1、2.3 分解纤维素的微生物的分离 教案 （人教版选修 1）课标要求探讨微生物的利用。观察并分离土壤中能分解纤维素的微生物，观察该微生物能否分解其他物质，讨论这类微生物的应用价值。 课标解读1简述纤维素酶的种类及作用。2从土壤中分离出分解纤维素的微生物，讨论这类微生物的应用价值。教学地位本课题在学习前面两个课题的基础上，增加了富集培养及鉴别纤维素分解菌这两个步骤，对于前两个课题学习的无菌操作技术、选择培养技术都有应用，因此学习本课题除了复习前面两个课题的相关内容外，还需重点学习鉴别培养基等知识。教法指导1有关纤维素的内容，可联系必修模块中学习的多糖的知识，该部分内容较简单，可安排学生自学，然后教
2、师利用图解的方式，给出 Cx 酶、C 1 酶和葡萄糖苷酶的不同功能，帮助学生记忆。纤维素酶的作用，教师可通过演示实验，让学生体会纤维素酶的作用，这样可以给学生留下深刻的印象。2对于富集培养，其原理和上一课题中的选择培养类似，教师可将两个课题中的选择培养对比，进一步引导学生深入认识分离微生物的基本思想。刚果红染色法的原理比较简单，学生通过自学就能够理解。对于两种不同的染色方法，教师应引导学生分析各自的优、缺点，进行比较。新课导入建议利用课题背景进行导入，在全球能源紧缺的情况下，利用纤维素生产酒精具有广阔的应用前景，而且纤维素是地球上含量最为丰富的多糖，将其水解为葡萄糖之后，便可发酵生产酒精。纤维
3、素转化为葡萄糖离不开纤维素酶，获得能产生纤维素酶的微生物就能将纤维素转化为葡萄糖。教学流程设计学生课前预习：阅读教材 P2730 ，填写【课前自主导学】 ，完成“思考交流1、2” 。了解本课题的基础知识。 步骤 1：情景导课：以【新课导入建议】引出课题。通过学生阅读、提问进行基础知识部分的教学。 步骤 2：通过【课堂互动探究】探究 1，并联系课题 1，明确纤维素的用途、分布，纤维素酶的组成及功能，并能设计验证纤维素酶功能的实验。完成例 1。 步骤 3：教师利用【课堂互动探究】探究 2 介绍鉴别培养基，并将鉴别培养基与选择培养基进行比较。辨析刚果红染色的两种方法的优、缺点，完成例 2。步 骤 7
4、：通 过 【当 堂 双 基 达 标 】进 行 当 堂 检 测 验 收 。 步 骤 6：引 导 学 生 通 过 合 作 ， 整 理 本 课 题 的 重 点 、难 点 内 容 ， 利 用 【本 课 知 识 小 结 】进 行 总 结 ， 建 立 知 识 网 络 。理 解 并 记 忆 【结 论 语 句 】。 步 骤 5：回 顾 基 础 知 识 ， 将 检 查 、批 阅 【课 前 自 主 导 学 】时 学 生 出 错 较 多 的 部 分 进 行 强 化 ， 重 点 对 【正 误 判 断 】部 分 进 行 辨 析 。 步 骤 4：教 师 利 用 【课 堂 互 动 探 究 】探 究 3将 整 个 实 验 流
5、 程 给 出 ， 并 结 合 学 生 的 阅 读 情 况 ， 强 调 几 个 重 要 步 骤 中 的 注 意 事 项 。通 过 例 3强 化 、训 练 。课 标 解 读 重 点 难 点1.简述纤维素酶的种类及作用。2.从土壤中分离出分解纤维素的微生物，讨论这类微生物的应用价值。从土壤中分离分解纤维素的微生物。(重难点)纤维素和纤维素酶1.纤维素(1)元素组成：C 、H、O 三种元素。(2)组成单体：葡萄糖。(3)种类：除天然纤维素外，还有水溶性的羧甲基纤维素钠、不溶于水的微晶纤维素等。2纤维素酶(1)组成：纤维素酶是一种复合酶，包括 C1 酶、C x 酶和葡萄糖苷酶三种组分。(2)作用纤维素
