2.3 分解纖維素的微生物的分離

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1、普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書——生物選修1[人教版] 課題3 分解纖維素的微生物的分離 ★課題目標(biāo) （一）知識與技能 簡述纖維素酶的種類及作用，從土壤中分離出分解纖維素的微生物；掌握從土壤中分離某種特定微生物的操作技術(shù)    （二）過程與方法 分析分離分解纖維素的微生物的實驗流程，弄懂實驗操作的原理 （三）情感、態(tài)度與價值觀 領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法，發(fā)展科學(xué)思維和創(chuàng)新能力 ★課題重點 從土壤中分離分解纖維素的微生物 ★課題難點 從土壤中分離分解纖維素的微生物 ★教學(xué)方法 啟發(fā)式教學(xué) ★教學(xué)工具 多媒體課件

2、 ★教學(xué)過程 （一）引入新課 上節(jié)課我們探討學(xué)習(xí)了土壤中尿素分解菌的分離與計數(shù)，這節(jié)課我們以纖維素分解菌的分離與純化為例，鞏固加深對這方面技術(shù)的理解和掌握。 （二）進(jìn)行新課 1．基礎(chǔ)知識 活動1：閱讀“纖維素與纖維素酶”，回答下列問題： 1．1纖維素是一種由葡萄糖首尾相連而成的高分子化合物，是含量最豐富的多糖類物質(zhì)。纖維素能被土壤中某些微生物分解利用，這是因為它們能夠產(chǎn)生纖維素酶。 延伸：草食性動物是怎樣消化食物中纖維素的？腸胃中的共生物生物。 1．2棉花是自然界中纖維素含量最高的天然產(chǎn)物。纖維素的分解需要在纖維素酶的催化作用下完成，請完成下列過程： 纖維素 纖維二糖 葡

3、萄糖 C1酶、Cx酶 葡萄糖苷酶 〖思考1〗實驗分析：P27的小實驗是如何構(gòu)成對照的？ 在一支試管中添加纖維素酶，另一支試管不添加纖維素酶；盡管醋酸－醋酸鈉緩沖液用量不同，但都能維持相同的pH。 〖思考2〗1個酶活力單位是指在溫度為 25 ℃，其它反應(yīng)條件最適宜情況下，在 1 min內(nèi)轉(zhuǎn)化 1mmol 的底物所需要的酶量。 活動2：閱讀“纖維素分解菌的篩選”，回答下列問題： 1．3篩選纖維素分解菌的方法是剛果紅染色法。該方法可以通過顏色反應(yīng)直接篩選。 2．4其原理是：剛果紅可以與纖維素形成紅色復(fù)合物，當(dāng)纖維素被纖維素酶分解后，紅色復(fù)合物無法形成，出現(xiàn)以纖維素分解菌為中心

4、的透明圈，我們可以通過是否產(chǎn)生透明圈來篩選纖維素分解菌。 2．實驗設(shè)計 活動3：完成實驗方案流程圖，討論回答問題： 選擇培養(yǎng) 梯度稀釋 涂布到鑒別纖維素分解菌培養(yǎng)基上 微生物培養(yǎng) 土壤取樣 挑選產(chǎn)生透明圈的菌落 純化培養(yǎng) 〖思考3〗實驗流程中“選擇培養(yǎng)”的培養(yǎng)基類型是什么？該培養(yǎng)的目的是什么？ 液體選擇培養(yǎng)基。其目的是使纖維素分解菌增殖，含量增多。 〖思考4〗本實驗流程與尿素分解菌的分離實驗流程有哪些異同？ 尿素分解菌的分離實驗流程是將土樣制成的菌懸液直接涂布在選擇培養(yǎng)基上；本課題通過選擇培養(yǎng)使細(xì)菌增殖后，再涂布在鑒別培養(yǎng)基上。其它操作基本基本共同。

