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第2节 微生物的营养、代谢和生长
知识方面
（1）使学生学会应用微生物所需的碳源、氮源、生长因子等营养物质的概念、功能及主要来源的知识；培养基配制的原则及培养基种类的知识；微生物代谢调节方式、实例以及生产实践中微生物代谢的人工控制的知识；
（2）使学生理解微生物细胞内产生的代谢产物的种类和功能，发酵概念及种类，微生物群体生长的规律及其生产实践中应用和微生物生长的影响因素；
（3）识记测定微生物群体生长的方法。
重点
（1）微生物所需的碳源、氮源和生长因子的来源、功能；
（2）培养基的种类及配制原则；（3）微生物代谢的调节、代谢的人工控制；（4）微生物群体生长规律及影响微生物生长的环境因素。
难点
（1）不同微生物所需的碳源、氮源不同。
（2）微生物代谢的人工控制。
（3）细菌生长曲线的分析。
1．由人体营养物质与营养的概念引出微生物的营养物质与营养的概念，导入本课题。
2．由组成生物体的化学元素引出微生物的化学组成，并以下表“C、H、O、N、P、S在不同微生物体内含量（占细胞的质量分数／％）”，证明微生物与其他生物在化学组成的统一性以及不同的微生物化学组成的差异性。
3.组成微生物的化学元素分别来自微生物生长所需的营养物质，营养物质按照它们在机体中的生理作用，将它们区分为碳源、氮源、生长因子、水和无机盐。
4．碳源和氮源。（1）阅读教材第85～86页相关内容。
（2）教师提供研究课题，学生交流讨论，深化知识理解，拓展学生思维，提高运用知识的能力。
研究课题一：关于自养微生物和异养徽生物碳源的利用和能量的来源。
归纳：①自养微生物以二氧化碳或碳酸盐为惟一碳源进行代谢生长；异养微生物必须以有机物作为碳源进行代谢生长。②自养微生物生命活动所需的能源：一种类型是利用光能，如蓝细菌等着色细菌；一种类型是依靠物质氧化过程释放能量，如硝化细菌。异养微生物生命活动所需的能源主要依靠物质氧化分解放能，碳源是异养微生物的主要能源物质，即碳源对于异养微生物来说，不仅可为机体提供构成细胞的物质，而且为机体提供完成整个生理活动所需的能量；某些异养微生物也可以光能作为能源，例如红螺菌，它不能以二氧化碳作为主要或惟一碳源，而需要有机物参与，才能利用光能将二氧化碳还原成细胞物质，这种营养类型称为光能异养型。③依据微生物生长所需碳源物质的性质以及生长所需能源，将微生物的营养类型进行归纳，以此作为碳源知识的归纳、巩固、深化。
研究课题二：利用某些微生物碳源的特殊性解决环境污染、粮食危机等问题。
归纳：①利用某些细菌、放线菌、酵母菌以石油作为碳源的原理，消除石油污染；②运用某些细菌可以分解、利用氰化物、酚等有毒物质的原理处理有害物质；③研究开发以纤维索、石油、二氧化碳等作为碳源和能源的工业微生物，解决工业发酵用粮与人们日常用粮的矛盾。
研究课题三：关于氮源物质的来源和作用。
归纳：①对许多微生物来说，既可利用无机含氮化合物作为氮源，也可利用有机合氮化合物作为氮源。 ②固氮微生物可以利用氮气作为氮源进行生长。③铵盐、硝酸盐等既可作为微生物最常用的氮源，也可作为某些化能自养微生物的能源物质。④自养微生物与异养微生物类型的划分主要是依靠能否以二氧化碳作为生长的主要或惟一碳源，而不决定于氮源，例如，异养微生物最常用的氮源是无机氮源中的铵盐和硝酸盐。
5．生长因子。
（1）以“许多微生物在含有碳源、氮源、水、无机盐的培养基中还不能生长或生长极差，但当补充某些物质后，微生物就能生长良好，补充的这些物质称为生长因子”为引言，导入“生长因子”内容的学习。
（2）引导学生由生长因子的功能归纳培养基中补充生长因子的原因；根据生长因子的化学本质、含量引导学生总结生长因子的概念。
（3）讨论：如何证明某种物质是某种微生物的生长因子？
思路：在含碳源、氮源、水、无机盐但缺乏某种物质的培养基中培养微生物，微生物不能生长或生长极差，向培养基加入该种物质，微生物正常生长。
