(免费)2011高三生物三轮突破课件：专题四　微生物的类群、营养与代谢（含生物固氮）

(共70张PPT)
小专题四　
微生物的类群、
营养与代谢(含生物固氮)
核心考点整合
考点整合一：细菌的结构和繁殖
1．微生物
(1)定义：人们把形体微小、结构简单、通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚的生物，统称为微生物。
(2)种类：包括病毒界、原核生物界、真菌界、原生生物界的生物。
2．细菌的结构和繁殖
(1)细菌的结构
结构名称 主要成分及作用

基
本
结
构 细胞壁 主要成分是肽聚糖，保护细胞和维持细胞形状
细胞膜 蛋白质分子和磷脂分子
细胞质 胶状物，内有核糖体、质粒和一些贮藏性颗粒
拟核 一个大型环状的双链DNA分子，控制着细菌的主要遗传性状
特殊结构 荚膜 有保护细菌的作用，一般是由水、多糖或多肽组成

芽孢 某些细菌在体内形成的一个能抵抗外界不良环境条件的休眠体

鞭毛 运动功能

(2)细菌的繁殖：主要以二分裂的方式进行繁殖。
(3)菌落
①概念：当单个或少数细菌在固体培养基上大量繁殖时，形成的具有一定形态结构的子细胞群体，叫做菌落。
②特征：不同种类的细菌所形成的菌落，在大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等方面具有一定的特征。
③应用：可以作为菌种鉴定的依据。
特别提醒：
1．真菌中的蘑菇、银耳、木耳等大型食用真菌，虽然个体较大，但仍属于微生物。
2．青霉素对细菌的作用
青霉素能抑制细菌细胞壁的合成，导致细菌细胞破裂死亡，但是对真菌细胞壁的合成没有影响。因此，可用含青霉素的培养基分离出同细菌混杂在一起的真菌。
3．细胞器与微生物生理的关系
(1)能合成蛋白质的细胞中一定含有核糖体，因此，细菌体内含有核糖体(惟一的细胞器)；
(2)能进行光合作用的生物细胞内不一定含有叶绿体(光合细菌能进行光合作用，但不含叶绿体)；
(3)能进行有氧呼吸的生物，细胞内不一定含有线粒体(好氧型细菌可进行有氧呼吸)。
4．细菌的质粒
细菌的质粒是一个小型的环状DNA分子，上面有几个到几百个基因，控制着细菌的抗药性、固氮、抗生素生成等性状。基因工程中常用细菌的质粒作为运载体。
5．微生物类群不同角度的分类比较
分类依据 种类 举例
按结构
复杂程度 非细胞结构的生物 病毒
原核生物 细菌、放线菌、蓝藻、支原体等
真核生物 真菌类和原生生物类等
按同化
作用类型 自养型 硝化细菌、蓝藻、铁细菌等
异养型 腐生型 大多数细菌、放线菌、真菌等
寄生型 病毒、胞内寄生菌等
在生态系统
中的成分 生产者 硝化细菌、蓝藻、衣藻等
消费者 根瘤菌、寄生菌等
分解者 营腐生的细菌、放线菌、真菌等
【典例1】　下列有关生物甲和乙的说法正确的是(　　)
A．1和6的化学组成相同
B．3和5可以作为基因工程中基因的运载体
C．2和5的化学组成相同
D．甲的遗传信息位于2和3上，乙的遗传信息位于4和5上
[解析]　生物甲为细菌，乙为病毒。1为细胞壁，其主要成分为肽聚糖；2为拟核、3为质粒，二者的化学成分为DNA；4为衣壳，成分为蛋白质；5为核酸，成分为DNA或RNA；6为囊膜，由蛋白质、多糖和脂类构成。
[答案]　B
【互动探究1】　下列有关微生物的叙述，不正确的是(　　)
A．痢疾杆菌的抗药基因、圆褐固氮菌的固氮基因位于质 粒上
B.根瘤菌和圆褐固氮菌都是异养需氧型生物
C．乳酸菌和硝化细菌细胞内都不含线粒体，因此只能进行无氧呼吸
