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j.Co M 高考考點5 發(fā)酵工程研究成果與分析
Ⅰ熱點知識簡介
1．沼氣發(fā)酵
沼氣是有機物經(jīng)沼氣發(fā)酵微生物的發(fā)酵作用而產(chǎn)生的一種混合氣體。其主要成分是甲烷(CH4)，另外還有二氧化碳和少量的硫化氫、一氧化碳、氫等。甲烷是一種無色無味的可燃?xì)怏w，和空氣混合遇明火就能燃燒并放出大量的熱。
(1)沼氣發(fā)酵
①沼氣發(fā)酵微生物
沼氣發(fā)酵微生物分為不產(chǎn)甲烷群落和產(chǎn)甲烷群落。
不產(chǎn)甲烷微生物群落主要是一類兼性厭氧菌，它們具有水解和發(fā)酵大分子有機物而產(chǎn)生酸的功能，在滿足自身需要的同時，為產(chǎn)甲烷微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)和能量。產(chǎn)甲烷微生物群落，通常稱為甲烷細(xì)菌。甲烷細(xì)菌可利用不產(chǎn)甲烷微生物的中間產(chǎn)物和最終代謝產(chǎn)物作為營養(yǎng)物質(zhì)和能源而生長繁殖，并最終產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等。
②沼氣發(fā)酵過程
沼氣池中的大分子有機物，在一定的溫度、水分、酸堿度和密閉條件下，首先被不產(chǎn)甲烷微生物菌群分泌的胞外酶水解成小分子物質(zhì)，如氨基酸、單糖類等。然后這些小分子物質(zhì)進入不產(chǎn)甲烷微生物菌群，通過發(fā)酵作用被轉(zhuǎn)化成為酸類和三氧化碳。
甲烷細(xì)菌將不產(chǎn)甲烷微生物產(chǎn)生的中間產(chǎn)：物和最終代謝物分解轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳和氨。在產(chǎn)氣階段產(chǎn)生的甲烷和二氧化碳都能揮發(fā)而排出池外，而氨以強堿性的亞硝酸氨形式留在沼池中，中和了產(chǎn)酸階段的酸性，創(chuàng)造了甲烷穩(wěn)定的堿性環(huán)境。
③影響沼氣發(fā)酵的主要因素
a，溫度
沼氣發(fā)酵微生物眾多，對溫度的適應(yīng)范圍也不一樣，按發(fā)酵類型大體可分為四類。高溫發(fā)酵(52～58℃)，中溫發(fā)酵(32～38℃)，常溫發(fā)酵(12～30℃)，低溫發(fā)酵(10℃t以下)。實踐證明，農(nóng)戶沼池采用20～28℃的常溫發(fā)酵比較經(jīng)濟實用。
b．酸堿度
一般不產(chǎn)甲烷微生物對酸堿度的適應(yīng)范圍較廣，而產(chǎn)甲烷細(xì)菌對酸堿度的適應(yīng)范圍較窄，只有在中性或微堿性的環(huán)境里才能正常生長發(fā)育。所以，沼氣池里發(fā)酵液的pH在6．5～8．0為宜。
c．沼氣池密閉狀況
沼氣池必須要密閉，不漏水，不漏氣。這是人工制取沼氣的關(guān)鍵。因為如果沼氣池密閉性能不好，產(chǎn)生的沼氣容易漏掉。更重要的是甲烷細(xì)菌是嚴(yán)格的厭氧菌，氧對這類微生物具有毒害作用。，
(2)沼氣發(fā)酵的應(yīng)用
①處理農(nóng)作物秸桿和人畜糞便
如果以農(nóng)作物秸稈作原料進行沼氣發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣再用
作生活燃料，沼氣燃燒不僅沒有濃煙，而且熱能的利用率可高達60％以上。這對節(jié)約能源，減少公害都具有很重要的意義。如果以作物秸稈、雜草、樹葉和人畜糞便作原料進行沼氣發(fā)酵，不僅可產(chǎn)生大量沼氣成為再生能源，而且沼液、沼渣還是優(yōu)質(zhì)高效和無病害肥料。因為沼氣發(fā)酵完全是在密閉厭氧條件下進行的，殘留在秸稈上的病原微生物及害蟲卵會徹底被殺死。并且有機物經(jīng)完全發(fā)酵分解之后，有利于植物吸收利用。所以用沼液、沼渣作肥料，其肥效較高，而且也不會造成作物病蟲害的傳播和流行。
