第五章微生物和发酵工程[上学期]

第五章 微生物与发酵工程
第一节 微生物的类群
教材分析
本章知识的学习是建立在细胞的结构和功能、新陈代谢、遗传与基因工程、细胞工程等知识的基础上进行的。本章的知识点覆盖面广，具有发散性和联系性的特点。
本章包括四节内容，微生物的类群在高二介绍的原核生物细胞知识基础上，进一步讲解了细菌、放线菌和病毒的形态结构。由构成微生物细胞的化学组成入手，阐述微生物营养的知识，在教学中应注意与物质基础的内容相联系，要明确培养基的配制原则和用途；与微生物代谢旺盛相关的特点有二：一是表面积大，利于与外界环境进行物质交换；二是对物质的转化利用快，微生物代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物，两者的产生、种类和功能是要着重讲述的；微生物的代谢调节主要是酶的调节，即酶活性的调节和酶合成的调节。通过实例使学生理解这两种调节方式的主要区别：微生物生长要着重讲述所研究的对象，群体的生长规律以及环境因素对微生物生长的影响。发酵工程和酶工程的教学，应从学生的认知规律出发，从生产实例和生活常识入手，讲述发酵工程的概念、内容和应用，酶工程的概念和应用的知识。由于发酵工程具有菌种选育的过程，因此和人工诱变、细胞工程和基因工程的知识具有联系性，但人工诱变是不定向的，而细胞工程和基因工程对菌种的遗传特性是定向改变的。
教学目标
1．知识方面
（1）识记细菌的结构和繁殖的知识；
（2）识记放线菌、病毒的结构和繁殖。
2．态度观念方面
通过微生物实验的设计和观察，使学生树立结构与功能相统一的生物学的基本观点。
3．能力方面
（1）能认识书中图5-1、5-5、5-6所列举的结构，培养学生的识图能力；
（2）通过列表比较分析原核微生物和真核微生物的区别和联系，培养学生的分析，归纳能力；
（3）通过实验的设计和观察，培养学生的探索精神和实践能力；
（4）培养学生的资料查询能力和调查能力。
重点、难点分析
细菌的结构和繁殖，既是本节的重点，也是难点。
教学模式
实验教学和电化教学相结合。
设计思路
课前组织学生进行实验调查，查阅资料，进行相关的实验设计，培养学生的观察、分析和运用资料进行汇总的能力。课堂教学中应用学生的实验结果，运用多媒体手段进行展示。课后培养学生运用所学知识分析微生物与环境的关系。在课程训练中充分发挥学生的自主学习能力。
课前准备
将学生分成若干小组（每组3～4人），以问题的形式引出实验课题，确定每组的实验内容。
问题1：微生物是无处不在的，你如何通过实验证明这一点？
问题2：微生物个体很小，你如何观察到微生物？
问题3：微生物与环境、人类有何关系？
根据以上问题，实验小组的同学进行讨论，确定实验课题。通过实验，调查等手段去完成课题，在学习研究的过程中增加了对微生物的认识水平；而且课题具有多样性，如：
课题一：采集不同环境（如土壤、空气、水体）中的样本进行检测，确定微生物存在的广泛性。
课题二：利用所学的生物知识，取样、制片、染色，观察微生物的形态。
课题三：根据社会热点问题，利用电视、广播、报刊、网络信息，查阅艾滋病、炭疽热、疯牛病、流感等的相关资料。
确定课题后，教师讲解关于微生物实验的实例。如水污染的测定。
测定目标：水样中的细菌总数。
水样采集地点：津河（或其他河流）的上游、中游和下游。
实验设备：（1）采集容器：无菌玻璃或塑料容器，（2）量筒：100 mL量筒，（3）吸管：10 mL无菌吸管，（4)吸力锥形瓶，（5）无菌培养皿，（6）镊子。
试剂：质量分数为95％的酒精，琼脂培养基（蛋白胨20.0 g，明胶20.0 g，甘油10．0 g，琼脂15.0 g，蒸馏水1 L）
注意事项：
（1）应用已清洁灭菌的器具。
（2）所采样本具有代表性，且检验前不能受到污染。
（3）水样在运输过程中，应保持在低温状态。
（4）水样采集到检验时间不能超过24 h。
通过本实例的讲解，使学生初步学会微生物实验的基本操作方法和无菌操作的基本原则。
要点提示
本课程教学中应充分发挥学生自主学习的能力，在教学中强调启发学生的思维，鼓励学生集恩广益。培养学生思维的独立性和实验设计、实验操作、数据汇总的能力。
本课成功与否的关键在于课前准备是否充分，实验设计应具有合理性、易操作性，查阅的资料应丰富。
教学过程
一、以图表和学生的实验结果引入本课，启发学生思维
通过以上资料和实验结果，进行设问，引导学生总结资料，发现微生物在土壤、水体和空气中均有存在，实际上微生物是无处不在的。
由表2可以发现细菌总数和细菌形态在不同地区有所不同，这与河水的清洁程度有关。
二、运用电化教学手段，创造教学情境
叙述学生实验，描述不同微生物的形态，提出问题：为什么观察到的微小生物个体有的有核，有的没核？引出原核与真核微生物的区别，引导学生进行比较观察。
生物个体很小，为了便于学生加深印象，加强感性认识，应用多媒体图片展示多种微生物的形态。
1．细菌
运用图5-1讲解细菌的结构。细菌属原核生物，其基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区。
运用材料引导学生分析细胞壁的功能。（保护和维持细胞形状）。
材料一：将杆菌接入浓度为0.2 mol／L的蔗糖等渗溶液和盛有玻璃珠的三角烧瓶中，加以摇动，可使细胞壁破裂，细胞内容物流出。
材料二：将细菌用溶菌酶处理，除去细胞壁，并接入低渗溶液，无细胞壁的细胞膜就会破裂。这是因吸水过多而胀破的。
细菌核区的环状DNA控制着细菌的主要遗传性状，质粒上的基因与细菌的杭药性、固氮、抗生素生成有关。
介绍学生查阅的有关炭疽热的知识，讲解细菌的特殊结构：一般说，芽孢不起繁殖作用，只起度过不良环境的作用，芽孢对热、紫外线和许多有毒化学物质有很强的抗性。鞭毛与运动有关，不少细菌在细胞壁外具有荚膜，对细菌具一定的保护作用。
观察学生制作的菌落形态，结合表3进行分析。由于微生物个体很小，很难进行直接观察，而微生物群体——菌落具有大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等特征。如教材图5-3所示。
2．放线菌
