IB 生物學/選修 F - 微生物與生物技術

選修 F: 微生物與生物技術

微生物的多樣性

F.1.1概述將生物分類為三個域的原因。

三個生物域

古菌 - 非常原始；生活在極端環境中
細菌 - 更高階
真核生物 - 所有具有真核細胞的生命形式（具有細胞核）

使用核糖體 RNA 序列進行分類

rRNA 存在於所有細胞中
rRNA 易於分離
分析以確定核苷酸鹼基的精確序列
這些鹼基是 DNA 的互補複製
可以使用計算機和統計方法進行比較

F.1.2 解釋將生物重新分類為三個域的原因

發現現在稱為古菌和細菌的域之間存在一些差異。

主要原因是轉錄 rRNA 的基因存在差異。
其他原因（見 F.1.3）包括細胞壁差異、脂質結合和 rRNA 序列。

F.1.3區分三個域的特徵。

域	組蛋白	內含子	核糖體大小	細胞壁由肽聚糖構成	細胞膜
古菌	與組蛋白類似的蛋白質	沒有	70S	不存在	醚連線的甘油酯，甘油的手性，飽和，支鏈，甘油的 L 型
細菌	沒有	沒有	70S	存在	酯連線的甘油酯，不分支，飽和或單不飽和，甘油的 D 型
真核生物	是	是（大多數）	80S	細胞壁並非總是存在；不是由肽聚糖構成	酯連線的甘油酯，不分支多不飽和，流動性，嵌入蛋白質和糖蛋白，甘油的 D 型

F.1.4概述古菌棲息地的廣泛多樣性，例如產甲烷菌、嗜熱菌和嗜鹽菌。

產甲烷菌

專性厭氧菌（必須沒有氧氣）
產生甲烷作為廢物產物
存在於牛的腸道、白蟻的腸道、廢物填埋場和沼澤中

嗜熱菌

生活在接近沸點的溫度下
往往是極端嗜熱菌（60°C 至 100°C）
存在於深海熱液噴口和溫泉中

嗜鹽菌

生活在高鹽濃度的鹽鹼棲息地中
往往是極端嗜鹽菌（非常高濃度）
存在於大鹽湖、死海和鹽鹼地中

F.1.5概述細菌的多樣性，包括形狀和細胞壁結構

細菌的形狀

球菌 - 圓形，球形
桿菌 - 桿狀
螺旋菌 - 螺旋形
弧菌 - 逗號形

細胞壁結構

革蘭氏陰性

2 個細胞膜，一個單層薄肽聚糖，脂多糖位於壁外

革蘭氏陽性

1 個細胞膜，多層肽聚糖

F.1.6闡述並舉例說明，一些細菌會形成聚集體，表現出單個細菌所不具備的特性。

一些細菌會形成聚集體，表現出單個細菌所不具備的特性

費氏弧菌

單個個體不會發出光，除非它們成為高密度的群體的一部分
費氏弧菌釋放一種調節物質到周圍環境中
在密集的群體中，該物質的濃度變得足夠高，以至於觸發生物發光
發生在費氏弧菌生活在魷魚的粘液基質中時

另一個例子是變形鏈球菌，它在牙齒上形成生物膜，通常被稱為牙菌斑。

F.1.7比較革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌的細胞壁結構。

革蘭氏陽性

簡單，一個細胞膜
多層肽聚糖
沒有外膜

革蘭氏陰性

複雜的細胞壁
少量肽聚糖
薄的肽聚糖層
內膜和外膜之間有肽聚糖

F.1.8概述病毒結構的多樣性，包括：裸露衣殼與包膜衣殼；DNA 與 RNA；以及單鏈與雙鏈 DNA 或 RNA。

衣殼蛋白

裸露衣殼 - 蛋白質外殼外沒有膜/包膜
包膜衣殼 - 來自宿主的細胞膜包圍蛋白質外殼

遺傳物質

DNA（雙鏈或單鏈）或 RNA（雙鏈或單鏈）

F.1.9概述微觀真核生物的多樣性，例如：酵母菌、變形蟲、瘧原蟲、草履蟲、眼蟲和小球藻

生物	營養	運動	細胞壁	葉綠體	纖毛或鞭毛
酵母菌	異養生物（胞外消化）	沒有	由幾丁質構成	沒有	沒有
變形蟲	異養生物（胞內消化）	使用偽足滑動（變形運動）	沒有	沒有	沒有
瘧原蟲	異養生物（胞內消化）	在基質上滑行	沒有	沒有	沒有
草履蟲	異養生物（胞內消化）	游泳（纖毛）	沒有	沒有	纖毛
眼蟲	自養生物和異養生物	游泳（鞭毛）	沒有	存在	鞭毛
小球藻	自養生物	沒有	由纖維素構成	存在	沒有