②處理城市污水和垃圾
世界上普遍采用生物處理法處理城市污水和垃圾，生物處理法又分為好氧法和厭氧法。
好氧生物處理是好氧微生物在有氧條件下，將污水中的有機物氧化分解為二氧化碳和水及硝酸鹽類，即所謂有機物的礦化。此法一般適于處理低濃度有機污水。
厭氧生物處理是厭氧微生物在無氧條件下，將污水中的有機物轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳，工程上稱之為厭氧消化，實際上就是沼氣發(fā)酵。對于高濃度有機污水可通過沼氣發(fā)酵法進行處理。
2．啤酒發(fā)酵
啤酒是頗受群眾歡迎的具有泡沫和特殊香味的低酒度飲料。現(xiàn)就啤酒釀造作簡要介紹。
(1)原料
①水：啤酒中水占90％左右，釀造用水的質(zhì)量好壞，直接影響到啤酒的質(zhì)量與風(fēng)味，所以對水的選擇是很重要的。
②麥芽：到目前為止，大麥仍然是釀造啤酒的主要原料。麥芽的成分和質(zhì)量直接影響到啤酒的質(zhì)量。我國主要生產(chǎn)淡色麥芽，也制造少量濃色麥芽和黑麥芽、焦香麥芽等。
③輔助原料：為了降低啤酒蛋白質(zhì)含量，增加啤酒的保存性和改善啤酒的風(fēng)味，以及降低生產(chǎn)成本，經(jīng)常摻加部分未發(fā)芽谷類，如大米、玉米、大麥、小麥、高梁等；也有用淀粉或糖漿及各種糖類的，如蔗糖等。
④酒花：酒花是啤酒的重要原料，酒花含芳香油，是啤酒的芳香劑，它能使啤酒持有特異的香味及爽口的苦味，并能增加啤酒的穩(wěn)定性和泡沫的持久性，啤酒生產(chǎn)中使用的酒花是一種雌花(雄花不能使用)。
⑤酵母：啤酒生產(chǎn)所需要的酵母為啤酒酵母，其生理特性能發(fā)酵葡萄糖、麥芽糖、蔗糖、半乳糖及棉子糖等。通過酵母的新陳代謝，將這些物質(zhì)變成啤酒所含的成分。
(2)麥芽汁的制作
①粉碎：麥芽及輔助原料在糖化前必須先行粉碎。粉碎的目的是增加原料與水的接觸面積，使可溶性物質(zhì)容易滲出，不溶性成分容易受酶的作用而水解。
②糖化，將麥芽和輔料內(nèi)的物質(zhì)溶解為溶液的操作稱為“糖化”，制成的溶液為“麥芽汁”。糖化的結(jié)果是，在淀粉酶的作用下將淀粉分解成為麥芽糖；在蛋白酶的作用下將蛋白質(zhì)分解為氨基酸。
③麥芽汁的過濾：糖化終了進行麥芽汁的過濾操作，以除去殘渣。
④麥芽汁的煮沸及酒花的添加；過濾后的麥芽汁須煮沸和添加酒花，其目的是蒸發(fā)掉多余的水分，將麥芽汁濃縮到規(guī)定的濃度，使麥芽汁中熱凝固性蛋白質(zhì)凝結(jié)沉淀，延長啤酒的保存期，破壞全部酶和殺菌。
⑤麥芽汁的冷卻：麥芽汁經(jīng)過酒花分離器分離之后，使之迅速冷卻到發(fā)酵最適宜的溫度，即5～7℃。
(3)主發(fā)酵
麥芽汁是一種較稀薄的糖液，在適宜的條件下加入酵母，經(jīng)過酵母的發(fā)酵作用，使麥芽汁由原來的甜苦氣味，逐漸變成芳香氣味，而且麥芽汁的甜度也隨著下降，生成了酒精和二氧化碳。二氧化碳不斷地從麥芽汁液中釋放出來，液面浮有一層白沫。
(4)后發(fā)酵
后發(fā)酵的目的使發(fā)酵液的殘?zhí)抢^續(xù)發(fā)酵。在發(fā)酵液中，每毫升含300萬-1億個酵母細(xì)胞，能利用發(fā)酵液中可發(fā)酵性糖繼續(xù)發(fā)酵，產(chǎn)生酒精和二氧化碳，使酒的甜味和不成熟味減少。二氧化碳是啤酒質(zhì)量的重要指標(biāo)，缺乏二氧化碳酒喝到口里不殺口，感到平淡，泡沫減少。
(5)濾酒
發(fā)酵結(jié)束后須經(jīng)過過濾，除去懸浮的蛋白質(zhì)和酵母細(xì)胞等微粒，使啤酒口味醇正，清亮透明，富有光澤，具有良好的保存性和商品特點。