6．利用以下判断题，反馈、巩固知识。（1）同一种物质不可能既作碳源又作氮源，（答案：错）（2）凡是碳源都能提供能量。（答案：错）（3）除水以外的无机物仅提供无机盐。（答案：错）（4）无机氮源也能提供能量。（答案：对）
7．培养基的配制原则。
（1）阅读教材内容，思考培养基配制的原则及设置这些原则的原理。（2）学生讨论交流，教师指导归纳。
①培养基配制的第一个原则是目的要明确：目的包含两层含义，一指培养的微生物种类，因为不同的微生物营养需要不同，培养基中要求的营养成分不同，例如自养微生物，能从简单的无机物合成本身需要的有机物，所以培养该类生物的培养基完全可以由简单的无机物组成，而异养微生物，培养它们的培养基至少含有一种有机物质；二指培养的目的，是用于生产还是科学研究，因为二者对培养基的化学成分、物理状态等方面要求不同，例如用于生产的培养基应具有原料易得、价格低廉、配制方便等特点，而用于科学研究的培养基应具有成分含量准确，可多次重复实验的特点。
②培养基配制的第二个原则是营养要协调：它表现在两个方面，一是营养物质的浓度要适宜，二是营养物质间的浓度比例要适宜。
③培养基配制的第三个原则是pH要适宜：由于微生物在生长代谢过程中营养物质利用和代谢产物的形成往往会改变环境中的pH，为了维持培养基中出的相对恒定，可在培养基中加入缓冲剂，最常用的缓冲剂是磷酸氢二钾或磷酸二氢钾。
8．培养基的种类。
（1）自学教材第87页的①按照物理性质划分培养基②按照化学成分划分培养基③按照培养基的用途
（2）依据以上学生的归纳，教师点拨如下内容：①由“判断对错：制作固体培养基必须加入琼脂”引出固体、半固体培养基中所加的凝固剂，目前最常用的是琼脂。②由液体培养基为什么适于工业生产的问题，引导学生分析：液体培养基营养物质分布均匀，与菌体充分接触，有利于微生物更快吸收营养，有利于菌体繁殖、积累产物，因而适于大规模生产，培养学生的思维能力。③关于选择和鉴别培养基的原理，书中并未直接提到，可以引导学生根据实例总结。
（3）设置如下问题，加强知识反馈。①分离固氮微生物，需用何种类型的培养基？②如何检查自来水中大肠秆菌是否超标？
第二课时
1．由新陈代谢的定义引导学生总结微生物代谢的概念，导入本课题。
2．由工业生产广泛应用微生物的重要原因之一是微生物代谢旺盛，利用“乒乓球与篮球在相同体积下表面积比较”的比喻，引导学生分析微生物代谢旺盛的原因（微生物的表面积与体积比大，利于外界物质交换；对物质的转化利用快），并由此引申到真核生物进化的一种趋势：细胞呈现体积减小的进化过程。
3．微生物的代谢产物。（1）学生阅读教材第89页“微生物代谢产物”部分内容，依据知识点自行设计表格，比较初级代谢产物和次级代谢产物的异同点。（2）同学展示自学成果，并通过交流相互补充、完善知识结构。（3）教师适时点拨、归纳知识结构。
4．微生物代谢的调节。（1）复习“人和高等动物，植物生命活动调节的基本形式”，运用结构与功能相适应的生物学观点，引出微生物代谢的调节方式。（2）结合如下实例，分析微生物代谢调节的方式。
实例：1.大肠杆菌合成异亮氨酸的调节。2.亮白曲霉原来不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培养基内加入蔗糖，一段时间后，可合成蔗糖酶，并利用蔗糖。
分析：①由两实例的共同点得出：微生物完成代谢调控主要是通过调节酶实现的。②由两实例区别得出：实例1，通过调节酶的活性，控制代谢过程；实例2，通过调节酶的合成，控制代谢过程。
小结： 微生物代谢调节的主要方式：酶合成的调节和酶活性的调节。
（3）结合学习目标，自学阅读“微生物代谢调节”部分内容。
学习目标：①酶合成的调节a.组成酶和诱导酶的区别b.酶合成调节的对象、结果c.酶合成调节的机制（本质）d.酶合成调节的意义。
②酶活性的调节a.酶活性调节的对象。结果b.酶活性调节的机制c.酶活性调节的特点d.酶活性调节的意义。