D．细菌与酵母菌相比，在细胞结构上的显著区别是没有由核膜包围的细胞核
[解析]　细菌的抗药性、固氮、抗生素的生成等性状受质粒上的基因控制。圆褐固氮菌属于自生固氮菌，但不是自养生物，它依靠分解土壤中的有机物获取能量，从而进行固氮。硝化细菌体内虽然没有线粒体，但是具有有氧呼吸酶系统，因此可以进行有氧呼吸。酵母菌为真核细胞，具有细胞核。
[答案]　C
考点整合二：微生物的营养
1．微生物需要的营养物质及功能
营养物质 定义 作用 主要来源
碳源 凡能提供所需碳元素的营养物质 用于合成微生物的细胞物质和一些代谢产物、能源 葡萄糖、CO2、NaHCO3、脂肪酸、花生粉饼、石油等
氮源 凡能提供所需氮元素的营养物质 合成蛋白质、核酸及含氮产物 铵盐、硝酸盐、分子态氮、氨、尿素、牛肉膏、蛋白胨等
生长因子 生长不可缺少的微量有机物 组成酶、核酸的成分 维生素、碱基、氨基酸、酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液等
水和无机盐 (略) (略) (略)
2.培养基的配制原则
原则 基本内容 举例
目的要明确 根据所培养的微生物的种类、培养目的等选择原料 自养型微生物的培养基可由简单的无机物组成
营养要协调 注意各种营养物质的浓度和比例 谷氨酸生产中，C?N＝4?1时，菌体大量繁殖；C?N＝3?1时，谷氨酸合成量大增
pH要适宜 各种微生物适宜生长的pH范围不同 细菌的最适pH为6.5～7.5放线菌的最适pH为7.5～8.5真菌的最适pH为5.0～6.0
3.培养基的种类
依据 种类 加入的特殊成分 用途
物理
性质 固体培养基 加入凝固剂 用于微生物的分离、计数等
半固体培养基 加少量凝固剂 观察微生物的运动、鉴定菌种等
液体培养基 不加凝固剂 用于工业生产
化学
性质 天然培养基 根据需要加 用于工业生产
合成培养基 根据需要加 用于微生物的分类、鉴定等
用途 选择培养基 加某种化学物质 分离所需微生物
鉴别培养基 加一定的指示剂或化学药品 鉴别不同微生物
总结提升
1．微生物、动物、植物所需营养物质的比较
项目 动物(异养) 微生物 绿色植物(自养)
异养 自养
碳源 糖类、脂肪 糖、醇、有机酸等 二氧化碳、碳酸盐等 二氧化碳、碳酸盐
氮源 蛋白质或其降解产物 蛋白质或其降解产物、有机氮化物、无机氮化物、氮 无机氮化物 无机氮化物
能源 与碳源同 与碳源同 氧化无机物或利用光能 利用光能
生长因子 维生素 一部分需要维生素等生长因子 不需要 不需要
无机盐 无机盐 无机盐 无机盐 无机盐
水分 水 水 水 水
2.微生物的营养类型
营养
类型 能源 基本碳源 实例
光能养型自 吸收光能，产生ATP CO2或碳酸盐 蓝藻、紫硫细菌
光能异养型 吸收光能，产生ATP CO2及简单有机物 红螺菌
化能自养型 氧化H2S、NH3、Fe2＋等获得能量 CO2 硝化细菌、硫细菌、铁细菌
化能异养型 分解有机物获得能量 有机物 绝大多数细菌、全部真核微生物
3.常见微生物分离及应用的实验设计
(1)利用选择培养基设计实验分离纯化微生物。
①真菌：用含青霉素的培养基分离。
②金黄色葡萄球菌：用含高浓度食盐水的培养基分离。
③固氮微生物：用无氮培养基分离。
④自养型微生物：用含无机碳源的培养基分离。
⑤光合细菌：用含无机碳源的培养基在无氧而有光照的环境中分离。
⑥厌氧型和兼性厌氧型微生物：用普通培养基在无氧条件下分离。
⑦乳酸菌：用乳酸含量较高，pH较低的普通培养基分离。
⑧大肠杆菌：用伊红和美蓝培养基分离。
⑨假单胞杆菌：用石油作为惟一碳源的培养基分离。