通过多媒体手段，展示放线菌的形态。放线菌在自然界分布很广，在土壤、堆肥和湖底、河底的淤泥等处，尤其在土壤中种类和数量很多。其结构主要由菌丝组成，包括营养菌丝（基内菌丝）和气生菌丝。放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性抱子形式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子在适宜环境里发芽形成新的菌丝体。放线菌与许多抗生素的产生有关。
3.病毒
展示多种病毒图片，提出问题，分析病毒的结构特点。病毒的结构包括核酸、衣壳（合称核衣壳），衣壳的基本单位是衣壳粒，通常由1～6个多肽组成。某些病毒还包括囊膜，由蛋白质、多糖和脂类构成。有的病毒囊膜表面具有突起物，称刺突。衣壳具有保护病毒核酸，决定病原特异性等功能。病毒所具有的遗传物质或是DNA，或是RNA。
利用多媒体电化教学手段展示病毒增殖的过程，即吸附、注入、复制合成、组装、释放的过程。
阅读相关资料，了解艾滋病、流感、肝炎、烟草花叶病毒等产生的因素。
三、运用相关知识，进行实验设计，提高学生能力
指导学生应用微生物知识，测定公共场所中细菌总数，反馈教学效果。通过该实验，可以观察学生在实验设计、数据统计、菌落观察、实验分析等方面的能力。
公共场所空气中细菌总数检验方法
1．检验方法
自然沉降法 是指直径9 cm的营养琼脂平板在采样点暴露15 min，经37 ℃、8 h培养后计数生长的细菌菌落数的采样测定方法。
2．仪器和设备
高压蒸汽灭菌器、干热灭菌器、恒温培养箱、冰箱、平皿（直径9 cm）。制备培养基用一般设备：量筒、三角烧瓶、pH计或精密pH试纸等。
3．培养基
3.1 成分：蛋白胨10 g、牛肉浸膏10 g、氯化钠3 g。琼脂15～20 g，蒸馏水1 000 mL。
3.2 制法：将上述各成分混合，加热溶解，校正pH至7.4，过滤分装，121 ℃、20 min高压灭菌。用自然沉降法测定时，倾注约15 mL于灭菌平皿内，制成营养琼脂平板。撞击法参照采样器使用说明制备营养琼脂平板。
4．操作步骤
4.1 设置采样点时，应根据现场的大小，选择有代表性的位置作为空气细菌检测的采样点。通常设置5个采样点，即室内墙角对角线交点为1个采样点，该交点与四墙角连线的中点为另外4个采样点。采样高度为1.2～1.5 cm。采样点应远离墙壁1m以上，并避开空调、门窗等空气流通处。
4.2 将营养琼脂平板置于采样点处，打开皿盖，暴露5 min，盖上皿盖，翻转平板置36 ℃恒温箱中，培养48 h。
4.3 计数每块平板上生长的菌落数，求出全部采样点的平均菌落数。
参考资料
炭疽热
炭疽热是一种由炭疽热杆菌引发的急性传染病，它主要发生在野生或家养的低等脊推动物身上，例如牛、羊、骆驼和羚羊等反刍动物，人类感染炭疽热的概率很低，只有万分之一。容易感染的人群主要是那些有机会接触因炭疽热致死的动物尸体及其制品的人，例如牧场工人、屠宰场工人、制革工人和剪羊毛工人等。
炭疽热杆菌是一种细菌，而不是病毒。炭疽热杆菌可以形成孢子结构，孢囊具有保护功能，让细菌能够在自然界中长期存活。在那些掩埋死于炭疽热的牲畜的地方，杆菌孢子可以存活数十年。当动物或人类接触这些区域的时候，炭疽热杆菌孢子有可能进入其体内。杆菌孢子在营养环境下会以惊人的速度繁殖，它通常在有氧条件下生存，但在无氧条件下也可进行繁殖。炭疽热杆菌迅速增生扩散，并释放生物毒素，最终导致被感染的生物死亡。
感染炭疽热杆菌的人一般会在7 d之内出现相关症状，而根据感染途径的不同，炭疽热可以被分为三种主要类型：皮肤性炭疽热、呼吸性炭疽热以及肠道性炭疽热。
皮肤性炭疽热。大约95％的炭疽热患者是通过皮肤接触感染病菌的，炭疽热杆菌通过被切开或磨损的皮肤进入生物体内。感染初期生物体将出现有痒感的肿块，痒的程度要超过一般的蚊虫叮咬，随后将发展成1～3 cm的无痛感皮肤溃疡，溃疡的中央将形成炭疽热感染所特有的黑色腐肉。
炭疽热杆菌会通过坏死的皮肤和肌肉组织渗入血液循环系统，患者将出现浑身乏力、出虚汗、发烧、打冷颤、面色苍白、头痛、虚脱等症状，严重时还会出现休克。如果不采取及时的治疗措施，皮肤性炭疽热还是会导致死亡，死亡率为20％。
呼吸性炭疽热。炭疽热杆菌通过空气传播，进入生物的呼吸系统和肺部，再进入血液循环。患者会很快出现感冒或肺炎的症状，呼吸困难，有时还会伴随脑膜炎的发生。
这种类型的炭疽热感染概率非常低，但后果最为严重，患者可能会在不到48 h内丧生。其临床症状主要有发烧、全身不适、头痛、呼吸急促、咳嗽、鼻喉充血以及关节僵硬疼痛等。
肠道性炭疽热。食用感染了炭疽热杆菌且没有煮熟的肉类是此类炭疽热的主要传播渠道。
肠道性炭疽热因其感染部位的不同又可分为口腔—咽喉型和腹部型。前者属于上消化系统感染，患者的口腔和食道会出现溃疡，然后出现局部淋巴结肿大。败血症等症状。患者会感觉呼吸、吞咽困难。而后者则是下消化系统感染，初期症状是肠胃不适，患者会出现恶心、呕吐、腹痛，然后患者会开始便血，感到尖锐的疼痛，严重浮肿。由于肠胃黏膜坏死，患者开始呕血。开始出现症状后2至4天，忠者会产生腹水。肠道性炭疽热患者最终将死于大出血、电解液失调以及并发性休克。肠道炭疽热感染的死亡率为25％～60％。
其实，炭疽热现在已经并不可怕了，人类已经研制出疫苗和抗生素，可以有效防治炭疽热。但专家建议除非是易感人群，例如前面提到的农场工人、皮革工匠等，一般人不宜接受疫苗注射。原因之一是没有必要，人类感染炭疽热的概率非常低；而且至今仍没有有关人与人之间传染的报告。另外，疫苗可以使93％的受体产生抗体，但这不具备长期的保护作用，必须持续注射疫苗。还有就是，注射疫苗会产生比较强烈的副作用。
对于已经感染炭疽热的人，也没有必要害怕，这种疾病在感染初期非常容易治疗，只要发现及时，对症下药，感染者一般没有生命之忧。
艾滋病
1982年9月，美国疾病控制中心以“获得性兔疫缺陷综合症”为这种复杂的疾病命名，1983年，从一名同性恋艾滋病患者的淋巴结中分离到了新的病毒，研究证实这种病毒是引起艾滋病的病原体。1986年7月经国际病毒分类委员会命名为“人类兔疫缺陷病毒（Humon Immunedeficiency Virus）”，即艾滋病病毒，缩写HIV。
