IB 生物学/选修 F - 微生物与生物技术

选修 F: 微生物与生物技术

微生物的多样性

F.1.1概述将生物分类为三个域的原因。

三个生物域

古菌 - 非常原始；生活在极端环境中
细菌 - 更高级
真核生物 - 所有具有真核细胞的生命形式（具有细胞核）

使用核糖体 RNA 序列进行分类

rRNA 存在于所有细胞中
rRNA 易于分离
分析以确定核苷酸碱基的精确序列
这些碱基是 DNA 的互补拷贝
可以使用计算机和统计方法进行比较

F.1.2 解释将生物重新分类为三个域的原因

发现现在称为古菌和细菌的域之间存在一些差异。

主要原因是转录 rRNA 的基因存在差异。
其他原因（见 F.1.3）包括细胞壁差异、脂质结合和 rRNA 序列。

F.1.3区分三个域的特征。

域	组蛋白	内含子	核糖体大小	细胞壁由肽聚糖构成	细胞膜
古菌	与组蛋白类似的蛋白质	没有	70S	不存在	醚连接的甘油酯，甘油的手性，饱和，支链，甘油的 L 型
细菌	没有	没有	70S	存在	酯连接的甘油酯，不分支，饱和或单不饱和，甘油的 D 型
真核生物	是	是（大多数）	80S	细胞壁并非总是存在；不是由肽聚糖构成	酯连接的甘油酯，不分支多不饱和，流动性，嵌入蛋白质和糖蛋白，甘油的 D 型

F.1.4概述古菌栖息地的广泛多样性，例如产甲烷菌、嗜热菌和嗜盐菌。

产甲烷菌

专性厌氧菌（必须没有氧气）
产生甲烷作为废物产物
存在于牛的肠道、白蚁的肠道、废物填埋场和沼泽中

嗜热菌

生活在接近沸点的温度下
往往是极端嗜热菌（60°C 至 100°C）
存在于深海热液喷口和温泉中

嗜盐菌

生活在高盐浓度的盐碱栖息地中
往往是极端嗜盐菌（非常高浓度）
存在于大盐湖、死海和盐碱地中

F.1.5概述细菌的多样性，包括形状和细胞壁结构

细菌的形状

球菌 - 圆形，球形
杆菌 - 杆状
螺旋菌 - 螺旋形
弧菌 - 逗号形

细胞壁结构

革兰氏阴性

2 个细胞膜，一个单层薄肽聚糖，脂多糖位于壁外

革兰氏阳性

1 个细胞膜，多层肽聚糖

F.1.6阐述并举例说明，一些细菌会形成聚集体，表现出单个细菌所不具备的特性。

一些细菌会形成聚集体，表现出单个细菌所不具备的特性

费氏弧菌

单个个体不会发出光，除非它们成为高密度的群体的一部分
费氏弧菌释放一种调节物质到周围环境中
在密集的群体中，该物质的浓度变得足够高，以至于触发生物发光
发生在费氏弧菌生活在鱿鱼的粘液基质中时

另一个例子是变形链球菌，它在牙齿上形成生物膜，通常被称为牙菌斑。

F.1.7比较革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的细胞壁结构。

革兰氏阳性

简单，一个细胞膜
多层肽聚糖
没有外膜

革兰氏阴性

复杂的细胞壁
少量肽聚糖
薄的肽聚糖层
内膜和外膜之间有肽聚糖

F.1.8概述病毒结构的多样性，包括：裸露衣壳与包膜衣壳；DNA 与 RNA；以及单链与双链 DNA 或 RNA。

衣壳蛋白

裸露衣壳 - 蛋白质外壳外没有膜/包膜
包膜衣壳 - 来自宿主的细胞膜包围蛋白质外壳

遗传物质

DNA（双链或单链）或 RNA（双链或单链）

F.1.9概述微观真核生物的多样性，例如：酵母菌、变形虫、疟原虫、草履虫、眼虫和小球藻

生物	营养	运动	细胞壁	叶绿体	纤毛或鞭毛
酵母菌	异养生物（胞外消化）	没有	由几丁质构成	没有	没有
变形虫	异养生物（胞内消化）	使用伪足滑动（变形运动）	没有	没有	没有
疟原虫	异养生物（胞内消化）	在基质上滑行	没有	没有	没有
草履虫	异养生物（胞内消化）	游泳（纤毛）	没有	没有	纤毛
眼虫	自养生物和异养生物	游泳（鞭毛）	没有	存在	鞭毛
小球藻	自养生物	没有	由纤维素构成	存在	没有

