普通高中教科书·生物学选择性必修3 生物技术与工程.pdf

普 通 高 中 教 科 书生物学生物技术与工程生物学选择性必修3生物技术与工程普通高中教科书生物学选择性必修 3生物技术与工程上海科学技术出版社SHENGWUXUE上海科学技术出版社绿色印刷产品绿色印刷产品选择性必修 3定价:10.10 元生物学选择性必修 3普通高中教科书生物技术与工程上海科学技术出版社主编：赵云龙周忠良本册主编：张惠展编写人员：（以姓氏笔画为序）马昱澍李竹青何俊民高红亮鲍晓云责任编辑：杨硕吴玥美术设计：蒋雪静普通高中教科书生物学选择性必修 3生物技术与工程上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版上海世纪出版(集团)有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路 71 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷当纳利（上海）信息技术有限公司版 次2021 年 3 月第 1 版印 次2021 年 3 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张8字 数160 千字书 号ISBN 978-7-5478-5299-6/G1037定 价10.10 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。细胞工程 33第 1 节第 2 节第 3 节利用植物细胞工程培育新植株探究 实验 2-1 月季的快速繁殖利用动物细胞工程改良动物细胞探究 活动 2-2 收集单克隆抗体的应用实例利用胚胎工程快速繁育优良动物品种发酵工程 1344357目录获得纯种微生物是发酵工程的基础 探究 实验 1-1 酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制探究 实验 1-2 酵母的分离和纯化探究 实验 1-3 土壤中分解尿素细菌的分离与计数发酵工程为人类提供多样化生物产品探究 实验 1-4 果酒和果醋的制作探究 实验 1-5 酸奶的制作探究 活动 1-6 虚拟仿真：发酵条件对微生物发酵的影响第 1 节第 2 节21568123947171924第章第章121转基因产品的安全性引发社会广泛关注探究 活动 4-1 辩论：转基因食品是否安全？生殖性克隆人带来诸多伦理问题探究 活动 4-2 讨论：你是否支持设计试管婴儿？全面禁止生物武器基因工程 65第 1 节第 2 节第 3 节基因工程赋予生物新的遗传特性基因工程是一种重组 DNA 技术探究 建模 3-1 模拟限制性内切核酸酶的切割作用探究 实验 3-2 DNA 的提取和鉴定探究 实验 3-3 PCR 扩增 DNA 的原理和操作探究 建模 3-4 模拟 DNA 分子重组探究 实验 3-5 PCR 扩增产物的凝胶电泳鉴定蛋白质工程是基因工程的延伸生物技术安全与伦理 103第 1 节第 2 节第 3 节6673891041111157579818386109113第章第章3421 第 节第 章1发酵工程新鲜的泥土有一种特别的土腥味，散发这种土腥味的微生物可以生产一种抗生素链霉素，用于治疗曾肆虐人类几千年的肺结核；从甜瓜上的一个霉斑可以找到生产另一种抗生素青霉素的微生物，这些抗生素的发现和使用极大地增强了人类抵抗细菌性感染的能力微生物为人类的生存和发展作出了巨大的贡献。那么，如何从自然环境中分离得到生产特定抗生素的微生物？抗生素又是如何在工厂中大规模生产的？这主要是利用了现代生物工程技术中的发酵工程技术。传统发酵主要利用微生物制作各种酸奶和泡菜等食品；而现代发酵则利用自动化控制和工程化技术体系大规模生产抗生素、蛋白质药物和燃料乙醇等各类产品。发酵工程技术在食品、医药、资源与环境保护等领域有着越来越广泛的应用。12发酵工程第 1 章抗生素的生产菌种青霉素是人类最早发现的抗生素，现在抗生素的种类已达数千种，临床上常用的也有上百种。这些抗生素都是由不同种类的微生物产生的。