食品生产：利用生物资源
在本章中，我们将探讨如何管理和调控生物资源，以最大化生产人类所需的粮食。内容涵盖农作物种植、微生物在食品生产和发酵罐中的应用，以及商业鱼类养殖。
1. 最大化作物产量
为了提高作物产量，农民会优化光合作用的环境因素，并保护作物免受害虫侵害和养分缺乏的影响。
1.1 温室与塑料大棚
像温室（玻璃温室）和塑料大棚这样的封闭种植系统，让农民能够控制内部环境：
二氧化碳浓度： 石蜡加热器或燃气燃烧器会释放 \(\text{CO}_2\)。提高二氧化碳浓度可防止其成为光合作用的限制因素，从而加快葡萄糖的产生速率。
温度： 截留的热量和人工加热器能维持光合作用酶活性的最适温度，既能防止低温限制反应速率，又能避免过热导致酶变性。
光照： 透明的玻璃或聚乙烯薄膜允许阳光穿透，而在夜间或阴天时可以使用额外的人工照明，以延长光合作用的时间。
水分供应： 自动浇水或灌溉系统能提供稳定的水分。
保护作用： 封闭结构能保护作物免受风雨造成的物理损坏，并防止害虫侵害。
1.2 肥料的使用
收获农作物会从土壤中带走必需的矿物离子。肥料的作用就是补充这些养分：
硝酸盐： 提供制造氨基酸和蛋白质所需的氮，以供生长所需。
镁： 制造叶绿素所必需，叶绿素负责吸收光能进行光合作用。
磷酸盐和钾： 促进根系发育、能量转移（ATP）以及整体的细胞代谢。
肥料可以是有机肥料（如粪肥或堆肥，它们缓慢释放矿物质并改善土壤结构），也可以是无机肥料（化学盐类，溶解迅速且能被植物根部快速吸收）。
1.3 病虫害防治
害虫（杂草、昆虫、真菌和软体动物）会因啃食作物、竞争光照、水分与养分，或传播疾病而降低产量。农民主要使用两种策略来防治害虫：
化学杀虫剂
定义： 喷洒以杀死害虫的化学物质（杀虫剂、除草剂、杀真菌剂）。
优点： 作用迅速、容易获得，且易于在大面积范围内施用。
缺点： 害虫随时间可能产生遗传抗药性；可能会杀死非目标的有益物种（如传粉昆虫）；化学物质可能被冲入水体，并沿食物链造成生物富集作用。
生物防治
定义： 引入天敌、寄生生物或病原体来控制害虫数量（例如引入瓢虫捕食蚜虫）。
优点： 对目标害虫高度专一；害虫不会产生抗药性；没有有毒化学物质在环境中积累；提供长期的防治效果。
缺点： 减少害虫数量的速度较慢；极少能彻底消灭害虫；引入的防治物种可能成为入侵物种或攻击非目标的本地物种。
2. 微生物在食品生产中的应用
2.1 酵母菌在面包制作中的作用
酵母菌（一种单细胞真菌）可以进行有氧呼吸和无氧呼吸。在制作面包时，酵母菌与面粉、水和糖混合揉成面团。
当氧气耗尽时，酵母菌会进行无氧呼吸（发酵作用）：
\(\text{葡萄糖} \rightarrow \text{乙醇} + \text{二氧化碳}\)
二氧化碳气体的气泡被困在面筋面团中，使面团膨胀，从而赋予面包松软的海绵状质地。
在烘烤过程中，高温会杀死酵母菌、停止发酵，并使乙醇蒸发。
实验探究：探究酵母菌的无氧呼吸
将酵母菌和葡萄糖的悬浮液放入大试管中，并在顶部覆盖一层液体石蜡（油），以防止空气中的氧气溶解到悬浮液中，确保严格的无氧环境。在不同的受控温度下，通过连接导管到气体注射器，或计算每分钟产生的二氧化碳气泡数量（或将气体通入石灰水／指示剂中），来测量无氧呼吸的速率。
2.2 细菌在酸奶制作中的作用