(6)啤酒釀造的工藝衛(wèi)生
啤酒釀造過程不允許其他雜菌感染。常見的雜菌有酒花毛霉、根霉、青霉、醋酸菌、乳酸菌、八聯(lián)球菌和野生酵母等。生產(chǎn)中應(yīng)注意每一道工序的衛(wèi)生，經(jīng)常用硫磺、甲醛、酒精和漂白粉進行環(huán)境消毒。
(7)成品包裝
成品包裝是啤酒生產(chǎn)的最后一道工序。主要步驟包括洗瓶、空瓶檢查、灌酒和壓蓋。壓完蓋的啤酒稱生啤酒，可以貼商標(biāo)出廠。熟啤酒還必須用60～62°C的溫度經(jīng)過18～20min，將酒內(nèi)酵母殺死，然后經(jīng)過驗酒、貼商標(biāo)、包裝出廠。
Ⅱ新高考探究
1谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑如下圖所示要提高谷氨酸的產(chǎn)量必須采取的措施是
A．增加葡萄糖
B．增加谷氨酸脫氫酶
C．改變細(xì)胞膜透性，使谷氨酸排放細(xì)胞外
D．增加a-酮戊二酸
答案： C
2為研究微生物群體生長規(guī)律，常將少量的某種細(xì)菌接種到培養(yǎng)基中，定時取樣測定培養(yǎng)基里的細(xì)菌數(shù)目，以時間為橫坐標(biāo)，以細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)為坐標(biāo)，得到生長曲線圖，對培養(yǎng)基的要求是
A.恒定容積的液體培養(yǎng)基
B．任意容積的液體培養(yǎng)基
C．恒定容積的半固體培養(yǎng)基
D．任意容積的半固體培養(yǎng)基
答案： A
3黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑如下圖所示，試分析要增加賴氨酸的產(chǎn)量，本質(zhì)上必須
A．增加天冬氨酸
B．增加天冬氨酸激酶
C．降低(消除)高絲氨酸脫氫酶
D.減少蘇氨酸
答案： C
4谷氨酸除用于制造味精外，還可用于治療神經(jīng)衰弱及配制營養(yǎng)注射液，應(yīng)用前景廣泛。光明制醋廠用谷氨酸棒
狀桿菌發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，結(jié)果代謝產(chǎn)物沒有谷氨酸而產(chǎn)生乳酸及琥珀酸，其原因是
A．溫度控制不適 B．通氣量過多
C．pH呈酸性 D．溶氧不足
答案： D
5在現(xiàn)代發(fā)酵工程小，利用下列哪一項技術(shù)，有目的地改造原有的菌種并且提高其產(chǎn)量
A．細(xì)胞融合 B.誘變育種
C.克隆 D．DNA重組技術(shù)
答案： D
6產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝方式為異養(yǎng)厭氧型，在營養(yǎng)充分、水分充足的情況下，產(chǎn)生甲烷較多的條件是
A.10℃、隔絕空氣
D.20℃、隔絕空氣
C.10℃、不隔絕空氣
D．20℃、不隔絕空氣
答案： B
7微生物產(chǎn)生抗毒素、抗生毒、色毒等的形成時期主要是在
A．調(diào)整期 B．對數(shù)期
C．穩(wěn)定期 D．衰亡期
答案： C
8基因工程培育的“工程菌”通過發(fā)酵工程生產(chǎn)的產(chǎn)品有
①石油 ②人生長激素 ③紫草素 ④聚乙二醇 ⑤胰島素 ⑥乙肝疫苗
A.①③⑥ B．②⑤⑥
C．③⑤⑥ D．②③⑤
答案： B
Ⅲ高分熱點題預(yù)測
1人造蛋白食品是現(xiàn)代微生物工程的杰作之一，食用真菌蛋白是人造蛋白的一種。真菌蛋白的制造過程如下圖示。
高考高考考動向：微生物的類型、營養(yǎng)及其代謝過程。
高考試題預(yù)測：請根據(jù)、圖解回答下列問題：