表 1-1一些微生物生产的抗生素及菌种特征抗生素生产菌种菌种主要特征青霉素产黄青霉菌、点青霉菌霉菌常见于变质的面包、奶酪和水果上，大多为专性好氧的真核微生物灰黄霉素灰黄青霉菌头孢霉素 C头孢霉菌链霉素灰色链霉菌 链 霉 菌 是 一 种 放 线菌，主要分布在含水量较低、有机物较丰富和呈微碱性的土壤中，多为好氧的原核微生物卡那霉素卡那霉素链霉菌利福霉素地中海链霉菌土霉素龟裂链霉菌制霉菌素诺尔斯链霉菌井冈霉素吸水链霉菌思考与讨论：1.欲大量生产抗生素，就要大规模培养对应菌种的微生物，微生物的培养需要满足哪些条件？2.自然界中的微生物种类繁多，而且常常生活在一起，如何才能分离得到生产所需的纯种微生物？第 节获得纯种微生物是发酵工程的基础1带有酸味的醋、含苦味的啤酒、气味芳香的白酒，都是由谷物发酵而来，却能形成口味截然不同的产品，这都源于微生物的奇妙作用。人们利用微生物发酵制作食品的历史悠久，在此基础上发展而来的发酵工程技术则利用微生物大规模生长和代谢活动生产出更多有价值的产品。微生物是发酵工程的灵魂，不同产品的发酵生产需要使用不同来源、不同种类的微生物。让我们从认识生产抗生素的微生物开始，逐步了解发酵工程。学习目标归 纳 和 概 括 微 生 物 所需 营 养 物 质 和 生 长 条件，进一步形成结构与功能等生命观念，并能基 于 这 些 观 念 设 计 合适 的 培 养 基，选 择 合适的培养和计数方法，有 目 的 地 培 养 纯 种 微生物。归 纳 和 概 括 无 菌 技 术对 微 生 物 研 究 和 发 酵的 影 响，阐 释 无 菌 技术的方法和应用。关注微生物特定功能在生产和生活中的应用。概念聚焦根 据 培 养 微 生 物 的 目的，可以有针对性地设计培养基。分离和纯化微 生 物 常 用 平 板 划 线法和稀释涂布平板法。无菌技术是保障获得纯种微生物的关键技术。3获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节1 培养基为微生物提供所需营养物质微生物需要的营养物质在我们生活的周围，处处都有微生物在繁衍生息。微生物个体微小，在自然界中常常是多种微生物生活在一起。因此，分离、纯化和培养微生物是研究和利用微生物的前提。微生物的生存和生长依赖于适宜的营养物质和生长环境。培养基是一种由人工配制的适合微生物生长、繁殖并产生代谢产物的营养基质。只有了解微生物所需的营养物质和生长条件，才能设计出满足微生物培养需求的培养基。以微生物发酵生产维生素 B2的一种培养基配方为例，微生物所需的营养物质一般包括碳源、氮源、生长因子、无机盐和水等（图 1-1）。图 1-1 微生物生长所需的营养物质水水是微生物生长和代谢必不可少的营养物质。生长因子生长因子通常是指微生物自身不能合成或合成量不足，但又是微生物生长和代谢所必需的小分子，如某些维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等。酵母浸粉、牛肉浸膏或植物组织提取液等天然物质中含有不同的生长因子。某些微生物的生长不需要生长因子。该培养基中的生长因子由玉米浆提供。碳源碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后，成为微生物自身的结构物质和代谢产物。自养微生物能够利用 CO2为唯一或主要碳源，异养微生物则利用葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉和纤维素等有机碳源。葡萄糖、大豆油和甘油是该培养基中的碳源。氮源氮源物质主要用于合成细胞中的蛋白质、核酸等，一般包括蛋白质及其不同程度的降解产物，如蛋白胨（多肽混合物）、氨基酸，以及尿素、铵盐、硝酸盐等。该培养基中的氮源由酪蛋白和玉米浆提供。无机盐无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含钠、钾、钙、镁等元素的化合物。此外，还需要锌、锰、钼、铁、铜等微量元素。微量元素往往存在于天然有机物、自来水等物质中，一般不需要特别添加。该培养基中的 KH2PO4是微生物生长和代谢所需要的无机盐。维生素 B2发酵的一种培养基配方4发酵工程第 1 章?图 1-2 培养基的不同分类选用或设计培养基首先要考虑选择适宜的营养物质。