第40讲　微生物的培养与应用

[考纲明细]　1.微生物的分离和培养　2.某种微生物数量的测定　3.培养基对微生物的选择作用　4.利用微生物发酵来生产特定的产物以及微生物在其他方面的应用

知识自主梳理

一、微生物的实验室培养

1．培养基

(1)概念：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出供其生长繁殖的营养基质。

(2)营养成分：水、碳源、氮源、无机盐四类营养物质，另外还需要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求。

(3)培养基的分类

①按物理状态分类

②按化学成分分类

③按功能分类

[深入思考]　为什么选择培养能够“浓缩”所需的微生物？

提示　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，因此可以起到“浓缩”的作用。

2．无菌技术

(1)含义：指在培养微生物的操作中，所有防止杂菌污染的方法。

(2)关键：防止外来杂菌的入侵。

(3)不同对象的无菌操作方法(连线)

答案　①、②、⑥—b—Ⅰ、Ⅱ　③、④、⑤—a—Ⅲ、Ⅳ

3．大肠杆菌的纯化培养

(1)制备牛肉膏蛋白胨固体培养基

①操作步骤

→→→→

②倒平板的方法及注意事项

a．请用文字和箭头写出正确的倒平板操作流程：丙→乙→甲→丁。

b．乙中的灭菌方法是灼烧灭菌。

c．丁中的操作需要等待平板冷却凝固才能进行。

[深入思考]　(1)倒平板操作为什么需要使锥形瓶的瓶口通过火焰？

提示　通过灼烧灭菌，防止瓶口的微生物污染培养基。

(2)平板冷凝后，为什么要将平板倒置？

提示　平板冷凝后，皿盖上会凝结水珠，凝固后的培养基表面的湿度也比较高，将平板倒置，既可以使培养基表面的水分更好地挥发，又可以防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染。

(2)纯化大肠杆菌的两种方法

1)平板划线法

①概念：是通过接种环在琼脂固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基的表面。

②注意事项：

a.

b．灼烧接种环，待其冷却后才能伸入菌液，以免温度太高杀死菌种。

c．第二次及其以后的划线操作总是从上一次划线末端开始，能使细菌的数目随着划线次数的增加而逐渐减少，最终得到由单个细菌繁殖而来的菌落。

d．划线时最后一区不要与第一区相连。

e．划线用力大小要适当，防止用力过大将培养基划破。

2)稀释涂布平板法

①概念：是将菌液进行一系列的梯度稀释，然后将不同稀释度的菌液分别涂布到琼脂固体培养基的表面，进行培养。

②操作过程

(3)菌种的保存方法

①对于频繁使用的菌种，可以采用临时保藏的方法。

②对于需要长期保存的菌种，可以采用甘油管藏的方法。

二、土壤中分解尿素的细菌的分离与计数

1．筛选菌株

(1)自然界中目的菌株筛选的依据：根据它对生存环境的要求，到相应的环境中去寻找。

(2)实验室中微生物筛选的原理：人为提供有利于目的菌株生长的条件(包括营养、温度、pH等)，同时抑制或阻止其他微生物生长。

(3)选择培养基：允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基。

2．统计菌落数目

(1)常用方法：稀释涂布平板法。

(2)统计依据

当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌。通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌。

(3)活菌计算方法：每克样品中的菌株数＝(C÷V)×M[其中C代表某一稀释度下平板上生长的平均菌落数，V代表涂布平板时所用的稀释液的体积(mL)，M代表稀释倍数]。

(4)其他方法：还可利用显微镜直接计数。

3．设置对照

设置对照的主要目的是排除实验组中非测试因素对实验结果的影响，提高实验结果的可信度，例如为了排除培养基被杂菌污染的可能性，需以未接种细菌的培养基培养作为空白对照。

[深入思考]　除设置对照组外，设置重复组的作用是什么？应如何设置重复组？

提示　设置重复组的作用是为排除偶然因素对实验结果的干扰；在每一稀释度下宜设置3个平板作重复组，选择菌落数均在30～300且数目相差不大的三个平板，用“平均值”代入计数公式予以计算菌落数。

