生物技术实践 专题集训
1.回答与甘蔗醋制作有关的问题:
(1)为了获得酿造甘蔗醋的高产菌株,以自然发酵的甘蔗渣为材料进行筛选。首先配制醋酸菌选择培养基:将适量的葡萄糖、KH2PO4、MgSO4溶解并定容,调节pH,再高压蒸汽灭菌,经__________后加入3%体积的无水乙醇。然后将10 g自然发酵的甘蔗渣加入选择培养基,震荡培养24 h。用__________将少量上述培养液涂布到含CaCO3的分离培养基上,在30 ℃培养48 h。再挑取分离培养基上具有__________的单菌落若干,分别接种到与分离培养基成分相同的__________培养基上培养24 h后,置于4 ℃冰箱中保存。
(2)优良产酸菌种筛选。将冰箱保存的菌种分别接入选择培养基,培养一段时间后,取合适接种量的菌液在30 ℃、150 r/min条件下震荡培养。持续培养至培养液中醋酸浓度不再上升,或者培养液中__________含量达到最低时,发酵结束。筛选得到的优良菌种除了产酸量高外,还应有____________________(答出2点即可)等特点。
(3)制醋过程中,可将甘蔗渣制作成固定化介质,经__________后用于发酵。其固定化方法为__________。
2.某研究小组从黄色短杆菌(能合成L-亮氨酸)中筛选L-亮氨酸缺陷型(不能合成L-亮氨酸)突变菌株,实验流程如图所示。回答下列问题:
(1)培养基灭菌常用的方法是_____;图中将试管中的菌液进行振荡培养,目的是_____。
(2)过程①的接种方法是_____。过程②接种时,先将灭菌后的金丝绒与培养皿A中的菌落接触一次,然后像盖印章一样将菌种连续接种到培养皿B和C的培养基表面,这种接种方法便于将来比较B、C培养皿中菌落的差异,原因是_____。
(3)培养皿A、B、C中的培养基都要使用固体培养基,原因是_____。若培养皿B的培养基中含有L-亮氨酸,培养皿C的培养基中不含L-亮氨酸,培养一段时间后菌落生长情况如图所示,研究人员应该从培养皿_____(填“B”或“C”)中选取目的菌落,确定目的菌落位置的依据是_____。
3.黄曲霉是常见的真菌,多见于发霉的粮食、粮制品及其它霉腐的有机物上。黄曲霉素是由黄曲霉产生的代谢产物,具有极强的毒性和致癌性。科研人员用黄曲霉素Bl(AFB1)的结构类似物——香豆素(C9H6O2)筛选出能高效降解AFB1的菌株,具体过程如图所示,其中序号代表过程。
(1)黄曲霉和细菌共同具有的组成结构和物质包括________ (填编号)。
①内质网②核糖体③拟核④线粒体⑤DNA
(2)为了筛选到AFB1降解菌,最优的采样处是________。
A.细菌含量较多的土壤B.霉烂的花生或玉米C.细菌含量较少的土壤D.发霉的墙壁或玻璃
(3)筛选AFB1降解菌实验时,图中1号培养基的碳源是________(填文字),过程③所需要的工具有________ (多选)。
A.无菌接种环B.无菌玻璃刮铲C.无菌滴管D.无菌的圆纸片
(4)菌体对有机物的降解途径有胞外分泌物降解和菌体吸附降解两种。实验小组对降解菌的发酵液进行离心,发现上清液中AFB1的残留率明显低于菌沉淀液的。可推测,菌体降解AFB1的途径主要是________。
(5) 经检测发现上清液中存在多种蛋白质,为验证蛋白质K是降解AFB1的有效成分,科研小组设计了实验过程,如表,表中①、②、③分别表示________(用“+”或“-”表示)。如果验证成功,则④与⑤的大小比较关系是________。
不同处理或测定 试管甲 试管乙
培养过降解菌的上清液 ① ②
蛋白质K水解酶 + ③
一段时间后,分别加入含AFB1的培养基
测定培养基中AFB含量 ④ ⑤
表中“+”表示添加,“一”表示不添加,甲乙试管所加物质的量均相同