由于微生物具有不同的营养类型，对营养物质的要求也各不相同，且不同微生物生长、繁殖和代谢产物积累所需的 pH 也不相同。因此，必须根据各种微生物的特点及实验目的选用合适的培养基。培养基的类型根据成分来源、物理状态和基本用途，可对培养基进行不同的分类（图 1-2）。用于工业生产的发酵培养基的原料还应具备来源丰富、价格低廉、质量稳定等特点。例如，常用的碳源有葡萄糖、蔗糖和淀粉水解物等，常用的氮源有玉米浆、黄豆饼粉和各种蛋白水解物等。微 生 物 的 生 长 还 需 要能 源。葡 萄 糖、淀 粉等 碳 水 化 合 物 可 作 为异 养 微 生 物 的 能 源。对 于 不 能 固 氮 的 微 生物 来 说，蛋 白 质 同 时具 有 氮 源、碳 源 和 能源三种功能。学习提示5获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节2 无菌技术是微生物研究和发酵工程的基础在微生物发酵培养中，一般使用的是经过分离筛选获得的纯种微生物，全过程不能有杂菌污染，而且所用的微生物也不允许污染环境。这种防止纯种微生物被其他微生物污染，且自身也不污染操作环境的技术称为无菌技术。无菌技术贯穿于微生物分离、纯化、接种、培养及菌种保藏的整个过程。借助于不同的灭菌和消毒手段，可不同程度地减少或完全杀灭环境中的微生物，确保微生物研究和生产顺利进行。灭菌是采用强烈的理化条件使物体内外的一切微生物（包括芽孢）丧失其生长繁殖能力的措施。相比之下，消毒则采用较温和的理化条件，仅杀死物体内外一部分对人体或动植物有害的病原菌，但对被消毒的对象基本无害。常用的灭菌方法有高温灭菌、过滤除菌和辐射灭菌等。高温灭菌适用于耐热物品，常用的方法有高压蒸汽灭菌、干热灭菌等。干热灭菌包括火焰灼烧和烘箱干燥灭菌。而含有热敏感物质（如尿素）的培养基以及好氧发酵所需的无菌空气则常用过滤除菌（图 1-3）。过滤除菌是将含菌的液体或气体通过高温灭菌的过滤介质，阻截其中的微生物，以达到除菌的目的。辐射灭菌是利用电离辐射或紫外辐射等杀灭微生物的方法。紫外辐射一般用于对物体表面和空气的灭菌，如超净工作台内部和无菌室等。图 1-3 过滤器和滤芯某 些 细 菌 产 生 的 芽 孢具 有 高 度 抗 热 且 很 难被 化 学 物 质 或 辐 射 破坏 的 特 性，这 可 使 细菌 度 过 极 端 温 度、干旱 或 营 养 物 质 匮 乏 的时期。学习提示蛋白质是微生物细胞的重要成分，是生命活动的关键物质。高温可使蛋白质变性，从而达到消灭微生物的目的。在实验室里，将待灭菌的物品放置在盛有适量水的高压蒸汽灭菌锅内（图 1-4），通过加热使锅内的水沸腾而产生蒸汽。待水蒸气将锅内的冷空气驱尽后，继续加热使锅内的气压逐步上升，温度也随之升到 100 以上，导致菌体蛋白质变性凝固，从而达到灭菌的目的。当表压为0.1 MPa 时，温度可达 121，一般维持 20 30 min，即可杀死一切微生物及其孢子或芽孢，这也成为培养基的常规灭菌条件。高压蒸汽灭菌广角镜图 1-4 手提式高压蒸汽灭菌锅6发酵工程第 1 章1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制探究实验你能想象德国科学家科赫（R.Koch）最早是用马铃薯片作为固体培养基培养细菌吗？之后，他又采用明胶作为培养基的凝固剂，但明胶容易融化。后来，科赫采用了助手建议的琼脂作为凝固剂，效果理想，从而沿用至今。从马铃薯片到琼脂的应用，科学家们发明的固体培养基使得研究人员可将目标微生物从“混居”环境中分离出来。实验目标：学习和掌握配制培养基的一般方法和步骤。为了确保微生物实验操作过程中不污染杂菌，还需要人为提供一个无菌区域（图 1-5）。进行微生物实验操作时，操作者的衣着和手需进行清洁和消毒；实验结束时，也一定要洗手，以防止被微生物感染。使用后的培养基丢弃前，一定要进行灭菌处理，以免污染环境。图 1-5 常见的无菌操作室?75%?7获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节图 1-6 倒平板示意图实验原理：培养基一般含有微生物所必需的营养物质。酵母浸粉胨葡萄糖培养基中的葡萄糖主要提供碳源，蛋白胨和酵母浸粉主要提供氮源和生长因