高考生物二轮复习限时集训：第16讲 生物技术实践（解析版）

高考生物二轮复习限时集训
第16讲　生物技术实践
1.山西等地制酒和制醋的工艺历史悠久。回答下列与生产酒和醋相关的问题:
(1)生产酒和醋都需要严格筛选菌种和控制温度条件,在酒精发酵时,使用的菌种为　酵母菌　;在醋酸发酵时,使用的菌种为　醋酸菌　,一般温度控制在　30~35 ℃　。
(2)在酒精发酵阶段操作的过程中,发酵池应先通气后密闭,其原因是　通气可增加酵母菌的数量,密闭时能获得更多的酒精产物　。在醋酸发酵阶段,需要不断地向发酵池通入氧气并搅动发酵液,其原因是　醋酸菌是好氧细菌,不断通入氧气和搅动发酵液可增加发酵液中溶解氧的含量,利于醋酸发酵的进行　。
(3)在制作葡萄酒和制作葡萄醋时,酒精发酵之前的实验流程是　挑选葡萄→冲洗→(去枝梗后)榨汁　。利用淀粉类原料生产醋,需要经糖化阶段将淀粉转变为葡萄糖。糖化阶段宜采用酶制剂催化反应,而不宜在强酸条件下使淀粉水解,其原因是　使用酶制剂能大大缩短糖化阶段的时间,且强酸环境下,部分菌种死亡不利于后续的发酵　。
[解析] (1)酵母菌属于兼性厌氧型微生物,在有氧的条件下能够大量繁殖,在无氧条件下进行无氧呼吸产生酒精,所以在酒精发酵阶段使用酵母菌;醋酸发酵需要得到的产物为醋酸,故菌种为醋酸菌,醋酸菌的最适生长温度为30~35 ℃。(2)在酒精发酵阶段,发酵池先通气,后密闭,通气的目的是提高酵母菌的数量,有利于密闭时获得更多的酒精产物。醋酸菌是一种好氧细菌,只有当氧气充足时,才能进行旺盛的生理活动。醋酸菌对氧气的含量特别敏感,当进行深层发酵时,即使只是短时间中断通入氧气,也会引起醋酸菌死亡。所以,在醋酸发酵阶段,需要不断地向发酵池通入氧气并搅动发酵液。(3)在制作葡萄酒和制作葡萄醋时,酒精发酵之前的实验流程是挑选葡萄→冲洗→(去枝梗后)榨汁。由于酶能降低化学反应的活化能,使用酶制剂能大大缩短糖化阶段的时间,且强酸环境下部分菌种死亡,不利于后续的酒精发酵和醋酸发酵,所以糖化阶段宜采用酶制剂催化反应,而不宜在强碱条件下使淀粉水解。
2.胡萝卜营养极为丰富,既可生吃、炖煮,又可以制作成泡菜。如图Z16-1是利用胡萝卜制作泡菜及测定亚硝酸盐含量的实验流程示意图,请回答下列问题:
图Z16-1
(1)选择原料时,常选用　新鲜的　(填“新鲜的”或“萎蔫的”)胡萝卜,原因是　新鲜的胡萝卜中亚硝酸盐含量低　。
(2)配制盐水时,对清水与盐的质量比的要求通常为　清水∶盐=10∶1　,为避免盐水中的O2及杂菌对发酵过程产生影响,盐水配制好以后还需进行的操作是　将盐水进行煮沸处理　。除盐水的作用外,制作泡菜时防止杂菌污染的操作有　加入调味料,选择无裂纹、无砂眼、坛沿深、盖子吻合好的泡菜坛,向坛盖边沿的水槽中注满水等(任选两项,合理即可)　(写出两项)。
(3)泡菜要适量食用,主要是因为在腌制过程中会产生亚硝酸盐,在适宜的pH、温度和一定的微生物作用下,亚硝酸盐会转变成致癌物　亚硝胺　。利用比色法测定泡菜中亚硝酸盐的含量时,第一步需要进行显色反应;第二步为估算泡菜中亚硝酸盐的含量,具体操作是　将显色反应后的样品与已知浓度的标准显色液进行目测比较　。请在图Z16-2中画出泡菜腌制过程中亚硝酸盐含量的变化趋势。
图Z16-2
[答案]