(1)往發(fā)酵罐內(nèi)注入少量氨水的目的是_____。
答案：滿足真菌所需N源
(2)制造真菌蛋白時，要向發(fā)酵罐內(nèi)注入空氣，由此可推知發(fā)酵罐中真菌的異化作用類型是___________型。
答案：兼性厭氧
(3)往發(fā)酵罐內(nèi)添加的一切物品都要經(jīng)過消毒，從生態(tài)學(xué)的角度進行分析，其原因是___________。
答案：防止雜菌與真菌之間競爭
(4)添加的糖被真菌利用，轉(zhuǎn)化形成真菌蛋白，必須經(jīng)過的生理過程是___________。
答案：轉(zhuǎn)氨基作用
(5)從自然界中分離出的真菌菌種，用于制造真菌蛋白時，真菌蛋白的產(chǎn)量較低。要獲得較多的真菌蛋白，培育優(yōu)良的真菌菌種可采用__________。
答案：誘變育種(或基因工程育種)
(6)利用微生物工程制造出的真菌蛋白，常作為家畜(如豬)的飼料添加劑。豬食用這些添加劑后，可加速育肥的原因是___________，這些添加劑在豬體內(nèi)的代謝產(chǎn)物有___________。
答案：豬食用后，真菌蛋白質(zhì)被分解成氨基酸，經(jīng)脫氨基作用形成不含氮部分可轉(zhuǎn)變成脂肪 H2、CO2尿素
2下圖表示制造啤酒的過程方法。
高考高考考動向：微生物的培養(yǎng)代謝、生長及其影響因素。
高考試題預(yù)測：據(jù)圖分析回答下列問題：
(1)把原料放人沸水中混合的原因是___________。
答案：為了除去原料中O2
(2)在混合物中加入糖的理由是___________。
答案：糖是啤酒酵母發(fā)酵的原料
(3)在混合物冷卻后才把酵母加進去，是因為___________；
假如冷卻時不慎使溫度驟降到O°C，當(dāng)溫度逐漸回升到25℃時，酵母是否還具有活性?原因是：___________
答案：防止酵母死亡，并達到酶適宜的溫度 低溫使酶的活性降低，但并沒有變性失活，當(dāng)逐漸回升到最適溫度，酵母菌生長生殖恢復(fù)正常
(4)說出酵母菌細(xì)胞所進行的生化反應(yīng)過程的名稱并用反應(yīng)式敘述這一整個過程。
答案：酒精發(fā)酵 c6H12 2c2H5OH+2cO2+能量
(5)酵母比水更稠濃，但在化學(xué)反應(yīng)中它會上升到混合物的頂部，解釋為什么。
答案：酵母菌細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的CO2，增大了本身在液體中的浮力，使其上升
(6)為什么啤酒要至少擱置21天，才可以過濾裝瓶，請說出一種理由。
答案：待酵母菌充分發(fā)酵，發(fā)酵過程停止，有利于混合物雜質(zhì)沉淀
(7)在一只盛有糖溶液的瓶中加入酵母。以后的30天中混合物的變化情況如下圖所示，用圖中的信息回答下列問題：
①酵母量在什么時候達到最大值?___________
②為什么酵母數(shù)量停止增加下去，說出兩種理由:
答案：第14天左右②糖被逐漸消耗，缺少生命活動的原料酒精和CO2積累，對細(xì)胞有毒害，再如生存斗爭加劇，死亡率上升等(以上三項任意兩項均可，其他合理答案也可)
3長期以來，我國農(nóng)村燒秸稈取草木灰作農(nóng)田肥料，則不僅浪費資源還造成環(huán)境污染。現(xiàn)在已經(jīng)有些地方利用秸稈制造沼氣。招氣的制作如下圖所示。
高考高考考動向：微生物的發(fā)酵條件、過程及生殖，生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的利用。
高考試題預(yù)測：請回答以下問題，
(1)在圖中標(biāo)出箭頭，表示早期生產(chǎn)過程中的物質(zhì)循環(huán)。
答案：如下圖所示
(2)沼氣池能產(chǎn)生沼氣的基本條件有哪些?