6、纤维二糖 葡萄糖 C1酶 、Cx酶 葡 萄 糖 苷 酶 1草食性动物是怎样消化食物中的纤维素的？【提示】 反刍动物的瘤胃中生活着大量的可以分解纤维素的微生物。微生物能够产生纤维素酶，最终将纤维素分解成葡萄糖。纤维素分解菌的筛选1.方法刚果红染色法，常用的方法有两种：一种是先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应；另一种是在倒平板时就加入刚果红。2原理Error! 红色 复合物 纤 维 素 酶 培 养 基 中 会 出 现 以纤 维 素 分 解 菌 为 中心 的 透 明 圈 ， 据 此 筛 选实验设计土壤取样：选择纤维素丰富的环境选择培养：通过选择培养来增加纤维素分解菌的浓度，以确保能够从样品中分离
7、到所需要的菌株梯度稀释：目的是使菌体分离涂布培养：将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上挑选菌株：挑选产生透明圈的菌落2在纤维素分解菌的筛选过程中涉及到的生物技术有哪些？【提示】 主要用到培养基的配制、无菌操作技术、稀释涂布平板法、选择培养基的作用和土壤取样等。课题延伸1.为确定透明圈内的菌落是否是纤维素分解菌，需要进行发酵产纤维素酶的实验，纤维素酶的发酵方法有液体发酵和固体发酵两种。2纤维素酶的测定方法，一般是对纤维素酶分解滤纸等纤维素后所产生的葡萄糖进行定量的测定。1纤维素酶至少包括三种组分，是一种复合酶。()2先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应，不存在菌落混杂问题。()【提示】 会使
8、菌落间混杂。3增大目的菌株浓度时可采用固液选择培养基。()【提示】 应使用液体培养基。4选择纤维素分解菌的培养基与鉴别纤维素分解菌的培养基配方相同，只是后者需用刚果红染色。()【提示】 两种培养基配方不同。纤维素及纤维素酶【问题导思】 纤维素有哪些用途？在自然界的分布如何？纤维素酶的组成及功能如何？如何验证纤维素酶的作用？1纤维素(1)组成：纤维素是由葡萄糖分子构成的大分子物质，只由 C、H、O 三种元素构成。其分子结构如图所示：纤维素分子的结构(2)含量：地球上含量最丰富的多糖类物质。(3)分布：棉花是自然界中纤维素含量最多的天然产物，此外，木材、作物秸秆等也富含纤维素。纤维素是植物细胞壁的
9、主要组成成分之一。(4)用途：纤维素可以用于造纸、纺织、炸药制造等工业；食物中的膳食纤维具有刺激胃肠蠕动，促进消化液分泌的功能，有助于食物的消化和排便，被称为第七营养素。(5)商品纤维素：羧甲基纤维素钠(CMCNa)、微晶纤维素等均是由天然纤维素制得的。其中 CMC Na 可溶于水。2纤维素酶(1)组成：纤维素酶是一种复合酶，至少包括三种组分：C 1 酶、Cx 酶和葡萄糖苷酶。(2)作用：C 1 酶、Cx 酶使纤维素分解成纤维二糖，葡萄糖苷酶将纤维二糖分解成葡萄糖，从而使纤维素能为微生物的生长提供营养，同样，也可以为人类所利用。3验证纤维素酶的作用实验验证纤维素酶作用实验组 1 cm6 cm
10、滤纸条滤纸条 10 mL pH 4.8的 缓 冲 液 1 mL纤 维 素 酶 固 定 、摇 床 振 荡被分解对照组 1 cm6 cm 滤纸条滤纸条不被分解 10 mL pH 4.8的 缓 冲 液 固 定 、摇 床 振 荡结论纤维素酶能分解纤维素动物和人的细胞都不能合成纤维素酶，因此都不能直接利用纤维素，兔、牛等草食性动物之所以能长期吃草是因为其肠道内有分解纤维素的微生物，这些微生物将纤维素分解之后，草食性动物再吸收。(2013珠海高二测试 )关于纤维素酶的叙述中，错误的是( )A牛、羊等草食动物可以合成纤维素酶，从而利用纤维素酶B纤维素酶是一种复合酶，至少包括 C1 酶、C X 酶和葡萄糖苷酶
11、三种组分C纤维素可被纤维素酶水解成葡萄糖，为微生物提供营养物质D分解纤维素的细菌、真菌、放线菌，都是通过产生纤维素酶来分解纤维素的【审题导析】纤维素被纤维素酶分解之后才能被动物利用，纤维素被纤维素酶分解的产物是葡萄糖；分析哪些生物可以产生纤维素酶，纤维素酶包括哪些组分。最后综合判断选项。【精讲精析】 牛、羊等草食动物不能合成纤维素酶，它们之所以能利用纤维素是因为它们的瘤胃中有许多微生物可分泌纤维素酶；纤维素被纤维素酶分解后的产物是葡萄糖，葡萄糖可作为微生物的营养物质；能分解纤维素的微生物都能产生纤维素酶，它们通过纤维素酶来分解纤维素。【答案】 A纤维素分解菌的鉴别【问题导思】 选择培养基和鉴别