(2)利用鉴别培养基检验自来水中的大肠杆菌是否超标。
(3)探究微生物生长所必需的生长因子种类。
把需要研究的微生物培养在基本培养基上，然后在部分培养基中添加某物质后观察是否可以正常生长。
【典例2】　(2011·广西调研)甲、乙、丙是三种微生物，下表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是用来培养微生物的三种培养基。甲、乙、丙都能在Ⅲ中正常生长繁殖；甲能在Ⅰ中正常生长繁殖，而乙和丙都不能；乙能在Ⅱ中正常生长繁殖，甲、丙都不能。下列说法正确的是(　　)
粉状硫10 g K2HPO44 g FeSO40.5 g 蔗糖10 g (NH4)2SO40.4 g H2O100 mL MgSO49.25 g CaCl20.5 g
Ⅰ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋
Ⅱ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋
Ⅲ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
A.甲、乙、丙都是异养微生物
B．甲、乙都是自养微生物，丙是异养微生物
C．甲是固氮微生物，乙是自养微生物，丙是异养微生物
D．甲是异养微生物，乙是固氮微生物，丙是自养微生物
[解析]　碳源、氮源、水、无机盐是任何一种微生物正常生长所必需的营养物质，培养基Ⅰ中不含氮源，说明只有固氮微生物在该培养基上生长；培养基Ⅱ中不含有机碳源，说明只有自养微生物能在该培养基上生长。
[答案]　C
【互动探究2】　(2011·福建质检)下表是为培养某类微生物而配制的培养基的成分组成，有关叙述正确的是(　　)
编号 成分 含量
① NH4HCO3 0.4 g
② KH2PO4 4.0 g
③ FeSO4 0.5 g
④ CaCl2 0.5 g
⑤ H2O 100 mL
⑥ 维生素 少量
A.该培养基从物理性质来看，属于固体培养基
B．运用上述培养基可以培养自养型微生物
C．运用此培养基可以成功地进行植物无土栽培
D．该培养基中NH4HCO3只提供氮源
[解析]　该培养基上没有现成的有机物，但C源、N源、生长因子、水、无机盐都有，只能培养自养型微生物。培养基中未加琼脂，应为液体培养基。此配方中植物所必需的矿质元素不齐全。NH4HCO3也可以做碳源。
[答案]　B
考点整合三：微生物的代谢
1．微生物代谢的概念和特点
(1)概念：微生物的代谢是指微生物细胞内所发生的全部化学反应。
(2)特点：由于微生物表面积与体积的比很大，因此微生物的代谢异常旺盛，能够迅速与外界环境进行物质交换。
2．微生物的代谢产物
产物名称 初级代谢产物 次级代谢产物
不同点 作用 生长繁殖所必需 对自身无明显生理作用
产生阶段 一直产生 生长到一定阶段产生
化学结构 较简单 十分复杂
特异性 无 有
分布 细胞内 细胞内或外环境中
举例 氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等 激素、色素、毒素、抗生素等
相同点 均在微生物细胞的调节下，有步骤产生
3.微生物代谢的调节
(1)酶合成的调节
项目 存在 合成 举例(大肠杆菌)
酶 组成酶 一直存在 只受遗传物质控制 分解葡萄糖的酶
诱导酶 诱导产生 既受遗传物质控制，又需诱导物诱导 分解乳糖的酶
意义 既保证了代谢的需要，又避免了物质和能量的浪费，增强了微生物对环境的适应能力
(2)酶活性的调节
