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第一节
获得纯种微生物是发酵工程的基础
第1章 发酵工程
选择性必修3
学 习 目 标
1、归纳和概括微生物所需营养物质和生长条件，进一步形成结构与功能等生命观念，并能基于这些观念设计合适的培养基，选择合适的培养和计数方法，有目的地培养纯种微生物。
2、归纳和概括无菌技术对微生物研究和发酵的影响，阐释无菌技术的方法和应用。
3、关注微生物特定功能在生产和生活中的应用。
了解发酵工程：
带有酸味的醋、含苦味的啤酒、气味芳香的白酒，都是由谷物发酵而来，却能形成口味截然不同的产品，这都源于微生物的奇妙作用。
人们利用微生物发酵制作食品的历史悠久，在此基础上发展而来的发酵工程技术则利用微生物大规模生长和代谢活动生产出更多有价值的产品。微生物是发酵工程的灵魂，不同产品的发酵生产需要使用不同来源、不同种类的微生物。
青霉素是人类最早发现的抗生素，现在抗生素的种类已达数千种，临床上常用的也有上百种。这些抗生素都是由不同种类的微生物产生的。
材料阅读：抗生素的生产菌种
思考与讨论：
1. 欲大量生产抗生素，就要大规模培养对应菌种的微生物，微生物的培养需要满足哪些条件？
2. 自然界中的微生物种类繁多，而且常常生活在一起，如何才能分离得到生产所需的纯种微生物？
1．培养基为微生物提供所需营养物质
微生物需要的营养物质
　
分离、纯化和培养微生物是研究和利用微生物的前提。微生物的生存和生长依赖于适宜的营养物质和生长环境。
培养基是一种由人工配制的适合微生物生长、繁殖并产生代谢产物的营养基质。
微生物生长所需的营养物质
碳源
碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后，成为微生物自身的结构物质和代谢产物。
自养微生物：能够利用 CO2 为唯一或主要碳源。
异养微生物：则利用葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉和纤维素等有机碳源。葡萄糖、大豆油和甘油是该培养基中的碳源。
微生物生长所需的营养物质
氮源
氮源物质主要用于合成细胞中的蛋白质、核酸等，一般包括蛋白质及其不同程度的降解产物，如蛋白胨（多肽混合物）、氨基酸，以及尿素、铵盐、硝酸盐等。该培养基中的氮源由酪蛋白和玉米浆提供。
微生物生长所需的营养物质
生长因子
定义：通常是指微生物自身不能合成或合成量不足，但又是微生物生长和代谢所必需的小分子。
种类：某些维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等。
来源：酵母浸粉、牛肉浸膏或植物组织提取液等天然物质中含有不同的生长因子。不需要生长因子的微生物，培养基中的生长因子由玉米浆提供。
微生物生长所需的营养物质
无机盐
无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含钠、钾、钙、镁等元素的化合物。
微量元素：锌、锰、钼、铁、铜等
微量元素往往存在于天然有机物、自来水等物质中，一般不需要特别添加。该培养基中的 KH2PO4 是微生物生长和代
谢所需要的无机盐。
微生物生长所需的营养物质
水
水是微生物生长和代谢必不可少
的营养物质。
微生物生长所需的营养物质
选用或设计培养基首先要考虑选择适宜的营养物质。由于微生物具有不同的营养类型，对营养物质的要求也各不相同，且不同微生物生长、繁殖和代谢产物积累所需的 pH 也不相同。因此，必须根据各种微生物的特点及实验目的选用合适的培养基。
培养基的类型：　
根据成分来源、物理状态和基本用途，可对培养基进行不同的分类。
培养基的类型
枯草杆菌
根据培养基的成分来源分类：
天然培养基含有蛋白族、牛肉有和酵母浸粉等化学组成不确定的成分,如培养常见维菌的牛肉音蛋白膜培养基。
合成培养基是由化学版分完全确定的物质配制面成的培养基。
根据培养基的物理状态分类：
根据琼脂加人量的不同,培养基呈现不同物理状态：半固体培养基加人量为0.3%-0.7%，固体培养基加人量为1.5%-2.0%。
液体培养基常用于微生物的大量培养，