[解析] (1)新鲜蔬菜中亚硝酸盐含量低,故在腌制泡菜时应选择新鲜的胡萝卜作原料。(2)配制盐水时清水与盐的质量比为10∶1;将盐水进行煮沸处理,可以杀灭盐水中的细菌,同时去除水中的O2,防止其对乳酸菌的生长和繁殖产生影响。在泡菜的腌制过程中,适当加入调味料,向坛盖边沿的水槽中注满水,选用火候好、无裂纹、无砂眼、坛沿深、盖子吻合好的泡菜坛等都可以防止杂菌污染。(3)膳食中的亚硝酸盐在适宜的pH、温度及某些微生物的作用下,会转变成致癌物——亚硝胺。利用比色法测定亚硝酸盐的原理是(第一步——显色反应)在盐酸酸化条件下,亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应后,与N-1-萘基乙二胺盐酸盐结合形成玫瑰红色染料;(第二步——比色)将显色反应后的样品与已知浓度的标准显色液进行目测比较,估算泡菜中亚硝酸盐的含量。泡菜腌制过程中,亚硝酸盐含量会呈现出先增多后减少的趋势,如答案所示。
3.农作物秸秆含有大量的纤维素,可以用它来生产燃料——乙醇。图Z16-3是工业上利用微生物分解纤维素生产乙醇的基本工艺流程,请回答相关问题:
图Z16-3
(1)下列培养基中能有效地从土壤中分离出分解纤维素细菌的是　A　,理由是　只有A培养基是以纤维素为唯一碳源　。对培养基灭菌的方法一般为　高压蒸汽灭菌法 　。
A. 培养基(g/L):NaNO3 1.0, KH2PO4 0.9,MgSO4 0.5, KCl0.5,酵母膏0.5,纤维素粉5.0,pH 7.3
B. 培养基(g/L):牛肉膏10.0,蛋白胨20.0,葡萄糖20.0,NaCl 5.0,pH 7.3
C. 培养基(g/L):淀粉20.0,NH4NO3 2.5,MgCl2 0.5,K2HPO4 3.0,酵母膏0.5,纤维素粉5.0,pH 7.3
(2)用选择和鉴别培养基对分解纤维素的微生物进行了初步的筛选,这只是分离纯化的第一步。为了确定得到的是纤维素分解菌,还需要进行　发酵产纤维素酶　的实验。请用简单的文字和箭头表示图中③过程所发生的反应: 　。
(3)④⑤过程还可以用　固定化酵母细胞　发酵生产乙醇,这种方法不仅含有多种酶,能催化一系列反应,而且　易与产物分离,可以反复使用　。
[解析] (1)分离纤维素分解菌需要制备选择培养基,培养基中要以纤维素为唯一碳源,使得纤维素分解菌可以存活而其他菌种不能生存;对培养基灭菌的方法一般为高压蒸汽灭菌法。(2)为了确定得到的是纤维素分解菌,还需要进行发酵产纤维素酶的实验;纤维素酶是一种复合酶,在分解纤维素时首先由C1酶、CX酶将纤维素分解为纤维二糖,再由葡萄糖苷酶将纤维二糖分解为葡萄糖,所以可表示为。(3)除了直接用酶催化外,还可以用固定化酵母细胞来发酵,其优点是可以催化一系列反应,而且易与产物分离,可以反复使用。
4.提取分离的方法开始主要用于化工行业中化工产品的分离,但是随着生物工程技术的不断发展,结合传统的化工分离方法,新的高效的分离方法被人们高度重视起来。常用到的分离方法有盐析法、萃取法、透析法、渗析法、层析法、电泳法、凝胶色谱法、压榨法等方法。请依据所学的知识回答下列问题:
(1)若要去除血红蛋白溶液中相对分子质量较小的杂质,可选取透析法,透析法原理是　透析袋能使小分子自由进出,而大分子保留在袋内　。透析需要的试剂是　磷酸缓冲液　。
(2)若要判断提取分离的血红蛋白是否达到要求,需要进行SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳进行鉴定。其中的SDS的作用是　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,使电泳迁移率完全取决于分子的大小　。