①通过改变已有酶分子结构来改变酶催化活性，从而调节代谢速率，属于变构调节，反馈调节，具有可逆性。
②调节酶活性的物质是酶所催化的化学反应的产物，可以是酶的直接催化反应产物，如谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的调节；也可以是间接产物，如苏氨酸和赖氨酸对天冬氨酸激酶活性的调节。
③对一种酶活性调节可以是一种产物起作用，也可以是两种产物共同起作用。
4．微生物代谢的人工控制
(1)目的：最大限度地积累对人类有用的代谢产物。
(2)措施
①改变微生物的遗传特性(诱变、重组、改变膜的透性等，属于内因控制)；
②控制生产过程中的各种条件(如温度、pH、O2等，属于外因控制)。
控制对象 控制方式
溶氧 对需氧型生物要保证氧的供应，厌氧型生物要限制氧气条件，以通气量和搅拌速度来控制溶氧
pH 加酸、加碱或加缓冲液
温度 注意降温，使温度控制在所培养微生物的最适生长(或生产)温度
5.发酵
(1)概念：通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。
(2)种类
①根据培养基的物理状态，分为固体发酵和液体发酵。
②根据所生成的产物，分为抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等。
③根据发酵过程对氧的需求情况，分为厌氧发酵和需氧发酵。
归纳总结：
1．(诱导)酶合成的调节和酶活性的调节的比较
项目 (诱导)酶合成的调节 酶活性的调节
区别 调节的对象 诱导酶 组成酶和诱导酶的催化作用
调节的机制 本质是基因在诱导物的作用下控制酶的合成 代谢产物与酶可逆性结合，使酶的结构发生可逆性改变
调节的结果 细胞内酶的种类增多 细胞内酶的活性发生变化
调节的特点 间接而缓慢 直接、精细而迅速
调节水平 基因水平的调节 代谢水平的反馈调节
意义 既保证代谢需要，又避免物质和能量的浪费，增强适应性 避免代谢产物大量积累
联系 细胞内两种调节方式同时存在，密切配合，共同控制代谢的正常进行
2.组成酶与诱导酶的关系
组成酶与诱导酶是两个相对的概念，一种酶在某种微生物体内是组成酶，在另一种微生物体内可能是诱导酶。组成酶和诱导酶都是胞内酶，同种微生物在不同环境中产生的组成酶相同，诱导酶不同。
【典例3】　(2010·安徽理综)大肠杆菌可以直接利用葡萄糖，也可以通过合成β－半乳糖苷酶将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖加以利用。将大肠杆菌培养在含葡萄糖和乳糖的培养基中，测定其细胞总数及细胞内β－半乳糖苷酶的活性变化(如图)。据图分析，下列叙述合理的是(　　)
A．0～50 min，细胞内无β－半乳糖苷酶基因
B．50～100 min，细胞内无分解葡萄糖的酶
C．培养基中葡萄糖和乳糖同时存在时，β－半乳糖苷酶基因开始表达
D．培养基中葡萄糖缺乏时，β－半乳糖苷酶基因开始表达
[解析]　图中曲线变化表明：0～50 min期间，细胞数目一直在增加，50 min后一段时间后，细胞数目不变，之后，β－半乳糖苷酶才表现出生物活性，将乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，细胞数目继续增加。因而可确定分解葡萄糖的酶一直存在，分解乳糖的酶(β－半乳糖苷酶)在葡萄糖缺乏时才开始合成。酶的合成受基因控制，β－半乳糖苷酶基因一直存在。
[答案]　D
