常見菌體發(fā)酵過程中的生物學(xué)原理

常見菌體的發(fā)酵過程及其背后的生物學(xué)機(jī)制既饒有興味又復(fù)雜繁難。菌體相關(guān)內(nèi)容是生物學(xué)考試中的高頻考點(diǎn)，我們應(yīng)高度重視。在考試中，正確解答相關(guān)問題往往需要整合多方面知識(shí)。基于此，本文將結(jié)合菌體的結(jié)構(gòu)差異與發(fā)酵機(jī)制，揭示微生物世界的“生存密碼”，幫助大家更好地理解其在實(shí)際中的關(guān)鍵作用。

一、原核與真核的區(qū)分

生物界的各種菌體，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異顯著，這是我們理解其生命活動(dòng)的關(guān)鍵。在生物學(xué)中，細(xì)胞分為原核細(xì)胞和真核細(xì)胞兩大類，二者最本質(zhì)的區(qū)別在于是否存在由核膜包圍的細(xì)胞核。原核細(xì)胞沒有真正的細(xì)胞核，遺傳物質(zhì)通常是環(huán)狀DNA，位于細(xì)胞質(zhì)中的特定區(qū)域一擬核區(qū)。常見的細(xì)菌是原核生物的典型代表，如乳酸菌、醋酸菌。

真核細(xì)胞則具有由核膜嚴(yán)密保護(hù)的細(xì)胞核。遺傳物質(zhì)為線性DNA，常與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體。此外，真核細(xì)胞內(nèi)部還有一套復(fù)雜的膜系統(tǒng)，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體等，它們各司其職。酵母菌以及我們常見的各類霉菌，如青霉、根霉，以及一些相對(duì)特殊的菌體，如黑曲霉菌體，都屬于典型的真核菌體。細(xì)胞結(jié)構(gòu)的差異直接影響它們獲取能量和處理物質(zhì)的方式，特別是在發(fā)酵活動(dòng)中體現(xiàn)得尤為明顯。因此，理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有助于我們更好地掌握菌體的生命活動(dòng)規(guī)律。

二、一些常見菌體的神奇轉(zhuǎn)化

有機(jī)物是細(xì)胞的主要能量來源，細(xì)胞通過分解它們釋放能量。然而，這并非唯一途徑，除了有氧呼吸外，一些細(xì)胞還能通過發(fā)酵獲取能量。發(fā)酵是微生物在氧氣不足或完全無氧條件下獲取能量的方式。與有氧呼吸不同，發(fā)酵無法徹底分解有機(jī)物以釋放全部能量，但在這個(gè)過程中，微生物會(huì)產(chǎn)生多種代謝副產(chǎn)品，而這些副產(chǎn)品對(duì)人類而言往往具有重要價(jià)值。

日常生活中的很多現(xiàn)象都與菌體發(fā)酵密切相關(guān)。例如，酵母菌作為真核單細(xì)胞菌體，能將糖類轉(zhuǎn)化為酒精和二氧化碳，這是釀酒和制作面包的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。乳酸菌屬于原核菌體，能將糖類轉(zhuǎn)化為乳酸，賦予酸奶和泡菜獨(dú)特的風(fēng)味。黑曲霉菌是一種真核霉菌體，能在有氧條件下利用糖類原料生產(chǎn)檸檬酸。盡管這一過程需要氧氣參與，不同于嚴(yán)格意義上的無氧發(fā)酵，但其將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種高價(jià)值物質(zhì)的能力，充分展現(xiàn)了微生物代謝的“神奇轉(zhuǎn)化”特性。

總而言之，這些常見菌體憑借體內(nèi)精密的酶系統(tǒng)，在適宜環(huán)境中悄然完成物質(zhì)與能量的“重塑”，與我們的生活密不可分。

三、高考真題中的菌體發(fā)酵

生物學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)需要我們將零散的信息串聯(lián)起來。對(duì)菌體細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其代謝機(jī)制的理解，是破解復(fù)合型生物學(xué)難題的基礎(chǔ)。將這些基礎(chǔ)信息應(yīng)用于具體情境，特別是在考試中，其應(yīng)用價(jià)值將得以充分體現(xiàn)。以2024年高考山東卷生物卷第14題為例。

在發(fā)酵過程中，多個(gè)黑曲霉菌體常聚集成團(tuán)形成菌球體，菌球體大小僅由菌體數(shù)量決定。黑曲霉利用糖類發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸時(shí)需要充足的氧。菌體內(nèi)銨離子濃度升高時(shí)，可解除檸檬酸對(duì)其合成途徑的反饋抑制。下列說法錯(cuò)誤的是

A.相同菌體密度下，菌球體越大檸檬酸產(chǎn)生速率越慢B.發(fā)酵中期添加一定量的硫酸銨可提高檸檬酸產(chǎn)量C.發(fā)酵過程中pH下降可抑制大部分細(xì)菌的生長(zhǎng)D.發(fā)酵結(jié)束后，將過濾所得的固體物質(zhì)進(jìn)行干燥即可獲得檸檬酸產(chǎn)品

這道高考真題雖以大規(guī)模發(fā)酵為背景，但其涉及的仍是常見菌體如何發(fā)酵的生物學(xué)知識(shí)。黑曲霉菌作為一種典型的真核菌體，具有特定的代謝“偏好”。題目強(qiáng)調(diào)其生產(chǎn)檸檬酸“需要充足的氧”，明確指出代謝的需氧特性，提醒我們并非所有發(fā)酵都是無氧的。當(dāng)菌體聚集成菌球體時(shí)，體積越大，氧氣向菌球體內(nèi)部擴(kuò)散的難度就越大，中心區(qū)域可能因缺氧抑制檸檬酸合成，從而導(dǎo)致產(chǎn)生速率下降（選項(xiàng)A）。此外，題目提到“銨離子濃度升高可解除反饋抑制”，這揭示了細(xì)胞內(nèi)部代謝調(diào)控的一角。銨離子不僅是菌體生長(zhǎng)必需的氮源，還像“開關(guān)”一樣調(diào)控酶的活性，提升細(xì)胞生產(chǎn)檸檬酸的能力（選項(xiàng)B）。發(fā)酵過程中pH下降會(huì)形成不利于多數(shù)微生物，尤其是細(xì)菌生存的酸性環(huán)境，這會(huì)影響它們體內(nèi)酶的活性，從而抑制其生長(zhǎng)，這有助于減少雜菌污染（選項(xiàng)C）。

然而，選項(xiàng)D暗藏“陷阱”。過濾得到的固體物質(zhì)主要成分是參與發(fā)酵的黑曲霉菌體本身，而檸檬酸作為發(fā)酵產(chǎn)物，通常由黑曲霉分泌到培養(yǎng)液中，以可溶形式存在。要獲得檸檬酸，需要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行分離、純化、濃縮等一系列復(fù)雜操作，而不是簡(jiǎn)單地將過濾出的菌體固體進(jìn)行干燥。干燥后的固體菌體只會(huì)得到菌體干重，并非檸檬酸產(chǎn)品。因此，選項(xiàng)D的說法錯(cuò)誤。

從這道題目中，我們可以看出，理解不同菌體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)如何影響其代謝特性，掌握發(fā)酵的基本原理及影響因素，區(qū)分菌體本身與代謝產(chǎn)物的存在形式，是學(xué)習(xí)生物的“基石”。唯有夯實(shí)這些“基石”，才能真正揭示不同菌體發(fā)酵的生物學(xué)機(jī)制，并在看似復(fù)雜的應(yīng)用情境中清晰地找到解題路徑。