微生物与发酵工程

 

微生物的种类繁多，在自然界里的分布也十分广泛。通过本章内容的教学，不仅可以使学生进一步了解微生物的形态结构、繁殖等方面的知识，而且掌握微生物的营养、代谢和生长规律，以及发酵工程、酶工程的主要内容和应用。

 

一、本章的教学目的和要求

 

根据《全日制普通高级中学生物学教学大纲（供试验用）》的规定，本章的教学目的和要求是：了解病毒的结构和繁殖；理解细菌的结构和繁殖；掌握微生物的营养和生长；并且初步学会细菌培养的基本技术（包括培养基制备、接种和培养技术）；了解发酵工程和酶工程的基本过程和应用。

 

二、本章的主要内容和特点

 

本章教材包括《微生物的类群》、《微生物的营养、代谢和生长》、《发酵工程简介》和《酶工程简介》四节，以及一个学生实验《学习细菌培养的基本技术》。建议第一节安排1课时教学，第二节安排3课时教学，第三节安排2课时教学，第四节安排1课时教学，学生实验安排4课时。

 

本章的章题图是一个干扰素生产车间。图中的干扰素生产设备由两部分组成：图右侧是发酵罐部分，图中间是控制和检测部分。这实际上是一个小型的发酵工厂。通过这幅图，可以使学生对发酵生产有一个感性认识，为后面学习发酵工程打基础。

 

第一节《微生物的类群》，主要讲述细菌、放线菌、病毒的结构和繁殖等方面的内容。在节的引言中，首先明确指出了微生物所包含的类群，即包括原核生物界、原生生物界、真菌界和病毒，这不仅使学生知道微生物在生物界所占的地位，也与高中生物必修课中有关界级分类的知识衔接起来了。关于细菌的结构和繁殖，高中生物必修课已经介绍过原核生物细胞的结构特点，本节在此基础上，着重讲述了细菌的细胞壁、核区和质粒的结构特点和功能，二分裂的繁殖方式，以及菌落的形成、概念及形态特征。其中，菌落的知识在理论和实践上都有重要意义。考虑到多种抗生素都是由放线菌产生的，教材增加了这个知识点，简要介绍了放线菌的结构特点和抱子繁殖。关于病毒的结构和增殖过程，初中生物教材介绍得十分浅显，本节则作了较为详细的介绍。

 

第二节《微生物的营养、代谢和生长》，包括《微生物的营养》、《微生物的代谢》和《微生物的生长》三个小节，每小节可各安排1课时教学。本节内容是发酵工程的理论基础，也是高中生物选修课中唯一要求掌握的内容。

 

第一小节《微生物的营养》，首先在节的引言中，点出了研究微生物的营养物质的必要性。然后分别讲述了微生物需要的营养物质及功能、培养基的配制原则和培养基的种类等内容。关于微生物需要的营养物质及功能，教材从构成微生物细胞的化学组成入手，通过分析，得出构成微生物细胞的化学元素与其他生物的大体相同，并指出这些元素都是微生物从外界环境中吸收来的。然后，较详细他讲述了碳源、氮源和生长因子的来源及在微生物细胞中的功能。由于无机盐和水的知识，高中生物必修课已详细介绍过，这里就不再赘述了。关于培养基的配制原则，主要讲了三点：原料的选择应符合微生物的营养特点，各种营养物质的浓度和比例应恰当，培养基的pH要适宜。至于培养基的pH会对微生物产生什么样的影响，则放到第三小节讲述。这部分内容与微生物的代谢、生长和发酵生产关系很密切。关于培养基的种类，先简要说明了什么是液体、半固体和固体培养基，然后，结合例子较详细他讲述了选择培养基和鉴别培养基。在本小节的最后，以小字的形式介绍了科赫发明的琼脂固体培养基及其重要作用，这方面的内容有助于对学生进行科学方法和科学态度的教育。

 