5、 活動4：閱讀資料一“土壤取樣”，回答下列問題： 2．1纖維素分解菌大多分布在富含纖維素的環(huán)境中。 2．2為什么要在富含纖維素的環(huán)境中尋找纖維素分解菌？ 生物適應(yīng)一定環(huán)境，環(huán)境對生物具有選擇作用，只有在纖維素含量豐富的環(huán)境中纖維素分解菌的含量才會高于其它普通環(huán)境，從而提高獲得目的微生物的幾率。 2．3將濾紙埋在土壤中有什么作用？你認(rèn)為濾紙應(yīng)該埋進(jìn)土壤多深？ 人工設(shè)置適宜環(huán)境，使纖維素分解菌相對聚集。將紙埋于深約10cm的腐殖土壤中。 活動5：閱讀資料二“選擇培養(yǎng)基”，回答以下三個問題： 2．4纖維素分解菌選擇培養(yǎng)基屬于液體培養(yǎng)基，原因是沒有添加瓊脂成分。 2．5培養(yǎng)基選擇作用機

6、制是以纖維素粉為唯一碳源，只有纖維素分解菌才能生存。 2．6若設(shè)置一個對照實驗說明選擇培養(yǎng)的作用，應(yīng)控制的變量是將纖維素粉改為葡萄糖。 活動5：閱讀資料三“剛果紅染色法”，填表比較兩種染色法的各自的優(yōu)缺點： 染色法 優(yōu)點 缺點 方法一 顏色反應(yīng)基本上是 纖維素分解菌的作用 操作繁瑣 剛果紅會使菌落之間發(fā)生混雜 方法二 操作簡便 不存在菌落混雜問題 產(chǎn)生淀粉酶的微生物也產(chǎn)生模糊透明圈， 有些微生物能降解色素，形成明顯的透明圈。 〖思考5〗為什么選擇培養(yǎng)能夠“濃縮”所需的微生物？ 在選擇培養(yǎng)條件下，可使能夠適應(yīng)這種營養(yǎng)條件的微生物得到迅

7、速繁殖，而那些不適應(yīng)這種營養(yǎng)條件的微生物的繁殖被抑制，因此可以起到“濃縮”的作用。 3．結(jié)果分析與評價 活動6：閱讀“課題延伸”，回答： 3．1為了確定分離得到的是纖維素分解菌，還需要進(jìn)行 發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶 實驗，纖維素酶的發(fā)酵方法有 液體 發(fā)酵和 固體 發(fā)酵。 3．2纖維素酶測定方法是對纖維素酶分解濾紙等纖維素所產(chǎn)生的 葡萄糖 含量進(jìn)行定量測定。 （三）課堂總結(jié)、點評 纖維素分解微生物的分離 纖維素酶 種類、作用、最適pH、催化活力 剛果紅染色 篩選原理 實驗設(shè)計 土壤取樣 選擇培養(yǎng) 涂布培養(yǎng) 純化培養(yǎng) 前置染色法 后置染色法 富含纖維素土壤

8、 增大分解菌含量 染色鑒別 分離出分解菌 （四）實例探究 例1．有關(guān)谷氨酸發(fā)酵的敘述中正確的是 A．發(fā)酵中要不斷通入空氣 B．培養(yǎng)條件不當(dāng)將不能得到產(chǎn)品 C．?dāng)嚢璧奈ㄒ荒康氖鞘箍諝獬蔀樾∨? D．冷卻水可使酶活性下降 解析：進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵的菌種是異養(yǎng)需氧型微生物，所以要在培養(yǎng)過程中不斷通入空氣，但是必須通入的是無菌空氣，普通空氣是不行的，容易造成雜菌污染。攪拌不但使空氣成為小氣泡以增加培養(yǎng)基中的溶氧量，還能使培養(yǎng)基與菌種充分接觸，提高原料的利用率。在培養(yǎng)過程中，由于微生物的代謝產(chǎn)熱和機械磨擦生熱，會使培養(yǎng)基的溫度

9、升高，高到一定程度，就會使酶的結(jié)構(gòu)和核酸的結(jié)構(gòu)遭到破壞，培養(yǎng)會因此而受到影響。降低溫度，是保證酶正常活性的條件之一而不會使酶的活性下降。當(dāng)培養(yǎng)條件不恰當(dāng)時，不能得到谷氨酸。如pH降低時將得到乙酰谷氨酰胺，溶氧低時將得到乳酸或琥珀酸。 答案：B 例2．溫度對發(fā)酵過程的影響，不正確的是 A．溫度過高，發(fā)酵周期縮短，產(chǎn)量降低 B．溫度不影響生物合成的途徑 C．溫度能影響菌種對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收 D．菌體生長和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同 解析：解答此題需要從以下幾方面入手分析：第一，發(fā)酵過程需要適宜的溫度，如果溫度過高，酶很快失活，菌體衰老，發(fā)酵周期就會縮短

