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2019-2020年高中生物 2.3《分解纖維素的微生物的分離》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版選修1 一、課題目標(biāo) 簡述纖維素酶的種類及作用，從土壤中分離出分解纖維素的微生物，討論這類微生物的應(yīng)用價(jià)值。 二、課題重點(diǎn)與難點(diǎn) 課題重點(diǎn)：從土壤中分離分解纖維素的微生物。 課題難點(diǎn)：從土壤中分離分解纖維素的微生物。 三、課題背景分析 教材首先說明了纖維素的化學(xué)組成以及纖維素在生物圈的廣泛分布，由此轉(zhuǎn)入到如何對(duì)纖維素進(jìn)行有效利用的問題。接著，教材介紹了產(chǎn)纖維素酶的微生物能夠分解纖維素，因此，對(duì)纖維素的利用離不開對(duì)分解纖維素的微生物的研究。最后，教材點(diǎn)明了本課題的研究主題，即從土壤中分離能夠分解纖維素的微生物。 四、基礎(chǔ)知識(shí)分析與教學(xué)建議 （一） 纖維素與纖維素酶 知識(shí)要點(diǎn)： 1.纖維素在生物圈的分布；2.纖維素酶的作用。 教學(xué)建議：有關(guān)纖維素的知識(shí)，教師可以聯(lián)系必修模塊《分子與細(xì)胞》中多糖的知識(shí)并安排學(xué)生通過閱讀進(jìn)行自學(xué)，學(xué)生自學(xué)后應(yīng)該能夠說出纖維素的化學(xué)組成以及在生物圈中的分布狀況。關(guān)于纖維素酶的作用，教師可以參照課本的楷體字部分做演示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象明顯，能使學(xué)生對(duì)纖維素酶的作用留下深刻的印象。如果不做實(shí)驗(yàn)，也可以參照課本中圖2-12來了解纖維素酶的作用。 （二）纖維素分解菌的篩選 知識(shí)要點(diǎn)： 1.剛果紅染色法；2.剛果紅染色法的原理。 教學(xué)建議：教材在介紹剛果紅染色法之前，首先用“篩子篩沙”這一形象的比喻來說明篩選微生物的基本思想方法。教師還可以結(jié)合本專題課題2介紹選擇培養(yǎng)基的有關(guān)內(nèi)容，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)識(shí)分離微生物的基本思想。剛果紅染色法的知識(shí)難度并不大，學(xué)生通過自學(xué)就能夠理解。 五、實(shí)驗(yàn)案例 土壤中纖維素分解菌的分離 實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟如下。 1.土樣采集 土樣采集的方法與本專題課題2類似。土樣的采集要選擇富含纖維素的環(huán)境，這是因?yàn)樵诶w維素含量豐富的環(huán)境，通常會(huì)聚集較多的分解纖維素的微生物。如果找不到合適的環(huán)境，可以將濾紙埋在土壤中，過一個(gè)月左右也會(huì)有能分解纖維素的微生物生長。 2.選擇培養(yǎng) 選擇培養(yǎng)需要的儀器有：250 mL錐形瓶、無菌稱量瓶、藥匙、1 mL和10 mL的移液管、天平、搖床、溫度計(jì)等。 培養(yǎng)基的制備參照課本旁欄中的比例配制。在250 mL錐形瓶中裝入30 mL培養(yǎng)基，用8層紗布做成瓶塞，將瓶口塞緊，再在瓶塞外包裹兩層包裝紙（或報(bào)紙），用線繩扎緊，在121 ℃下高壓蒸汽滅菌20 min。 選擇培養(yǎng)的操作：稱取土樣20 g，在無菌條件下加入裝有30 mL培養(yǎng)基的搖瓶中。將搖瓶置于搖床上，在30 ℃下振蕩培養(yǎng)1～2 d，至培養(yǎng)基變混濁。此時(shí)可以吸取0.1 mL培養(yǎng)液進(jìn)行梯度稀釋和涂布平板，也可以按課本中所述，重復(fù)選擇培養(yǎng)的步驟一次，然后再進(jìn)行梯度稀釋和涂布平板。 3.剛果紅染色法分離 纖維素分解菌這一步所需要的儀器有：無菌培養(yǎng)皿、涂布器、1 mL移液管，裝有9mL無菌水的20 mL大試管，溫箱等。 培養(yǎng)基的制備參照課本旁欄中的比例配制。在500 mL三角瓶中裝入200 mL培養(yǎng)基，在121 ℃下高壓蒸汽滅菌20 min。 倒平板操作：將滅菌后的固體培養(yǎng)基熔化，按無菌操作的要求，在無菌的培養(yǎng)皿中倒入15～20 mL培養(yǎng)基，凝固后待用。 制備菌懸液：按照本專題課題1的稀釋操作方法，將選擇培養(yǎng)后的培養(yǎng)基進(jìn)行等比稀釋，稀釋最大倍數(shù)至106。 涂布平板：將稀釋度為104～106的菌懸液各取0.1 mL，滴加在平板培養(yǎng)基上，用涂布器將菌液涂布均勻，在30 ℃倒置培養(yǎng)，至菌落長出。