专题二 第5讲 微生物与发酵工程(含生物固氮)
[基础等级评价]
1．(精选考题·安徽高考)大肠杆菌可以直接利用葡萄糖，也可以通过合成β-半乳糖苷酶将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖加以利用。将大肠杆菌培养在含葡萄糖和乳糖的培养基中，测定其细胞总数及细胞内β-半乳糖苷酶的活性变化(如图)。据图分析，下列叙述合理的是( )
A．0～50 min，细胞内无β-半乳糖苷酶基因
B．50～100 min，细胞内无分解葡萄糖的酶
C．培养基中葡萄糖和乳糖同时存在时，β-半乳糖苷酶基因开始表达
D．培养基中葡萄糖缺乏时，β-半乳糖苷酶基因开始表达
解析：从图示可知，在0～50 min，β－半乳糖苷酶活性为0，说明此时大肠杆菌以葡萄糖为碳源，但细胞中仍然存在合成β－半乳糖苷酶的基因，故A项错误；分解葡萄糖的酶在细胞中一直存在着，故B项错误；在培养基中只有乳糖时β－半乳糖苷酶才能合成，故C项错误。
答案：D
2．(2009·全国卷Ⅰ)下图是某种微生物体内某一物质代谢过程的示意图。下列有关酶活性调节的叙述，错误的是( )
A．丁物质既是酶③催化生成的产物，又是酶③的反馈抑制物
B．戊物质通过与酶④结合导致酶④结构变化而使其活性下降
C．当丁物质和戊物质中任意一种过量时，酶①的活性都将受到抑制
D．若此代谢途径的终产物不断排出菌体外，则可消除丙物质对酶①的抑制作用
解析：由该示意图可知：物质丙、丁、戊过量，分别会与酶①、酶③、酶④结合导致其结构变化而活性下降。若此代谢途径的终产物丁和戊不断排出菌体，则酶③、酶④的活性正常，丙物质不会因过量而对酶①活性产生抑制作用。若丁或戊中一种物质过量时，不影响丙物质的正常代谢，故酶①的活性不受影响。
答案：C
3．如图在“Ⅱ”时期加入适合细菌生存但营养成分不同的培养基，细菌出现的变化是( )
A．代谢减慢，菌体出现畸形、大量死亡
B．代谢活跃，细菌内物质的合成速度加快
C．出现芽孢，可以产生大量次级代谢产物
D．分裂速度减慢，代谢活动停止
解析：“Ⅱ”时期代表对数期，加入适合细菌生存但营养成分不同的培养基后，会使菌体再次进行调整期，特点是代谢活跃，细菌内物质的合成速度加快。代谢减慢，菌体出现畸形、大量死亡是“Ⅳ”时期衰亡期的特点；出现芽孢，可以产生大量次级代谢产物是“Ⅲ”时期稳定期的特点。
答案：B
4．如图为某种细菌合成某种氨基酸的代谢调节示意图，甲、乙、丙、丁表示合成氨基酸的前体物质，①②代表代谢的调节方式，③④代表生理过程。下列说法中正确的是( )
A．调节方式①属于酶合成的调节，酶Ⅰ是组成酶
B．调节方式②属于酶活性的调节，氨基酸M能使酶Ⅱ的结构发生改变
C．过程③④分别发生在该生物的细胞核、细胞质中
D．调节方式①比②快速而精细
解析：酶合成的调节与酶活性的调节最大的区别在于“诱导物”和作用对象：酶合成的调节是“诱导物”作用于“基因”，而酶活性的调节一般是“产物”作用于“酶”。据此可判断：①属于酶合成的调节，②属于酶活性的调节。酶Ⅰ是诱导酶。题目中明确提出这是细菌体内的代谢调节方式，因此③过程不会发生在细胞核中。酶活性的调节快速而精细。
答案：B
5．下列关于固氮菌的叙述，错误的是( )
A．一种根瘤菌能侵入所有种类的豆科植物
B．豆科植物与其根瘤内的根瘤菌的关系为互利共生
C．土壤中的根瘤菌不能自行固氮
D．圆褐固氮菌能产生生长素
解析：根瘤菌是一种共生固氮菌，它只有侵入相应豆科植物根部，并依靠豆科植物提供给有机物才能固氮，同时也将固氮的产物供给豆科植物。
答案：A
6．下列有关生物固氮的叙述，正确的是( )
A．生物固氮是大气中的氮进入生物群落的惟一途径
B．根瘤菌可从根瘤中直接获得，难以用无氮培养基筛选到
C．若能将大豆的固氮基因转移到小麦，将大大减少小麦的栽培成本
D．根瘤菌的有机物全部来自豆科植物，豆科植物的氮营养全部来自根瘤菌
解析：大气中的氮进入生物群落的途径有生物固氮、工业固氮和高能固氮。根瘤菌与豆科植物互利共生，因此无法用无氮培养基筛选得到。大豆中无固氮基因，应该是将根瘤菌中的固氮基因转移到小麦体内，将大大减少小麦的栽培成本。豆科植物的氮素营养除了来自生物固氮外，还可以来自氮素化肥。
答案：B
7．(精选考题·全国卷Ⅱ)某种细菌体内某氨基酸(X)的生物合成途径如图：
底物中间产物1中间产物2X