4.金黄色葡萄球菌是一种具有高度耐盐性的微生物,可引起人类患肺炎、肠炎等疾病。金黄色葡萄球菌在血平板(培养基中添加适量血液)上生长时,可破坏菌落周围的红细胞,使其褪色。如图为定性检测鲜牛奶中是否存在金黄色葡萄球菌的操作流程,请回答相关问题:
(1)按细胞结构分类,金黄色葡萄球菌属于_____生物;从培养过程分析,振荡培养的目的是_____。
(2)7.5%NaCl肉汤培养基可为微生物提供的营养成分包括水、_____,该培养基适合金黄色葡萄球菌生长繁殖,而不利于其他多种微生物生长繁殖,从功能上看该培养基属于_____。
(3)实验结束后,使用过的培养基应进行_____处理,以避免其污染环境或感染操作者。
(4)经多次规范操作、重复实验,血平板上的菌落周围出现_____,初步证明鲜牛奶中存在金黄色葡萄球菌。但鲜牛奶供应商仍认为此菌并非鲜牛奶所携带,因此,要对本操作进行完善,完善的方案是_____。
5.孔雀石绿(简称MG)是广泛使用的有机染料,在自然环境中极难降解,容易引起土壤污染,进而危害人体健康。因此从土壤中分离和筛选出高效的MG降解菌有非常重要的意义。已知MG在水中溶解度低,含过量MG的固体培养基不透明。
(1)培养基的配制:MG降解菌富集培养基需含有NaH2PO4、KH2PO4、NaCl、NH4Cl、CaCl2、MgSO4、水等,再加___________作为唯一碳源。培养基配制好后,需用___________法进行灭菌。
(2)MG高效降解菌株的富集:如图所示,将1.0g土样接入含上述配制好的培养液的三角瓶中,将三角瓶置于30℃、180r/min摇床中振荡培养1~2天,振荡培养的目的是___________,直至培养液变浑浊后,换瓶重复操作2﹣3次,以达到富集的目的。
(3)MG高效降解菌株的分离和纯化:图中所示的分离纯化细菌的方法是___________。实验中初步估测A中细菌细胞数为1.5×109个/mL,若要在图中每个平板上涂布0.1mL稀释后的菌液,且每个平板上长出的菌落数约为150个,则应将A中的菌液稀释___________倍。
(4)MG高效降解菌株的鉴定:将纯化获得的菌种接种于含过量MG的固体培养基(其他营养成分等适宜)上,根据培养基是否出现,就可以鉴别出目的菌株,原因是___________。
(5)MG高效降解菌株的保存:获得纯净的菌种后,需要进行菌种的保藏。若需长期保存,可以采用___________的方法。
6.果糖是一种具有较高甜度的单糖,可作为蔗糖的替代品,已广泛应用于食品风味的改善。在葡萄糖异构酶的作用下,葡萄糖可转化为果糖。回答下列相关问题。
(1)利用葡萄糖生产果糖时,欲监测反应过程中葡萄糖异构酶活性的变化,可通过检测_______来实现。
(2)葡萄糖异构酶溶解于溶液后,无法回收,可利用固定化酶技术来解决该问题。固定化酶技术中,常将酶液、戊二醛(一种交联剂,能与葡萄糖异构酶通过化学键交联)溶液加入到海藻酸钠溶液中搅拌均匀,用注射器将混合液注入到_______溶液中得到凝胶珠粒,该过程采用的固定化方法有_______。在有些情况下,得到的凝胶珠会呈“蝌蚪”状,有明显的拖尾现象,这种情况发生的原因可能是_______。
(3)大肠杆菌中存在葡萄糖异构酶,欲根据相对分子质量的大小从该菌的裂解液中初步分离葡萄糖异构酶,常采用_______法。该方法中,相对分子质量较小的物质和相对分子质量较大的酶相比,先收集到的是_______,理由是_______。
(4)利用从大肠杆菌中分离提取的葡萄糖异构酶在适宜酸碱度和70~80℃条件下进行果糖生产时,发现果糖的产生比例很低,最可能的原因是_______。