答案：農(nóng)作物廢料和人畜糞便(含微生物)、水、適宜溫度和pH值、隔絕空氣(無氧)等
(3)沼氣的主要成分是___________。
答案：甲烷
(4)作為能源物質(zhì)，沼氣中的能量是由___________間接轉(zhuǎn)換來的。
答案：光能
(5)在發(fā)酵的過程中，好氧型、厭氧型和兼氣型(如酵母菌)等微生物都參與了代謝活動，分析這三種微生物在沼氣池中的消長規(guī)律：
①沼氣發(fā)酵的開始階段，___________微生物大量活動和繁殖。
②隨著池中氧氣的減少，___________微生物的活動受到抑制，而___________微生物的活動加強。
③最終___________微生物大量死亡，___________微生物大量繁殖。
答案：①好氧型和兼氣型②好氧型 厭氧型和兼氣型③好氧型 厭氧型和兼氣型
(6)在農(nóng)村和城市，建立沼氣池有哪些積極意義?(不少于三點)
答案：充分利用有機廢物(秸桿、糞便等)中的能量，提高了能量利用率；為人類提供清潔型能源，減少環(huán)境污染；有效地消滅人畜糞便中的病原體，減少傳染病的發(fā)生；加快了有機廢料的分解過程，促進了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程；沼渣能為農(nóng)作物提供豐富的礦物質(zhì)(任意三點均對，其他合理的說法也可以)。
4把大量可降解的有機垃圾放在一起，經(jīng)過一段時間處理，轉(zhuǎn)變成植物可吸收的肥料，稱做堆肥。堆肥不僅僅是一堆垃圾，它就像花園一樣需要供給和照管。下面是進行小規(guī)模堆肥的一些步驟：___________，
①準(zhǔn)備一只3m×l．5m的箱子，把從廚房和花園等處搜集來的有機垃圾堆放在其中，堆放時要保持疏松和透氣；
②堆肥時要添加一些富含氮的材料；
③要保持一定的溫度，可適當(dāng)澆水；
④當(dāng)垃圾堆滿后，蓋上蓋子，保持熱量；
⑤一推肥分解腐爛需要4-6個月的時間，當(dāng)堆肥處理好后，經(jīng)稀釋后才要直接施入土壤。
高考高考考動向：微生物發(fā)酵的條件與實踐應(yīng)用。
高考試預(yù)測：根據(jù)上述材料回答下列問題：
(1)堆肥的生物學(xué)依據(jù)是___________。
答案：微生物的分解作用
(2)操作中疏松、澆水、保溫等的目的是______________________。
答案：為分解者提供適宜的環(huán)境
(3)如果用堆好的肥料直接用在花卉的培植上，這些花卉能正確生長嗎?
