专题九    微生物与生物固氮

一、高考展望

本专题中，微生物的有关知识应是大家复习的重点，因为这一部分内容与生物学科的其他知识有着千丝万缕的联系，在综合考试中，占有相当重要的地位：它可以和生命的物质和结构基础结合起来，考查细胞的结构和功能、生物膜系统的知识；可以和生物的代谢结合起来，综合考查呼吸作用、物质的转化、酶的活性和代谢的类型等代谢知识；可以和生物的遗传联系起来，考查遗传和变异、基因工程和细胞质遗传的知识；可以和生物与环境的知识结合起来，考查种群的数量变化的规律等，因此有关微生物的知识应是将来高考的一个热点内容。而对生物固氮的这一部分知识的复习，应结合原核生物的结构、代谢类型和碳的循环、硫的循环等知识，进行综合复习。

在高考中，对本专题的考查主要以选择题的形式进行，综合考查相关知识的实际运用，同时要特别注意有关根据微生物代谢类型进行微生物培养、分离的实验试题。

二、考点透析

1．微生物类群的比较

2．细菌的结构与功能

（1）基本结构与功能的关系。

细菌作为原核生物，其基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核，与真核细胞的结构和功能有明显的区别。例如：细菌的细胞器中只有核糖体，拟核没有核膜，细胞内蛋白质合成时，转录和翻译是同时进行的，细胞呼吸的完成也没有专门的细胞器——线粒体等，所有这些功能特点都是由其结构所决定的。

特别提醒：原核生物没有线粒体和叶绿体，但不等于原核生物不能进行有氧呼吸和光合作用，这一点很多同学容易弄混。如：硝化细菌、根瘤菌和圆褐固氮菌等属于需氧型生物，蓝藻属于自养需氧型生物。

（2）特殊结构与功能的关系。

细菌的芽孢能抵抗外界不良环境，部分细菌能以芽孢（细菌的休眠体）的形式来度过恶劣环境。有的细菌依靠鞭毛进行运动。还有的细菌具有夹膜，如S型肺炎双球菌具夹膜，有毒性，能使小鼠患败血症死亡。细菌的细胞体内除拟核中控制主要遗传的大型环状DNA外，在细胞质中还具有小型环状DNA——质粒，上面含有抗药性、固氮、抗生素等性状的基因，它们中有的可作为标记基因，在基因工程中用作运载体。

3．微生物的营养

微生物在生长过程中需要碳源、氮源、生长因子、水和无机盐等五大营养要素物质。

（1）碳源：碳源主要用于合成微生物的细胞物质和一些代谢产物，有些碳源还是异养型微生物的主要能源，微生物对碳源的需求量最大。不同种类的微生物需要的碳源不同。自养型微生物利用无机碳源，如CO₂、NaHCO₃等，因此，在利用固体培养基培养硝化细菌等时，培养基中就不需要加入有机碳源——葡萄糖等。异养型微生物需要有机碳源，其中糖类是最常用的碳源，但甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作为碳源。

（2）氮源：氮源主要用于合成蛋白质、核酸及含氮的代谢产物。铵盐、硝酸盐是最主要的氮源。圆褐固氮菌等具有固氮能力，能将大气中的氮还原成氨，因此培养时，培养基中无须加入其他氮源。对于异养微生物来说，有机氮源既是氮源又是能源。

特别提醒：硝化细菌没有固氮能力。

（3）生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物，主要包括维生素、氨基酸和碱基等。微生物之所以需要补充生长因子，往往是因为缺乏合成这些物质所需的酶或合成能力有限。