12、培养基有何区别？两种刚果红染色法有何优、缺点？1选择培养基与鉴别培养基选择培养基 鉴别培养基特殊成分控制某一条件 (如唯一氮源) 或加入某种物质 (如青霉素)加入某种指示剂或化学药品目的抑制其他微生物生长，促进目的微生物的生长与微生物的代谢产物或培养基中的成分发生特定反应用途 培养，分离出特定微生物 鉴别不同的微生物举例培养酵母菌和霉菌，可在培养基中加入青霉素，抑制细菌生长；用尿素作唯一氮源的培养基来培养尿素分解菌可用伊红美蓝培养基鉴定饮用水或乳制品中是否有大肠杆菌(若有，菌落呈深紫色，并带有金属光泽)2.纤维素分解菌的鉴别刚果红染色法(1)原理纤维素分解菌Error!红色复合物 红色消失、出
13、现透明圈 纤 维 素 酶 即：可根据是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。(2)两种刚果红(CR)染色法的比较方法一 方法二过程培养基经涂布培养长出菌落覆盖质量浓度为 1 mg/mL 的 CR 溶液倒去 CR 溶液加入 10 15 min后 物质的量浓度为 1 mol/L 的 NaCl 溶液 倒掉 NaCl 溶液出现 15 min后 透明圈配制质量浓度为 10 mg/mL 的 CR溶液 灭菌 按照每 200 mL 培养基加入 1 mL 的比例加入 CR 溶液混匀倒平板接种后培养出现透明圈区别先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应倒平板时就加入刚果红优点显示出的颜色反应基本上是纤维素分解菌的作用操作
14、简便，不存在菌落混杂问题缺点操作繁琐，加入刚果红溶液会使菌落之间发生混杂由于在纤维素粉、琼脂和土豆汁中都含有淀粉类物质，可以使能够产生淀粉酶的微生物出现假阳性反应有些微生物具有降解色素的能力，长时间培养会降解刚果红，从而形成明显的透明圈，这些微生物与纤维素分解菌不易区分当纤维素被纤维素酶分解后，刚果红纤维素的复合物就无法形成，培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈。这样，我们就可以通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。在加入刚果红的培养基中会出现如图所示透明圈，产生的透明圈是( )A刚果红与纤维素形成的复合物B刚果红与纤维二糖形成的复合物C纤维素分解后形成的葡萄糖导致的D以纤维素分解菌为中
15、心形成的【审题导析】题干的关键信息是“培养基中加入了刚果红”和培养后出现“透明圈” 。【精讲精析】 刚果红可以与纤维素结合形成红色复合物，但并不和水解后的纤维二糖和葡萄糖发生这种反应。当纤维素被纤维素酶分解后，刚果红纤维素的复合物就无法形成，培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈。【答案】 D实验流程【问题导思】 选择培养的目的是什么？分离得到的纤维素分解菌还需培养吗？分离分解纤维素的微生物的实验流程土壤取样：选择富含纤维素的环境 称 取 土 样 20 g 无 菌 条 件 下 加 入 到 装 有 30 mL选 择 培 养 基 的 锥 形 瓶 中 锥 形 瓶 固 定 在 摇 床 上 一 定