10、，產(chǎn)量也會降低；第二，溫度能影響生物合成的途徑，這是因為生物合成過程需要酶，酶的活性與溫度高低有關(guān)；第三，菌種吸收營養(yǎng)物質(zhì)一部分是通過主動運輸來完成的，需呼吸作用提供能量，這與溫度有關(guān)；第四，菌體生長和產(chǎn)物合成需體內(nèi)旺盛的代謝作基礎(chǔ)，而用于生長繁殖和代謝產(chǎn)物生成的酶不同，因此所需的最適宜的溫度也不一定相同。 答案：B ☆綜合應(yīng)用 例3、淀粉酶可以通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)，為了提高酶的產(chǎn)最，請你設(shè)計一個實驗，利用誘變育種方法，獲得產(chǎn)生淀粉酶較多的菌株。①寫出主要實驗步驟。②根據(jù)誘發(fā)突變率低和誘發(fā)突變不定向性的特點預(yù)期實驗結(jié)果。 提示：生產(chǎn)菌株在含有淀粉的固體培養(yǎng)基上，隨其生長可釋放淀粉酶分解培

11、養(yǎng)基中的淀粉，在菌落周圍形成透明圈。（2004天津理科綜合能力測試） 解析：這是一道以誘變育種、選擇培養(yǎng)和鑒別培養(yǎng)等知識為載體的實驗設(shè)計題，綜合性強，難度較大。既要求學(xué)生掌握實驗原理，也要求學(xué)生具備較強的實驗設(shè)計的能力及對實驗結(jié)果的預(yù)測和分析能力。 答案： ①主要實驗步驟： 第一步：將培養(yǎng)好的生產(chǎn)菌株分兩組。一組用一定劑量的誘變劑處理，另一組不處理做對照。 第二步：制備含淀粉的固體培養(yǎng)基。 第三步：把誘變組的大量菌株接種于多個含淀粉的固體培養(yǎng)基上，同時接種對照組，相同條件下培養(yǎng)。 第四步：比較兩組菌株菌落周圍透明圈的大小，選出透明圈變大的菌株。

12、 ②預(yù)期實驗結(jié)果： a．由于誘發(fā)突變率低，誘變組中絕大多數(shù)菌落周圍的透明圈大小與對照組相同。 b．由于誘發(fā)突變不定向性，誘變組中極少數(shù)菌落周圍的透明圈與對照組相比變大或變小。 （五）鞏固練習(xí) 1．下面是弗來明對青霉素的早期研究過程： 發(fā)現(xiàn)問題：在培養(yǎng)細(xì)菌的器具中發(fā)現(xiàn)一種青霉菌，在這種青霉菌的周圍有沒有其它細(xì)菌生存?為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象? 提出假設(shè)： 設(shè)計實驗：在液體中培養(yǎng)青霉菌后，考察這種液體對細(xì)菌增殖的影響。 實驗結(jié)果：培養(yǎng)液使細(xì)菌的增殖停止。 結(jié)論：下面幾項最適合作為該實驗假設(shè)的是 A．青霉菌與細(xì)菌之間是共生關(guān)系 B．青霉菌

13、污染了細(xì)菌生存的環(huán)境 C．青霉菌產(chǎn)生了對人體有益的物質(zhì) D．青霉菌能產(chǎn)生抑制細(xì)菌增殖的物質(zhì) 2．培養(yǎng)流感病毒時，應(yīng)選用 A．固體培養(yǎng)基 B．含有多種無機鹽的培養(yǎng)液 C．活的雞胚 D．無菌的牛肉湯 3．以下關(guān)于微生物對氧的需求的敘述中正確的是 A．產(chǎn)甲烷桿菌屬厭氧呼吸，但氧的存在不影響其生存 B．鏈球菌進(jìn)行厭氧呼吸，不能接觸空氣 C．黃色短桿菌在氧氣充足時才能產(chǎn)生谷氨酸 D．谷氨酸棒培育桿菌是厭氧呼吸 4．可以使微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸發(fā)生不可逆破壞的環(huán)境加素是 A．高溫 B.營養(yǎng)成分的變化