类似的：人体和动物的必需氨基酸——由于糖类分解时不能产生与必需氨基酸相对应的中间产物，因此不能在人体和动物体的细胞内合成，只能从食物中获取。

4．初级代谢产物和次级代谢产物的比较

5．微生物代谢的调节

（1）方式：酶合成的调节和酶活性的调节。

（2）酶合成的调节：

1．调节对象：诱导酶的合成

2．调节方式：在环境中存在某些物质时合成诱导酶

3．举例：大肠杆菌在环境中只有乳糖作碳源时，才能合成半乳糖苷酶

4．意义：保证代谢需要，避免物质和能源的浪费——经济

（3）酶活性的调节：

1．调节对象：酶的活性（诱导酶和组成酶）

2．调节方式：通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率

3．举例：谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸时

4．意义：快速、精细的调节代谢——高效

（4）微生物代谢的人工控制：

1．措施：改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件

2．举例：

对黄色短杆菌进行诱变处理，选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种，提高了赖氨酸的产量。在谷氨酸的生产过程中，可通过采取一定的手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸能迅速排放到细胞外，解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的抑制作用，提高谷氨酸产量。

6．微生物的生长特点及应用

7．固氮微生物的比较

三、经典回放

【例1】（2004年全国理综北京卷）在以下描述中，可以将病毒与其他微生物相区别的是

A．能够使人或动、植物患病    B．没有细胞核，仅有核酸

C．具有寄生性                D．由核酸和蛋白质装配进行增殖

【解析】病毒是自然界中没有细胞结构、成分基本为核酸和蛋白质、全部营寄生生活的一类微生物。病毒繁殖时，由亲代DNA分子复制形成子代DNA分子，然后组装成子代病毒，该特征为病毒所特有。

【答案】选D。

【例2】（2004年江苏卷）通过选择培养基可以从混杂的微生物群体中分离出所需的微牛物。在缺乏氮源的培养基上大部分微生物无法生长；在培养基中加入青霉素可以抑制细菌和放线菌；在培养基中加入10％酚可以抑制细菌和霉菌。利用下述方法能从混杂的微生物群体中分别分离出

A．大肠杆菌         B．霉菌            C．放线菌         D．固氮细菌

【解析】本题考查各种选择培养基的作用。固氮细菌能从空气中吸收氮素，所以能生活在缺乏氮源的培养基中。青霉素能抑制细菌和防线菌的生长，所以加入青霉素的培养基中只能生活霉菌。在培养基中加入10%酚可以抑制细菌和霉菌，而大肠杆菌和固氮细菌都是细菌，故只能生长放线菌。

【答案】选BCD。

【例3】（2004年江苏卷）下列有关生物固氮的描述错误的是

A．豆科植物的根瘤是发生固氮作用的部位 

B．土壤中独立生活的根瘤菌也能固氮

C．不同的根瘤菌只能侵入特定种类的豆科植物

D．根瘤菌通过固氮作用形成氨

【解析】根瘤菌为共生固氮微生物，只有侵入豆科植物的根内才能固氮，自生固氮微生物是能够独立进行固氮的微生物。不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物，具有专一性

【答案】选B。

【例4】与调整期长短有关的因素中，可缩短调整期的一组是

①用与菌种相适应的培养基  ②某种营养丰富的培养基  ③稳定期获得的菌种

④对数器获得的菌种  ⑤接种调整期的菌种  ⑥接种量加大  ⑦接种量减少

⑧接种种类增加

A．①③⑤⑦　　B．②③⑤⑦　　C．①④⑥　　D．②④⑤⑥⑧

【解析】调整期的出现，主要是微生物到了新的环境中，通过合成诱导酶以适应新的环境，若用与菌种相适应的培养基，对数期获得的菌种及加大接种量，有利于缩短调整期，使菌群迅速增大。

【答案】选C。

【例5】研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的。如将从大肠杆菌得到的磷酸三酯酶固定到尼龙膜上制成制剂，可用于降解残留在土壤中的有机磷农药，与用微生物降解相比，其作用不需要适宜的

A．温度            B．pH            C．水分             D．营养

【解析】大多数微生物的同化作用类型都是异养型，在其生命活动过程中需要外界提供养料。而一种酶催化作用的进行，需要适宜的温度和酸碱度，酶的催化作用也离不开水，因此，在题干给出的选项中，符合题意的是D。