第二小节是《微生物的代谢》。微生物的代谢非常旺盛，这也是它们能在生产中广泛应用的一个重要原因。为了使学生对此有一个感性认识，在本小节的引言中，首先通过事例阐述了微生物代谢之所以旺盛的原因，即微生物的两个重要特征：一是表面积大，有利于与外界环境进行物质交换；二是对物质的转化利用快。接下来才详细讲述了微生物的代谢产物、微生物代谢的调节及其人工控制等三方面的内容。教材中增加这一块内容主要是基于以下考虑：微生物的代谢与营养和生长密不可分，人类所需要的各种代谢产物都是在代谢过程中合成的；通过对微生物代谢的人工控制，人们才能够生产出多种氨基酸、抗生素等代谢产品，也就是说，微生物的代谢控制理论在发酵工业中占有很重要的地位。至于代谢产物形成的详细途径，因为所涉及的知识较深较难，这里就没有讲述。

 

关于微生物的代谢产物，首先指出微生物的代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物这两类；接下来，分别讲述了这两类代谢产物的产生、种类及在微生物细胞中的主要功能。关于微生物的代谢调节，教材结合具体的例子，用了较多的篇幅来讲述酶合成的调节和酶活性的调节。这两种调节方式的主要区别是：一种是调节酶的种类，一种是调节酶的数量。在这部分内容之后，教材点明了微生物代谢调节与人类需求的矛盾，为讲述本节的第三部分内容作铺垫。关于微生物代谢的人工控制，教材通过两个例子，着重分析了科学家是怎样通过改变微生物的遗传特性来控制微生物的代谢过程的，而对发酵条件的控制则放在本章第三节讲述。

 

在发酵工程中经常出现“发酵”这个词，但是其含义较广，与高中生物必修课中发酵的概念有较大的差异。因此，在本小节的最后，简要介绍了广义的发酵概念及发酵的类型。

 

第三小节《微生物的生长》，讲述了微生物群体生长的规律及测定方法，影响微生物生长的环境因素等三方面内容。在小节的引言中，简要说明了以群体为单位来研究微生物生长的原因。这些内容也说明了微生物的群体生长包括生长和繁殖两个方面。在微生物群体生长的规律这一部分，首先着重讲述了恒定容器内微生物群体生长的规律，包括四个阶段：调整期、对数期、稳定期和衰亡期。实际上，恒定容器内微生物的培养过程，就是单批培养法，因课时所限，教材没有作进一步的阐述。接着，讲述了研究微生物群体生长的实际意义及连续培养方法。微生物群体生长的测走方法很多，本节只简要介绍了测细胞数目和测重量两种方法。在环境因素对微生物生长的影响这一部分，主要讲述了温度、pH和氧等对微生物生长的影响。

 

第三节《发酵工程简介》，教材按照从感性到理性的认知规律，先介绍了一个发酵工程的实例——谷氨酸发酵，然后，再讲述发酵工程的概念、内容和应用。关于谷氨酸发酵，主要讲了两方面的内容：一是从菌种到产品生成这一简要的发酵过程；二是发酵生产的主体设备：发酵罐及其控制和检测部分。需要说明的是，第二节中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，是本节讲述谷氨酸发酵的基础。

 

发酵工程的概念和内容是本节的重点。其中，发酵工程的内容包括培养基的配制、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。关于菌种的选育，讲了三点：自然育种，人工诱变，及用细胞工程和基因工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造。其中，人工诱变在高中生物必修课的基础上作了简要介绍。关于灭菌，着重说明杂菌污染对发酵工业造成的危害。值得注意的是，现代发酵工程也常用多菌种发酵，因其过程较为复杂，这里没有涉及。关于发酵过程，主要讲述了发酵过程的检测、发酵条件的控制及原因，即发酵条件对菌种代谢途径的影响。在发酵罐中，菌种利用培养基中的营养物质，不断地生长繁殖，而通过发酵条件的控制，可以使代谢朝着对人类有利的方向进行。因此，控制发酵条件是人工控制微生物代谢的一个重要方面。不同的发酵产品所采用的分离提纯的方法不同，对此，教材只是作了概括性地介绍。

 

在发酵工程的应用这部分内容中，教材先介绍了发酵工程的优点及发酵工业的概况，然后，着重阐述发酵工程在医药工业和食品工业上的应用。发酵工程在医药工业的应用讲了两方面的内容：一是应用发酵工程所生产的药品，尤其是抗生素；二是发酵工程在生产基因工程药品方面的重要贡献。从中也可以看出发酵工程在生物工程中所占的重要地位。在食品工业上的应用，讲了传统发酵食品的生产、食品添加剂和单细胞蛋白等三方面的内容。第四节是《酶工程简介》。酶工程在生产酶制剂时所需要的酶，主要来自发酵工程，因此，有关酶工程的基础知识安排在《发酵工程》之后讲述。