腐生菌是異養生物的一部分。

微生物與環境

F.2.1列出微生物在生態系統中的作用，包括生產者、固氮者和分解者。

生產者

微觀藻類和一些細菌使用葉綠素捕獲陽光
化能合成細菌使用化學能
將無機分子轉化為有機分子，其他生物可以將其用作食物

例如：小球藻

固氮者

從大氣中去除氮氣並將其固定為硝酸鹽的細菌，生產者可以使用硝酸鹽。

例如：根瘤菌

分解者

分解碎屑（有機分子）並將無機養分釋放回生態系統

例如：細菌真菌

F.2.2繪製並標註氮迴圈圖 http://www.edhsgreensea.net/Biology/taters/taters_images/nitrogen_cycle2.gif 請參閱該連結以獲取圖表

F.2.3說明根瘤菌、固氮菌、亞硝化單胞菌、硝化細菌和反硝化假單胞菌在氮迴圈中的作用。

固氮作用

共生：根瘤菌與豆科植物共生（其根瘤）併為其固定氮
自由生活：固氮菌固定氮，並自由生活在土壤中，沒有宿主

硝化作用

亞硝化單胞菌將氨 (NH₃) 轉化為亞硝酸鹽 (NO₂-)
硝化細菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽 (NO₃-)，植物可以使用硝酸鹽

反硝化作用

將硝酸鹽轉化為氮氣
反硝化假單胞菌去除硝酸鹽和亞硝酸鹽，並將氮氣釋放回大氣

F.2.4概述有利於反硝化作用和硝化作用的條件。

有利於硝化作用的條件

可獲得的氧氣/通氣土壤
中性 pH
溫暖的溫度

有利於反硝化作用的條件

沒有可獲得的氧氣/厭氧土壤（洪水或土壤壓實）
高氮輸入

F.2.5解釋將未經處理的汙水和硝酸鹽肥料排放到河流中的後果

未經處理的汙水

未經處理的汙水包含有機物，可能含有病原體，如果飲用/浸泡在其中很危險 => 腐生菌數量增加以分解有機物 => 由於高水平的氧氣被使用，發生生化需氧量 (BOD) => 水體脫氧 => 依賴氧氣的生物被迫遷徙/死亡 => 死亡和腐爛 => 分解 => 氨、磷和礦物質釋放（從農業工廠釋放）=> 硝化作用 => 由於高營養水平，發生富營養化 => 藻類大量繁殖 => 如果沒有發生藻華（藻類大量繁殖），河流最終會恢復

硝酸鹽肥料

河流從土壤中吸收硝酸鹽 => 如果硝酸鹽肥料的施用量足夠大，就會發生富營養化 => 藻類大量繁殖（增加氧氣水平） => 如果硝酸鹽水平過高，就會發生藻華 => 由於大量藻類，一些藻類被剝奪陽光而死亡 => 需要腐生菌分解有機物 => 這會造成生化需氧量 (BOD) => 發生脫氧 => 依賴氧氣的生物被迫遷徙/死亡 => 氨和磷水平升高 => 硝化作用 => 富營養化 => 藻類大量繁殖 => 如果沒有發生新的藻華，河流最終會恢復。

更簡單的模組

高濃度和過量的硝酸鹽和磷酸鹽使水中的藻類肥沃
藻類生長增加（藻華）

藻類被需氧細菌分解，這些細菌消耗了水中的氧氣，導致脫氧
氧氣的大量消耗被稱為生化需氧量 (BOD)

F.2.6概述腐生細菌在使用滴濾池和蘆葦床系統處理汙水中的作用。

滴濾系統

1-2 米寬的石頭床
在岩石上存在一層好氧腐生菌生物膜，它們以有機物為食，附著在石頭上並作用於滴落的汙水（這樣做是為了使汙水充氧），直到它被分解。
清潔的水從床的底部滴落到另一個水箱，在那裡細菌被去除，水用氯氣消毒。

蘆葦床系統

人工溼地，用於處理廢水
廢水為生長的蘆葦提供水和養分
蘆葦被收割用於堆肥，有機廢物被腐生細菌分解
氨氮的硝化作用轉化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽
釋放的硝酸鹽和磷酸鹽被蘆葦用作肥料
剩餘的硝酸鹽被反硝化

