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2020-2021学年高中生物 第1章 发酵工程 3 发酵工程及其应用作业新人教版选择性必修3

2020-2021学年高中生物 第1章 发酵工程 3 发酵工程及其应用作业新人教版选择性必修3

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- 9 -

发酵工程及其应用
　(20分钟·70分)
一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)
1.发酵罐内发酵时,一定要控制好发酵条件,下列说法错误的是 (　　)
A.对温度的控制可以通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整
B.若是谷氨酸发酵需要将pH调至酸性
C.可以在培养基中添加缓冲液以维持发酵时pH的相对稳定
D.对于需氧发酵通过调节通气量和搅拌速度控制溶氧量
【解析】选B。发酵过程对温度的控制是通过发酵罐上的温度传感器和控制装置完成的,A正确;谷氨酸发酵时,在中性或弱碱性条件会积累谷氨酸,在酸性条件下容易形成其他产物,因此应将pH调至中性或弱碱性,B错误。维持pH稳定的方法是通过加料装置添加酸或碱进行调节,或者在培养基中添加pH缓冲液,C正确;对溶解氧的控制是通过调节通气量和搅拌速度,D正确。
2.发酵工程与现代生物技术相结合,应用范围越来越广泛。下列关于发酵工程应用的描述错误的是 (　　)
A.运用发酵工程生产的传统发酵食品,产量和质量都得到了明显的提高
B.大多数酶制剂都是通过发酵工程生产的
C.发酵工程生产的单细胞蛋白可以用作微生物肥料
D.基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合大大降低了某些药物的生产成本
【解析】选C。发酵工程实现了规模化的生产,发酵过程对发酵条件严格控制,提高了产品的产量和质量,A正确;绝大多数酶制剂都是通过发酵工程生产的,B正确;单细胞蛋白可以用作微生物饲料,而不是微生物肥料,C错误;基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合提高了药物的产量,降低了药物的生产成本,D正确。
3.漆酶属于木质降解酶类,在环境修复、农业生产等领域有着广泛用途。如图是分离、纯化和保存漆酶菌株的过程,相关叙述正确的是 (　　)