14、C.氧含量 D.溫度、pH、氧的共同作用 5．微生物（除病毒外）需要從外界吸收營養(yǎng)物質(zhì)并通過代謝來維持正常的生長和繁殖。下列有關(guān)微生物營養(yǎng)的說法正確的是 A．乳酸菌與硝化細(xì)菌所利用的碳源物質(zhì)是相同的 B．微生物生長中不可缺少的一些微量的無機物稱為生長因子 C．培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度越高對微生物的增殖越有利 D．生長因子一般是酶或核酸的組成成分，微生物本身合成這些生長因子的能力往往不足 6．下列有關(guān)味精生產(chǎn)的一些措施的敘述，正確的是 A．常用的菌種是谷氨酸棒狀桿菌和金黃色葡萄球菌 B．培養(yǎng)基是含有五種營

15、養(yǎng)成分的合成培養(yǎng)基 C．在發(fā)酵中要控制的只是溫度、pH、通氣量 D．味精是谷氨酸經(jīng)Na2CO3中和后，再經(jīng)過過濾、濃縮、離心分離而成 7．菌落形成的根本原因是 A．細(xì)菌有鞭毛 B．細(xì)菌能運動 C．培養(yǎng)基有瓊脂 D．子細(xì)胞成為群體 8．在接種操作的過程中，不正確的是 A．要將接種環(huán)灼燒滅菌 B．取下棉塞后要將試管口灼燒滅菌 C．將接種環(huán)伸入試管內(nèi)，先接觸長菌多的部位 D．接種后還要將管口滅菌加塞 9．高壓蒸氣滅菌的原理是

16、 A．高壓使細(xì)菌DNA變性 B．高壓使細(xì)菌蛋白質(zhì)凝固變性 C．高溫燙死細(xì)菌 D．高溫使細(xì)菌DNA變性 10．某種細(xì)菌每30分鐘分裂一次，開始接種時為3個細(xì)胞，在對數(shù)生長期培養(yǎng)5個小時后，問此時有多少細(xì)胞？ A．15 B．48 C．1024 D．3072 答案：1—5 DCCAD 6—10 DDCBD ★課余作業(yè) 1、為什么要在富含纖維素的環(huán)境中尋找纖維素分解菌？ 2、將濾紙埋在土壤中有什么作用？你認(rèn)為濾紙應(yīng)該埋進(jìn)土壤多深 ★教學(xué)體會 教材在介紹剛果紅染色法之前，首先用“篩子篩沙”這

17、一形象的比喻來說明篩選微生物的基本思想方法。在教學(xué)過程中可以結(jié)合專題2介紹的選擇培養(yǎng)基的內(nèi)容，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)識分離微生物的基本思想。剛果紅染色法的知識難度并不大，學(xué)生通過自學(xué)就能夠理解。 ★資料袋 兩種剛果紅染色法的比較 剛果紅在篩選纖維素分解菌上的應(yīng)用已經(jīng)有超過20年的歷史，在本課題中我們給出了兩種方法。方法一是傳統(tǒng)的方法，缺點是操作繁瑣，加入剛果紅溶液會使菌落之間發(fā)生混雜；其優(yōu)點是這樣顯示出的顏色反應(yīng)基本上纖維素分解菌的作用。方法二的優(yōu)點是操作簡便，不存在菌落混雜的問題，缺點是由于纖維素和瓊脂、土豆汁中都含有淀粉類物質(zhì)，可以使能夠產(chǎn)生淀粉酶的微生物出現(xiàn)假陽性反應(yīng)。但這種只產(chǎn)生淀粉酶的微生物產(chǎn)生的透明圈較為模糊，因為培養(yǎng)基中纖維素占主要地位，因此可以與纖維素酶產(chǎn)生的透明圈相區(qū)分。方法二的另一缺點是：有些微生物具有降解色素的能力，它們在長時間培養(yǎng)過程中會降解剛果紅形成明顯的透明圈，與纖維素分解菌不易區(qū)分。