7.α-半乳糖苷酶是解决大豆制品类食物不耐受的关键酶,但其活性不高、耐热性较差。如果人的消化系统中缺乏α-半乳糖苷酶,当含有α-半乳糖苷的低聚糖经过肠道时,会被肠道中的微生物发酵产生大量气体导致腹胀等。科研人员使用海藻酸钠和壳聚糖两种固定化载体研究了固定化后的α-半乳糖苷酶的使用效果,结果如图1、2所示。回答下列问题:
(1)一般来说,固定化酶更适合用_____和物理吸附法。用海藻酸钠固定酶的过程中需要用CaCl2溶液处理,其目的是使_____;配制海藻酸钠溶液时,加热过程应注意_____。
(2)固定化酶的实质是将相应酶固定在_____载体上;固定化α-半乳糖苷酶与游离的α-半乳糖苷酶相比,其优点是具有了良好的_____。
(3)图1中与固定化酶相比,游离酶的水解率在6h之前较低,但随时间的延长,游离酶的水解率也上升了,可能的原因是_____。
(4)图2中两种固定化酶相比,重复使用2次后,海藻酸钠固定化酶的效果明显降低,其原因可能是_____。
8.2019年1月10日,施一公教授研究团队在《科学》上报道了人源γ-分泌酶结合淀粉样前体蛋白(APP)的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了结合底物后Y分泌酶发生的构象变化,并对这些构象变化的功能进行了生化研究,从而为研究与癌症以及阿尔茨海默症相关的特异性药物设计提供了重要的结构信息。回答下列问题:
(1)该项研究进行时,需控制温度、酸碱度等条件,因为高温、过酸、过碱会使γ-分泌酶的_____遭到破坏,失去活性。
(2)根据蛋白质的各种特性,如蛋白质分子的_____、所带电荷的_____、溶解度、吸附性、对其他分子亲和力等,可用来分离不同种类蛋白质,从而得到γ-分泌酶。
(3)γ-分泌酶由4个跨膜蛋白亚基组成。若对γ-分泌酶4个跨膜蛋白亚基进行分离、纯化及分子量测定,需采用_____及电泳技术。前者是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法,相对分子质量较_____(填“大”或“小”)的跨膜蛋白移动速度较慢。
(4)电泳是指_____在电场的作用下发生迁移的过程。对γ-分泌酶的4个跨膜蛋白亚基进行分子量测定时,通常采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的方法,该方法测定的结果只是_____的分子量。该电泳迁移率完全取决于相对分子量的大小,原因是_____。
9.2021年我国餐厨垃圾产生量超过1.2亿吨,餐厨垃圾处理已成为非常重要的行业之一。下图为餐厨垃圾处理与资源化利用的过程。回答下列问题:
(1)废渣养殖红头丽蝇得到的蝇蛆成虫除主要作为高蛋白饲料原料外,还可从提取的蛋白粉中通过凝胶色谱法或_____________(答出1种即可)等技术分离出凝集素和抗菌肽等不同种类的蛋白质,以实现高产值利用。采用凝胶色谱法分离凝集系(分子为80000~335000KDa)和抗菌肽(分子量为2000~7000KDa)时,先洗脱出来的是____________,理由是_____________。
(2)为检测废水中产甲烷菌的数量,取1mL废水稀释1000倍,取4个平板,在每个平板分别涂布0.1mL的废水稀释液。经培养后4个平板上的菌落数分别是132、66、102和22,则废水中产甲烷菌的数量为____________个/mL。
(3)脂肪酶有助于催化废油脂转化为生物柴油,为加快废油脂转化,可投放固定化脂肪酶,将脂肪酶固定化的两种常用方法是____________。
10.胡萝卜素是一种常用的食用色素,可分别从胡萝卜或产生胡萝卜素的微生物体中提取获得。请回答下列问题:
(1)胡萝卜素有易溶于有机溶剂的特点,可选用____________(填“乙醇”或“乙酸乙酯”)作为胡萝卜素的萃取剂,不选用另外一种的理由是____________。萃取过程中宜采用________________方式加热,以防止温度过高。