这种细菌的野生型能在基本培养基(满足野生型细菌生长的简单培养基)上生长，而由该种细菌野生型得到的两种突变型(甲、乙)都不能在基本培养基上生长；在基本培养基上若添加中间产物2，则甲、乙都能生长；若添加中间产物1，则乙能生长而甲不能生长。在基本培养基上添加少量的X，甲能积累中间产物1，而乙不能积累。请回答：
(1)根据上述资料可推论：甲中酶________的功能丧失；乙中酶________的功能丧失，甲和乙中酶________的功能都正常，由野生型产生甲、乙这两种突变型的原因是野生型的________(同一、不同)菌体中的不同________发生了突变，从而导致不同酶的功能丧失。如果想在基本培养基上添加少量的X来生产中间产物1，则应选用________(野生型、甲、乙)。
(2)将甲、乙混合接种于基本培养基上能长出少量菌落，再将这些菌落单个挑出分别接种在基本培养基上都不能生长。上述混合培养时乙首先形成菌落，其原因是____________
________________________________________________________________________。
(3)在发酵过程中，菌体中X含量过高时，其合成速率下降。若要保持其合成速率，可采取的措施是改变菌体细胞膜的________，使X排出菌体外。
解析：(1) 在基本培养基上添加中间产物2后，甲、乙都能正常生长，说明甲、乙的酶c都是正常的；添加中间产物1后，乙能生长而甲不能生长，说明乙的酶b正常而甲的酶b不正常。(2)甲、乙两种突变型都不能单独在基本培养基上生存，而混合培养却能生存，说明两者之间存在共生关系，也就是能够相互提供生活必需的某些物质。甲可产生中间产物1供乙利用。(3)发酵产物积累时，往往抑制发酵的进行，解决此问题的最好办法是改变细胞膜的通透性，使发酵产物及时排出，解除对发酵过程的抑制。
答案：(1)b a c 不同 基因 甲
(2)甲产生的中间产物1供给乙，使乙能够合成X，保证自身生长产生菌落(其他合理答案也可)
(3)通透性
[发展等级评价]
(限时30分钟，满分100分)
一、选择题(每小题5分，共60分)
1．下列关于微生物代谢产物的叙述正确的是( )
A．次级代谢产物在细胞内、外都可能存在
B．抗生素、维生素、激素是微生物生长到一定阶段才产生的
C．初级代谢产物的种类在不同微生物细胞中一般不同
D．微生物的代谢产物是自身生长、繁殖所必需的
解析：微生物的代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物，初级代谢产物包括氨基酸、维生素、多糖、脂类等物质，是其生长繁殖所必需的，在不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同；次级代谢产物既可以分布在细胞外，也可以存在于细胞内。
答案：A
2．如下表所示，甲、乙、丙分别代表某种微生物不同的生存环境(均能生长良好)，a、b、c、d、e、f表示该种微生物细胞中不同的酶。下列相关叙述中错误的是( )
甲
乙
丙
a、b、c、d
a、b、c、e
a、b、c、f
A．乙处的微生物细胞内存在合成e的基因，不存在合成d和f的基因
B．d、e、f的产生，既保证了代谢的需要，又避免了细胞内物质和能量的浪费，增加了微生物对环境的适应能力
C．d、e、f是诱导酶，它们的合成与甲、乙、丙中存在的诱导物有关
D．a、b、c是该微生物一直存在的酶，所以是组成酶
解析：某生物细胞中的遗传物质(基因)不会因生存环境的改变而改变，由题意可知，这种微生物具有控制合成a、b、c、d、e、f六种酶的基因。a、b、c三种酶在各种生存环境中都会合成，是维持该生物生存所必需的，因此为组成酶，而d、e、f三种酶因环境中的物质不同而合成，因此为诱导酶。
答案：A
3．(精选考题·武汉调研)通过选择培养基可以从混杂的群体中分离出所需的微生物或细胞。下列方法不正确的是( )
A．培养基去掉氮源分离自生固氮菌
B．培养基中加入伊红—美蓝筛选大肠杆菌
C．培养基中加入高浓度食盐筛选金黄色葡萄球菌
D．培养基中加入抑制瘤细胞、不抑制淋巴细胞DNA复制的物质筛选出杂交瘤细胞