16、温 度 下培养液变混浊选择培养 吸 取 一 定 量 培 养 液 （如 5 mL） 转 移 至 另 一 瓶 摇 床 上 振荡 培 养 培 养 液 变 混 浊 此 步 骤 可 省 略梯度稀释：1 mL 培养液9 mL 无菌水 混 匀 成 10倍 稀 释 液涂布培养：鉴别培养基 3 个 不含纤维素的培养基 3 个 倒平板置于 3037 温度下培养 12d刚 果 红 染 色 方 法 一 ：先 培 养 微 生 物 ， 再 加 入 刚 果 红 进 行 颜 色 反 应 。过 程 如 下 ：培 养 基 经 涂 布 培 养 长 出 菌 落 覆 盖 质 量 浓 度 为 1 mg/mL的 CR溶 液 10 15 m
17、in后 倒 去 CR溶 液 加 入 物 质 的 量 浓 度 为 1 mol/L的 NaCl溶 液 15 min后 倒 掉 NaCl溶 液 出 现 透 明 圈 方 法 二 ：倒 平 板 时 就 加 入 刚 果 红 。过 程 如 下 ：配 制 质 量 浓 度 为 10 mg/mL的 CR溶 液 灭 菌 按 照 每 200 mL培 养 基 加 入 1 mL的 比 例 加 入 CR溶 液 混 匀 倒 平 板 接 种 后 培 养 出 现 透 明 圈 )挑选产生透明圈的菌落进一步鉴定在选择培养的条件下，可以使那些能够适应这种营养条件的微生物得到迅速繁殖，而那些不适应这种营养条件的微生物的繁殖被抑制，因此可
18、以起到“浓缩微生物”的作用。选择培养是微生物学中最强有力的技术手段之一。主要是指利用不同微生物间生命活动特点的不同，制定环境条件，使仅适应该条件的微生物旺盛生长，从而使其在群落中的数量大大增加，人们能够更容易地从自然界中分离到所需的特定微生物。选择条件可根据所需分离的微生物的特点，从物理、化学、生物及综合多个方面进行选择，如温度、pH 、紫外线、高压、光照、氧气、营养等。如图描述了采用选择方法从土壤中分离能降解酚类化合物对羟基苯甲酸的微生物的实验过程。(1)实验原理是_。(2)本实验所需培养基为_，碳源为_。(3)重复培养的目的是_。(4)的菌落中大部分是能降解_的微生物。(5)为_ 组，为_
19、组，设置的目的是_。(6)采用 _法。【思维导图】 选 择 培 养 培 养 基 培 养 基 对 照【精讲精析】 本实验所用培养基是以对羟基苯甲酸为唯一碳源的选择培养基，培养的微生物是能降解对羟基苯甲酸的微生物。经过的重复培养，增大了分解对羟基苯甲酸微生物的比例。最后通过设立对照及单菌落挑取法将培养基上的单菌落分别接种到含有对羟基苯甲酸及不含有该物质的培养基上，验证是否得到了目的微生物。【答案】 (1)利用以对羟基苯甲酸为唯一碳源的选择培养基，经选择培养，选择出能降解酚类化合物对羟基苯甲酸的微生物(2)选择培养基 对羟基苯甲酸(3)增大分解对羟基苯甲酸微生物的比例(4)对羟基苯甲酸(5)对照 实
20、验 说明通过选择培养的确得到了欲分离的目的微生物(6)单菌落挑取本 课 知 识 小 结网 络 构 建结 论 语 句1纤维素是一种由葡萄糖首尾相连而成的高分子化合物，是地球上含量最丰富的多糖类物质。2纤维素酶是一种复合酶，一般认为它至少包括 C1 酶、C x 酶和葡萄糖苷酶。前两种酶使纤维素分解成纤维二糖，第三种酶将纤维二糖分解成葡萄糖。3在含有纤维素的培养基中加入刚果红时，刚果红能与培养基中的纤维素形成红色复合物。4分离分解纤维素的微生物的实验流程为土壤取样选择培养梯度稀释将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上挑选产生透明圈的菌落。5用选择培养基筛选菌落时，若观察到产生透明圈菌落，则说明可能获
21、得了分解纤维素的微生物。1下列关于纤维素酶的说法，错误的是( )A纤维素酶是一种复合酶，至少包括三种组分B纤维素酶可把纤维素分解成葡萄糖C纤维素酶可用于去掉植物的细胞壁D葡萄糖苷酶可把纤维素分解成葡萄糖【解析】 葡萄糖苷酶是纤维素酶的组分之一，它只能将纤维二糖分解为葡萄糖。【答案】 D2纤维素、纤维素酶和控制纤维素酶合成的物质，它们的基本组成单位依次是( )A葡萄糖、葡萄糖和氨基酸B葡萄糖、氨基酸和核苷酸C氨基酸、氨基酸和核苷酸D淀粉、蛋白质和核酸【解析】 纤维素是多糖，其基本组成单位是葡萄糖；纤维素酶是蛋白质，其基本组成单位是氨基酸；控制酶合成的物质是 DNA，其基本组成单位是核苷酸。【答案