艾滋病是一种由艾滋病病毒侵入人体后破坏人体免疫功能，使人体发生多种不可治愈的感染和肿瘤，最后导致被感染者死亡的一种严重传染病。
艾滋病之所以猖狂于全球，就在于艾滋病病毒HIV侵入人体后直接侵犯人体免疫系统，攻击和杀伤的是人体免疫系统中最重要。最具有进攻性的T4淋巴细胞，使机体一开始就处于丧失防御能力的地位。艾滋病病毒一旦进入人体，就寄生于T4淋巴细胞内最核心的部位，并与细胞核的遗传物质DNA整合为一体，人体没有能力使其分开，更没有力量杀灭它，艾滋病就成为一种“病人基因”的病疾。艾滋病病毒随免疫细胞DNA复制而复制。病毒的繁殖和复制使兔疫细胞遭到破坏和毁灭，并放出更多的病毒。新增殖病毒再感染更多的细胞。就这样，病毒一代代地复制、繁殖，兔疫细胞不断死亡。
艾滋病病毒是一种不同于一般病毒的逆转录病毒，具有极强的迅速变异能力，而人体产生相应的抗体总落后于病毒的变异，因而无法阻止艾滋病病毒的繁殖和扩散，更何况人体免疫系统产生的抗艾滋病病毒抗体是毫无作战能力的非保护性抗体。艾滋病病毒的迅速变异能力也给目前特效药和疫苗研制工作造成了极大困难。艾滋病病毒对外界环境的抵抗力弱，离开人体后，常温下在血液成分泌物内只能生存数小时至数天，在自然条件下则不能存活。高温、干燥以及常用消毒药品都可以杀灭这种病毒。
疯牛病
医学上将疯牛病称为牛脑海绵状病，简称BSE。1985年4月，医学家们在英国首先发现了一种新病，专家们对这一世界始发病例进行组织病理学检查，并于1986年11月将该病定名为BSE，首次在英国报刊上报道。10年来，这种病迅速蔓延，英国每年有成千上万头牛患这种神经错乱、痴呆、不久死亡的病。此外，这种病还波及世界其他国家，如法国、爱尔兰、加拿大、丹麦、葡萄牙、瑞士、阿曼和德国。据考察发现，这些国家有的是因为进口英国牛肉引起的。
医学家研究证实，牛患BSE，是痒病传到牛身上所致。痒病是绵羊所患的一种致命的馒性神经性机能病。其实痒病的发生己有200余年的历史。
由于牛海绵状脑病和痒病同属于亚急性海绵状脑病，且认为痒病是牛海绵状脑病的原型，因此，对牛海绵状脑病致病因子的认识，大多来自于对痒病病原的研究。日前认为牛海绵状脑病的病原为痒病样纤维，这种纤维源自正常宿主编码蛋白，它的存在是牛海绵状脑病的一大特征，也说明是牛海绵状脑病的病原，它大小像病毒，可通过细菌滤器，但又有许多与病毒不一致的地方：
第一，对理化因素如热、电离和紫外线等具有很强的抵抗力，这就是痒病因子不因肉骨粉的炼制而灭活的原因，研究结果表明，该病原是一种类病毒，传染性颗粒的大小为50～200 nm，其核心部分是4 nm的细小纤维状物质，传染性颗粒为胶化纤维素样碎片联合纤维（SAF）或称作棒状蛋白质性感染性粒子。因为还未确定该病原的特异性蛋白和核酸，所以病原的实态还不清楚。该病原对理化因素比一般的细菌和病毒抵抗力强，对甲醛溶液、紫外线不敏感；对强酸强碱有很强的抵抗力，pH2.1～10.5时，用质量分数为2％的次氯酸钠或质量分数为90％的石碳酸经2 h以上才可灭活病原，在121 ℃中能耐热30 min以上。
第二，机体对感染牛海绵状脑病不产生兔疫应答，但不影响机体对其他感染的兔疫应答，这与中枢神经系统产生无免疫应答反应的性质是一致的，也是该病无血清学诊断方法的原因所在。很长的潜伏期，异常的稳定和缺乏免疫应答反应等特性是人们把这类病原体称为“非常规致病因子”的原因。
第二节 微生物的营养、代谢和生长
教学目标
1．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。
2．态度观念方面
（1）对学生进行科学方法和科学态度的教育。
（2）帮助学生建立理论联系实际以及学科内、学科间相互联系、相互渗透的观点；树立生物是统一整体以及辩证唯物主义的观点。
（3）培养学生合作精神。
3．能力方面
（1）在学习过程中，通过阅读、讨论、归纳，提高学生自主构建新知识的能力、思维能力以及用简约科学术语表达问题的能力。
（2）培养学生综合分析能力。
（3）培养学生利用已建立的知识解决实际问题的能力。
重点、难点分析
1．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；
（4）微生物群体生长规律及影响微生物生长的环境因素。
2．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。
设计思路
根据本节教材的知识内容和学生的认知水平，为促成学生知识与能力共同发展的目标，采取如下设计思路：
1．提供问题情境、探索目标，学生根据阅读、自学教材的知识内容，寻找、思考、归纳问题的答案。
2．教师作为指导者，在学生自主学习的过程中给予帮助、点拨；在交流知识的过程中，一方面引导学生准确表述学习成果，另一方面进一步提供问题情境，讨论深化学习内容，促进知识内化。
3．依据教学需要，适时出示图表，引导学生观察、思考、归纳，培养学生综合处理信息的能力。
4．教学中注意知识的获取过程，注重理论与实际的结合。
重点提示
1．异养微生物生长所需的碳源必须有有机物，生长所需的氮源不是必须由有机物提供，最常用的提供者是铵盐，硝酸盐等无机物；二氧化碳是自养型微生物生长的惟一或主要碳源，但自养型微生物不能以氮气作为生长的惟一或主要氮源，氮气是仅指固氮微生物在培养基缺乏化合态氮源条件下，可利用分子态的氮气作为氮源进行生长，这一点也是从众多微生物中分离固氮微生物的理论基础。
2．有些微生物需要额外补充生长因子才能正常生长，而有些微生物不需要从外界补充生长因子，因为它们能自行合成所需的物质。这一点在学习生长因子时要明确指出。
3．学习配制培养基原则和种类之前可以安排阅读书中小字部分“固体培养基发现”及补充培养基的概念，达到知识的自然过渡。
补充内容如下：培养基是人工配制的适用于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质，它是进行科学研究、发酵生产微生物制品等的基础；由于不同的微生物所需的营养种类、比例不同以及培养目的不同，选择的培养基种类也不同；科学家依据多年实践，总结出了培养基配制原则以及培养基的类型及应用，以适应不同的需要。