【答案】选D。

【例6】（2005年北京春招）将酵母分为a、b、c、d四组，用不同方式培养，其种群增长曲线如图所示。请据图回答下列问题。

（1）a呈现      增长，该种群的生长在20h之前处于           时期，20h~40h处于  时期。

（2）d呈现     增长。在100h~120h，d的增长率趋于        时期，若在现有条件下继续培养，其种群数量趋于    。（A增长，B减少）

（3）随着更换培养液的时间间隔的延长上，酵母种群的增长率趋于  ，其可能的限制因素是     不足和      的积累。

【解析】本题以酵母培养过程为载体，综合考查了种群的两种增长曲线：“J”型曲线和“S”型曲线，及微生物的代谢和群体生长规律。生物种群在理想条件下呈“J”型增长曲线，在有环境阻力时，呈“S”型增长曲线。在微生物的培养中，及时更换培养液能及时补充微生物生长所需的营养、减少培养液中微生物代谢时所产生的有害产物，有利于微生物的生长。

【答案】（1）J  调整 对数  （2）S  0  B（或减少）（3）降低（或减少）  营养  有害代谢产物（或有害产物）

四、自我检测

一、选择题

1．在将鲜牛奶制成酸奶的实验中，盛鲜奶的容器必须密封的主要原因是防止

A．空气进入容器      B．产生的乳酸分解

C．水分过度蒸发      D．灰尘掉入容器

2．噬菌体外壳的合成场所是

A．细菌的核糖体     B．噬菌体的核糖体     C．噬菌体基质     D．细菌的核区

3．下列四种生物中，哪一种生物的细胞结构与其他3种生物的细胞有明显区别

A．酵母菌      B．乳酸菌      C．青霉菌      D．蘑菇

4．控制细菌合成抗生素的基因、控制放线菌主要遗传性状的基因、控制病毒抗原特异性的基因依次位于

①拟核大型环状DNA上  ②质粒上  ③细胞核染色体上  ④衣壳内核酸上

A．①③④　　　B．①②④　　　C．②①③　　　D．②①④

5．谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，工业上常利用谷氨酸棒状杆菌等菌种通过发酵法来生产。谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径如右图所示。下列关于谷氨酸生产的说法中，不正确的是