每個(gè)稀釋度下需涂布3個(gè)平板，并注意設(shè)置對(duì)照。剛果紅染色的具體操作步驟參照課本［資料三］。 六、課題成果評(píng)價(jià) （一）培養(yǎng)基的制作是否合格以及選擇培養(yǎng)基是否篩選出菌落：對(duì)照的培養(yǎng)基在培養(yǎng)過程中沒有菌落生長則說明培養(yǎng)基制作合格。如果觀察到產(chǎn)生透明圈的菌落，則說明可能獲得了分解纖維素的微生物。 （二）分離的結(jié)果是否一致：由于在土壤中細(xì)菌的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真菌和放線菌的數(shù)量，因此最容易分離得到的是細(xì)菌。但由于所取土樣的環(huán)境不同，學(xué)生也可能得到真菌和放線菌等不同的分離結(jié)果。 七、答案和提示 （一）旁欄思考題 1.本實(shí)驗(yàn)的流程與課題2中的實(shí)驗(yàn)流程有哪些異同？ 答：本實(shí)驗(yàn)流程與課題2的流程的區(qū)別如下。課題2是將土樣制成的菌懸液直接涂布在以尿素為惟一氮源的選擇性培養(yǎng)基上，直接分離得到菌落。本課題通過選擇培養(yǎng)，使纖維素分解菌得到增殖后，再將菌液涂布在選擇培養(yǎng)基上。其他步驟基本一致。 2.為什么要在富含纖維素的環(huán)境中尋找纖維素分解菌？ 答：由于生物與環(huán)境的相互依存關(guān)系，在富含纖維素的環(huán)境中，纖維素分解菌的含量相對(duì)提高，因此從這種土樣中獲得目的微生物的幾率要高于普通環(huán)境。 3.將濾紙埋在土壤中有什么作用？你認(rèn)為濾紙應(yīng)該埋進(jìn)土壤多深？ 答：將濾紙埋在土壤中能使纖維素分解菌相對(duì)聚集，實(shí)際上是人工設(shè)置纖維素分解菌生存的適宜環(huán)境。一般應(yīng)將紙埋于深約10 cm左右腐殖土壤中。 4.想一想，這兩種方法各有哪些優(yōu)點(diǎn)與不足？你打算選用哪一種方法？ 提示：參看本課題參考資料的內(nèi)容。 5.為什么選擇培養(yǎng)能夠“濃縮”所需的微生物？ 答：在選擇培養(yǎng)的條件下，可以使那些能夠適應(yīng)這種營養(yǎng)條件的微生物得到迅速繁殖，而那些不適應(yīng)這種營養(yǎng)條件的微生物的繁殖被抑制，因此可以起到“濃縮”的作用。 （二）練習(xí) 2.答：流程圖表示如下。 土壤取樣→選擇培養(yǎng)（此步是否需要，應(yīng)根據(jù)樣品中目的菌株數(shù)量的多少來確定）→梯度稀釋→將菌懸液涂布到有特定選擇作用的培養(yǎng)基上→挑選單菌落→發(fā)酵培養(yǎng) 八、參考資料 1.纖維素與纖維素酶 纖維素與淀粉都是由葡萄糖組成的，但組成兩者的葡萄糖的連接方式不同，因而使兩者的形態(tài)完全不同。纖維素是由葡萄糖分子按β-1,4糖苷鍵連接而成的，淀粉是由葡萄糖分子按α-1,4糖苷鍵連接而成的。 人類以淀粉為主要能量來源，但完全不能消化纖維素，而反芻動(dòng)物和大量的微生物則主要以纖維素為能量來源。這是因?yàn)?，在反芻動(dòng)物的瘤胃中生活著大量的可以分解纖維素的微生物。微生物產(chǎn)生的纖維素酶是一種復(fù)合酶，包括內(nèi)切酶（Cx酶）、外切酶（C1酶）和葡萄糖苷酶。內(nèi)切酶作用于無定型的纖維素區(qū)域，使纖維素?cái)嗔殉善?；外切酶又叫纖維二糖水解酶，它可以作用于纖維素的結(jié)晶區(qū)或小片段纖維素，從糖鏈末端開始切掉兩個(gè)葡萄糖分子，產(chǎn)生纖維二糖；葡萄糖苷酶則將纖維二糖分解成葡萄糖。 2.兩種剛果紅染色法的比較 剛果紅在篩選纖維素分解菌上的應(yīng)用已經(jīng)有超過20年的歷史，在本課題中我們給出了兩種方法。方法一是傳統(tǒng)的方法，缺點(diǎn)是操作繁瑣，加入剛果紅溶液會(huì)使菌落之間發(fā)生混雜；其優(yōu)點(diǎn)是這樣顯示出的顏色反應(yīng)基本上是纖維素分解菌的作用。方法二的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，不存在菌落混雜問題，缺點(diǎn)是由于纖維素和瓊脂、土豆汁中都含有淀粉類物質(zhì)，可以使能夠產(chǎn)生淀粉酶的微生物出現(xiàn)假陽性反應(yīng)。但這種只產(chǎn)生淀粉酶的微生物產(chǎn)生的透明圈較為模糊，因?yàn)榕囵B(yǎng)基中纖維素占主要地位，因此可以與纖維素酶產(chǎn)生的透明圈相區(qū)分。方法二的另一缺點(diǎn)是：有些微生物具有降解色素的能力，它們?cè)陂L時(shí)間培養(yǎng)過程中會(huì)降解剛果紅形成明顯的透明圈，與纖維素分解菌不易區(qū)分。