4．同学归纳总结学习目标时，教师要加强语言的的引导，适时点拨，使学生在思维的基础上尽可能准确表达。
5．依据学生情况，本节教学也可采取如下设计：改变学生的学习方式，尝试由学生通过阅读课本相关内容，自己确定学习目标、知识清单，然后同学问进行知识交流、相互补充，最后点拨归纳。这种方式对学生来讲有一定难度，但它对于学生学习能力及交流与合作能力的培养提供了良好途径。
教学过程
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。
元素 细菌 酵母菌 霉菌
碳 50 49.8 47.9
氢 8 6.7 6.7
氧 20 31.1 40.2
氮 15 12.4 5.2
磷 3 —— ——
硫 1 —— ——
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自养徽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86页内容，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页的内容。
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恬性？（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91页相关内容，阅读归纳发酵概念和种类。
板书设计
第一课时 板书设计
一、微生物的营养
（一）微生物需要的营养物质及功能
1．化学组成：C、H、O、N、P、S及其他元素组成
2．营养要素物质：碳源、氮源、生长因子、水、无机盐
（1）碳源：（见“教学过程”）
（2）氮源：（见“教学过程”）
（3）生长因子：
①化学本质：有机物：（主要）氨基酸、维生素、碱基
②含量：微量
③作用：一般是酶和核酸的组成成分
④补充原因：往往是缺乏合成某些物质所需的酶或合成能力有限
⑤概念：微生物生长不可缺少的微量有机物
（二）培养基配制原则（见“教学过程”）
（三）培养基种类（见“教学过程”）
第二课时 板书设计
二、微生物的代谢
1.特点：微生物代谢旺盛
2.微生物的代谢产物：初级代谢产物、次级代谢产物
3.微生物代谢的调节
4.微生物代谢的人工控制
5.发酵
第三节 发酵工程简介
教学目标
1．知识方面
（1）发酵工程的概念（知道）。
（2）发酵工程中培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等相关内容（知道）。
（3）有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的内容（知道）。
2．态度观念方面
（1）通过学习发酵工程的有关内容，培养学生理论联系实际的科学态度。
（2）通过学习有关发酵工程在医药工业和食品工业中应用的知识激发学生学习生物学的兴趣，提高学生把所学知识转化为技术，并服务于社会的STS意识。
3．能力方面
通过对发酵过程中菌种选育、发酵条件控制等相关内容的讨论，培养学生综合运用知识去解决实际问题的能力。
重点、难点分析
1．教学重点：
（1）通过对谷氨酸发酵实例的分析、讨论，使学生了解发酵工程的概念，了解菌种选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离、提纯等内容是本节的重点。
（2）让学生收集有关发酵工程应用的资料，并相互交流、讨论，使学生了解发酵工程在医药工业、食品工业中的应用知识也是本节的教学重点之一。
2．教学难点：
有关发酵工程的内容是本节教学的难点，因为这些内容中涉及了细胞工程、基因工程、杂菌污染对发酵工业造成的危害以及发酵条件对菌种代谢途径的影响等多点知识，比较繁杂，学生较难理解。
教学模式
启发讲解与学生讨论相结合。
教学手段
谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的代谢途径及发酵的的示意图的投影片，影响谷氨酸代谢途径的因素表格及谷氨酸发酵所用培养基的成分的表格。
课时安排
二课时。
设计思路
1．前期知识准备：
（1）复习有关谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径及其人工控制的内容。
（2）复习有关微生物群体生长的规律及影响微生物生长的环境因素的内容。
（3）复习有关微生物的营养、培养基、代谢产物等内容。
2．通过讨论谷氨酸发酵过程，使学生了解从菌种选育、培养基配制到产品生成等简要的发酵生产过程，了解发酵生产的主体设备发酵罐及其控制部分，并了解发酵工程的概念。
3．通过分析、讨论有关发酵过程的内容，使学生了解培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养接种、发酵过程和产品的分离、提纯等相关知识。
4．通过学生讨论、交流等活动，总结出发酵工程在医药工业和食品工业上的应用的知识。
教学过程
一、设疑引出新课题
前面我们学习了有关微生物的代谢的内容，我们知道了微生物的代谢是指微生物细胞内所发生的全部的化学反应。在微生物的代谢过程中，会产生多种多样的代谢产物，如氨基酸、维生素、抗生素等。而且，这些代谢产物又是我们人类所需要的。那我们能不能通过微生物的培养来大量生产各种代谢产物呢？这就是我们今天所要讨论的“发酵工程”。
二、进行新课
（一）介绍谷氨酸发酵的生产实例
教师活动：出示谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径的投影片，指导学生观察并作适当讲解。
讨论后教师小结如下：从投影片我们可以看出，谷氨酸棒状杆菌在一定的条件下能够利用环境中的营养物质来合成谷氨酸。下面我们就来看看在工厂里是怎样应用谷氨酸棒状杆菌来生产谷氨酸的。
提出问题：谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，是不是所有的谷氨酸棒状杆菌都可用于谷氨酸发酵生产呢？我们应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢？