(2)筛选能产生胡萝卜素的酵母菌R,采用平板划线法接种时,为防止杂菌污染,需要对接种环进行________________。
(3)提取到的胡萝卜素粗品可以通过________法进行鉴定,鉴定过程中需要用胡萝卜素标准样品作为________________________。
(4)碳源的种类对β-胡萝卜素的产量有着一定的影响,有关研究结果如下:
碳源 麦芽糖 蔗糖 淀粉
β-胡萝卜素含量(mg/L) 3.52 4.81 1.68
据表分析,最佳碳源是_______。若要进一步探究最佳氮源,请简要写出实验设计思路:_______。
(5)有科研人员尝试利用紫外线处理红酵母,以获得高产菌株,使用这种育种方法的优点是_____________。经定量分析后,若得到髙产菌株,要对其进行长期保存,可采用________的方法在-20 ℃的冷冻箱中保存。
答案以及解析
1.答案:(1)冷却;玻璃刮刀;较大透明圈;斜面
(2)乙醇;耐酒精度高、耐酸高
(3)灭菌;吸附法
解析:(1)高压蒸汽灭菌后需冷却后再加入无水乙醇,以免温度过高使乙醇挥发;涂布平板法的步骤是:首先把微生物悬液通过适当的稀释,取一定量的稀释液放在无菌的已经凝固的营养琼脂平板上,然后用无菌的玻璃刮刀把稀释液均匀地涂布在培养基表面上;醋酸菌产生的醋酸会与培养基中的碳酸钙反应形成透明圈,因此需挑取分离培养基上具有较大透明圈的单菌落若干;菌种的临时保藏一般使用的是将菌种接种到固体斜面培养基上,在合适的温度下长成菌落后在4℃冰箱中保藏。
(2)醋酸菌将乙醇变为乙醛,再将乙醛变为醋酸,因此当培养液中乙醇含量达到最低时,发酵结束;优良菌种应具有产酸量高、耐酒精度高、耐酸高等优点。
(3)将甘蔗渣制作成固定化介质需经灭菌后才能用于发酵,以免杂菌的污染影响实验结果;因为甘蔗渣具有很好的吸附性,因此常采用吸附法来进行固定化。
2.答案:(1)高压蒸汽灭菌法;提高溶解氧含量,同时让菌体与营养物质充分接触
(2)稀释涂布平板法;B、C培养皿中的菌种接种位置相同
(3)便于观察菌落特征和分离目的菌株;B;在培养皿B中有菌落,而在培养皿C中的对应位置没有菌落
解析:(1)本题以图文结合的形式综合考查微生物的实验室培养、微生物的分离与计数等相关知识。对培养基进行灭菌常用高压蒸汽灭菌法。培养过程中振荡的目的是提高溶解氧含量,同时使菌体分散和营养物质均匀分布,让菌体与营养物质充分接触。
(2)根据过程①所得培养基中菌落的分布结果可以判断,该过程所采用的接种方法为稀释涂布平板法。过程②接种时,先将灭菌后的金丝绒与培养皿A中的菌落接触一次,然后像盖印章一样将菌种连续接种到培养皿B和C的培养基表面,这种接种方法叫影印法,由于其不改变原有菌株在培养基中的位置,因而可比较B、C培养皿中菌落的差异。
(3)使用固体培养基便于观察菌落特征和分离目的菌株。在不含L-亮氨酸的培养基中,突变菌株不能生长,而在含L-亮氨酸的培养基中能够生长,因此培养皿B的菌落中可挑选出突变菌株。确定目的菌落位置的依据是在相同的培养基位置上观察培养皿B和培养皿C有无菌落长出,若B有C无,则对应的B培养皿中的菌落为目的菌株。
3.答案:(1)②④⑤
(2)B
(3)香豆素;BC
(4)胞外分泌物降解
(5)++-;④大于⑤
解析:(1)黄曲霉属于真核生物,细菌属于原核生物,两者共同具有的组成结构和物质包括②核糖体和⑤DNA。
(2)为了筛选到AFB1降解菌,应到富含AFB1的地方采样,即最优的采样处是霉烂的花生或玉米。B正确。故选B。
(3)由题意知:科研人员用黄曲霉素B1(AFB1)的结构类似物-香豆素(C9H6O2)筛选出能高效降解AFB1的菌株,故筛选AFB1降解菌实验时,图中1号培养基的碳源是香豆素。过程③为稀释涂布平板法接种,所需要的工具有B无菌玻璃刮铲、C无菌滴管。故选BC。