解析：自生固氮菌可以直接利用大气中的氮气，可以利用无氮培养基把自生固氮菌从混杂的群体中分离出来。伊红—美蓝是用来鉴定大肠杆菌菌落的，不能用来分离大肠杆菌。金黄色葡萄球菌是耐高浓度食盐的细菌，而其他菌在高浓度食盐溶液中会因脱水而死亡；利用含高浓度食盐的培养基可以将金黄色葡萄球菌从混杂的群体中分离出来。在培养基中加入抑制瘤细胞DNA复制的物质会导致瘤细胞在上面不能增殖；而杂交瘤细胞具有淋巴细胞的特性，可以进行DNA复制而增殖，从而把杂交瘤细胞分离出来。
答案：B
4．(精选考题·安徽省级示范高中联考)用基本培养基对某种细菌进行培养，一定时间后检测细胞数目，并在a、b两时间点分别加入两种营养物质，甲和乙是细胞中两种酶的含量变化曲线，如图所示。以下判断正确的是( )
A．a点加入的营养物质代替了乙酶的作用
B．b点加入的营养物质能抑制乙酶的合成
C．甲和乙两种酶在细胞中一直存在
D．甲酶的合成既受基因的控制又受营养物的诱导
解析：酶是活细胞合成的，在a点加入的营养物质作为代谢的原料被细菌吸收了，不能直接代替乙酶的作用；b点加入营养物质后，乙酶的含量下降，但不能由此推断一定是该物质抑制了乙酶的合成，图示曲线显示，甲酶并非在细胞中一直存在，而是加入了b物质后才合成产生的。
答案：D
5．(精选考题·西宁质检)将大肠杆菌放在固定容积的液体培养基中培养并测定其种群数量(c点时添加青霉素)，结果如图所示，下列对该种群数量变化的叙述正确的是( )
A．ab段菌体代谢活跃，菌体体积增长较快
B．f点的变化说明一定是再次加入了青霉素
C．cd段种群中抗青霉素基因的频率增大
D．通过改变微生物膜的通透性来调节物质出入细胞，这属于酶活性的调节，酶活性的调节受遗传物质控制
解析：ab段是对数期，菌体数目快速增多，菌体代谢活跃，菌体体积增长较快发生在调整期。加入青霉素后保留下来的个体大多数是对青霉素具有抗性的个体，种群中抗青霉素基因的频率增大，再次加入青霉素对其繁殖不会造成大的影响，f点的变化是因为固定容积的液体培养基中的营养被耗尽，细菌生长进入衰亡期。酶活性的调节不受遗传物质控制，受环境的影响。
答案：C
6．大肠杆菌以天冬氨酸为原料生产甲硫氨酸的代谢途径如图甲所示。用葡萄糖和乳糖作碳源培养大肠杆菌，开始时，大肠杆菌只利用葡萄糖，只有当葡萄糖消耗完毕才开始利用乳糖合成代谢产物(途径如图乙)。下列说法正确的是( )
A．图甲属于酶活性调节，图乙属于酶合成调节
B．图甲属于酶活性调节，图乙属于酶活性调节
C．酶Ⅳ为诱导酶，酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ为组成酶
D．酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为诱导酶，酶Ⅴ为组成酶
解析：由图甲可知酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的合成受甲硫氨酸的抑制，同时可推测酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别受到各自作用底物诱导才能合成，所以都属于诱导酶，所以图甲的调节属于酶合成调节，图乙中酶Ⅳ受乳糖诱导才合成，属于酶合成调节，酶Ⅴ是大肠杆菌体内存在的酶属于组成酶。
答案：D
7．下列关于微生物代谢叙述合理的是( )
A．维生素是微生物生长到一定阶段才产生的次级代谢产物
B．只有改变微生物的遗传特性，才能实现对微生物代谢的人工控制
C．一般情况下，改变细胞膜的通透性，可解除代谢产物对酶活性的抑制
D．环境中存在某种物质时，微生物才能合成分解此物质的酶，则该酶一定是组成酶
解析：维生素是微生物的初级代谢产物；对微生物代谢的人工控制除通过改变微生物遗传特性实现外，还可通过控制发酵条件实现；环境中存在某种物质时，微生物才能合成的酶应属诱导酶；一般情况下，改变细胞膜的通透性，可解除产物对酶活性的抑制。
答案：C
8．(精选考题·石家庄模拟)下列关于谷氨酸棒状杆菌的营养、代谢与生长的说法，正确的是( )
A．碳源分解释放的能量大部分用于生长、繁殖等生命活动，少量以热能的形式散失
B．过量的初级代谢产物谷氨酸能抑制谷氨酸脱氢酶的活性，导致谷氨酸合成受阻
C．通常选择活细胞数目达到最高峰时的谷氨酸棒状杆菌菌群作为生产用菌种
D．用连续培养的方法能促进菌体将谷氨酸释放到培养基中
解析：有氧呼吸释放的能量大部分以热能的形式散失，少部分被自身生理活动利用。生产用的菌种一般选用对数期的，而不是数量最多即稳定期的菌株。使用连续培养法的目的是为微生物提供充足的营养，并排出部分有害代谢产物，而没有改变细胞膜的通透性，所以不能促进谷氨酸的释放。