答案：不能，其中的無機鹽濃度太高，會使花卉出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象
(4)在堆肥時需要使用大量的有機材料，下列哪種材料不能使用
A.天然纖維織物 B．枯枝落葉
C．塑料制品 D．食物垃圾
答案： C
(5)堆肥與化肥相比較，其特點是
A．肥料來源廣泛、肥效持久、成本低，有利于環(huán)境保護
B．肥料來源廣泛，肥效短暫、成本低，有利于環(huán)境保護
C．肥料來源廣泛，肥效持久、成本低，不利于環(huán)境保護
D.肥料來源廣泛，肥效短暫、成本低，不利于環(huán)境保護
答案： A
(6)堆肥會產(chǎn)生熱量，焚燒垃圾也會產(chǎn)生熱量，兩者的區(qū)別主要在于
A.等量的材料堆肥產(chǎn)熱慢，熱量多；焚燒產(chǎn)熱快，熱量少
B．等量的材料堆肥產(chǎn)熱快、熱量多；焚燒產(chǎn)熱慢、熱量多
C.等量的材料堆肥產(chǎn)熱慢、熱量少；焚燒產(chǎn)熱快，熱量多
D.等量的材料堆肥產(chǎn)熱快、熱量少；焚燒產(chǎn)熱慢、熱量多
答案： C
5隨著世界人口的不斷增長和耕地荒漠化的不斷加劇，糧食短缺已成為困擾人類的社會問題之一。糧食價格大幅度地提升，這與世界糧食的減產(chǎn)有著密切的關(guān)系。近幾年來，世界各國不斷將目光轉(zhuǎn)向人們?nèi)庋劭床坏降募?xì)菌、真菌等微生物。
據(jù)研究資料表明，在適宜的條件下，大腸桿菌每小時分解的糖是自身的兩千倍，乳酸菌每小時產(chǎn)生的乳酸能達到自身重量的成千上萬倍。微生物不僅生長繁殖快，而且含有大量蛋白質(zhì)，如細(xì)菌中的蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干重的60％～80％，酵母菌中的占45％～65％。
微生物能夠利用的原料相當(dāng)廣泛，如作物秸稈、植物的枯枝敗葉、動物的糞便，甚至有機物垃圾等。只要舍有有機物，微生物就能將它們轉(zhuǎn)化成人類所需要的糖類、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。在20世紀(jì)80年代中期，全世界通過微生物生產(chǎn)的蛋白質(zhì)已2×12010t。
高考高考考動向：細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)合成、微生物的營養(yǎng)與代謝、發(fā)酵工程等。
高考試題預(yù)測：根據(jù)以上材料，結(jié)合所學(xué)知識，分析回答下列問題：
(1)在適宜的條件下，大腸桿菌每小時分解的糖是自身的兩千倍，乳酸菌每小時產(chǎn)生的乳酸能達到自身重量的成千上萬倍。這些事實說了什么?其原因又是什么?
答案：事實說明了微生物的新陳代謝異常旺盛。其原因是微生物的相對表面積大，有利于微生物細(xì)胞與外界環(huán)境進行物質(zhì)交換。
(2)細(xì)菌和酵母菌在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上最明顯的區(qū)別是細(xì)菌___________；細(xì)菌和酵母菌在基因結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是酵母菌___________。
答案：沒有明顯的細(xì)胞核 基因的編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的
(3)細(xì)菌中的蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干重的60％?80％，酵母菌中占45％-65％。這些蛋白質(zhì)是在細(xì)胞內(nèi)由 ___________控制合成的，其過程包括___________和_____________________。人們通常將這些微生物菌體稱為_____________________。
答案：遺傳物質(zhì)(DNA) 轉(zhuǎn)錄 翻譯 單細(xì)胞蛋白
(4)通過微生物利用作物秸稈、植物的枯枝敗葉等物質(zhì)，生產(chǎn)人類所需的糖類、蛋白質(zhì)的過程中，微生物的同化作用類型是___________。在此過程中利用到的現(xiàn)代生物技術(shù)是___________。
答案：異養(yǎng)型 發(fā)酵工程
(1)人們?yōu)榱颂岣呶⑸�物的合成能力，通常需要選育性狀優(yōu)良的微生物菌種。微生物育種的方法有___________ 、___________和__________等。
答案：誘變育種 基因工程 細(xì)胞工程
(6)在基因工程中，人們經(jīng)常選用細(xì)菌或真菌等微生物作為目的基因的受體細(xì)胞，其原因是什么?
答案：細(xì)菌和真菌等微生物代謝快、繁殖快，目的基因能夠得到快速的復(fù)制和表達。

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