腐生菌是异养生物的一部分。

微生物与环境

F.2.1列出微生物在生态系统中的作用，包括生产者、固氮者和分解者。

生产者

微观藻类和一些细菌使用叶绿素捕获阳光
化能合成细菌使用化学能
将无机分子转化为有机分子，其他生物可以将其用作食物

例如：小球藻

固氮者

从大气中去除氮气并将其固定为硝酸盐的细菌，生产者可以使用硝酸盐。

例如：根瘤菌

分解者

分解碎屑（有机分子）并将无机养分释放回生态系统

例如：细菌真菌

F.2.2绘制并标注氮循环图 http://www.edhsgreensea.net/Biology/taters/taters_images/nitrogen_cycle2.gif 请参阅该链接以获取图表

F.2.3说明根瘤菌、固氮菌、亚硝化单胞菌、硝化细菌和反硝化假单胞菌在氮循环中的作用。

固氮作用

共生：根瘤菌与豆科植物共生（其根瘤）并为其固定氮
自由生活：固氮菌固定氮，并自由生活在土壤中，没有宿主

硝化作用

亚硝化单胞菌将氨 (NH₃) 转化为亚硝酸盐 (NO₂-)
硝化细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐 (NO₃-)，植物可以使用硝酸盐

反硝化作用

将硝酸盐转化为氮气
反硝化假单胞菌去除硝酸盐和亚硝酸盐，并将氮气释放回大气

F.2.4概述有利于反硝化作用和硝化作用的条件。

有利于硝化作用的条件

可获得的氧气/通气土壤
中性 pH
温暖的温度

有利于反硝化作用的条件

没有可获得的氧气/厌氧土壤（洪水或土壤压实）
高氮输入

F.2.5解释将未经处理的污水和硝酸盐肥料排放到河流中的后果

未经处理的污水

未经处理的污水包含有机物，可能含有病原体，如果饮用/浸泡在其中很危险 => 腐生菌数量增加以分解有机物 => 由于高水平的氧气被使用，发生生化需氧量 (BOD) => 水体脱氧 => 依赖氧气的生物被迫迁徙/死亡 => 死亡和腐烂 => 分解 => 氨、磷和矿物质释放（从农业工厂释放）=> 硝化作用 => 由于高营养水平，发生富营养化 => 藻类大量繁殖 => 如果没有发生藻华（藻类大量繁殖），河流最终会恢复

硝酸盐肥料

河流从土壤中吸收硝酸盐 => 如果硝酸盐肥料的施用量足够大，就会发生富营养化 => 藻类大量繁殖（增加氧气水平） => 如果硝酸盐水平过高，就会发生藻华 => 由于大量藻类，一些藻类被剥夺阳光而死亡 => 需要腐生菌分解有机物 => 这会造成生化需氧量 (BOD) => 发生脱氧 => 依赖氧气的生物被迫迁徙/死亡 => 氨和磷水平升高 => 硝化作用 => 富营养化 => 藻类大量繁殖 => 如果没有发生新的藻华，河流最终会恢复。

更简单的模块

高浓度和过量的硝酸盐和磷酸盐使水中的藻类肥沃
藻类生长增加（藻华）

藻类被需氧细菌分解，这些细菌消耗了水中的氧气，导致脱氧
氧气的大量消耗被称为生化需氧量 (BOD)

F.2.6概述腐生细菌在使用滴滤池和芦苇床系统处理污水中的作用。

滴滤系统

1-2 米宽的石头床
在岩石上存在一层好氧腐生菌生物膜，它们以有机物为食，附着在石头上并作用于滴落的污水（这样做是为了使污水充氧），直到它被分解。
清洁的水从床的底部滴落到另一个水箱，在那里细菌被去除，水用氯气消毒。

芦苇床系统

人工湿地，用于处理废水
废水为生长的芦苇提供水和养分
芦苇被收割用于堆肥，有机废物被腐生细菌分解
氨氮的硝化作用转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐转化为硝酸盐
释放的硝酸盐和磷酸盐被芦苇用作肥料
剩余的硝酸盐被反硝化