[点拨]　此题考查学生获取信息的能力，中等难度，属于考纲获取信息能力层次。解决本题的关键是考生能从图中准确提取信息，进而作出正确判断。
【互动探究3】　某种细菌合成某种氨基酸的代谢调节示意图如下，甲、乙、丙、丁表示合成氨基酸的前体物质，①②代表代谢的调节方式，③④代表生理过程。下列说法正确的是(　　)
A．调节方式①属于酶合成的调节，酶Ⅰ是组成酶
B．调节方式②属于酶活性的调节，氨基酸M能使酶Ⅱ的结构发生改变
C．过程③④分别发生在该生物的细胞核、细胞质中
D．调节方式①比②快速而精细
[解析]　本题综合考查了组成酶、诱导酶的区分，以及代谢调节方式的判断。①属于酶合成的调节(底物诱发基因表达，产生酶Ⅰ)，酶Ⅰ属于诱导酶；②属于酶活性的调节(产物作用于酶Ⅱ，与酶Ⅱ结合使其结构发生改变，必致其活性改变)，该调节是一种快速、精细的调节方式。题目中明确指出该图为细菌代谢调节示意图，而细菌的转录发生于拟核而不是细胞核。
[答案]　B
考点整合四：生物固氮
1．生物固氮的概念
固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程。
2．固氮微生物的类型
种类 举例 与豆科植 物的关系 代谢 类型 固氮 产物 对植物 的作用
共生固氮
微生物 根瘤菌 共生，具 有专一性 异养需
氧型 氨 提供氮素
自生固氮
微生物 圆褐固
氮菌 无 异养需
氧型 氨 提供氮素 和生长素
方法突破：
1．对固氮微生物的认识和理解
(1)从细胞类型看：均为原核生物，包括固氮细菌、固氮蓝藻及固氮放线菌等。
(2)从代谢的同化类型看：有些固氮微生物为自养型如蓝藻，有些则为异养型如根瘤菌、圆褐固氮菌等。
(3)从代谢的异化类型看：大多数固氮微生物为需氧型，如根瘤菌、圆褐固氮菌等，而有些则为厌氧型。
(4)从生态学角度看：有些固氮微生物必须与其他生物共生时才能固氮，而且其共生生物有时具专一性，如根瘤菌只能与豆科植物共生，而有些固氮微生物则可自行独立固氮，与其他生物无依存关系，如圆褐固氮菌。
(5)从生态系统成分看：根瘤菌是消费者，圆褐固氮菌是分解者。
2．根瘤和根瘤菌
根瘤是根内部的一些薄壁细胞受到根瘤菌分泌物的刺激，不断进行细胞分裂，从而使该处的组织逐渐膨大，形成的瘤状结构。根瘤菌是形成根瘤的微生物，只有在根瘤内根瘤菌才能固氮，分布在土壤中的根瘤菌不能固氮。
3．自生不等于自养、共生不等于异养
自生固氮微生物大多为异养型，如巴氏梭菌、圆褐固氮菌。共生固氮微生物也有自养的，如与满江红共生的某种蓝藻(鱼腥藻)即为自养型。
【典例4】　圆褐固氮菌和根瘤菌的共同特点是(　　)
①都是异养生物　②都能分泌生长素　③都能将氮还原为氨　④都能够与大豆共生　⑤都是原核生物
A．①③⑤　　　　　　　 B．②③⑤
C．①④⑤ D．②④⑤
[解析]　本题主要考查了两种固氮微生物的代谢等相关知识。圆褐固氮菌和根瘤菌都是异养生物；圆褐固氮菌能分泌生长素而根瘤菌不能分泌生长素；圆褐固氮菌和根瘤菌都为固氮菌，都能将氮还原为氨；根瘤菌能够与大豆共生而圆褐固氮菌为自生固氮微生物；圆褐固氮菌和根瘤菌都为细菌，属于原核生物。
[答案]　A
[规律总结]　对于组合选择题，可采用排除法进行解答。如上题中，能肯定“④都能够与大豆共生”是错误的，那么，就可以排除包含了“④”的C、D两项，如果能肯定“①都是异养生物”正确，那么，正确答案一定包含了“①”的选项中。
【互动探究4】　下列有关生物固氮的叙述，正确的是(　　)
A．生物固氮是大气中的氮进入生物群落中的惟一途径
B．根瘤菌可从根瘤中直接获得，难以用无氮培养基筛选到