半固休培养基可用于观察微生物的运动和分类鉴定等，
固体培养基常用于微生物分离、鉴定、计数和菌种保存等。
根据培养基的基本途径分类：
通用培养基营养物质齐全，可以满足多种微生物的营养需求。
选择培养基有利于目的微生物生长，使其成为优势菌，从而抑制杂菌生长，如仅以纤维素为碳源的培养基可用来筛选土壤中产纤维素分解酶的微生物。
鉴别培养基用于区分和鉴定不同微生物，如大肠杆菌在伊红美蓝培养基上的菌落呈现金属光泽的紫黑色。
根据培养基的不同分类：
用于工业生产的发酵培养基的原料还应具备来源丰富、价格低廉、质量稳定等特点。例如，常用的碳源有葡萄糖、蔗糖和淀粉水解物等，常用的氮源有玉米浆、黄豆饼粉和各种蛋白水解物等。
2．无菌技术是微生物研究和发酵工程的基础
无菌技术
　
在微生物发酵培养中，一般使用的是经过分离筛选获得的纯种微生物，全过程不能有杂菌污染，而且所用的微生物也不允许污染环境。这种防止纯种微生物被其他微生物污染，且自身也不污染操作环境的技术称为无菌技术。
消毒和灭菌的区别
消毒：采用较温和的理化条件，仅杀死物体内外一部分对人体或动植物有害的病原菌，但对被消毒的对象基本无害。
常用消毒方法：煮沸消毒法、巴氏消毒法（不耐高温物体如牛奶）、和化学药物消毒（酒精擦拭双手、氯气消毒水源）。
消毒和灭菌的区别
灭菌：采用强烈的理化条件使物体内外的一切微生物（包括芽孢）丧失其生长繁殖能力的措施。
常用灭菌方法有：
①高温灭菌：高压蒸汽灭菌、干热灭菌（火焰灼烧和烘箱干燥灭菌）
②过滤灭菌（将含菌的液体或气体通过高温灭菌的过滤介质，阻截其中的微生物，以达到除菌）
③辐射灭菌（利用电离辐射或紫外辐射等杀灭微生物）
为了确保微生物实验操作过程中不污染杂菌，还需要人为提供一个无菌区域。进行微生物实验操作时，操作者的衣着和手需进行清洁和消毒；实验结束时，也一定要洗手，以防止被微生物感染。使用后的培养基丢弃前，一定要进行灭菌处理，以免污染环境。
无菌区域
探究 · 实验：1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制
▲实验目标：
学习和掌握配制培养基的一般方法和步骤。
▲实验原理：
培养基一般含有微生物所必需的营养物质。酵母浸粉胨葡萄糖培养基中的葡萄糖主要提供碳源，蛋白胨和酵母浸粉主要提供氮源和生长因子。该培养基常用于酵母的培养。
▲材料器具：
烧杯、250 mL 三角烧瓶、三角烧瓶塞、量筒、培养皿、玻璃棒、牛皮纸、纱布、线绳、精密 pH 试纸、酒精灯、火柴、记号笔、1 mol/L NaOH 溶液、1 mol/L HCl 溶液、可加热的磁力搅拌器、天平、灭菌锅、注射器、无菌过滤器、超净工作台等。
探究 · 实验：1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制
▲实验步骤：
1.称量：称量配制500mLYPD培养基所需的酵母浸粉5g、蛋白胨10g、琼脂10g。单独配制20%葡萄糖溶液50mL，备用。
2.溶解：在烧杯中加入酵母浸粉和蛋白胨，并加入约250 mL 蒸馏水，搅拌均匀，在磁力搅拌器上加热溶解后，再加入琼脂并使之熔化。加热过程中需控制温度，并用玻璃棒不断搅拌。待琼脂充分熔化后，停止加热，补水至450mL。
3.调整pH ：用1 mol/LNaOH溶液或1mol/L HCl 溶液将pH调至6.5。
探究 · 实验：1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制
▲实验步骤：
4.分装：将烧杯中的培养基趁热倒入250mL三角烧瓶中，每瓶加量约90mL，注意不要把培养基沾到瓶口。用瓶塞和牛皮纸包扎封口。
5.灭菌：将上述培养基与洗净、干燥并包扎好的培养皿一起放入灭菌锅于 121℃灭菌 20～30 min。
探究 · 实验：1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制
▲实验步骤：
6.倒平板：在超净工作台中，将葡萄糖溶液用无菌过滤器除菌后，加入冷却至50℃左右的培养基中（每90 mL 培养基加入10mL）。混匀后，右手持三角烧瓶，左手将瓶塞拔出并用小拇指夹住，瓶口保持对着酒精灯火焰。然后