F.2.7说明生物质可以用作生产甲烷和乙醇等燃料的原料。

生物质（有机物）可以用作生产甲烷和乙醇等燃料的原料。例子包括粪便和纤维素。

F.2.8解释从生物质中生成甲烷所涉及的原理，包括所需的条件、参与的生物体以及发生的化学反应的基本过程。

一组真细菌需要将有机物质转化为有机酸和酒精。
第二组真细菌将这些物质转化为乙酸盐、二氧化碳和氢气。
产甲烷菌通过两个化学反应产生甲烷。

二氧化碳 + 氢气 -> 甲烷 + 水
乙酸盐 -> 甲烷 + 二氧化碳（乙酸盐的分解）

所需条件

无游离氧（厌氧）
约 35°C 的恒温
pH 不太酸性

微生物和生物技术

F.3.1 指出逆转录酶催化从 RNA 生成 DNA 的过程。

逆转录酶催化从 RNA 生成 DNA 的过程，并被逆转录病毒使用。

F.3.2 解释逆转录酶在分子生物学中的应用。

RNA 和逆转录酶被病毒注入宿主细胞。
逆转录酶制造自身 DNA 拷贝。
病毒 DNA 注入细胞核，并整合到宿主细胞的 DNA 中。
可用于从 DNA 中去除内含子。

提取后，将 mRNA（由 DNA 制成，并已去除内含子）转化为 cDNA。

F.3.3. 区分体细胞治疗和生殖系治疗。

体细胞治疗：包括替换体细胞。

体细胞中的缺陷基因得到纠正。

受影响的个体得到治愈，但他仍然可以将缺陷基因传给后代。

生殖系治疗：包括治疗配子。

生殖细胞（卵子或精子）中的缺陷基因得到纠正。

受影响的个体仍然患有疾病，但他无法将疾病传给后代。

F.3.4 概述病毒载体在基因治疗中的应用。

病毒载体去除有害基因，并将正常基因放入细胞中。
逆转录病毒治疗具有更持久的改变，效果更好。
重症联合免疫缺陷症 (SCIDS)

第一个成功的基因治疗案例。

替换基因使能够产生 ADA（腺苷脱氨酶）。

F.3.5 讨论基因治疗的风险。

基因治疗是一个非常危险的过程；病毒载体可能会触发致癌基因。
基因可能过度表达，并产生过多的蛋白质。
病毒载体可能会将新基因置于 DNA 分子中的错误位置。
可能会刺激免疫反应。
病毒载体可能会在人与人之间传播。
并不总是有效，因此会提高患者/家属的希望，然后又会让他们失望。
潜在替代方案：腺病毒不会整合到人类基因组中。

微生物和食品生产

F.4.1 解释酿酒酵母在啤酒、葡萄酒和面包生产中的应用。

啤酒

由麦芽制成的甜味液体麦芽汁。
添加啤酒花，将液体煮沸并冷却。
浸湿的大麦发芽：形成淀粉酶。
淀粉酶催化淀粉转化为麦芽糖。
酵母发酵产生含有乙醇和 CO₂ 的啤酒。

葡萄酒

将压碎的葡萄和酵母放入一个罐中。
酵母在氧气耗尽之前进行有氧呼吸。
然后酵母切换到发酵（厌氧）。
乙醇留在罐中，而 CO₂ 逸出。
当乙醇浓度达到最大值 15% 或基质被用完时，该过程结束，从而杀死酵母。

面包

酵母发酵面团中的糖。
CO² 使面团发酵。
在烤箱中烘烤会杀死酵母，停止发酵并蒸发乙醇。

F.4.2 概述利用米曲霉生产酱油的过程。

浸泡大豆，煮沸并沥干。
将大豆糊与烤小麦混合。
添加米曲霉培养物。
在 30°C 下孵育 3 天。
添加盐和水，淀粉和蛋白质发酵为酒精、有机酸、糖和氨基酸，持续 3-6 个月。
过滤和巴氏消毒；产生的液体就是酱油产品。

F.4.3 解释在食品保存中使用酸和高盐或糖浓度。

用酸保存食品

微生物无法在低 pH 值下生存。
常见的例子包括醋和酸奶的生产。

用高糖/盐浓度保存食品

高浓度的糖或盐会杀死食品样品中的任何微生物，因为高浓度会通过渗透作用吸出水分。
常见的例子包括蜂蜜、果酱、咸肉。

F.4.4 概述一种已知食物中毒的症状、传播方式和治疗方法。

沙门氏菌食物中毒的传播

生活在肠道中，在洗手不彻底后传播。
可在某些宠物的粪便中发现，并转移到食物中。
食用未煮熟的受污染食品。
在未清洗的砧板上切割生肉，会导致沙门氏菌的转移。
生鸡蛋