答案：B
9．(精选考题·兰州模拟)发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种，获得纯种的方法不包括( )
A．根据微生物对碳源需要的差别，使用不同碳源的培养基
B．根据微生物中缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子
C．利用高温高压消灭不需要的杂菌
D．根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素
解析：利用高温、高压消灭不需要的杂菌的同时，也消灭了需要的微生物，因此不能利用此方法获得纯种的微生物。
答案：C
10．如图表示利用谷氨酸棒状杆菌进行发酵生产的某个阶段的两项测量指标，据图判断下列说法不正确的是( )
A．图中所测量的产物主要是在稳定期产生的
B．图中生长曲线是微生物在连续培养条件下测定得到的
C．如果仅阻断图中产物合成，对菌体生长繁殖无明显影响
D．图中产物的形成速度与菌体增长速率有关，而与菌体的数量的多少无关
解析：图示谷氨酸棒状杆菌生长曲线为“S”型增长曲线，对应时期依次为调整期、对数期和稳定期，是连续培养条件下的典型变化曲线。从图示可知测量的产物主要是在稳定期产生的，因此该产物为次级代谢产物，如果仅阻断图中产物合成，对菌体生长繁殖无明显影响；代谢产物的形成速率是指整个发酵装置中单位时间内合成的该代谢产物总量，与菌体增长速率无直接关系，而与菌体的数量多少直接相关，即菌体数量多，单位时间形成的产物就多，形成速率就高。
答案：D
11．下列有关根瘤菌及其生物固氮方面的叙述，正确的是( )
A．制备根瘤菌DNA时需用纤维素酶处理细胞壁
B．根瘤菌的固氮基因编码区含有内含子和外显子
C．大豆种子用其破碎的根瘤拌种，不能提高固氮量
D．根瘤菌固氮量与其侵入植物的生长状况有关
解析：根瘤菌细胞壁成分为肽聚糖，不可用纤维素酶水解；根瘤菌作为原核生物，其基因编码区是连续的，无内含子与外显子之分；大豆种子用其破碎的根瘤拌种可因根瘤菌数量的增多而提高产量。
答案：D
12．下图表示土壤细菌在给植物供应氮方面的作用，图中①、②、③分别代表相关物质，下列说法正确的是( )
A．①是NH3、②是NO，A代表的反硝化细菌在生态系统中属于消费者
B．②是NH3、③是NO、A代表的氨化细菌同化作用方式是异养型
C．②是NO、③是NH3，疏松土壤可以促进图中③→①的过程
D．①是N2、③是NH3、A代表的硝化细菌异化作用方式是需氧型
解析：图中①是N2，②是NH3，③是NO，A细菌表示进行氨化作用的细菌。
答案：B
二、非选择题(共40分)
13．(15分)(精选考题·上海高考)分析有关微生物的资料，回答问题。
1982年澳大利亚学者从胃活检组织中分离出幽门螺杆菌。
(1)幽门螺杆菌的遗传物质集中分布的区域称为________。
(2)上图4支试管分别代表4种微生物在半固体培养基(琼脂含量3.5 g/L)中的生长状态，其中②号试管代表幽门螺杆菌的生长状态，由图判断，该菌在_________________________条件下不能生长。
(3)下表是某培养基的配方
成分
葡萄糖
KH2PO4
MgSO4
NaCl
CuSO4
CaCO3
琼脂
蒸馏水
含量
10 g
0.2 g
0.2 g
0.2 g
0.2 g
5 g
3.5 g
1 L
将幽门螺杆菌接种到pH适宜的该培养基中，置于37℃下培养一段时间后，在该培养基中幽门螺杆菌的数目比刚接种时________，主要原因是：___________________________
________________________________________________________________________。
幽门螺杆菌形态如右图所示，该菌在人体中可引起胃溃疡等胃部疾病。
(4)幽门螺杆菌生长的最适pH为6～7，人体胃腔内的pH在1～2之间，但胃粘膜的粘液层靠近上皮细胞侧的pH为7.4左右。若幽门螺杆菌随食物进入胃腔，结合其结构特点以及能导致胃溃疡的特性，推测该菌在胃内如何存活？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)幽门螺杆菌属于原核生物，其遗传物质集中分布在拟核中。