F.2.7說明生物質可以用作生產甲烷和乙醇等燃料的原料。

生物質（有機物）可以用作生產甲烷和乙醇等燃料的原料。例子包括糞便和纖維素。

F.2.8解釋從生物質中生成甲烷所涉及的原理，包括所需的條件、參與的生物體以及發生的化學反應的基本過程。

一組真細菌需要將有機物質轉化為有機酸和酒精。
第二組真細菌將這些物質轉化為乙酸鹽、二氧化碳和氫氣。
產甲烷菌透過兩個化學反應產生甲烷。

二氧化碳 + 氫氣 -> 甲烷 + 水
乙酸鹽 -> 甲烷 + 二氧化碳（乙酸鹽的分解）

所需條件

無遊離氧（厭氧）
約 35°C 的恆溫
pH 不太酸性

微生物和生物技術

F.3.1 指出逆轉錄酶催化從 RNA 生成 DNA 的過程。

逆轉錄酶催化從 RNA 生成 DNA 的過程，並被逆轉錄病毒使用。

F.3.2 解釋逆轉錄酶在分子生物學中的應用。

RNA 和逆轉錄酶被病毒注入宿主細胞。
逆轉錄酶製造自身 DNA 複製。
病毒 DNA 注入細胞核，並整合到宿主細胞的 DNA 中。
可用於從 DNA 中去除內含子。

提取後，將 mRNA（由 DNA 製成，並已去除內含子）轉化為 cDNA。

F.3.3. 區分體細胞治療和生殖系治療。

體細胞治療：包括替換體細胞。

體細胞中的缺陷基因得到糾正。

受影響的個體得到治癒，但他仍然可以將缺陷基因傳給後代。

生殖系治療：包括治療配子。

生殖細胞（卵子或精子）中的缺陷基因得到糾正。

受影響的個體仍然患有疾病，但他無法將疾病傳給後代。

F.3.4 概述病毒載體在基因治療中的應用。

病毒載體去除有害基因，並將正常基因放入細胞中。
逆轉錄病毒治療具有更持久的改變，效果更好。
重症聯合免疫缺陷症 (SCIDS)

第一個成功的基因治療案例。

替換基因使能夠產生 ADA（腺苷脫氨酶）。

F.3.5 討論基因治療的風險。

基因治療是一個非常危險的過程；病毒載體可能會觸發致癌基因。
基因可能過度表達，併產生過多的蛋白質。
病毒載體可能會將新基因置於 DNA 分子中的錯誤位置。
可能會刺激免疫反應。
病毒載體可能會在人與人之間傳播。
並不總是有效，因此會提高患者/家屬的希望，然後又會讓他們失望。
潛在替代方案：腺病毒不會整合到人類基因組中。

微生物和食品生產

F.4.1 解釋釀酒酵母在啤酒、葡萄酒和麵包生產中的應用。

啤酒

由麥芽製成的甜味液體麥芽汁。
新增啤酒花，將液體煮沸並冷卻。
浸溼的大麥發芽：形成澱粉酶。
澱粉酶催化澱粉轉化為麥芽糖。
酵母發酵產生含有乙醇和 CO₂ 的啤酒。

葡萄酒

將壓碎的葡萄和酵母放入一個罐中。
酵母在氧氣耗盡之前進行有氧呼吸。
然後酵母切換到發酵（厭氧）。
乙醇留在罐中，而 CO₂ 逸出。
當乙醇濃度達到最大值 15% 或基質被用完時，該過程結束，從而殺死酵母。

麵包

酵母發酵麵糰中的糖。
CO² 使麵糰發酵。
在烤箱中烘烤會殺死酵母，停止發酵並蒸發乙醇。

F.4.2 概述利用米麴黴生產醬油的過程。

浸泡大豆，煮沸並瀝乾。
將大豆糊與烤小麥混合。
新增米麴黴培養物。
在 30°C 下孵育 3 天。
新增鹽和水，澱粉和蛋白質發酵為酒精、有機酸、糖和氨基酸，持續 3-6 個月。
過濾和巴氏消毒；產生的液體就是醬油產品。

F.4.3 解釋在食品儲存中使用酸和高鹽或糖濃度。

用酸儲存食品

微生物無法在低 pH 值下生存。
常見的例子包括醋和酸奶的生產。

用高糖/鹽濃度儲存食品

高濃度的糖或鹽會殺死食品樣品中的任何微生物，因為高濃度會透過滲透作用吸出水分。
常見的例子包括蜂蜜、果醬、鹹肉。

F.4.4 概述一種已知食物中毒的症狀、傳播方式和治療方法。

沙門氏菌食物中毒的傳播

生活在腸道中，在洗手不徹底後傳播。
可在某些寵物的糞便中發現，並轉移到食物中。
食用未煮熟的受汙染食品。
在未清洗的砧板上切割生肉，會導致沙門氏菌的轉移。
生雞蛋