A．生产上可采取一定的手段改变细胞膜的透性，将谷氨酸迅速

排放到细胞外，能提高谷氨酸产量

B．接种时所采用的菌种是处于稳定期的谷氨酸棒状杆菌

C．发酵过程中，碳源与氮源的比例控制在3׃1时有利于谷氨酸的合成

D．发酵过程中采用的是天然培养基，它的材料来源广泛、成本低，其中生长因子是生物素

6．豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在

A．豆科植物从根瘤菌获得NH₃，根瘤菌从豆科植物获得糖类

B．豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植物获得NH₃

C．豆科植物从根瘤菌获得N₂，根瘤菌从豆科植物获得有机物

D．豆科植物从根瘤菌获得NO，根瘤菌从豆科植物获得NH₃

7．掌握微生物群体的生长规律，目的是更好地研究和利用它们。下列有关描述中错误的是

A．生产上常常用对数期的细菌作为菌种

B．在稳定期中适当补充营养物质有利于提高产量

C．连续培养延长了培养周期，从而提高产量

D．调整期细菌的代谢活跃，体积增长快

8．可作为硝化细菌的碳源、氮源、能量来源的物质是

A．含碳有机物、氨、光      B．含碳无机物、氨、氮

C．含碳无机物、氨、氨      D．含碳有机物、氨、氨

9．关于微生物酶的叙述中，正确的是

A．组成酶和诱导酶的合成都受微生物细胞内基因的控制

B．大肠杆菌分解乳糖和葡萄糖的酶都是诱导酶

C．组成酶的合成会受环境中物质的影响

D．诱导酶合成后，其活性将保持不变

10．下列关于生长因子的叙述中不正确的是

A．生长因子是微生物生长过程中不可缺少的微量有机物

B．一般是酶、核酸的组成部分

C．自身不能合成，必须由外界补充

D．主要包括维生素、氨基酸和碱基等

二、简答题

1．某同学在做微生物实验时，不小心把圆褐固氮菌与酵母菌混合在一起，请你完成分离得到纯度较高的圆褐固氮菌和酵母菌的设计实验步骤，并回答有关问题：

（1）实验材料：无氮培养基、完全培养基、高浓度的食盐水、青霉素等

（2）实验器材：接种工具、恒温箱等必要器材

（3）主要步骤：

①准备两种培养基：一种是     培养基，另一种是     培养基。每种分别分成两份，依次标上A、Aˊ和B、Bˊ，然后灭菌，备用。

②                                                            。

③接种后，放在恒温箱中培养3~4天。

④分别A、B培养基的菌落中挑选生长良好的菌种，接种到Aˊ、Bˊ培养基中。

⑤接种后，把Aˊ、Bˊ培养基放在恒温箱中培养3~4天。

（2）回答问题：

①在步骤①中，灭菌的主要措施是                  。

②第④⑤两步骤的目的是                                  。

2．阅读下列材料．回答相关问题。

材料一  在自然界中有将游离态氮转化成化合态氮的生物，也有将化合态氮转化成游离态氮的细茵，由于其生理过程与硝化细菌相反，被称为反硝化过程，该细菌被称为反硝化细菌，反硝化细菌对农业生产是不利的，会降低土壤的肥力，但对于氮的循环来说是必不可少的。

材料二  生态系统中氮循环和碳循环及其相互关系，如下图示。

材料三 由于鸟类对飞翔生活的适应，要减轻体重，所以鸟类的消化道相对较短。在养鸡场里，由于鸡的消化道相对较短，食物中的有机物消化不充分，在其排出的粪便中还有很多有机物未被充分利用，所以常将鸡粪发酵除臭后掺到其它的饲料中喂猪，可以节省饲料，提高经济效益。

（1）图中过程①称为      。过程②称为      。如果图示是一个封闭的大棚生态系统，遇到连续阴雨天气，此时你认为应采取的措施是              ，这样对植物生长较为有利，采取这种措施的目的是              。

（2）在完成图中⑤过程的生物中，根瘤菌是非常有名的，它活跃在豆科植物的根部形成根瘤，与豆科植物呈现良好的共生关系，请你具体说出豆科植物与根瘤菌之间的互惠关系。

（3）植物完成圈中④过程的主要方式是        ，如果土壤板结或长期水淹，陆生植物通过该过程吸收的氮素是否能满足其生理需要，其原因因是          。

（4）材料一中提到的反硝化细菌的生理过程是由图中的标号       体现的。

（5）图中标号       所代表的内容能体现出这个生态系统自动调节能力的大小。

（6）鸡粪发酵除臭是      的作用。在图中标号     所示的过程能反映除臭的生理过程。

参考答案

一、选择题

1—5   AABDB     6—10  ACCAC

二、简答题

1．【解析】本题考查学生对微生物的培养、分离和提纯等知识的实际应用能力及实验设计能力。这里要求学生需要整合的知识有：培养基成分的选择、细菌培养的基本技术。需要提醒的是，圆褐固氮菌具有固氮能力而酵母菌不具备，因此用无氮培养基中能够获得圆褐固氮菌；在完全培养基中加入青霉素能抑制圆褐固氮菌的生长，从而得到酵母菌。

【答案】（1）①无氮 加青霉素的完全 ②分别向A、B培养基中接种混合菌

（2）①高压蒸汽灭菌锅      ②获得纯度较高的圆褐固氮菌和酵母菌

2．（1）光合作用  呼吸作用  增强光照，降低棚内温度，保持昼夜温差    增加光合作用强度，减少呼吸消耗

  （2）豆科植物为根瘤菌提供有机物，根瘤菌为豆科植物提供氮源

  （3）主动运输  不能  土壤中缺氧，影响呼吸作用，进而影响氮的吸收

  （4）⑥　　（5）⑨   （6）硝化细菌  ⑦