，左手拿培养皿，将皿盖在火焰附近打开一缝，用酒精
灯火焰迅速烧瓶口后，往培养皿中倒入约15mL 培养基。
加盖后小心晃动培养皿，使培养基均匀分布在培养皿底
部。最后，将培养皿平置于台面上，待凝固后即为平板。
探究 · 实验：1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制
▲结果分析：
1. 通过什么证据可判断你制作的培养基平板没有被污染？
2 . 培养基平板若出现冷凝水，会对微生物的分离纯化产生什么影响？在本实验过程中，你是采取什么方法来防止冷凝水出现的？
未接种的培养基在恒温箱中保温一段时间后,如果无菌落生长,说明培养基制备成功、合格,未受到污染。
冷凝水倒流污染培养基
分离和纯化微生物常用平板划线法和稀释涂布平板法
微生物的分离和纯化
从混杂的微生物群体中，获得只含有某一种或某一株微生物的过程，常用平板划线法和稀释涂布平板法。
平板划线法是通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的微生物细胞逐步稀释分散到培养基的表面的方法。在数次划线后培养，可以分离到由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体，即菌落。
稀释涂布平板法是将菌液进行一系列的梯度稀释，然后将不同稀释度的菌液分别涂布到固体培养基表面的方法。在稀释度足够高的菌液里，聚集在一起的微生物将被分散成单个细胞，从而能在培养基表面形成单个菌落。
探究 · 实验：1-2酵母的分离和纯化
▲实验目标：
1.学会平板划线法和稀释涂布平板法的操作方法。
2.学会观察与区分平板划线法和稀释涂布平板法的实验结果。
▲实验原理：
通过平板划线法和稀释涂布平板法，使微生物在固体培养基上生长，形成由单个细胞繁殖而成的单菌落，从而可以挑取这种单菌落获得纯种培养物。
▲材料器具：
酵母液、接种环、涂布棒、移液器、0.1mL和1mL无菌移液器吸头、酒精灯、火柴、试管、试管架、超净工作台、酵母浸粉胨葡萄糖培养基平板等。
▲实验步骤：
微生物的平板划线
1.点燃酒精灯，将接种环在火焰上灼烧灭菌。
2.拔掉盛有酵母液的三角烧瓶塞，使三角烧瓶口迅速通过火焰后
将冷却的接种环伸入酵母液中蘸取一环酵母液，再次将三角烧瓶口
通过火焰后塞上瓶塞。
3.小心揭开培养皿盖，以能使接种环轻松进入为宜。将接种环上的
酵母液在平板边缘的一块区域连续划“之”字线，然后烧去接种环
上的残余菌液，待冷却后，从第1区域划线的末端开始往第2 区域
内划线，继续在第3区域内重复以上操作。划线时一定要轻，不要划破培养基。
探究 · 实验：1-2酵母的分离和纯化
▲实验步骤：
微生物的稀释涂布
1．酵母液的稀释
（1）取6支试管，分别加入9mL生理
盐水后封口，按101~106的顺序编号，
灭菌。
（2）用移液器吸取1mL酵母液，注入101倍稀释的试管中，混合均匀。
（3） 从101倍稀释的试管中吸取1mL稀释液，注入102倍稀释的试管中，混合均匀。依此类推，直到完成最后一支试管106倍的稀释。
探究 · 实验：1-2酵母的分离和纯化
▲实验步骤：
2. 涂布方法
（1）将涂布棒浸在盛有75%酒精的烧杯中。
（2）用移液器吸取0.1mL稀释倍数为104倍的酵母液，滴加到培养基平板表面的中央。
（3）取出沾有少量酒精的涂布棒快速穿过火焰，待酒精燃尽后，冷却几秒钟。
（4）用涂布棒将酵母液均匀地涂布在整个平板的表面，确保整个平板的表面都被覆盖。
（5）另取培养基平板，重复上述操作，分别涂布105和106两个稀释倍数的酵母液。
探究 · 实验：1-2酵母的分离和纯化
▲实验步骤：
微生物的培养和菌落的观察
将划线和涂布后的平板以及一个未涂布的平板都置于30 ℃恒温培养箱中，倒置培养24h和48h后，分别观察并记录结果。
▲结果分析：
1.平板划线法和稀释涂布法培养的结果有何异同？
2.采用什么措施能确保获得单菌落？
探究 · 实验：1-2酵母的分离和纯化