A.生活污水中含有大量微生物,是分离产漆酶菌株的首选样品
B.筛选培养基中需要加入漆酶的底物,通过菌落特征挑出产漆酶的菌落
C.在涂布平板上长出的菌落,再通过划线进一步计数
D.斜面培养基中含有大量营养物质,可在常温下长期保存菌株
【解析】选B。生活污水中含有大量微生物,但不一定含有产漆酶的菌株,可能分离不出产漆酶菌株,A错误;生活污水中含有大量微生物,将筛选培养基中加入漆酶的底物,通过菌落特征就能挑出产漆酶的菌落,B正确;在涂布平板上长出的菌落,再通过划线进一步纯化,不是计数,C错误;斜面培养基中含有大量营养物质,不能在常温下保存,可在低温下长期保存菌株,D错误。
4.下列关于发酵过程的描述,错误的是 (　　)
A.发酵过程中,微生物的生命活动会引起发酵温度升高
B.发酵过程中要随时检测微生物数量和产物浓度
C.发酵过程中产生的废弃培养液等能直接排放到环境中
D.啤酒的发酵过程中,酵母菌将糖类转化为酒精和二氧化碳
【解析】选C。发酵过程中微生物分解有机物释放能量,一部分用于合成ATP,另一部分散发到培养基中时,会引起发酵温度升高,A正确;发酵过程中要随时检测微生物数量和产物浓度,以了解发酵进程,B正确;发酵过程中产生的废弃培养液等会污染环境,不能直接排放到环境中,C错误;啤酒的发酵过程中,酵母菌进行厌氧发酵,将糖类转化为酒精和二氧化碳,D正确。
【互动探究】
(1)除了微生物代谢,还有哪些因素可以使发酵温度升高?
提示:搅拌叶轮的机械搅拌,也会产生一部分热量引起温度升高。
(2)怎样降低发酵罐的温度?
提示:可以通过增加冷却水的进水量,降低发酵罐的温度。
5.“通州老窖”是以优质高粱、麸曲、产脂酵母菌为原材料酿制出的一种白酒。以下相关叙述正确的是 (　　)
A.水质、菌种和发酵时间会影响酒的品质
B.所用的菌种属于生态系统中的消费者
C.可用平板划线法测定发酵液中的菌种浓度
D.酿制过程必须进行严格的灭菌操作
【解析】选A。影响酒品质的因素有很多,如水质、菌种和发酵时间等,A正确;酿酒所用的菌种属于生态系统中的分解者,B错误;可用稀释涂布平板法测定发酵液中的菌种浓度,C错误;酿制过程不能进行灭菌,防止把酵母菌杀死而影响酒的产量,D错误。
6.发酵工程最重要的工作是选择优良的单一纯种,消灭杂菌。获得纯种的方法不包括 (　　)
A.根据微生物对碳源需求的差别,使用含有不同碳源的培养基
B.根据微生物需要生长因子的种类,在培养基中增减不同的生长因子
C.根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸
D.根据微生物对抗生素敏感性的差异,在培养基中加入不同的抗生素
【解析】选C。根据微生物对碳源需求的差别,使用含有不同碳源的培养基可以选择微生物种类,能获得纯种,A不符合题意;在培养基中增减不同的生长因子的作用也是选择微生物,B不符合题意;根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA),它不会直接影响到微生物自身的遗传组成,即使被微生物利用,也是被分解为核苷酸后利用,所以培养基中加入不同比例的核酸,不会对微生物起选择作用,C符合题意;抗生素也可对生物起选择作用,D不符合题意。
7.发酵工程的一项关键措施是灭菌,关于灭菌的叙述正确的是 (　　)
A.培养基和发酵设备均需要严格灭菌
B.灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌
C.通入无菌空气可以达到灭菌的目的
D.pH调到7左右灭菌效果最好
【解析】选A。灭菌就是杀灭微生物,以排除对生产、实验的干扰,关键是要对培养基和发酵设备灭菌,故A正确;培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物,故B错误;为防止杂菌污染,通入的空气也要是无菌的,但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的,故C错误;灭菌效果与pH无直接关系,故D错误。
二、非选择题(共2小题,共35分)
8.(15分)谷氨酸棒状杆菌可用于微生物发酵工程生产谷氨酸,从而制取谷氨酸钠(味精)。如图为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径,通过发酵工程可以大量生产谷氨酸。回答下列问题:

(1)与酵母菌相比,谷氨酸棒状杆菌在结构上的显著特点是__________________;谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、生物素等,从物理性质看,该培养基属于__________培养基。 
(2)发酵过程中要测定谷氨酸棒状杆菌的数量,可采用的计数方法有显微镜直接计数法和__________,前者计数的结果比后者计数的结果值偏__________(填“大”或“小”),原因是__ ______________________________________。 
(3)由图可知,谷氨酸棒状杆菌体内若积累了较多的谷氨酸,则会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,微生物这种对自身代谢速率的调节方式是__________。 
(4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气,并通过搅拌使空气形成细小的气泡,迅速溶解在培养液中,当培养基中碳氮比为4∶1时,菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少;当碳氮比为3∶1时,菌体繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下,谷氨酸棒状杆菌代谢产物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是__________,由上述探究可知,通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路__  ________________________ ______________________
 ________________________ ________________________ ___________。 
【解析】(1)谷氨酸棒状杆菌属于细菌,酵母菌属于真菌,谷氨酸棒状杆菌在结构上的显著特点是无核膜包被的细胞核谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、生物素等,从物理性质看,该培养基属于液体培养基。
(2)测定谷氨酸棒状杆菌的数量可采用的计数方法有显微镜直接计数法和稀释涂布平板法。由于显微镜直接计数法中死活菌体一起计数,而稀释涂布平板法只计数活菌数,且可能有多个菌体形成同一个菌落,因此显微镜直接计数法计数的结果比稀释涂布平板法计数的结果值更大。
(3)据题图分析,当谷氨酸过量时,会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,导致谷氨酸脱氢酶的活性下降,从而使谷氨酸含量下降,这种对自身代谢速率的调节方式是负反馈调节。
(4)分析可知,谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是异养兼性厌氧型,当培养基中碳氮比为4∶1时,菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少;当碳氮比为3∶1时,菌体繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增,因此通过发酵得到大量谷氨酸的发酵条件是不断向发酵液中通入无菌空气,在发酵液C/N=4∶1中培养一段时间,使菌种大量繁殖,后将培养液的C/N改为3∶1,即可通过发酵得到大量谷氨酸。
答案:(1)无核膜包被的细胞核　液体
(2)稀释涂布平板法　大　前者死活菌体一起计数,后者只计数活菌数,且可能有多个菌体形成同一个菌落
(3)负反馈调节　(4)异养兼性厌氧型　不断向发酵液中通入无菌空气,发酵液中碳氮比为4∶1,培养一段时间使菌种大量繁殖,后将培养液的碳氮比改为3∶1,使菌种合成大量谷氨酸