(3)提取柠檬油常用的原料有柠檬果皮。从柠檬果皮中提取精油适宜采用　压榨法　。提取柠檬油的过程中要用到无水硫酸钠,此试剂的作用是　吸收柠檬油中残留的水分　。
(4)提取胡萝卜素的方法是萃取法,选择萃取胡萝卜素的有机溶剂应该具有　较高的沸点,能够充分溶解胡萝卜素,并且不与水混溶　。提取的胡萝卜素粗品可通过　纸层析　法进行鉴定。
[解析] (1)除去小分子杂质的方法是透析,透析的原理是小分子可以自由进出透性袋,而大分子(血红蛋白)保留在透析袋内;要让血红蛋白处在稳定的pH范围内,维持其结构和功能,选取的透析液是磷酸缓冲液。(2)用凝胶电泳法测定蛋白质相对分子质量时,为了消除净电荷对迁移率的影响,需要在凝胶中加入SDS,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,使电泳迁移率完全取决于分子的大小。(3)由于柠檬精油的有效成分在用水蒸气蒸馏时会发生部分水解,使用水中蒸馏法又会产生原料焦糊的问题,所以一般采用压榨法提取柠檬精油;分离的油层还会含有一定的水分,一般可以加入一些无水硫酸钠吸收柠檬油中残留的水分。(4)由于萃取过程需要水浴加热,所以萃取胡萝卜素的有机溶剂应该具有较高的沸点,能够充分溶解胡萝卜素,并且不与水混溶;提取的胡萝卜素粗品可通过纸层析法进行鉴定。
5.果胶酶广泛应用于果汁和果酒的加工工业,研究人员利用海藻酸钠和CaCl2固定化果胶酶产生菌——黑曲霉菌,研究了固定化黑曲霉菌随着使用次数的增加对苹果汁出汁率的影响,每组测定了苹果原浆的质量(m1)和离心后苹果渣的质量(m2),实验结果如图Z16-4所示。回答下列问题:
图Z16-4
(1)果胶酶是分解果胶的一类酶的总称,其中包括　多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶　(答出三个)。
(2)根据测定结果,各组的出汁率可以用　(m1-m2)/m1×100%　表示,从实验结果可以得出的结论是　随着固定化黑曲霉菌使用次数的增多,苹果果汁的出汁率降低　;固定化黑曲霉菌使用第10次时,果胶酶对果胶　有　(填“有”或“没有”)分解作用。
(3)固定化黑曲霉菌不宜采用物理吸附法或化学结合法,原因是　细胞体积大,难以被吸附或结合　;固定化过程中溶化海藻酸钠时应采用　小火间断加热　的方法,以防止焦糊。
(4)制备固定化黑曲霉菌时,海藻酸钠能和CaCl2反应产生海藻酸钙,而柠檬酸钠能与海藻酸钙反应,使其溶解。请你设计实验测定某凝胶珠中黑曲霉菌的活菌数,简要写出实验思路:　将凝胶珠用柠檬酸钠溶液溶解后用无菌水稀释,再用稀释涂布平板法进行计数　。
[解析] (1)果胶酶是分解果胶的一类酶的总称,包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶等,能将果胶分解成半乳糖醛酸。(2)m1-m2代表出汁量,所以出汁率为(m1-m2)/m1×100%;据图分析,随着固定化黑曲霉菌使用次数的增多,苹果果汁的出汁率逐渐降低。因为第10次使用固定化黑曲霉菌的出汁率约为30%,高于未使用固定化黑曲霉菌时的出汁率18%,所以果胶酶对果胶仍有分解作用。(3)物理吸附法或化学结合法适用于固定化分子量较小的酶,而黑曲霉菌是单细胞真核生物,个头较大,适用于包埋法;为了防止海藻酸钠受热不匀,溶化时要用小火间断加热,并不断搅拌,以防止焦糊。(4)根据“柠檬酸钠能与海藻酸钙反应,使其溶解”的特性,可先将固定化黑曲霉菌形成的凝胶珠用柠檬酸钠溶液溶解,再用无菌水稀释,使被固定化的黑曲霉菌释放出来,然后再采用稀释涂布平板法对其进行计数。