(4)实验小组对降解菌的发酵液进行离心,发现上清液中AFB1的残留率明显低于菌沉淀液的。可推测,菌体降解AFB1的途径主要是胞外分泌物降解。
(5)为验证蛋白质K是降解AFB1的有效成分,故实验的自变量是有无蛋白质K,因变量是培养基中AFB1的含量。其他的变量都属于无关变量,故表中①、②、③分别表示+、+、-。如果验证成功,则④中由于蛋白质K被蛋白质K水解酶水解,而没有催化作用,⑤中的蛋白质K具有活性,能够降解AFBI,故最后④培养基中AFB1含量大于⑤培养基中AFB1含量。
4.答案:(1)原核;使微生物与营养物质充分接触并提高培养液中的氧气含量
(2)无机盐、碳源、氮源等;选择培养基
(3)灭菌
(4)透明圈;设置加灭菌的鲜牛奶但其他操作均相同的对照组
解析:(1)按细胞结构分类,金黄色葡萄球菌属于原核生物。振荡培养可以使微生物充分接触培养液中的营养物质,还可以提高培养液中的溶氧量。
(2)7.5%NaCl肉汤培养基可为微生物提供的营养成分包括碳源、氮源、水和无机盐等。7.5%NaCl肉汤培养基适合耐盐的金黄色葡萄球菌的生长繁殖,而不利于其他多种微生物的生长繁殖,因此,该培养基属于选择培养基。
(3)实验结束后,对使用过的培养基应进行灭菌处理,以防止微生物污染环境或感染操作者。
(4)根据题中信息,金黄色葡萄球菌可以破坏菌落周围的红细胞,使其褪色,因此若存在金黄色葡萄球菌,血平板上的菌落周围会出现透明圈。为了进一步判断鲜牛奶中是否携带金黄色葡萄球菌,可以设置另一组实验作为对照,即加入经过灭菌的鲜牛奶进行实验,其他操作与实验组均相同。
5.答案:(1)MG;高压蒸汽灭菌
(2)目的菌充分接触培养液中的营养物质;增大培养基中O2含量
(3)稀释涂布平板法;106
(4)透明圈;目的菌株通过降解MG生长,使菌落周围的培养基变透明,出现透明圈
(5)甘油管藏
解析:(1)要筛选出能降解MG的微生物,培养基的配置需要以MG作为唯一碳源。培养基常用的灭菌方法是高压蒸汽灭菌。
(2)采用液体培养基摇床振荡培养的目的是使目的菌充分接触培养液中的营养物质,增加目的菌株的浓度。
(3)图中接种方法能够计数,应为稀释涂布平板法。
(4)依据题干信息“MG在水中溶解度低,含过量MG的固体培养基不透明”,若目的菌株能高效降解MG,则培养基变得透明,形成以目的菌株为中心的透明圈。
(5)长期保存菌株的方法是甘油管藏。
7.答案:(1)单位时间内葡萄糖的减少量(消耗量)或果糖的增加量(生成量)
(2)CaCl2;化学结合法、包埋法;海藻酸钠浓度过高(合理即可)
(3)凝胶色谱;酶;相对分子质量较大的酶无法进入凝胶内部的通道,只能在凝胶外部移动,路程较短,移动速度快(合理即可)
(4)从大肠杆菌中分离提取的葡萄糖异构酶热稳定性较低(或高温使酶失活)
解析:(1)酶的活性可通过酶促反应中单位时间内底物的减少量(消耗量)或产物的增加量(生成量)来反映。
(2)戊二醛是一种交联剂,能与葡萄糖异构酶通过化学键交联。将酶液、戊二醛溶液加入到海藻酸钠溶液中搅拌均匀,用注射器将混合液注入到CaCl2溶液中可得到凝胶珠粒,此过程所用的固定化方法有化学结合法、包埋法。若用于包埋的海藻酸钠浓度过高,则会导致产生的凝胶珠呈“蝌蚪”状。
(3)分离蛋白质时,常用的方法是凝胶色谱法,该方法是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法。该方法中,相对分子质量较小的蛋白质容易进入凝胶内部的通道,路程较长,移动速度较慢;而相对分子质量较大的蛋白质无法进入凝胶内部的通道,只能在凝胶外部移动路程较短,移动较快,会先收集到。