4．实验设计

5．结果分析与评价

三、分解纤维素的微生物的分离

1．纤维素酶

(1)纤维素酶是一种复合酶，一般认为它至少包括C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶三种组分。

(2)作用：纤维素纤维二糖葡萄糖。

2．纤维素分解菌的筛选

(1)方法：刚果红染色法。

(3)培养基：以纤维素为唯一碳源的选择培养基。

(4)实验流程

土壤取样：富含纤维素的环境

↓

选择培养：用选择培养基培养，以增加纤维

素分解菌的浓度

↓

梯度稀释：制备系列稀释液

↓

涂布平板：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)分离纤维素分解菌所用的两种培养基比较

分离纤维素分解菌的实验中先用选择培养基，再用鉴别培养基。

①选择培养基为液体培养基，以纤维素作为碳源和能源的微生物可以正常生长，而其他绝大多数微生物不能正常生长。

②鉴别培养基含琼脂，为固体培养基，细菌可在培养基上形成肉眼可见的菌落。刚果红染色法应用的就是鉴别培养基。

考点题型突破

考点1　培养基及微生物的纯化培养技术

题型一 培养基

1．高温淀粉酶在大规模工业生产中有很大的实用性。研究者从热泉中筛选出了能高效生产高温淀粉酶的嗜热菌，其筛选过程如下图所示。请据图回答下列问题：

(1)Ⅰ号培养基从物理状态来看，属于固体培养基，配制时要加入________作为凝固剂，从用途来看属于选择培养基，应以________作为唯一碳源。

(2)配制固体培养基的基本步骤是(　　)

A．计算、称量、倒平板、溶化、灭菌

B．计算、称量、溶化、倒平板、灭菌

C．计算、称量、溶化、灭菌、倒平板

D．计算、称量、灭菌、溶化、倒平板

(3)溶化时，烧杯中加入琼脂后要不停地________，防止琼脂糊底引起烧杯破裂。对培养基灭菌的方法一般为________________。

(4)①过程是________，②过程所使用的接种方法是________法。

(5)部分嗜热菌在Ⅰ号培养基上生长时可释放________分解培养基中的淀粉，在菌落周围形成透明圈，挑选相应的菌落，接种到Ⅱ号培养基进一步分离纯化后，再对菌种进行________培养。