9.(20分)随着对纤维素水解研究的不断深入,利用纤维素废料发酵生产酒精等能源物质已取得成功。发酵工程中可利用纤维素分解菌将纤维素分解,随后将其转化成新的能源物质——乙醇,进一步利用乙醇生产醋酸。工业生产这两种成分的基本工艺流程如图所示。请回答:

(1)在发酵罐Ⅰ内,纤维素分解菌能够分泌纤维素酶将纤维素分解为__________。 
(2)在过程②筛选纤维素分解菌时,常常采用平板划线法和____________
____________________法进行纯化。两种方法的共同点是_________。 
用来筛选纤维素分解菌的培养基是__________培养基(从功能上分类),培养基中含有Na2HPO4和KH2PO4,其作用有__ _____________________________
______________________________________________________。(答出两点) 
(3)微生物X应为__________,发酵一定时间后,观察到发酵罐内液体不再有__________,说明发酵基本完毕。 
(4)微生物Y应是__________。发酵罐Ⅱ内和发酵罐Ⅲ内除了严格控制温度、pH外,发酵罐Ⅲ内还需要通入__________。 
(5)若发酵罐Ⅱ中的酒全部流经发酵罐Ⅲ制成醋,发酵罐Ⅲ中CO2的产生量是________ 
A.发酵罐Ⅱ的两倍 B.与发酵罐Ⅱ的相等
C.发酵罐Ⅱ的一半 D.几乎为零
【解析】(1)在发酵罐Ⅰ内,纤维素分解菌能够分泌纤维素酶,该酶可将纤维素分解为葡萄糖。
(2)在过程②筛选纤维素分解菌时,常常采用平板划线法和稀释涂布平板法进行纯化。两种方法的共同点是把聚集在一起的细菌分散成单个,培养后得到单个菌落。用来筛选纤维素分解菌的培养基中含有Na2HPO4和KH2PO4(这些都是无机盐,又是磷酸一氢盐和磷酸二氢盐),其作用有为细菌生长提供无机营养,作为缓冲剂维持细胞生长过程中的pH稳定。
(3)发酵罐Ⅱ是通过酵母菌发酵生产乙醇,发酵一定时间后,观察到发酵罐内液体不再有气泡产生,说明发酵基本完毕。
(4)发酵罐Ⅲ是通过醋酸(杆)菌发酵生产醋酸。发酵罐Ⅱ内和发酵罐Ⅲ内除了严格控制温度、pH外,发酵罐Ⅲ是需氧发酵,还需要通入无菌空气。
(5)若发酵罐Ⅱ中的酒全部流经发酵罐Ⅲ制成醋,酒精氧化成醋酸是利用醋酸(杆)菌有氧呼吸得到的,但这一过程不产生CO2,因此发酵罐Ⅲ中CO2的产生量几乎为零。
答案:(1)葡萄糖
(2)稀释涂布平板　把聚集在一起的细菌分散成单个,培养后得到单个菌落　选择　为细菌生长提供无机营养,作为缓冲剂维持细胞生长过程中的pH稳定
(3)酵母菌　气泡产生
(4)醋酸(杆)菌　无菌空气　(5)D
　(10分钟·30分)
1.(8分)不定项)下列关于发酵工程基本环节的分析正确的是 (　　)
A.培养基和发酵设备都应经过严格的灭菌才能使用,对于需氧发酵,通入的空气也应经过灭菌处理
B.温度不仅能影响菌种的代谢,还能影响菌种对营养物质的吸收
C.pH变化能导致某些菌种的发酵产物也发生变化
D.酒精发酵时,菌种的扩大培养与发酵罐内的培养条件是相同的
【解析】选A、B、C。培养基和发酵设备都应经过灭菌才能使用,通入的空气也应经过灭菌处理,A正确;温度能影响菌种(微生物)的代谢,如细胞呼吸速率受温度影响,菌种对营养物质的吸收速率也受温度影响,B正确;pH变化能导致某些菌种的发酵产物也发生变化,例如谷氨酸发酵在中性和酸性条件下产物不同,C正确;酒精发酵时,菌种的扩大培养是有氧条件,酵母菌大量繁殖,发酵罐内的培养是无氧条件,酵母菌进行无氧呼吸产生酒精,D错误。
【误区警示】误认为扩大培养与发酵生产过程中的培养相同
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。
2.(22分)(2018·江苏高考改编)酵母的蛋白质含量可达自身干重的一半,可作为饲料蛋白的来源。有些酵母可以利用工业废甲醇作为碳源进行培养,这样既可减少污染又可降低生产成本。研究人员拟从土壤样品中分离该类酵母,并进行大量培养。如图所示为操作流程,请回答下列问题:

(1)取步骤②中不同梯度的稀释液加入标记好的无菌培养皿中,在步骤③中将温度约________(选填“25 ℃”“50 ℃”或“80 ℃”)的培养基倒入培养皿混匀,冷凝后倒置培养。 
(2)挑取分离平板中长出的单菌落,按步骤④所示进行划线。下列叙述合理的有________。 
a.为保证无菌操作,接种针、接种环使用前都必须灭菌
b.划线时应避免划破培养基表面,以免不能形成正常菌落
c.挑取菌落时,应挑取多个菌落,分别测定酵母细胞中甲醇的含量
d.可以通过逐步提高培养基中甲醇的浓度,获得甲醇高耐受株
(3)步骤⑤是__________________,目的是使酵母数量迅速增加,此过程中需保证充足的营养和____________供应。在此阶段要通过取样检测酵母细胞的数量变化。下图中的4个曲线图分别表示在扩大培养阶段各种因素对酵母细胞繁殖速率的影响,其中不正确的是 (　　) 

【解析】(1)倒平板时,锥形瓶中的培养基温度控制在50 ℃左右较适宜,温度太低会凝固,太高会烫手。
(2)挑取分离平板中长出的单菌落用于平板划线时需注意题干中a、b、d所叙述的要点,为了获得专一酵母,只挑取效果最好的菌落就行,不需挑取多个菌落。
(3)酵母菌是兼性厌氧型真菌,有氧条件下大量繁殖。酵母菌扩大培养时,需保证充足的营养和氧气供应。在一定温度范围内,随温度的升高,酶的催化作用增强,繁殖速率加快,而超过这一范围,酶的催化作用逐渐减弱,繁殖速率减慢,A正确;酵母菌属于兼性厌氧型生物,在一定范围内,随着溶氧量增加,有氧呼吸速率增强,繁殖速率加快,但达到一定溶氧量后,有氧呼吸速率不再增加,则繁殖速率不变,B正确;曲线应是先从O点开始上升,故C错误;由于pH可以影响酶活性,每种酶都有一个最适pH,高于或低于该pH,酶活性下降,所以曲线应该先上升,再下降,故D正确。
答案:(1)50 ℃
(2)a、b、d
(3)酵母菌扩大培养　氧气　C