C．若能将大豆的固氮基因转移到小麦，将大大减少小麦的栽培成本
D．根瘤菌的有机物全部来自豆科植物，豆科植物的氮营养全部来自根瘤菌
[解析]　大气中的氮进入生物群落有三种方式，即生物固氮、高能固氮和工业固氮，生物固氮不是惟一途径；根瘤菌是共生固氮菌，在无氮培养基中不能生长；大豆无固氮基因，其氮源主要是来自与其共生的根瘤菌所固定的氮素；豆科植物的氮营养不是全部来自根瘤菌，应该是大多数来自根瘤菌。
[答案]　B
高考链接
1.(2010·北京理综)下列对生物细胞代谢活动的描述，不正确的是(　　)
A．大肠杆菌在拟核区转录信使RNA
B．乳酸杆菌在细胞质基质中产生乳酸
C．衣藻进行光合作用的场所是叶绿体
D．酵母菌的高尔基体负责合成蛋白质
解析：本题主要考查生物细胞代谢活动的相关知识。A项，大肠杆菌属于原核生物，由原核细胞构成，原核细胞没有成形的细胞核，转录发生在拟核区；B项，乳酸属于无氧呼吸的产物，无氧呼吸的场所是细胞质基质；C项，衣藻属于单细胞低等植物(真核生物)，因而光合作用的场所是叶绿体；D项，酵母菌属于真核生物中的真菌类，其蛋白质合成的场所是核糖体，不是高尔基体。
答案：D
2．(2010·全国Ⅱ)某种细菌体内某氨基酸(X)的生物合成途径如图：
这种细菌的野生型能在基本培养基(满足野生型细菌生长的简单培养基)上生长，而由该种细菌野生型得到的两种突变型(甲、乙)都不能在基本培养基上生长；在基本培养基上若添加中间产物2，则甲、乙都能生长；若添加中间产物1，则乙能生长而甲不能生长。在基本培养基上添加少量的X，甲能积累中间产物1，而乙不能积累。请回答：
(1)根据上述资料可推论：甲中酶________的功能丧失；乙中酶________的功能丧失，甲和乙中酶________的功能都正常。由野生型产生甲、乙这两种突变型的原因是野生型的________(同一、不同)菌体中的不同________发生了突变，从而导致不同酶的功能丧失。如果想在基本培养基上添加少量的X来生产中间产物1，则应选用________(野生型、甲、乙)。
b
a
c
不同
基因
甲
(2)将甲、乙混合接种于基本培养基上能长出少量菌落，再将这些菌落单个挑出分别接种在基本培养基上都不能生长。上述混合培养时乙首先形成菌落，其原因是_________________________________________________________________________。
(3)在发酵过程中，菌体中X含量过高时，其合成速率下降。若要保持其合成速率，可采取的措施是改变菌体细胞膜的________，使X排出菌体外。
甲产生的中间产物1供给乙，使乙能够合成X，保证自身生长产生菌落(其他合理答案也给分)
通透性
解析：(1)在基本培养基上添加中间产物2，甲、乙突变型均能正常生长，说明甲、乙突变型中酶c的功能均正常。若添加中间产物1，乙能生长而甲不能生长，说明甲中酶b功能丧失，而在基本培养上添加少量的X，甲能积累中间产物，而乙不能积累，说明乙中酶a功能丧失。这是不同菌体中不同的基因发生突变的结果。因甲中酶a功能正常而酶b功能丧失，故基本培养基中添加少量X，甲能正常生长，并且能将底物催化形成中间产物1。
(2)乙可以利用甲代谢产生的中间产物1正常生长，而甲可利用乙产生的中间产物2或X，而乙产生的中间产物2和X需在满足乙自身代谢需要后才能排出到细胞外被甲利用，故混合培养时乙首先形成菌落。
(3)菌体中X含量过高时，X可以通过抑制相关酶的活性而使其合成速率下降，此时可采取相应措施增大膜通透性，使X快速排出细胞，而解除酶活性抑制现象，从而保持其合成速率。