不同微生物在特定培养基上生长、繁殖所形成的菌落特征有很大差异。而同一种微生物在一定条件下培养，其特征往往有一定的稳定性，由此可以对不同微生物加以鉴别。菌落特征是衡量菌种纯度、辨认和鉴定菌种的重要依据。菌落特征取决于组成菌落的细胞结构和生长行为。特征描述一般包括：菌落的大小、形态、颜色、透明度、隆起状态、边缘特征等。菌落形态大小也受到邻近菌落的影响。菌落靠得太近，则有限的营养物质、有害代谢物的分泌与积累使菌落生长受到抑制。此外，培养时间的长短也会影响菌落应有特征的表现。
广角镜：根据菌落特征区分微生物
4．测定微生物数量可间接了解微生物的生长状况
微生物的生长与繁殖分别表现为细胞物质的增加和细胞数量的增加。测定微生物细胞数量可以间接了解微生物的生长状况，常用方法是稀释涂布平板法和显微镜计数法。
①稀释涂布平板法
计算公式：每克样品中的菌株数＝
(C÷V)×M，其中，C代表某一稀释度
下平板上生长的平均菌落数，V代表
涂布平板时所用的稀释液的体积(mL)，
M代表稀释倍数。
操作：一般选择菌落数在30～300
的平板进行计数。
4．测定微生物数量可间接了解微生物的生长状况
②显微镜计数法（血细胞计数板）
显微镜计数法是利用血细胞计数板在显微镜下直接观察
微生物细胞并进行计数的方法。
显微镜直接计数也是测定微生物数量的常用方法，但它不能区别死细胞或活细胞，对活动能力强的活细胞也难以计数。
探究 · 实验：1-3土壤中分解尿素细菌的分离与计数
▲实验目标：
学会从土壤中分离得到分解尿素细菌的方法；通过计数，统计1g土样中分解尿素细菌的数量。
▲实验原理：
若培养基中唯一的氮源是尿素，那么只有能合成脲酶的细菌才能分解尿素，以尿素作为氮源。无法合成脲酶的其他微生物则由于缺乏氮源而不能生长、繁殖。所以，用这种选择培养基就能从土壤微生物中分离出分解尿素细菌。
▲材料器具：
土壤样品、烧杯、量筒、250mL和100mL三角烧瓶、三角烧瓶塞、15mm×150 mm试管、试管架、培等。
探究 · 实验：1-3土壤中分解尿素细菌的分离与计数
▲实验步骤：
一、配制培养基
1.参照表1-3，配制500mLLB琼脂培养基，灭菌，制作平板。
2.参照表1-4，配制500mL尿素琼脂培养基，灭菌后待冷却至 60 ℃ 时，加入过滤除菌后的10mL尿素溶液（内含0.5g尿素），摇动，混合均匀后，制作平板。
二、制备细菌悬液
在无菌条件下，将10g土样加到有90mL无菌水的三角 烧 瓶中，振荡10min，即成101倍土壤稀释液。依次用试管稀释制备102、103、104、105稀释倍数的土壤稀释液。取样时，尽量只取悬液。
探究 · 实验：1-3土壤中分解尿素细菌的分离与计数
▲实验步骤：
三、微生物的涂布
取103、104和105倍土壤稀释液各0.1mL，分别加到LB琼脂培养基平板和尿素琼脂培养基平板上，用涂布棒将菌液涂布到整个培养基平板上。
四、微生物的培养、观察和计数
1.将平板倒置于37 ℃恒温培养箱中培养24~48h。观察和统计两种培养基上菌落数。
2.根据平均菌落数推算样品中分解尿素细菌的数量：每克样品中的菌株数=（C÷V）×M。其中：C表示某一稀释倍数下平板上生长的平均菌落数；V表示涂布平板上所用的稀释液的体积；M表示稀释倍数。
探究 · 实验：1-3土壤中分解尿素细菌的分离与计数
▲结果分析：
1 . 两种培养基平板的菌落数量有何差异？为什么会出现这种差异？
2 . 若培养基平板上的菌落数太少，或是太多，对计算活菌数量有何影响？
一、选择题
下列对发酵工程应用的描述,错误的是(　　)
A.微生物肥料利用了微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力
B.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的
C.微生物饲料主要利用的是微生物菌体
D.发酵工程和基因工程结合,能生产自然界不存在的蛋白质
D
练习
2.下列不需要利用发酵工程的是(　　)
A.生产单细胞蛋白饲料
B.通过生物技术培育可移植的皮肤
C.利用微生物生产胰岛素
D.工厂化生产青霉素
B
练习
THANKS
谢谢观看
选择性必修3

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