教师活动：以前面出示的投影片为依托组织学生就所提问题进行讨论。
讨论后教师小结：只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。
提出问题：有了菌种用什么样的培养基去培养呢？
教师活动：通过复习有关培养基的知识，使学生理解培养基应满足微生物生长所需要的碳源、氮源、水、无机盐和生长因子等营养需求。
教师活动：出示谷氨酸发酵所需培养基的成分表格并指导学生观察、思考。
通过讨论使学生把培养基中的各种成分按照水、无机盐、氮源、碳源、生长因子的分类方法进行分类，进而得出这种培养基能满足谷氨酸棒状杆菌所需各种营养的结论。
提出问题：这种培养基从组成成分和物理性质上看属于哪种培养基？
通过讨论得出结论：从物理性质上看是液体培养基，从化学成分上看是天然培养基。
提出问题并组织学生讨论：在工业生产过程中常采用这种天然成分作为营养物质的液体培养基，这在发酵生产中有什么好处呢？
引导学生通过讨论得出以下结论：
（1）液体培养基能使营养物质在发酵过程中得到充分的利用，还能为菌体提供更大的生存空间。同时，也有利于生产过程中培养条件的控制以及产物的提取。
（2）采用天然物质作营养物质既能满足菌体的营养需求，又能降低生产成本，还能减少对环境的污染。
提出问题：有了菌种和合适的培养基，那发酵的主体设备又该是什么样的呢？
教师活动：出示发酵罐的示意图，并对发酵罐的组成结构进行简单介绍。通过介绍使学生了解发酵的主体设备由发酵罐及其控制部分构成。
提出问题：设备中的这些控制部分在生产过程中有什么用呢？
教师启发讲解使学生了解：在发酵过程中，发酵罐内的温度、pH、溶氧量都会变化，从而影响微生物的生长。因此，必须有相应的控制结构来保持发酵条件的稳定。
提出问题并指导学生阅读教材中有关内容：在发酵罐中是怎样进行谷氨酸发酵生产的？
师生共同总结出大致过程
在以上总结的基础上使学生了解发酵工程的概念，即采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程中的一种新技术。
（二）深入讨论发酵工程的相关内容
通过刚才的谷氨酸发酵的实例我们不难看出，发酵工程主要包括了菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等内容，对于发酵工程的这些内容我们应该注意些什么呢？
1．菌种的选育：
发酵工程是利用微生物为人类生产有用产品，因此要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。
提出问题：人们怎样才能得到优良的菌种呢？
教师活动：启发学生以基因突变、基因工程、细胞工程的有关内容为依托就所提出的问题进行讨论。
通过讨论得出结论：如果生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。
如果生产的是一般微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。
例如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。
2．培养基的配制：
要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意哪些事情呢？
教师活动：组织学生用以前学过的有关培养基的知识就所提问题进行讨论。通过讨论引导学生从以下几方面去理解：
（1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH。
（2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。
（3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
例如：发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆水解物以及乙醇、醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。
3．灭菌：
发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？
教师活动：组织学生讨论，通过讨论使学生认识到：在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。
例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。
提出问题：那如何防止杂菌的污染呢？
通过讨论得出结论：要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。
提出问题：怎样才算灭菌彻底呢？
通过讨论得出结论：用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。
4．扩大培养和接种：
工业发酵要想在较短的时间内得到大量的发酵产物，这无疑需要大量的菌体。如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢？这就需要经过多次的扩大培养。
提出问题：如何对菌种进行扩大培养呢？
教师活动：出示细菌的生长曲线示意图，并依托曲线就所提问题组织学生讨论。
通过讨论得出结论：扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。
提出问题：扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？
通过讨论得出结论：扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。
提出问题并组织学生讨论：有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？