答案　(1)琼脂　淀粉　(2)C

(3)搅拌　高压蒸汽灭菌

(4)稀释　涂布平板　(5)淀粉酶　扩大

解析　(1)固体培养基通常加入琼脂作为凝固剂。本实验的目的是获得产生高温淀粉酶的嗜热菌，故其选择培养基中应以淀粉作为唯一碳源。

(2)配制固体培养基的基本步骤是计算、称量、溶化、灭菌、倒平板。

(3)配制培养基加热溶化时，要注意加入琼脂后要不断搅拌，防止琼脂糊底。对培养基的灭菌一般采用高压蒸汽灭菌法。

(4)仔细观察题图可知，①是菌液稀释过程，②是采用涂布平板法接种。

(5)能产生淀粉酶的部分细菌能分解利用淀粉，其菌落周围会出现透明圈，取这样的菌落再分离纯化可获得相应菌种，以后可以对菌种进行扩大培养用于生产。

技法提升

1.培养基的配制原则

(1)目的要明确：配制时应根据微生物的种类、培养目的等确定配制的培养基种类。

(2)营养要协调：注意各种营养物质的浓度和比例。

(3)pH要适宜：细菌为6.5～7.5，放线菌为7.5～8.5，真菌为5.0～6.0，培养不同微生物所需的pH不同。

2．培养基中营养物质的确定方法

不同种类的微生物代谢特点不同，因此对培养基中营养物质的需求也不同。如：

(1)自养型微生物所需的主要营养物质是无机盐，碳源可来自大气中的CO2，氮源可由含氮无机盐提供。

(2)异养型微生物所需的营养物质主要是有机物(即碳源)，必须由含碳有机物提供，氮源也主要是由有机物提供，部分异养型微生物也可以利用无机氮源。

题型二 无菌技术

2．(2018·全国卷Ⅱ)在生产、生活和科研实践中，经常通过消毒和灭菌来避免杂菌的污染。

回答下列问题：

(1)在实验室中，玻璃和金属材质的实验器具________(填“可以”或“不可以”)放入干热灭菌箱中进行干热灭菌。

(2)牛奶的消毒常采用巴氏消毒法或高温瞬时消毒法，与煮沸消毒法相比，这两种方法的优点是________________________________。

(3)密闭空间内的空气可采用紫外线照射消毒，其原因是紫外线能__________________，在照射前，适量喷洒__________________，可强化消毒效果。

(4)水厂供应的自来水通常是经过________(填“氯气”“乙醇”或“高锰酸钾”)消毒的。

(5)某同学在使用高压蒸汽灭菌锅时，若压力达到设定要求，而锅内并没有达到相应温度，最可能的原因是____________________。

答案　(1)可以

(2)在达到消毒目的的同时，营养物质损失较少

(3)破坏DNA结构　消毒液

(4)氯气　(5)未将锅内冷空气排尽

解析　(1)能耐高温的、需要保持干燥的物品，如玻璃器皿(吸管、培养皿)和金属用具等可以放入干热灭菌箱中进行干热灭菌。

(2)煮沸消毒法即在100 ℃煮沸5～6 min可以杀死微生物细胞和一部分芽孢；巴氏消毒法即在70～75 ℃煮30 min或在80 ℃煮15 min，可以杀死微生物，并且保证营养物质不被破坏。因此，与煮沸消毒法相比，牛奶消毒常采用的巴氏消毒法或高温瞬时消毒法的优点是在达到消毒目的的同时，营养物质损失较少。

(3)因紫外线能破坏DNA结构，所以密闭空间内的空气可采用紫外线照射消毒。在照射前，适量喷洒消毒液，可强化消毒效果。

(4)通常乙醇消毒有气味，影响水质，不适宜消毒自来水；高锰酸钾本身有颜色，消毒后溶液呈紫红色，无法使用；因此水厂供应的自来水通常是经过氯气消毒的。

(5)采用高压蒸汽灭菌时，锅内的水加热煮沸，将其中原有的冷空气彻底排除后才能将锅密闭。如果未将锅内冷空气排尽，则会出现压力达到设定要求，而锅内并没有达到相应温度的现象。

题后归纳

全面比较消毒和灭菌

题型三 微生物的纯化技术

3．(2017·江苏高考)苯酚及其衍生物广泛存在于工业废水中，对环境有严重危害。小明同学准备依据下图操作步骤，从处理废水的活性污泥中分离筛选酚降解高效菌株。请回答下列问题：

(1)酚降解菌富集培养基含有蛋白胨、K2HPO4、MgSO4、苯酚和水，其中可作为碳源的有________。

(2)将采集到的样品接种培养，苯酚用量应随转接次数增加而逐渐________，以达到富集酚降解菌的目的。若上图平板中菌落过于密集，应进一步________，以便于菌落计数与分离。制备平板培养基时除了需要水、营养物质外，还必须添加________。

(3)如图为连续划线法示意图，在图中________(填图中序号)区域更易获得单菌落。

(4)采用比色测定法(使用苯酚显色剂)检测降解后的废水中苯酚残留量。先制作系列浓度梯度并进行显色反应，下表中1～5号比色管的苯酚浓度应分别为____________________。

如果废水为50 mg/L苯酚溶液，降解后约有21%的苯酚残留，则需将残留液稀释________(填序号：①5　②10　③20)倍后，再进行比色。

答案　(1)蛋白胨、苯酚

(2)增加　稀释涂布　凝固剂

(3)③　(4)0、0.2、0.4、0.6、0.8　③

解析　(1)分析富集培养基的成分可知，培养基中蛋白胨、苯酚中含C，可作为碳源。

(2)在接种培养时，随转接次数的增加，应逐渐增加培养基中苯酚(碳源)的含量，以达到富集酚降解菌的目的。若接种培养后平板中菌落过于密集，应继续稀释涂布，以降低平板上菌落密度，便于菌落计数与分离。稀释涂布时所用的培养基为固体培养基，制备平板培养基时除了需要水、营养物质外，还必须添加琼脂等物质作为凝固剂。