6.自生固氮菌是土壤中能独立固定空气中N2的细菌,将玉米种子用自生固氮菌拌种后播种,可显著提高产量并降低化肥的使用量。科研人员进行了土壤中自生固氮菌的分离和固氮能力测定的研究,部分实验流程如图Z16-5所示。回答下列问题:
图Z16-5
(1)步骤①土样应取自当地表层土壤的原因是　在富含有机质的土壤表层,有更多的固氮菌生长　;步骤②需充分振荡的主要目的是　使土壤中的微生物充分释放到无菌水中　。
(2)下表为两种培养基的配方,步骤④应选其中的　Ashby　培养基,原因是　该培养基不含氮源,具有选择作用,自生固氮菌可以利用空气中的氮气作为氮源,LB培养基中的蛋白胨可以提供氮源,不具有选择作用　。
培养基类型 培养基组分
Ashby培养基 　甘露醇(C6H14O6)、KH2PO4、MgSO4·7H2O、NaCl、CaSO4·2H2O、CaCO3、蒸馏水、琼脂
LB培养基 　蛋白胨、酵母提取物、NaCl、蒸馏水、琼脂
(3)步骤④所用的接种工具是　涂布器　,若在④的平板上统计的菌落的平均数量为126个,则每克土壤中含有的固氮菌为　1.26×107　个。
(4)将纯化的固氮菌置于完全培养液中扩大培养48小时,经离心后收集下层细胞并转移至特定培养基中进行固氮能力的测定,筛选出固氮能力最强的菌种CM12,为进一步鉴定其固氮能力,科研人员选用发芽一致的玉米种子进行3组盆栽实验,30天后测定土壤微生物有机氮含量,结果如图Z16-6。
图Z16-6
注:CK:对照处理组;N:尿素处理组(每盆土壤浇50 mL有氮全营养液:成分为在1000 mL无氮植物营养液中加入0.12 g尿素);CM12:自生固氮菌CM12处理组(每盆土壤浇50 mL接种自身固氮菌的无氮植物营养液)。
①对照组(CK)的处理为　每盆土壤浇50 mL无氮植物营养液　。
②实验结果表明:施用尿素处理和接种固氮菌CM12处理均能显著增加土壤微生物有机氮含量。与尿素处理组相比,CM12处理组土壤微生物有机氮含量增加了约　83.3　(保留1位小数)%。
③自生固氮菌较共生固氮菌(如根瘤菌)的应用范围更广,原因是　自生固氮菌能在土壤中独立固氮,不受宿主的限制　。
[解析] (1)土壤中含有丰富微生物,在富含有机质的土壤表层,有更多的固氮菌生长;步骤②需充分振荡20 min,主要目的是使土壤中的微生物充分释放到无菌水中。(2)Ashby培养基不含氮源,具有选择作用,自生固氮菌可以利用空气中的氮气作为氮源,LB培养基中的蛋白胨可以提供氮源,不具有选择作用。(3)实验采用的是稀释涂布平板法,所以步骤④中所用的接种工具是涂布器;若在④的平板上统计的菌落的平均数量为126个,则每克土壤中含有的固氮菌为126÷0.1×104=1.26×107。(4)①对照组的目的是排除无关变量对实验的影响,故对照组(CK)的处理为每盆土壤浇50 mL无氮植物
营养液。②由柱状图可知,空白对照组中土壤微生物有机氮含量为10,尿素处理组的土壤微生物有机氮含量为12,而CM12处理组土壤微生物有机氮含量为22,故与尿素处理组相比,CM12处理组土壤微生物有机氮含量增加了约(22-12)÷12×100%≈83.3%。③自生固氮菌较共生固氮菌(如根瘤菌)的应用范围更广,原因是自生固氮菌能在土壤中独立固氮,不受宿主的限制。