通过讨论得出结论：接种过程中要注意防止杂菌污染。
5．发酵过程：
将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，是不是发酵生产就能顺利地进行呢？不是的！还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。这又是为什么呢？
通过教师启发和学生讨论了解：发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。
提出问题：哪些条件能影响菌体的发酵呢？
教师活动：让学生依据以前所学知识就所提问题展开讨论，并引导学生通过讨论得出结论：发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有重大影响。
提出问题：发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？
教师活动：出示影响谷氨酸代谢途径的因素表格，指导学生观察、分析，并组织学生就所提问题进行讨论。通过讨论使学生认识到：发酵过程中氧的溶量、pH、磷酸盐等都能影响谷氨酸代谢途径，从而影响代谢产物的合成。同时，随着代谢的进行，产热的增加、某营养物质的消耗，以及某些酸性和碱性物质的产生，会使温度、pH等发生变化，这些都会对微生物的生长造成不利影响。因此，需要对发酵过程的中温度、pH、溶氧量等发酵条件进行严格的控制，以保证菌体生长和代谢途径朝着有利人类的方向进行。
6．分离、提纯：
提导学生阅读课本中相关内容，再通过讨论使学生了解：发酵产物不同分离提纯的方法会有所不同，并总结出产物分离、提纯的一般方法。
第二课时
一、课前准备
1．组织学生以“发酵工程的过去、现在与未来”为主题展开调查活动，收集有关发酵工程发展过程的资料，了解当今世界及本地区发酵工程的现状和发酵工程的最新进展。了解发酵工业在世界及本地区的经济中的重要地位，展望发酵工业的未来前景。
2．组织学生以“我与发酵工程”为主题展开调查活动，收集与人们生活密切相关的发酵工程产品的相关资料。
发酵工程的应用：
复习发酵工程的相关内容以及发酵产品的种类并引出课题。
组织学生以“发酵工程的过去、现在与未来”为主题展开讨论和信息交流。
通过讨论使学生了解：发酵工程从20世纪40年代初逐渐兴起，50年代开始将代谢控制发酵技术和诱变育种技术应用于发酵工程。70年代，由于基因工程、细胞工程等生物工程技术的利用，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，80年代以后由于以计算机技术为代表的高科技手段应用于发酵工程，使发酵工程得以迅猛发展。在医药工业、食品工业、农业、冶金业、环境保护等许多领域得到了广泛的应用，逐渐形成了规模庞大的发酵工业。现在，发达国家发酵工业的总产值已占到国民生产总值的5％左右。
组织学生以“我与发酵工程”为主题展开讨论并相互交流。
二、进行新课
通过讨论使学生感受到发酵工程与人们的生活密切相关。并总结出发酵工程在以下几个方面的重要作用：
（一）在医药方面：
1．发酵工程能生产人们所需的药品。例如：通过青霉发酵能生产青霉素。
2．通过发酵工程能生产基因药品。例如：将合成的人的胰岛素基因转移到大肠杆菌细胞内构建成“工程菌”，再通过培养“工程菌”即可获得人的胰岛素。
（二）在食品工业方面：
1．发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。
如：生产呻酒，果酒等。
2．发酵工程能生产各种食品添加剂：
酸味剂：柠檬酸、乳酸等。
鲜味剂：谷氨酸等。
色 素：β-胡萝卜素等。
甜味剂：高果糖浆等。
3．发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。
例如：通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。
重点提示
1．关于谷氨酸发酵的简分，应注意引导学生用以前学过的有关微生物培养基的配制原则等知识，对谷氨酸发酵所用培养基的成分进行剖析，以培养学生理论联系实际的科学态度。
2．在关于菌种选育的教学过程中，要注意通过实例重点介绍基因工程在菌种选育上的作用，为后面介绍发酵工程在生产基因工程产品方面的应用作好铺垫，也为下一章有关生物工程间的相互联系的教学打好基础。
3．发酵过程中发酵条件的控制，应注意从影响谷氨酸代谢途径的因素进行分析使学生理解发酵条件控制的重要性。有条件的学校还可以针对发酵过程中有哪些因素可以使温度、pH等发酵条件发生改变展开讨论。
4．发酵工程的应用，可事先准备些实物、药品、标本等以供学生讨论时展示，可把一些学生不易查到的资料提前印发给学生以便于学生阅读学习。
板书设计
谷氨酸发酵：
发酵工程：略
发酵工程内容：
1．菌种选育
2．培养基配制
3．灭菌
4．扩大培养和接种
5．发酵过程
6．分离、提纯
发酵工程的应用：
1．发酵工程的概况
2．发酵工程的应用
在医药工业上的应用：
（1）生产药品
（2）生产基因工程药品
在食品工业上的应用：
（1）生产传统发酵产品
（2）生产食品添加剂
（3）解决粮食短缺，单细胞蛋白
第四节 酶工程简介
教学目标
1．知识方面
（1）酶工程的概念以及酶制剂的生产和应用的基础知识（知道）。
（2）使学生了解酶工程发展的概况。
（3）一些酶工程与基因工程，细胞工程和发酵工程之间具有相互交叉渗透的关系（知道）。
2．态度观念方面
（1）通过酶制剂在人们社会生活中的应用的学习，激发学生学习兴趣，培养学生理论联系实际的科学态度。
（2）通过了解生物工程在世界经济中的重要地位及未来发展前景，增强学生科技是第一生产力的认识。
3．能力方面
通过收集有关酶制剂在社会生活中的应用情况的资料、信息，培养学生获取信息的能力。
重点、难点分析
1．重点：
（1）通过学习使学生了解酶制剂生产中，酶的产生、提取和分离纯化，加工等生产过程及其简单原理是本节教学的重点之一。