沙门氏菌食物中毒的治疗

多喝水，治疗脱水。
严重的脱水用静脉注射治疗。
如果感染严重，并从肠道传播到血液中，可以服用抗生素。

微生物的代谢 (AHL)

F.5.1 定义光合自养生物、光合异养生物、化能自养生物和化能异养生物这些术语。

光合自养生物

利用光能产生 ATP 并从无机物质中合成有机化合物的生物体。

光合异养生物

利用光能产生 ATP 并从其他生物体中获取有机化合物的生物体。

化能自养生物

利用化学反应的能量产生 ATP 并从无机物质中合成有机化合物的生物体。

化能异养生物

利用化学反应的能量产生 ATP 并从其他生物体中获取有机化合物的生物体。

F.5.2 列举一个光合自养生物、光合异养生物、化能自养生物和化能异养生物的例子。

光合自养生物 - 蓝藻（例如，念珠藻）
光合异养生物 - 红螺菌属；红细菌属
化能自养生物 - 硝化细菌属
化能异养生物 - 结核分枝杆菌；乳杆菌属

F.5.3 比较光合自养生物和光合异养生物的能量来源和碳来源。

两者都利用光能产生 ATP。
光合自养生物利用 CO₂ 作为碳来源。
光合异养生物利用有机分子作为碳来源。

F.5.3 比较化能自养生物和化能异养生物的能量来源和碳来源。

化能自养生物从化学物质中获取能量，从无机化合物中获取碳。
化能异养生物从有机化合物中获取能量和碳。

F.5.4 绘制并标注一个丝状蓝藻的示意图。

以念珠藻为例，有两种类型的细胞。

光合细胞包含遗传物质、细胞壁和光合膜。
异形胞充当固氮体；它们比光合细胞大得多，数量也少得多。

F.5.5 解释细菌在土壤和水体生物修复中的应用。

生物修复

利用微生物、真菌、植物或酶去除水体和土壤中的环境污染物。
细菌分解化学物质或将其转化，以便可以过滤掉它们。

石油泄漏

微生物氧化碳氢化合物；这需要很长时间，而且一些碳氢化合物很难氧化。

农药污染

微生物逐渐分解农药。

硒污染

微生物吸收硒离子并将其氧化为金属硒，金属硒的毒性要小得多。

溶剂污染

微生物在厌氧条件下对这些溶剂进行脱氯，释放出毒性低得多的物质。

例子

假单胞菌属利用石油作为能量来源。
脱卤球菌属分解土壤中的氯化溶剂。

微生物和疾病 (AHL)

F.6.1 列出病原体传播和侵入人体的六种方法。

食物 - 食用含有细菌的食物会导致食物中毒。
水 - 污染或不干净的水会导致疾病。
空气/飞沫 - 空气中的水滴可以携带微生物。
动物媒介 - 昆虫和其他动物可以携带疾病。
穿刺伤/切口 - 打破皮肤屏障，允许细菌或病毒进入。
性接触 - 与感染者发生性接触会导致疾病传播。

F.6.2 以衣原体和链球菌为例，区分细胞内细菌感染和细胞外细菌感染。

细胞内细菌 - 衣原体

依靠宿主的新陈代谢进行某些代谢过程。
生活在生殖道内衬的表皮细胞内。
不产生毒素，也不直接损伤细胞，但会导致长期问题（例如盆腔炎或不孕症）。
由于其隐藏的性质，不被免疫系统靶向。

细胞外细菌 - 链球菌

生活在宿主内部，但在细胞间隙中，并利用那里可获得的营养物质。
产生毒素并损伤细胞。
链球菌产生杀死宿主细胞的毒素，以及称为侵袭素的分子，这些分子会裂解和溶解宿主细胞。
立即被免疫系统靶向，并产生抗体来抵抗感染。

