课题3　分解纤维素的微生物的分离教学设计及课堂实录

分解纤维素的微生物的分离

新化四中

肖国文

一、教材分析

本课题作为课题1的应用和课题2的深入，分离某种特定的微生物，难度较大、探索性更强，在高考中考查的可能性也很大。教材在课题背景中利用学生已经学过的纤维素的化学组成推广到生活中纤维素的广泛分布和应用。而若要充分利用纤维素，就应将其分解，引导学生自然而然地过渡到分解纤维素的微生物及其产生的相关酶。之后，教材紧接介绍了纤维素、纤维素酶以及如何从土壤中分离分解纤维素的微生物，通过对课题中实验设计思路的深入学习，要求学生掌握从土壤中分离某种特定微生物的操作技术。

二、教学目标

1、知识与技能

（1）能简单叙述纤维素酶的种类和作用。

（2）能从土壤中分离出分解纤维素的微生物，了解这类微生物的应用。

（3）掌握从土壤中分离某种特定微生物的操作技术。

2、过程与方法

分析分离分解纤维素的微生物的实验流程，掌握实验操作的原理。

3、情感、态度与价值观

（1）通过自主设计、完成实验，培养勇于探究的科学精神。

（2）通过了解土壤中能分解纤维素的微生物在保护环境中的作用，增强社会责任感。

三、教学重难点

1．重点

从土壤中分离分解纤维素的微生物。

2．难点

从土壤中分离分解纤维素的微生物。

四、教学准备

多媒体课件。

五、授课类型与课时安排

复习课，1课时。

六、教学过程

【课程导入】

糖类是生物体进行生命活动的主要能源，人类以淀粉作为能量的主要来源，但完全不能消化纤维素，而反刍动物和大量的微生物却能以纤维素作为能量的主要来源，此中奥妙何在？我们都知道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，而且纤维素能被土壤中某些微生物产生的纤维素酶分解。这节课让我们一起来复习这种能分解纤维素的微生物。

【复习流程】

一、纤维素与纤维素酶

1．纤维素

(1)化学本质：由C、H、O三种元素组成，基本组成单位是葡萄糖，是地球上含量最丰富的多糖类物质。

(2)分布：棉花是自然界中纤维素含量最高的天然产物，此外木材、作物秸秆等也富含纤维素。

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，即C1酶、CX酶、葡萄糖苷酶。

(2)作用原理

纤维素――――――→纤维二糖―――――――→葡萄糖

二、纤维素分解菌的筛选

1．方法：刚果红染色法。

2．原理

C1酶和CX酶葡萄糖苷酶

三、实验设计和操作

1．土壤取样：选择富含纤维素的环境。

2．选择培养

(1)目的：增加纤维素分解菌的浓度，确保能够从样品中分离到所需要的微生物。

(2)操作方法：将土样加入装有30 mL选择培养基的锥形瓶中，将锥形瓶固定在摇床上，在一定温度下振荡培养1～2_d，直至培养液变混浊，也可重复选择培养。

3．刚果红染色法

方法一：先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应

方法二：在倒平板时就加入刚果红

四、课题延伸——纤维素分解菌的鉴定

1．为确定得到的透明圈中的菌落是纤维素分解菌，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，一般是采用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测定。

五、课题成果评价

(1)培养基的制作是否合格：

对照的培养基在培养过程中没有菌落生长，则说明培养基制作合格。

(2)选择培养基是否筛选出目的菌：如果鉴别培养基中观察到了产生透明圈的菌落，则说明可能获得了分解纤维素的微生物。

(3)分离的结果是否一致：

能够分解纤维素的微生物种类很多，不仅有细菌，还有霉菌、放线菌等。这些微生物的菌落特征各不相同，分解纤维素的能力也不相同，所以形成的菌落大小、形态以及透明圈的大小并不相同。由于在土壤中细菌的数量远远高于真菌和放线菌的数量，因此最容易分离得到的是能够分解纤维素的细菌。但由于所取土样的环境不同，也可能得到能够分解纤维素的真菌和放线菌等不同的分离结果。