沙門氏菌食物中毒的治療

多喝水，治療脫水。
嚴重的脫水用靜脈注射治療。
如果感染嚴重，並從腸道傳播到血液中，可以服用抗生素。

微生物的代謝 (AHL)

F.5.1 定義光合自養生物、光合異養生物、化能自養生物和化能異養生物這些術語。

光合自養生物

利用光能產生 ATP 並從無機物質中合成有機化合物的生物體。

光合異養生物

利用光能產生 ATP 並從其他生物體中獲取有機化合物的生物體。

化能自養生物

利用化學反應的能量產生 ATP 並從無機物質中合成有機化合物的生物體。

化能異養生物

利用化學反應的能量產生 ATP 並從其他生物體中獲取有機化合物的生物體。

F.5.2 列舉一個光合自養生物、光合異養生物、化能自養生物和化能異養生物的例子。

光合自養生物 - 藍藻（例如，念珠藻）
光合異養生物 - 紅螺菌屬；紅細菌屬
化能自養生物 - 硝化細菌屬
化能異養生物 - 結核分枝桿菌；乳桿菌屬

F.5.3 比較光合自養生物和光合異養生物的能量來源和碳來源。

兩者都利用光能產生 ATP。
光合自養生物利用 CO₂ 作為碳來源。
光合異養生物利用有機分子作為碳來源。

F.5.3 比較化能自養生物和化能異養生物的能量來源和碳來源。

化能自養生物從化學物質中獲取能量，從無機化合物中獲取碳。
化能異養生物從有機化合物中獲取能量和碳。

F.5.4 繪製並標註一個絲狀藍藻的示意圖。

以念珠藻為例，有兩種型別的細胞。

光合細胞包含遺傳物質、細胞壁和光合膜。
異形胞充當固氮體；它們比光合細胞大得多，數量也少得多。

F.5.5 解釋細菌在土壤和水體生物修復中的應用。

生物修復

利用微生物、真菌、植物或酶去除水體和土壤中的環境汙染物。
細菌分解化學物質或將其轉化，以便可以過濾掉它們。

石油洩漏

微生物氧化碳氫化合物；這需要很長時間，而且一些碳氫化合物很難氧化。

農藥汙染

微生物逐漸分解農藥。

硒汙染

微生物吸收硒離子並將其氧化為金屬硒，金屬硒的毒性要小得多。

溶劑汙染

微生物在厭氧條件下對這些溶劑進行脫氯，釋放出毒性低得多的物質。

例子

假單胞菌屬利用石油作為能量來源。
脫滷球菌屬分解土壤中的氯化溶劑。

微生物和疾病 (AHL)

F.6.1 列出病原體傳播和侵入人體的六種方法。

食物 - 食用含有細菌的食物會導致食物中毒。
水 - 汙染或不乾淨的水會導致疾病。
空氣/飛沫 - 空氣中的水滴可以攜帶微生物。
動物媒介 - 昆蟲和其他動物可以攜帶疾病。
穿刺傷/切口 - 打破皮膚屏障，允許細菌或病毒進入。
性接觸 - 與感染者發生性接觸會導致疾病傳播。

F.6.2 以衣原體和鏈球菌為例，區分細胞內細菌感染和細胞外細菌感染。

細胞內細菌 - 衣原體

依靠宿主的新陳代謝進行某些代謝過程。
生活在生殖道內襯的表皮細胞內。
不產生毒素，也不直接損傷細胞，但會導致長期問題（例如盆腔炎或不孕症）。
由於其隱藏的性質，不被免疫系統靶向。

細胞外細菌 - 鏈球菌

生活在宿主內部，但在細胞間隙中，並利用那裡可獲得的營養物質。
產生毒素並損傷細胞。
鏈球菌產生殺死宿主細胞的毒素，以及稱為侵襲素的分子，這些分子會裂解和溶解宿主細胞。
立即被免疫系統靶向，併產生抗體來抵抗感染。