(4)果糖的产量低,可能是酶活性低,而据题干信息分析,酸碱度适宜,使用的温度为70~80℃,温度较高,推测原因是从大肠杆菌中分离提取的葡萄糖异构酶热稳定性较低或者高温使酶失活。
7.答案:(1)化学结合法;海藻酸钠胶体发生聚沉,形成凝胶珠;小火间断加热并不断搅拌
(2)不溶于水的多孔性;稳定性和重复使用效果
(3)随着时间的延长,游离酶与更多的底物结合,从而使酶促反应进行得更彻底(合理即可)
(4)海藻酸钠固定化酶不能将α-半乳糖苷酶包埋牢固,保护作用差,经多次使用后,酶损失较多
8.答案:(1)空间结构
(2)形状和大小;性质和多少
(3)凝胶色谱法;小
(4)带电粒子;单条肽链;SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量,因而掩盖了不同种蛋白质间的电荷差别
解析:(1)酶需要适宜的温度和pH,高温、过酸、过碱会使γ-分泌酶的空间结构遭到破坏,失去活性。
(2)根据蛋白质分子的形状和大小、所带电荷的性质和多少、溶解度、吸附性、对其他分子亲和力等,可用来分离不同种类蛋白质,从而得到γ-分泌酶。
(3)可以用凝胶色谱法和电泳技术对γ-分泌酶4个跨膜蛋白亚基进行分离、纯化及分子量测定。凝胶色谱法是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法,相对分子质量大的蛋白质无法进入凝胶内部的通道,只能在凝胶外移动,路程较短,移动速度较快;相对分子质量小的蛋白质进入凝胶内部,经过的路程较长,移动速度较慢。
(4)电泳是指带电粒子在电场的作用下发生迁移的过程。对γ-分泌酶的4个跨膜蛋白亚基进行分子量测定时,通常采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的方法,SDS能使蛋白质发生完全变性,由几条肽链组成的蛋白质复合体在SDS的作用下会分解成单条肽链,因此测定的结果只是单条肽链的分子量。SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量,因而掩盖了不同种蛋白质间的电荷差别,故该电泳迁移率完全取决于相对分子量的大小。
9.答案:(1)电泳;凝集素;凝集素的相对分子质量大,不易进入凝胶内部通道,只能在凝胶外部移动,路程短,移动速度较快
(2)1×106
(3)化学结合法、物理吸附法
解析:(1)废渣养殖红头丽蝇得到的蝇蛆成虫除主要作为高蛋白饲料原料外,还可从提取的蛋白粉中道过凝胶色谱法或电泳等技术分离出凝集素和抗菌肽等不同种类的蛋白质,以实现高产值利用。
(2)为检测废水中产甲烷菌的数量,取1mL废水稀释1000倍,取4个平板。在每个平板分别涂布0.1mL的废水稀释液。经培养后4个平板上的菌落数分别是132、66、102和22,为了保证结果准确,一般选择菌落数在30~300的平板进行计数,菌落数为22平板舍去,则废水中产甲烷菌的数量为(132+66+102)÷3÷0.1×1000=1×106个/mL,该统计结果往往低于实际活菌值,是因为当两个或多个菌落连在一起时,平板上观察到的是一个菌落。
(3)脂肪酶有助于催化废油脂转化为生物柴油,若要从废油腊中筛选产脂肪酶菌株,主要的操作思路是:将废油脂稀释液接种到以脂肪为唯一碳源的选择性培养基上进行筛选。为加快废油脂转化,可投放固定化脂肪酶,由于酶分子较小,容易从包埋材料中漏出,故将酶固定化的两种常用方法是化学结合法、物理吸附法。
10 (1)乙酸乙酯 萃取胡萝卜素的有机溶剂应不与水混溶,而乙醇属于水溶性有机溶剂,影响萃取效果 水浴
(2)灼烧
(3)纸层析 实验对照
(4)蔗糖 以蔗糖为碳源,分别用不同氮源进行实验,检测并比较β-胡萝卜素含量 (5)可以提高突变率,在较短时间内获得更多的优良变异类型 甘油管藏