③两种调节方式的区别与联系。
（4）教师组织、参与学生学习成果交流，适时提出以下问题引导学生分析，完善和深化知识结构。①微生物是否在所有场合。所有时间内都合成它们所能合成的全部酶类？这有何意义？②组成酶、诱导酶合成的条件是什么？③大肠杆菌乳糖代谢有何特点？大肠杆菌乳糖代谢基因的表达调控过程有何特点？④根据原核生物基因表达调控过程，酶合成的调节属于哪种水平的调节方式？若诱导酶在没有诱导物的情况下也能合成，有哪些方法？⑤诱导酶是否接受酶活性调节？⑥通过书中酶话性调节实例分析，它与高等动物激素调节的哪种方式有相似之处？⑦为什么酶活性调节比酶合成调节快速、精确？
（5）教师在学生讨论基础上，归纳知识结构。
①酶合成的调节a.组成酶在细胞内一直存在，它的合成只受基因调控；诱导酶只有环境中存在诱导物才能合成、存在，它的合成受基因与诱导物共同控制；b.酶合成调节的对象是诱导酶；调节的结果是使细胞内酶的种类增多；c.酶合成调节的机制（本质）——原核生物基因表达的调控，如大肠杆菌乳糖操纵子学说；d.酶合成调节的意义：既保证代谢需要，又避免细胞内物质和能量浪费，增强适应性。
②酶活性的调节 a.酶活性调节的对象是酶（组成酶和诱导酶）的催化能力，调节的结果是酶量发生变化；b.酶活性调节的机制——通过酶与代谢过程产生物质的可逆性结合进行调节；c.酶活性调节的特点：快速、精确；d.酶活性调节的意义：避免代谢产物积累过多。
③两种调节方式的区别与联系
区别：a.从调节对象看：酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化；b.从调节效果看：酶活性调节直接而迅速，酶合成调节间接而缓慢；c.从调节机制看：酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成；酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。
联系：细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。
5．微生物代谢的人工控制：
（1）首先指出人工控制微生物代谢的目的——最大限度积累对人类有用的代谢产物。
（2）以黄色短杆菌生产赖氨酸，谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸为例，说明人工控制微生物代谢的方法。
①人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸。
a.学习黄色短杆茵合成赖氨酸的途径及代谢调节过程；
b.由苏氨酸、赖氨酸共同积累过量会抑制天冬氨酸激酶的活性，而赖氨酸单独过量不会出现抑制的代谢特点引导学生逐步推理，最后落脚点是：通过诱变育种选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种作为工业微生物，达到大量生产赖氨酸的目的。
②人工控制谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸。a.复习谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径及调节方式b.由谷氨酸积累过量会抑制谷氨酸脱氢酶活性的特点，引导学生推理：如何使细胞内的谷氨酸不会抑制谷氨酸脱氢酶活性？（细胞内谷氨酸浓度下降）如何使细胞内谷氨酸浓度下降？（将细胞内谷氨酸透出细胞）如何使谷氨酸通过细胞膜由细胞内到达细胞外？（改变细胞膜透性），由此可大量生产谷氨酸。
（3）总结人工控制微生物代谢的措施
6．结合教材相关内容，阅读归纳发酵概念和种类。k.s.5.u
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