(3)利用连续划线法接种时，越在最后划线区域，菌落的密度越小，越容易获得单菌落，所以，图中③区域更易获得单菌落。

(4)根据表中6号比色管中苯酚浓度为1 mg/L可以推知，1～5号比色管的苯酚浓度应分别为0 mg/L、0.2 mg/L、0.4 mg/L、0.6 mg/L、0.8 mg/L。根据题意，废水为50 mg/L苯酚溶液，降解后约有21%的苯酚残留，要使稀释后的苯酚残留液浓度介于0～1 mg/L之间，需将残留液稀释20倍左右，再进行比色。

题后归纳

两种纯化细菌的方法的比较

考点2　微生物的筛选与计数

题型一 选择培养基的成分及配制

1．选择培养基是根据某一种或某一类微生物的特殊营养要求或对一些物理、化学抗性而设计的培养基。利用这种培养基可以将所需要的微生物从混杂的微生物中分离出来。为选择酵母菌和硝化细菌，应选用的培养基分别为(　　)

A．伊红美蓝培养基、含青霉素的培养基

B．含青霉素的培养基、含氨的无机培养基

C．含氨的无机培养基、含青霉素的培养基

D．含青霉素的培养基、伊红美蓝培养基

答案　B

解析　酵母菌是真菌，通常可以用含青霉素的培养基进行选择培养，因为青霉素能抑制细菌生长，但不能抑制真菌生长；硝化细菌为自养型生物，能够利用氨转变为亚硝酸和硝酸所释放的能量，把无机物转变为有机物以维持自身生命活动，利用含氨的无机培养基可进行选择培养。

2．原油中含有大量有害的、致癌的多环芳烃。土壤中有些细菌可以利用原油中的多环芳烃为碳源，在培养基中形成分解圈。为筛选出能高效降解原油的菌株并投入除污，某小组同学设计了相关实验。下列有关实验的叙述，不正确的是(　　)

A．应配制来源于被原油污染土壤的土壤稀释液备用

B．配制以多环芳烃为唯一碳源的选择性培养基

C．将土壤稀释液灭菌后接种到选择性培养基上

D．在选择性培养基上能形成分解圈的即为所需菌种

答案　C

解析　被原油污染的土壤中含有较多的能够利用多环芳烃为碳源的细菌，A正确；在以多环芳烃为唯一碳源的选择性培养基上只有能利用多环芳烃的微生物才能生长繁殖，B正确；将土壤稀释液灭菌后会导致土壤中所需要的微生物死亡，C错误；在选择性培养基上能形成分解圈说明该菌落中的微生物能利用多环芳烃，D正确。

题后归纳

选择培养基的作用原理

(1)在培养基中加入某种化学物质，如加入青霉素可以分离出酵母菌和霉菌；加入高浓度的食盐可以得到金黄色葡萄球菌。这里的加入是在满足基本所需培养成分的基础上加入。

(2)改变培养基中的营养成分，如缺乏氮源时可以分离出固氮微生物；以石油作为唯一碳源时，可以分离出能消除石油污染的微生物。

(3)改变微生物的培养条件，如将培养基放在高温环境中培养可以得到耐高温的微生物。

题型二 微生物的筛选与计数

3．(2017·全国卷Ⅰ)某些土壤细菌可将尿素分解成CO2和NH3，供植物吸收和利用。回答下列问题：

(1)有些细菌能分解尿素，有些细菌则不能，原因是前者能产生________。能分解尿素的细菌不能以尿素的分解产物CO2作为碳源，原因是__________________________________________________。

但可用葡萄糖作为碳源，进入细菌体内的葡萄糖的主要作用是____________________________________________________________(答出两点即可)。