【易错易混】

对两种对照培养基的正确理解

判断某个选择培养基是否具有选择作用时，应设立基础培养基进行对照；若判断所使用的培养基灭菌是否彻底，应设立不接菌种的该种培养基进行空白对照。

六、重难点突破

探究点一

[共研探究]

刚果红染色法筛选的原理是什么？

提示：

纤维素分解菌筛选的原理

[总结升华]

两种刚果红染色法的比较

项目

内容

方法一

培养基上长出菌落→覆盖质量浓度为1 mg/mL的CR溶液10～15 min方法二

配制CR溶液→灭菌→按照1 mL CR/200 mL培养基比例混匀→倒平板→培养→出现透明圈

过程

――→倒去CR溶液→加入

15 minNaCl溶液――→倒掉NaCl溶液

→出现透明圈

优点

显示出颜色反应基本上是纤维素分解菌的作用

制作烦琐，加入刚果红会使菌落之间发生混杂

操作简便，不存在菌落混杂问题

缺点

【知识拓展】

容易出现假阳性反应

(1)方法一中加入NaCl溶液的作用：洗去未和纤维素结合的刚果红染液，留下大大小小的透明圈(透明圈较大说明纤维素分解菌分解纤维素能力较强)。

(2)方法二中出现假阳性反应的原因：

①由于纤维素粉、琼脂和土豆汁中都含有淀粉类物质，可以使产生淀粉酶的微生物也形成透明圈，即出现假阳性反应。

②有些微生物具有降解色素的能力，它们在长时间培养过程中会降解刚果红而形成明显的透明圈。

[对点演练]

1．下列关于纤维素与纤维素酶的叙述，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

B．纤维素酶是一种复合酶，至少包括C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶三种组分

C．纤维素可被纤维素酶分解成葡萄糖，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

解析：选A

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可分泌纤维素酶的微生物；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。

2．下列关于刚果红染色法的说法，正确的是(

)

A．先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应，不需用NaCl溶液洗去浮色

B．倒平板时就加入刚果红，可在培养皿中先加入1 mL CR溶液后加入100 mL培养基

C．先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应，不会使菌落之间发生混杂

D．倒平板时就加入刚果红，长期培养刚果红有可能被其他微生物分解形成透明圈

解析：选D

刚果红可以在菌落形成后加入，需要用NaCl溶液洗去浮色；可以将刚果红与培养基分别灭菌，按一定的比例将刚果红加入培养基中，然后倒平板；刚果红不与纤维二糖和葡萄糖发生反应，先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应会使菌落之间发生混杂；倒平板时就加入刚果红，在长期培养过程中刚果红有可能被其他微生物分解形成透明圈。

探究点二

[共研探究]

1．分析本课题使用的两种培养基的配方回答问题：

配方1：纤维素分解菌的选择培养基

培养基组分

纤维素粉

NaNO3

Na2HPO4·7H2O KH2PO4

MgSO4·7H2O KCl 酵母膏

水解酪素

含量

5 g 1 g 1.2 g 0.9 g 0.5 g 0.5 g 0.5 g 0.5 g 实验设计与操作提示

将上述物质溶解后，用蒸馏水定容至1 000 mL

配方2：鉴别纤维素分解菌的培养基

培养基组分

CMC-Na 酵母膏

KH2PO4

琼脂

土豆汁

含量

5～10 g 1 g 0.25 g 15 g 100 mL 将上述物质溶解后，用蒸馏水定容至1 000 mL (1)配方1所示培养基按物理性质划分属于液体培养基，因为没有加入琼脂(凝固剂)；按功能划分属于选择培养基，该培养基的主要碳源为纤维素粉，只有能分解该物质的微生物才能生存。

(2)配方2所示培养基按物理性质划分属于固体培养基，按功能划分属于鉴别培养基，在该培养基中加入刚果红溶液，在纤维素分解菌的周围会形成透明圈。

(3)若要设置对照实验说明选择培养的作用，应将配方中的纤维素粉换成葡萄糖。

2．完善分离纤维素分解菌的实验流程图

[总结升华]