（2）通过讨论引导学生了解酶工程与基因工程、细胞工程、发酵工程之间，具有相互交叉渗透的关系也是本节的教学重点内容。
2．难点：
（1）酶制剂生产中诸如酶的提取、固定化等原理，由于涉及到很多其他学科的知识，学生较难理解。因此，生产酶制剂的原理是本节的教学难点。
（2）酶制剂的应用中诸如尿糖试纸、酶传感器等的原理比较抽象，学生也很难理解，因此，酶制剂的应用及其原理也是教学难点。
教学模式
启发讲解与学生讨论相结合。
教学手段
酶制剂的标本，投影片等。
课时安排 一课时。
设计思路
1．前期知识准备：
（1）酶的概念及特性。
（2）酶的种类：胞内酶、胞外酶、组成酶、诱导酶。
2．通过对酶在生活中应用实例的讨论使学生了解酶工程的概念。
3．通过教师启发讲解使学生了解酶制剂的生产、提取和分离纯化以及固定化酶的相关知识。
4．通过事例分析总结出社会生活中酶制剂的用途。
5．通过讨论使学生了解生物工程各分支领域之间的关系。
6. 通过对生物工程未来的畅想使学生加深科学技术是第一生产力的认识。
重点提示
1．有关酶工程的资料学生接触的不是很多，可以让学生通过网络下载一些有关酶生产、运用方面的资料，经筛选后印发给大家。以便学生阅读和讨论；也可指导学生查阅诸如《现代生物技术及其产业化》等书籍，以了解生物工程的最新发展。
2．有关酶的生产、提取和分离、纯化及固定化酶，涉及的专业知识比较多。教师课上没有必要讲得太多、太深，但可以把一些资料提前印发给学生，以供有兴趣的学生参考。
3．对于生物工程各分支领域之间的关系，教师可通过对具体事例的讨论、分析让学生从中体会。
教学过程
一、设疑，引入课题
在我国，每年死于冠心病者约60万人，死于脑梗塞、脑溢血者约120万人，约有80％的病例是由于阻止血液流向大脑的凝血块引起而导致突发性死亡的。最近，天津市轻工学院研究人员从一种根霉中分离出了一种溶血栓的物质——“血栓溶解酶”，对血栓溶解活力很高，而对血细胞无分解作用，即有很强的专一性，用于治疗因血栓而引起的疾病起到了很好的实验效果。
那人们怎样把生物体内的酶提取出来，并应用到社会生活中去呢？这就是我们今天要讨论的“酶工程”所要达到的目的。什么是酶工程呢？
教师活动：展示酶工程产品的标本，并做适当介绍（加酶洗衣粉、溶菌酶针剂等）。
加酶洗衣粉，由于把从生物体内提取的蛋白酶、脂肪酶等多种酶加工成了固体酶制剂加入到了洗衣粉中，从而使洗衣粉能更有效地清除衣物上的污渍；溶菌酶制剂，由于加入了从生物体内提取、加工而成的液体溶菌酶制剂，所以对多种细菌有很强的抑制作用，因此，溶菌酶制剂常用于抗菌、消炎。这些都是酶工程的产品。
由此我们不难看出所谓酶工程就是将酶所具有的生物催化功能，借助工程手段应用于社会生活的一门科学技术。
二、进行新课
我们刚才看到了酶工程的产品——酶制剂有固态的也有液态的，那这些酶制剂是怎样产生的呢？
（一）酶制剂的生产。
我们知道，酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，它广泛存在于动植物和微生物的体内。如猪的胰脏中有蛋白酶，大麦麦芽中有淀粉酶，人们是怎样获取这些酶的呢？
通过启发引导和讨论得出如下结论：
1．可以采用一定的技术直接从动植物或微生物的组织、细胞中将酶提取出来。
例如：在屠宰厂，可以从家畜胰脏中提取出胰酶；在水果加工厂，可以从菠萝皮中提取出菠萝蛋白酶。
2．可以通过微生物发酵获得所需要的酶。如果是胞外酶，可以从发酵液中直接提取；如果是细胞内酶，则可将细胞弄碎再经过提取纯化而得到。
3．对已知分子结构的酶，可以用人工合成法获得。
提出问题并启发学生思考：从生物体的细胞或组织中提取出来的酶，能不能直接用于催化化学反应呢？
通过启发讲解使学生了解：提取出来的酶还要经过分离、纯化，再加入适量的稳定剂和填充剂，制成相应的酶制剂后才能用于催化化学反应。
提出问题引导学生思考：酶制剂的生产成本是较高的，很多酶制剂却只能用一次，而且，如果将酶制剂直接用于催化化学反应，反应结束后酶制剂会和反应的产物混合在一起。酶制剂既不能重复使用，也影响了产物纯度。怎样才能解决这个难题呢？下面我们就来看看科学家们是如何解决的。
教师活动：出示酶的固定方式示意图，指导学生观察，井作适当的的讲解。
通过启发讲解使学生了解：科学家是通过固定酶来解决酶不能重复使用和影响产物纯度这个难题的。即将分离纯化后的酶固定到一定的载体上，形成固定化酶。使用时，将固定的酶投放到反应溶液中，催化反应结束后又能将固定的酶回收。这样，既可反复使用又不影响反应物纯度。
固定酶的方法：
1．将酶吸附在固体表面上。
2．将酶相互连接起来。
3．将酶包埋在细微网格里。
教师活动：通过小结，概括出酶制剂生产的大致过程。
（二）酶制剂的应用
教师活动：组织学生以“酶制剂在社会生活中的应用”为主题展开讨论，交流收集到的资料、信息、并引导学生通过讨论概括出酶制剂的主要用途。
1．酶制剂可用于治疗疾病。
从曲霉中提取的淀粉酶可用于治疗消化不良、。溶菌酶可用于抗菌、消炎。尿激酶可用于治疗血栓病。
2．酶制剂可用于加工生产一些产品。
（1）用于食品加工：果胶酶可用于澄清果酒和果汁。用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉，可以使肉丝肉片等烹调后吃起来嫩滑可口。
（2）用于生产一些药品：青霉素酞化酶可用于生产氨卞青霉素。
3．酶制剂可用于化验诊断和水质监测。
有关这部分内容的讨论，教师可以先做如下的演示实验：
在几条尿糖试纸上分别滴上两滴不同浓度的葡萄糖溶液。并让学生对比几条试纸上所出现的不同颜色。
再通过启发讲解使学生了解尿糖试纸中葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶用于检测尿糖的原理。
由此可以看茁，葡萄糖的量不同产生的氧气量则不同。进而，氧化而成的颜色也就不同。
以上述的原理为依托启发学生理解尿糖快速测试仪——酶传感器的原理：不同浓度的葡萄糖，在固定化酶膜上的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的作用下产生不同浓度的氧气。再通过变换器，将氧气的变化量转换成电信号在显示器上反映出来。这样，就可以快速检测出尿液中尿糖的含量。