(2)为了筛选可分解尿素的细菌，在配制培养基时，应选择__________(填“尿素”“NH4NO3”或“尿素＋NH4NO3”)作为氮源，不选择其他两组的原因是____________________________________

_________________________________________________________。

(3)用来筛选分解尿素细菌的培养基含有KH2PO4和Na2HPO4，其作用有_____________________________________________________

_______________________________________(答出两点即可)。

答案　(1)脲酶　分解尿素的细菌是异养生物，不能利用CO2来合成有机物　为细胞生命活动提供能量，为其他有机物的合成提供原料

(2)尿素　其他两组都含有NH4NO3，能分解尿素的细菌和不能分解尿素的细菌都能利用NH4NO3，不能起到筛选作用

(3)为细菌生长提供无机营养，作为缓冲剂保持细胞生长过程中pH稳定

解析　(1)有些细菌能分解尿素是因为这些细菌能产生脲酶，将尿素分解成CO2和NH3。能分解尿素的细菌是异养生物，不能利用CO2作为碳源合成有机物，但这些细菌可用葡萄糖作为碳源，进入细菌体内的葡萄糖的主要作用是作为能源物质氧化分解为细胞生命活动提供能量，为其他有机物的合成提供原料。

(2)为了筛选可分解尿素的细菌，在配制培养基时，应选择尿素作为唯一氮源，这样只有能分解尿素的细菌才能在培养基上生存。若选择“NH4NO3”或“尿素＋NH4NO3”作为氮源，能分解尿素的细菌和不能分解尿素的细菌都能利用NH4NO3，不能起到筛选作用。

(3)用来筛选分解尿素细菌的培养基含有KH2PO4和Na2HPO4，它们可以为细菌生长提供无机营养；同时，KH2PO4和Na2HPO4还可以作为缓冲剂保持细胞生长过程中pH稳定。

4．下表是某同学列出的分离土壤中微生物的培养基配方，据此回答下列问题：

(1)从作用上看，该培养基属于________培养基，提供氮源的物质是________，细菌能利用该氮源是由于体内能合成________酶。

(2)在对分离的能分解尿素的细菌进行鉴定时，还需在培养基中加入________指示剂，若指示剂变________，说明有目的菌株存在。

(3)为了测定微生物的数量，接种时应采用________________法，某同学在4个培养基上分别接种稀释倍数为106的土壤样液0.1 mL，培养后菌落数分别为180、155、176、129个，则每毫升原土壤样液中上述微生物的数量为________个，测定的活菌数比实际活菌数________(填“低”“高”或“基本一致”)。

答案　(1)选择　尿素　脲(催化尿素分解的)

(2)酚红　红

(3)稀释涂布平板　1.6×109　低

解析　(1)题干指出表中是分离土壤中微生物的培养基配方，其中尿素是唯一氮源，能生长的菌落说明能利用尿素中的氮源，以尿素为唯一氮源的培养基可以选择尿素分解菌，所以从用途上看，该培养基属于选择培养基。细菌能利用尿素作为氮源，是由于其能合成脲酶。

(2)在对分离的能分解尿素的细菌进行鉴定时，还需在培养基中加入酚红指示剂，若指示剂变红，说明有目的菌株存在。

(3)纯化微生物可以用稀释涂布平板法和平板划线法，其中稀释涂布平板法能用于微生物的计数。1 mL原土壤样液中上述微生物数量＝(180＋155＋176＋129)÷4×106×10＝1.6×109个；稀释涂布平板法计数，统计的数量比实际数量会偏少，原因是当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。

知识拓展

微生物的筛选与鉴别方法

(1)微生物的筛选方法

(2)微生物的鉴别方法

方向真题体验

1.(2018·全国卷Ⅰ)将马铃薯去皮切块，加水煮沸一定时间，过滤得到马铃薯浸出液。在马铃薯浸出液中加入一定量蔗糖和琼脂，用水定容后灭菌，得到M培养基。

回答下列问题：

(1)M培养基若用于真菌的筛选，则培养基中应加入链霉素以抑制________的生长，加入了链霉素的培养基属于__________培养基。

(2)M培养基中的马铃薯浸出液为微生物生长提供了多种营养物质，营养物质类型除氮源外还有________________(答出两点即可)。氮源进入细胞后，可参与合成的生物大分子有________________(答出两点即可)。