 

为了增加学生对酶工程及其实际应用的感性认识，教材从加酶洗衣粉这一人们习见的日常生活用品入手，引出酶工程的概念，并且指出酶工程包括酶制剂的生产和应用两个方面的内容。

 

关于酶制剂的生产，教材按照酶工程的实际操作过程，依次讲述了酶的生产、酶的提取和分离纯化，以及酶制剂的制成（包括制成固定化酶和固定化细胞）这几个基本步骤。酶的固定化比较抽象，为此，教材在借鉴有关资料的基础上，设计了酶的几种固定化方法示意图，目的是便于学生理解这一概念。

 

人们在生产和生活中，经常会接触或用到酶制剂，教材概括地从治疗疾病、加工和生产一些产品、化验诊断疾病和监测水质，以及为生物工程各分支领域提供工具酶四个方面，简要介绍了酶制剂的实际应用。教材在选取实例时，注意考虑到以下两个方面：一是力求贴近人们的日常生活，如简介了人们比较熟悉的尿糖试纸、嫩肉粉和氨苄青霉素等；二是力求体现酶工程与基因工程等其他生物工程分支领域的联系。最后，教材以列表的方式，概括出酶工程的基本过程，力求简明扼要，脉络清楚。

 

基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程之间相互渗透，联系日趋密切，如发酵工程中的菌种选育会用到基因工程或细胞工程的方法，酶工程中的酶制剂主要是通过发酵工程生产的。为了使学生深刻领会这一点，并将所学的有关生物工程四个分支领域的知识融会贯通，在本章的最后，简要讲述了生物工程各分支领域之间的关系。

 

三、教学中应注意的几个问题

 

1．本章的各节内容之间存在着密切的联系，具体来说，前面的内容往往是后面内容的基础或组成部分。如第二节中“培养基的种类和配制原则”是第三节发酵工程中“培养基的配制”的基础，第二节中有关恒定容器内微生物的生长规律和连续培养的内容，实际上是不同的发酵类型，与第三节中的发酵过程密切相关，第四节酶工程中的酶制剂大多要通过发酵工程来生产，等等。因此，教师在教学过程中要注意本章各节内容之间的关系。

 

2．发酵工程和酶工程在食品工业、医药保隍、轻工业、农业以及环境保护等诸多行业得到了广泛应用，所生产的产品涉及到人们日常生活的许多方面，因此，教师在教学过程中可多从学生比较熟悉的事例引入，以提高学生的学习兴趣，并渗透STS思想。但需要注意的是，作为新兴的生物高科技的组成部分，发酵工程和酶工程的基本过程或主要内容，学生还是十分陌生的。有条件的学校，可以组织学生参观生产抗生素（如青霉素）的工厂，或现代化的啤酒酿造厂，加酶洗衣粉生产厂等。不具备这方面条件的学校，教师平时应注意从电视、报纸、有关的杂志、展览会等中收集资料、图片，甚至制成录像带，供教学中使用。

 

3．在讲述代谢产物的形成、发酵的过程等内容时，不必强调详细的反应过程，只要让学生知道以下两方面的内容就可以了：一方面菌种能利用培养基中的各种营养物质，通过体内的复杂的代谢活动，合成各种代谢产物；另一方面由于菌种的代谢过程易受环境条件的影响，所以人们常通过控制发酵条件，使菌种的代谢朝着人们希望的方向进行，并生成人们所需要的物质。

 

4．本章中的许多内容与高中生物必修课的内容联系密切。例如，微生物需要的营养物质及功能，就与高中生物必修课中的“糖类、蛋白质、无机盐和水等的功能”，“新陈代谢的类型”等内容有着密切的联系，是在这些内容的基础上讲述的。又如，细菌的结构是高中生物必修课中“原核生物细胞的结构特点”的内容的进一步延伸。因此，在教学过程中，应注意与高中生物必修课中相关内容的联系，以利于学生将新知识纳入到原有的知识结构中，形成合理的知识迁移。