再通过启发、讲解使学生理解：用不同的固定化酶可以制成不同类型的传感器，用于化验和检测。例如：科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器。这种传感器可以快速检测出水中质量分数仅有百万分之二的酚。
4．酶制剂可用于生物工程其他分支领域。
通过回忆基因工程和细胞工程的相关知识使学生了解：基因工程离不开内切酶和连接酶；植物细胞工程中体细胞杂交离不开纤维素酶和果胶酶；动物细胞的培养过程中，防止细胞黏连离不开胰蛋白酶。这些酶都是用酶工程的方法来生产的。
（三）各分支领域之间的关系
提出问题：到现在为止，我们先后讨论了基因工程、发酵工程、细胞工程、酶工程，那么生物工程中的这些分支之间存在着怎样的联系呢？
教师活动：组织学生以用大肠杆菌通过发酵工程生产人的胰岛素的过程为例，就前面所提问题展开讨论。
通过讨论使学生理解：人们要想获得某些生物工程产品，往往要用基因工程和细胞工程的方法首先对物种进行定向的改造，再通过发酵工程的方式来实现人们的愿望。而基因工程和细胞工程中所需的酶往往要靠酶工程来获得。当然，酶工程中酶的生产一般也需要通过微生物发酵的方法来进行。
在此基础上概括出生物工程各分支领域的相互关系：既相互独立，又有错综复杂的联系。在生物工程的研究，开发和产业化过程中要靠彼此合作来实现。随着生物工程的发展，各分支领域的界限会趋于模糊，相互交叉渗透，高度结合的趋势会越来越明显。
最后教师以“生物工程的现在和未来”为题让学生展开讨论，通过讨论使学生了解生物工程在当今世界的发展现状和未来的发展趋势，以及在世界经济中的重要地位，加深科技是第一生产力的认识。从而激发学生的创造欲望和学习兴趣
板书设计
第四节 酶工程简介
一、酶制剂的生产
二、酶制剂的应用
1．用于治疗疾病 3．用于化验诊断和水质监测
2．用于加工和生产产品 4．用于生物工程其他分支领域
三、生物工程各分支领域之间的关系：略
参考资料—生物酶制剂研究出现新的增长点
新型酶制剂的研究开发引起科学工作者和产业部门的重视。这里仅介绍三方面的生物酶在国内外研究取得的重要进展。
1．基因工程菌生产的植酸酶
中国农业科学院饲料研究所姚斌博士研究组与该院生物技术研究中心范云六院士研究组进行合作研究，共同开发成功一种高效农用酶制剂——植酸酶，它是通过基因工程技术建构的“工程毕赤酵母”，引入的植酸酶基因获得高效表达，产酶能力稳定，大大提高了值酸酶的产率，5 L发酵罐试验，酶产量达到10-5 mg/mL，比原植酸酶产生菌如黑曲霉产量高3 000倍以上，比国外报道的“工程菌”产酶量也高50倍以上。己进入试生产，其研究结果以及生产工艺等均己通过有关专家鉴定，居国际先进水平。这项研究成果完全可以转化为现实生产力，实现工业化生产。这不仅使饲料工业普及利用植酸酶添加剂成为现实，而且由于该产品效价高，成本低于国外同类产品，因此，首次在我国诞生的这种高效“工程菌”植酸酶很有开发潜力，它的发展与应用，其产品实现产业化、商品化、国际化，完全有可能改变植酸酶世界生产的格局，同时也将改写植酸酶世界产品的售价，将为饲料工业带来革命性变革，并使各类养殖业的蓬勃发展呈现繁荣的新景象。
2．高等动物产生的端粒酶
于1984年在人体生殖细胞中的染色体顶端发现的这种酶，称之为端粒酶，它能修复受损伤的染色体端粒，并使其缩短过程减缓（多数人体细胞在胎儿发育期就停止制造这种酶）。正因为此酶有这种功能作用，因此，有可能用这种酶为延续人体衰老带来希望。有专家认为，染色体端粒结构缩短与人的寿命长短有关系，可以说是个决定因素。染色体端粒结构随着细胞的每一次分裂而逐渐变短，细胞分裂40～90次以后，这些端粒最终仅剩下一个端粒，正是这种端粒之长短成为衡量细胞寿命的标尺。在英国，一家研究所的研究人员还发现染色体端粒变短之后，不仅其稳定性下降，且易发生突变，在患癌症者当中突变比卒较高，从此也说明端粒之变异与癌症发生有一定联系。英国研究者在癌细胞中发现有端粒酶的存在，它使癌细胞无限制地分裂增多，因而激活人体端粒酶也不会延长寿命，反而导致癌症的发展和延续。与此同时，也有发现关闭端粒酶的基因存在有可能使端粒酶失去保护癌细胞之功能。当此酶失去功能时，癌细胞如同普通细胞一样正常化，而癌细胞无法进一步扩散；另外，还发现“染色体-3”为特殊的基因组，它能阻止此酶在乳腺肿瘤中继续作用。另有报道指出，这一发现不仅为癌症等疾病的基因治疗有可能提供新的方法，而且使那些无法继续分裂的细胞仍可继续分裂。这样，既可防止细胞个体衰老又可使其寿命延续。如果向衰老的人体细胞中加入端粒酶可使不分裂细胞维持继续分裂、恢复生机以及寿命得到延续的话，那么有可能利用端粒酶制成酶制剂，作为一种药物用于防止人体细胞衰老而永葆青春，但必须看到，端粒酶的利与弊，还有好多题有待在21世纪做进一步探究。
3．经“定向进化”技术改进的各种酶
所谓定向进化是在分子水平培育具有所需要物的生物，可以在试管里进行无性繁殖或有性繁殖，其实质是研究所需生物的特定基因或蛋白质，而不是整个有机体。换言之，即把某种自然产生的化合物放入快速进化的过程中，可以在几星期或几个月增强基因或蛋白质的某种特性，将可用于制造副作用更小的新药物、营养价值高的作物品种，或更有益于环境的化学加工等等。这是在完全实施人工控制以更有效地服务于人类。据美国《商业周刊》（1999．9．27）介绍，定向进化技术的应用为改进酶制剂（或其他药物）发挥了极其重要作用。如某些化学合成所用的酶，要求洁净，选择性强，“定向进化”技术得以有效应用。美国研究人员从高温极端环境（美国黄石公园）中分离到一种微生物，从中提取高温酶，再经“定向进化”改造，可使该酶的活性提高3．9万倍。还有在工业上得到应用的源于枯草芽孢杆菌的蛋白酶，经“定向进化”技术改进后，能使其在高温条件下或在碱性溶液中的活性提高2倍。
总之，生物酶及其制剂经高新技术的改造后使其效价或酶活成倍地提高，使其在工业、农业、医药等诸多领域的应用取得更好的效益，有着广阔的开发前景。
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