F.6.3 區分內毒素和外毒素。

內毒素

革蘭氏陰性細菌細胞壁中的脂多糖（耐熱），會導致發燒和痠痛。

外毒素

細菌分泌的特定蛋白質，會導致諸如肌肉痙攣（破傷風）和腹瀉等症狀。

F.6.4 評估透過輻照、巴氏消毒法、防腐劑和消毒劑控制微生物生長的方法。

輻照

電離輻射

一些微生物具有抗性（例如，肉毒桿菌）
自由基可能會改變風味。
一些消費者害怕使用“輻照”產品。

巴氏消毒法

應用高溫，快速冷卻並重復。

非常有效，如果在足夠高的溫度下進行足夠長的時間，可以殺死所有病原體。
但是，通常不會這樣做，因為它會改變例如牛奶的風味。

防腐劑

殺死/阻止微生物生長；防止感染。
溫和的化學物質，其效果不如消毒劑，但不會損害皮膚和粘膜。
毒性太大，不能透過食用攝入。

消毒劑

極其有效的殺菌；但不能殺死芽孢。
不能用於活體組織，也不能透過食用攝入。
用於醫療器械、地板、傢俱等的消毒。

F.6.5概述抗生素的作用機制，包括抑制細胞壁、蛋白質和核酸的合成。

抗生素 - 由微生物產生的抗菌劑，可抑制或殺死其他微生物
細胞壁合成抑制（例如青黴素）

抗生素抑制細菌細胞壁中肽聚糖的產生
沒有細胞壁，新細菌就無法存活

蛋白質合成抑制（例如紅黴素、鏈黴素）

透過攻擊細菌核糖體，阻止蛋白質合成的某個階段。
不攻擊人類細胞的核糖體，因為細菌核糖體（70S）與人類核糖體（80S）不同
核酸抑制（例如利福平）
影響DNA/RNA的合成或附著在DNA/RNA上，使其無法被讀取
干擾細菌細胞的生長

F.6.6概述流感病毒的裂解週期

病毒透過特定的受體（例如糖蛋白）附著在細胞表面
病毒在內吞作用過程中被包覆在膜包被的內體中
在內體中發生脫殼，病毒RNA（基因組）釋放到細胞質中
病毒基因組的RNA被轉運到細胞核中，在那裡它被病毒酶複製成RNA，作為更多RNA和信使的模板
一些RNA被轉運到細胞質中並翻譯成病毒蛋白，這些病毒蛋白被轉運回細胞核以組裝衣殼
病毒包膜蛋白在細胞膜中組裝，衣殼從這些點萌發，使用細胞膜作為其包膜
細胞裂解或破裂發生，並釋放新的病毒顆粒以攻擊其他細胞。

F.6.7定義流行病學。

流行病學是研究疾病發生、分佈和控制的學科。

F.6.8討論一次大流行病的起源和流行病學。

1918年西班牙流感

造成4000萬到5000萬人死亡
起源被認為是在中國
第一次世界大戰中士兵的旅行促進了流感的傳播
鼓勵懸掛洗滌，禁止公眾聚集

F.6.9描述瘧疾的病因、傳播途徑和影響，作為原蟲引起的疾病的例子。

病因

瘧原蟲屬的四種物種（惡性瘧原蟲、間日瘧原蟲、卵形瘧原蟲、三日瘧原蟲）

傳播途徑

由以人血為食的雌性按蚊從一個人傳染給另一個人（雄性只以植物為食）
瘧原蟲在雌性蚊子的腸道中繁殖
卵囊破裂並釋放稱為子孢子的細胞，這些細胞會遷移到唾液腺
子孢子隨著蚊子叮咬進入血液，並遷移到肝臟
在肝細胞中發育，改變形態，然後侵入紅細胞
另一隻雌性按蚊叮咬感染者，將惡性瘧原蟲轉移到“按蚊”的腸道中。

症狀/影響

表現為貧血症狀、發熱寒戰、發抖、關節痛和頭痛。
當新的蚊子叮咬感染了瘧疾的人時，迴圈再次開始。

F.6.10討論朊病毒假說對海綿狀腦病病因的解釋。

指出人類海綿狀腦病的病原體沒有核酸，只包含錯誤摺疊的蛋白質（PrP^SC）。
感染劑是朊病毒，異常蛋白質單獨導致疾病。

科學家在朊病毒顆粒中沒有發現任何核酸。

異常形狀的朊病毒可以導致正常的蛋白質（PrP^C）改變成異常形狀，導致細胞死亡。
神經系統的慢性退行性疾病，會在腦組織中形成孔洞（因此得名），導致記憶力減退、性格改變、言語障礙，最終導致死亡。
例子包括綿羊的羊瘙癢病、牛的瘋牛病和人的克雅氏病。