(2)在半固体培养基中幽门螺杆菌分布在中上部，可推测其在氧气浓度过高或过低时不能生长。
(3)分析培养基的配方表发现，营养成分缺少氮源和生长因子，故培养的幽门螺杆菌数目比刚接种时少。
(4)幽门螺杆菌具有鞭毛，进入人体胃腔后，能依靠鞭毛运动到pH较高处逃避有害刺激，趋向有利刺激，然后分泌蛋白中和胃酸，使pH变为6～7左右，以利于自身的生存和繁殖。
答案：(1)拟核(核区) (2)氧气浓度过高或过低
(3)少 缺少氮源(缺少氮源和生长因子) (4)幽门螺杆菌进入胃腔后，首先依靠鞭毛运动至pH较高处缓冲，然后分泌蛋白中和胃酸，提高pH，以便继续生存和繁殖
14．(25分)青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产品。[注：冷冻干燥孢子：在极低温度(－70℃左右)、真空干燥状态下保藏的菌种；米孢子：生长在小米或大米培养基上的孢子。]据图回答下列问题：
(1)青霉素是青霉菌的________代谢产物，目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过________方法选育的。青霉菌与大肠杆菌相比，前者在细胞结构上的最显著特点是________________________________________________________________________。
据图可以判断青霉菌的代谢类型是________，生殖方式为________。
(2)在生产和科研中，青霉素在________期积累最多，故生产中常用________的方法延长此时期。
(3)培养基的配制要满足青霉菌对_____________________________________________
等营养物质的需求。若在该培养基中添加蛋白胨，从化学成分上看该培养基可称为________培养基。种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程的______阶段。发酵罐接种_______(前/后)，必须进行灭菌处理。
解析：(1)青霉素属于次级代谢产物，青霉素高产菌株是通过人工诱变的方法筛选出来的；(2)青霉素在稳定期积累最多，因此要提高产量，必须通过连续培养法延长稳定期；(3)蛋白胨是天然成分，添加此物质的培养基属于天然培养基；发酵工程在接种前必须扩大培养菌种，以便缩短调整期。
答案：(1)次级 诱变育种(或人工诱变) 青霉菌的细胞中有成形的细胞核 异养需氧型 孢子生殖 (2)稳定 连续培养 (3)碳源、氮源、生长因子、无机盐、水(缺一不可) 天然 扩大培养 前
15．(教师备选题)有一种能生产食品香料的细菌，其生长速率、代谢产物的产量与培养液中的温度、pH、溶氧量等关系如图所示：
在生产实践中，人们设计了高效、自控、产品质量较稳定的两级连续培养装置，如图所示。回答有关问题：
(1)根据曲线图与甲装置的用途可知，甲装置内的温度、pH应分别调节为________。
A．33℃和4.3 B．33℃和5.5
C．37℃和5.5 D．37℃和4.3
(2)发酵过程中，通气装置控制阀应________。
(3)在生产实践中，当甲装置内的细菌处于________期时，可让甲装置中的培养基大量流入乙装置，这样有利于乙装置中细菌较快进入________期，达到缩短生产周期的目的。
(4)甲装置中，最初取样是每毫升10个细菌，培养一段时间后，再次取样是每毫升320个细菌，则细菌至少繁殖________代。
(5)上图为该菌生产食品香料的代谢途径，若要大量合成食品香料，可采取的措施是①________________________________，②________________________________。
解析：甲装置应为菌种繁殖装置，由曲线图可知有利于细菌生长速率的温度为33℃，pH为5.5，故甲装置的温度与pH应调节为上述相应数据。由溶氧量与生长速率及代谢产物关系曲线知，该菌异化类型为厌氧型，故应关闭通气装置控制阀。甲装置菌种繁殖至对数期时培养基流入乙装置有利于快速进入稳定期。
答案：(1)B (2)关闭 (3)对数 稳定 (4)5
(5)①对该菌进行诱变处理，选育出不能合成酶③的菌种 ②改变细胞膜通透性，使代谢产物迅速排到细胞外面
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