22、】 B3(2013西安高二测试 )从土壤中筛选纤维素分解菌的实验设计正确的是( )A土壤取样梯度稀释稀释涂布平板发酵培养B土壤取样选择培养稀释涂布平板挑选菌落C土壤取样梯度稀释选择培养挑选菌落D土壤取样梯度稀释稀释涂布平板选择培养 挑选菌落【解析】 土壤取样之后，应先经过选择培养，以增大目的菌株的浓度，然后为避免一个培养基上的菌落太多，需进行稀度稀释之后涂布平板。【答案】 B4以下分离纤维素分解菌的实验过程中操作有误的是( )A经选择培养后将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上B选择培养这一步可省略，但所培养的纤维素分解菌少C经稀释培养后，用刚果红染色D对照组可用同样量的培养液涂布到不含纤维素
23、的培养基上【解析】 经选择培养后，再经稀释，才能将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上；选择培养可省略；经稀释培养后，用刚果红染色；设置对照能证明经选择培养的确得到了欲分离的微生物。【答案】 A5以纤维素为唯一碳源筛选出多种具有较高纤维素降解能力的微生物，其中有真菌和细菌，试分析此类微生物在生态系统中的作用与下列哪种生物类似( )A硝化细菌 B蓝藻C蚯蚓 D兔子【解析】 纤维素是一种有机高分子化合物，以其为碳源的微生物属于分解者；硝化细菌和蓝藻是自养生物，属于生产者；蚯蚓以土壤中腐殖质为食，属于分解者；兔子以植物为食，属于消费者。【答案】 C6(2013宝鸡高二检测 )下列有关刚果红染色法的叙
24、述，不正确的是( )A刚果红可以在细菌菌落形成前倒平板时加入B刚果红可以在菌落形成后加入C在菌落形成前倒平板时加入，刚果红不需要灭菌D在菌落形成后加入刚果红时，刚果红不需要灭菌【解析】 利用刚果红鉴别纤维素分解菌时，刚果红可以在细菌菌落形成前倒平板时加入，也可以在菌落形成后加入。在细菌菌落形成前倒平板时加入，要进行灭菌，以防杂菌的侵入，影响纤维素分解菌菌落的形成；在菌落形成后加入刚果红，则不需要灭菌。【答案】 C7目前，加酶洗衣粉中的蛋白酶主要是中温蛋白酶，最适酶活温度在 50 左右，由于日常洗涤用水的温度达不到该温度，导致蛋白酶活性受到影响。适冷蛋白酶是从适冷鱼类体内分离纯化或由深海适冷菌分
25、泌出的酶类，最适酶活温度在 20 左右，用其作为洗衣粉添加剂可在较低的温度下达到理想的洗涤效果。下图为分离可分泌蛋白酶的适冷菌的操作步骤，据图回答问题。(1)在将配制好的牛肉膏蛋白胨培养基分装到三角瓶中时，为避免培养基沾到瓶口，必须使用_进行分装，并及时进行_操作。(2)将扩大培养后的深海微生物用_法接种到含酪蛋白的固体培养基表面，在适宜条件下培养一段时间，挑出形成透明圈的菌落，即为初选出的适冷菌。(3)为进一步检测分离出的适冷菌分泌的适冷蛋白酶的最适酶活温度，将该菌按上图所示分 7 组进行培养，这 7 组实验间形成了_，_组所对应的温度为最适酶活温度。(4)由操作过程可知该适冷菌的代谢类型为_。(5)将分离到的适冷菌接种到一定容积的牛肉膏蛋白胨液体培养基中，置于适宜条件下振荡培养，细菌数量将呈_增长，其环境容纳量主要取决于_。【解析】 (2)由于培养后要挑取形成透明圈的菌落，因而适合用稀释涂布平板法接种。(3) 适冷菌产生的蛋白酶活性越大，则分解培养基中的蛋白质越多，则菌落周围出现的透明圈越宽，因而透明圈与菌落直径比值最大组所对应的温度为最适酶活温度。【答案】 (1)三角漏斗 灭菌 (2) 稀释涂布平板(3)(相互)对照 透明圈与菌落直径比值最大 (4) 异养需氧型 (5)S 型(逻辑斯谛) 营养物质的量(培养液的体积和浓度)