筛选纤维素分解菌的注意事项

(1)为确定得到的细菌是否是纤维素分解菌，还需进行发酵产生纤维素酶的实验。因为形成透明圈的菌落与其他微生物菌落可能出现混杂现象，而且产生透明圈的菌落可能是产生淀粉酶的微生物，也可能是降解刚果红的菌种。

(2)流程中的“选择培养”是否需要，应根据样品中目的菌株数量的多少来确定。

(3)本实验的流程与课题2的流程有一定的区别。课题2是将土样制成的菌悬液直接涂布在以尿素为唯一氮源的选择培养基上，分离得到菌落。本课题通过选择培养，使纤维素分解菌得到增殖后，再将菌液涂布在鉴别培养基上。其他步骤基本一致。

【归纳拓展】

尿素分解菌和纤维素分解菌的分离与鉴定的比较

项目

条件

鉴定方法

鉴定尿素分解菌的分离与鉴定

尿素为唯一氮源

在培养基中加入酚红指示剂

细菌合成的脲酶使尿素分解成氨，氨使培分解纤维素的微生物的分离与鉴定

纤维素为主要碳源

在培养基中加入刚果红溶液

微生物产生的纤维素酶能使纤维素分解

原理

养基pH升高，酚红指示剂变红

为纤维二糖或葡萄糖，使刚果红－纤维素复合物无法形成而出现透明圈

步骤

土壤取样→样品梯度稀释→涂布平板→培养与观察

土壤取样→选择培养→梯度稀释→涂布培养→挑取菌落

[对点演练]

3．(2018·宜宾质检)为从富含纤维素的土壤中分离获得纤维素分解菌的单菌落，某同学设计了甲、乙两种培养基(成分如表所示)。下列关于培养基甲和乙能否用于分离和鉴别纤维素分解菌的说法，正确的是(

) 项目

培养基甲

培养基乙

酵母膏

＋

＋

无机盐

＋

＋

淀粉

＋

＋

纤维素粉

＋

－

琼脂

－

＋

CR溶液

＋

＋

水

＋

＋

注：“＋”表示有，“－”表示无。

A．培养基甲能，培养基乙不能

B．培养基甲不能，培养基乙能

C．培养基甲和乙都能

D．培养基甲和乙都不能

解析：选D

利用以纤维素为唯一碳源的选择培养基可以筛选出分解纤维素的微生物；鉴别纤维素分解菌的培养基为含有纤维素的固体培养基，且需加入刚果红溶液。

4．下列关于分离纤维素分解菌的实验操作有误的是(

) A．经选择培养后将样品接着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，但得到的纤维素分解菌会较少

C．可通过定时测定葡萄糖产量的变化来衡量纤维素分解菌培养液中的纤维素酶产量

D．对照组可用等量的纤维素分解菌培养液涂布到不含纤维素的培养基上

解析：选A

经选择培养后，再经梯度稀释，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(目的是富集培养)可省略，但培养分离到的纤维素分解菌较少；在单位时间内产生的葡萄糖越多则酶产量越高，故可通过定时测定葡萄糖产量的变化来衡量纤维素分解菌培养液中的纤维素酶产量；设置对照能证明经选择培养(富集培养)的确得到了欲分离的微生物。

七、课堂小结

纤维素分解微生物的分离

纤维素酶

筛选原理

实验设计

刚果红染色

土壤取样

选择培养

涂布培养

种类、作用

前置染色法

后置染色法

富含纤维素土壤

增大分解菌含量

染色鉴别

八、教学反思

这节内容实验思路清晰，从基础知识导入到提取微生物的实验方法，学生在借鉴尿素分解菌的分离以及微生物接种培养的过程中，掌握速度很快，难度不大，但关键仍在于进一步的应用和提升，组件拓展到熟练掌握提取土壤中的特定微生物的实验设计方法。