(3)若在M培养基中用淀粉取代蔗糖，接种土壤滤液并培养，平板上长出菌落后可通过加入显色剂筛选出能产淀粉酶的微生物。加入的显色剂是________，该方法能筛选出产淀粉酶微生物的原理是______________________________________。

(4)甲、乙两位同学用稀释涂布平板法测定某一土壤样品中微生物的数量，在同一稀释倍数下得到以下结果：

甲同学涂布了3个平板，统计的菌落数分别是110、140和149，取平均值133；

乙同学涂布了3个平板，统计的菌落数分别是27、169和176，取平均值124。

有人认为这两位同学的结果中，乙同学的结果可信度低，其原因是________________________________________________________

_________________________________________________________。

答案　(1)细菌　选择

(2)碳源、无机盐　蛋白质、核酸

(3)碘液　淀粉遇碘液显蓝色，产淀粉酶的菌落周围淀粉被水解，形成透明圈

(4)乙同学的结果中，1个平板的计数结果与另2个相差悬殊，结果的重复性差

解析　(1)M培养基若用于真菌的筛选，说明M培养基能满足真菌的生长，而能抑制其他微生物的生长，链霉素是一种抗生素，可以抑制细菌的生长。加入了链霉素的培养基能筛选出真菌，该培养基属于选择培养基。

(2)微生物生长需要多种营养物质除氮源外，还需要碳源、无机盐、水以及特殊营养物质等。氮元素是蛋白质和核酸等生物大分子的组成元素，因此氮源进入细胞后，可参与合成的生物大分子有蛋白质和核酸。

(3)淀粉遇碘液会变成蓝色，筛选产淀粉酶的微生物，依据淀粉遇碘液显蓝色，产淀粉酶的菌落周围淀粉被水解，形成透明圈，再根据透明圈，来筛选产淀粉酶的微生物。

(4)乙同学结果不合理，因为1个平板的计数结果与另2个相差悬殊，结果的重复性差，不能简单的用其平均数作为最终结果。

2．(2018·全国卷Ⅲ)回答下列与酵母菌有关的问题：

(1)分离培养酵母菌通常使用______________(填“牛肉膏蛋白胨”“MS”或“麦芽汁琼脂”)培养基，该培养基应采用________灭菌法灭菌。若将酵母菌划线接种在平板上，培养一段时间后会观察到菌落，菌落的含义是____________________________________________。

(2)酵母菌液体培养时，若通入氧气，可促进______________(填“菌体快速增殖”“乙醇产生”或“乳酸产生”)；若进行厌氧培养，可促进________________(填“菌体快速增殖”“乙醇产生”或“乳酸产生”)。

(3)制作面包时，为使面包松软通常要在面粉中添加一定量的酵母菌，酵母菌引起面包松软的原因是_______________________。

答案　(1)麦芽汁琼脂　高压蒸汽　由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体

(2)菌体快速增殖　乙醇产生

(3)酵母菌分解葡萄糖会产生CO2，CO2使面包松软

解析　(1)麦芽汁琼脂培养基的碳氮比较高，而且含糖量高，更适合酵母菌，该培养基应采用高压蒸汽灭菌法灭菌。若将酵母菌划线接种在平板上，培养一段时间后可观察到由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体，这就是菌落。

(2)酵母菌液体培养时，若通入氧气，进行有氧呼吸产生H2O和CO2，释放能量多，细胞增殖快；若进行厌氧培养，进行无氧呼吸，产生酒精和CO2，释放能量少，增殖慢。

(3)制作面包时，在面粉中添加一定量的酵母菌，因酵母菌可以分解面粉中的葡萄糖，产生二氧化碳，二氧化碳是气体，遇热膨胀而形成小孔，使得面包松软多孔。