F.6.3 区分内毒素和外毒素。

内毒素

革兰氏阴性细菌细胞壁中的脂多糖（耐热），会导致发烧和酸痛。

外毒素

细菌分泌的特定蛋白质，会导致诸如肌肉痉挛（破伤风）和腹泻等症状。

F.6.4 评估通过辐照、巴氏消毒法、防腐剂和消毒剂控制微生物生长的方法。

辐照

电离辐射

一些微生物具有抗性（例如，肉毒杆菌）
自由基可能会改变风味。
一些消费者害怕使用“辐照”产品。

巴氏消毒法

应用高温，快速冷却并重复。

非常有效，如果在足够高的温度下进行足够长的时间，可以杀死所有病原体。
但是，通常不会这样做，因为它会改变例如牛奶的风味。

防腐剂

杀死/阻止微生物生长；防止感染。
温和的化学物质，其效果不如消毒剂，但不会损害皮肤和粘膜。
毒性太大，不能通过食用摄入。

消毒剂

极其有效的杀菌；但不能杀死芽孢。
不能用于活体组织，也不能通过食用摄入。
用于医疗器械、地板、家具等的消毒。

F.6.5概述抗生素的作用机制，包括抑制细胞壁、蛋白质和核酸的合成。

抗生素 - 由微生物产生的抗菌剂，可抑制或杀死其他微生物
细胞壁合成抑制（例如青霉素）

抗生素抑制细菌细胞壁中肽聚糖的产生
没有细胞壁，新细菌就无法存活

蛋白质合成抑制（例如红霉素、链霉素）

通过攻击细菌核糖体，阻止蛋白质合成的某个阶段。
不攻击人类细胞的核糖体，因为细菌核糖体（70S）与人类核糖体（80S）不同
核酸抑制（例如利福平）
影响DNA/RNA的合成或附着在DNA/RNA上，使其无法被读取
干扰细菌细胞的生长

F.6.6概述流感病毒的裂解周期

病毒通过特定的受体（例如糖蛋白）附着在细胞表面
病毒在内吞作用过程中被包覆在膜包被的内体中
在内体中发生脱壳，病毒RNA（基因组）释放到细胞质中
病毒基因组的RNA被转运到细胞核中，在那里它被病毒酶复制成RNA，作为更多RNA和信使的模板
一些RNA被转运到细胞质中并翻译成病毒蛋白，这些病毒蛋白被转运回细胞核以组装衣壳
病毒包膜蛋白在细胞膜中组装，衣壳从这些点萌发，使用细胞膜作为其包膜
细胞裂解或破裂发生，并释放新的病毒颗粒以攻击其他细胞。

F.6.7定义流行病学。

流行病学是研究疾病发生、分布和控制的学科。

F.6.8讨论一次大流行病的起源和流行病学。

1918年西班牙流感

造成4000万到5000万人死亡
起源被认为是在中国
第一次世界大战中士兵的旅行促进了流感的传播
鼓励悬挂洗涤，禁止公众聚集

F.6.9描述疟疾的病因、传播途径和影响，作为原虫引起的疾病的例子。

病因

疟原虫属的四种物种（恶性疟原虫、间日疟原虫、卵形疟原虫、三日疟原虫）

传播途径

由以人血为食的雌性按蚊从一个人传染给另一个人（雄性只以植物为食）
疟原虫在雌性蚊子的肠道中繁殖
卵囊破裂并释放称为子孢子的细胞，这些细胞会迁移到唾液腺
子孢子随着蚊子叮咬进入血液，并迁移到肝脏
在肝细胞中发育，改变形态，然后侵入红细胞
另一只雌性按蚊叮咬感染者，将恶性疟原虫转移到“按蚊”的肠道中。

症状/影响

表现为贫血症状、发热寒战、发抖、关节痛和头痛。
当新的蚊子叮咬感染了疟疾的人时，循环再次开始。

F.6.10讨论朊病毒假说对海绵状脑病病因的解释。

指出人类海绵状脑病的病原体没有核酸，只包含错误折叠的蛋白质（PrP^SC）。
感染剂是朊病毒，异常蛋白质单独导致疾病。

科学家在朊病毒颗粒中没有发现任何核酸。

异常形状的朊病毒可以导致正常的蛋白质（PrP^C）改变成异常形状，导致细胞死亡。
神经系统的慢性退行性疾病，会在脑组织中形成孔洞（因此得名），导致记忆力减退、性格改变、言语障碍，最终导致死亡。
例子包括绵羊的羊瘙痒病、牛的疯牛病和人的克雅氏病。