準是：1 mL自來水中細菌總數不可以超過100個(37℃培養24h), 1 000 mL自來水中大腸杆菌菌 落數不能超過3個(37℃培養48 h)］

③ 他們認為，在用該方法統計菌落數目時不需要設計對照組，所以隻準備培養18個平闆。你認為在這項檢測中是否需要對照組？為什麼？

【答案】①不同意。提示：隻檢測一個冰激淩數據太少，不能排除偶然因素的影響。

②沒有必要。提示根據國家的标準，自來水中的大腸杆菌數目應該是非常少的。即使冰激淩中大腸杆菌數目超标了，也不可能很離譜，如果進行梯度稀釋，最後培養出來的菌落數可能不在計數要求的範圍内，從而導緻結果誤差大。解答這個問題的時候，應該讓學生明白并不是所有的細菌檢測培養都需要進行梯度稀釋，而是要根據實際情況來确定培養方案。

③需要設置對照組。嚴格來說，應該設置兩組對照組。一組為陰性對照組，不進行塗布或者用無菌水塗布平闆；另一組為陽性對照組，塗布大腸杆菌。前者可以說明培養基是否被污染，後者可以說明該培養基能否培養出大腸杆菌。

(2) 下圖所示為4種菌落分布圖，一般不能由塗布平闆法得到的是 ___B____ 。

(3) 在完善實驗設計思路後，三位同學進行 了實驗。培養結果顯示，除了深紫色菌落，還有其他菌落存在，這說明了什麼？如果以菌落數代表樣品中的大腸杆菌數量，則統計結果比實際值是偏多還是偏少？為什麼？

【答案】說明冰激淩中不僅有大腸杆菌，還有其他細菌或真菌等。統計結果比實際值偏少。因為有些菌落可能會重疊，統計時容易将其誤認為是一個菌落，并且這種計數方法統計的是活菌的數目。

(4) 如果實驗結果顯示，檢測的冰激淩中大 腸杆菌含撾超标了。接下來他們應該做什麼？

【提示】應該馬上去小店告知店主這批冰激淩不能再賣了；還要告知食品衛生管理部門，以對這批冰激淩的來源進行追蹤調查。其他合理答案也可。

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