酸奶的制作依赖乳杆菌属（Lactobacillus，例如保加利亚乳杆菌 Lactobacillus bulgaricus）细菌：
1. 巴氏消毒法： 将牛奶加热至约 \(85\text{--}90^{\circ}\text{C}\) 以杀死任何致病菌或竞争细菌，然后冷却至 \(40\text{--}45^{\circ}\text{C}\)，以免杀死随后加入的细菌或使其酶变性。
2. 接种： 加入乳杆菌的发酵菌种。
3. 温育： 将混合物维持在 \(40\text{--}45^{\circ}\text{C}\)（细菌酶的最适温度）数小时。
4. 发酵： 乳杆菌利用牛奶中的乳糖作为营养，将其发酵成乳酸。
5. 凝固： 乳酸的积聚降低了 pH 值，导致牛奶蛋白质（酪蛋白）变性并凝固，使牛奶变成浓稠的半固体酸奶，并带有酸味，这同时也起到天然防腐剂的作用。
3. 工业发酵罐
工业发酵罐是一种大型无菌容器，用于商业规模培养微生物（如细菌或真菌），以生产胰岛素、酶或抗生素等物质。
发酵罐特征／条件与其生物学重要性：
无菌防范措施（蒸汽灭菌）： 发酵罐和进料管在使用前会用过热蒸汽清洁以杀死杂菌，防止污染和对养分的竞争。
养分供应： 泵入含有碳水化合物（供呼吸作用／能量所需的葡萄糖）和氮源（供蛋白质合成所需的氨基酸／铵盐）的无菌液体培养基，以支持微生物生长。
最适温度（水套）： 微生物呼吸作用会产生热量。容器周围设有冷却水套，循环冷水以维持最适温度，防止酶变性。
最适 pH 值（探头和缓冲液）： pH 传感器负责监测环境；自动添加酸或碱以维持酶在最适 pH 值下运作。
供氧（无菌空气喷嘴）： 从底部注入无菌空气气泡，为需氧生物的有氧呼吸提供氧气。
搅拌（搅拌桨／叶轮）： 电动搅拌桨不断搅拌培养液，使微生物保持悬浮状态，并确保养分、氧气和温度在整个容器中均匀分布。
4. 鱼类养殖（仅限卷二 Paper 2）
鱼类养殖（水产养殖）涉及在封闭的海上网箱或淡水鱼池中饲养大量鱼类，以最大化产量并防止过度捕捞野生鱼类资源。
关键的管理策略包括：
维持水质： 鱼池中的水经过过滤和曝气，以提供充足的溶解氧进行有氧呼吸，并清除氨等有毒代谢废物。
控制种间捕食： 网箱顶部覆盖渔网或实体屏障，防止其他捕食性物种（如鸟类、海豹、较大的捕食性鱼类）进入并吃掉鱼苗。
控制种内捕食： 将同种鱼类按大小和年龄分开放在不同的鱼池或网箱中，以防止较大的鱼攻击并吃掉较小的鱼。
控制疾病： 高饲养密度使鱼类容易感染传染病和寄生虫（如海虱）。保持水质清洁、定期对网箱进行消毒或轮换，并在必要时使用抗生素或化学药物治疗。
投喂的质量与频率： 投喂高蛋白质饲料以最大化生长速度。以“少量多餐”的方式频繁投喂，以避免未吃完的饲料在池底腐烂，从而消耗溶解氧并污染水质。
选择育种： 挑选具有理想性状（例如生长速度快、产肉量高、性情温顺和天然抗病力强）的个体进行代代繁育。
本章总结回顾
• 温室与塑料大棚通过控制 \(\text{CO}_2\) 浓度、温度、光照和水分来提高作物产量。
• 肥料补充土壤必需的矿物质（硝酸盐用于制造蛋白质，镁用于制造叶绿素）。
• 病虫害防治使用化学杀虫剂（见效快，但有抗药性和生物富集的风险）或生物防治（专一性天敌）。
• 酵母菌进行无氧呼吸产生 \(\text{CO}_2\)（使面团膨胀）和乙醇。
• 乳杆菌将乳糖发酵成乳酸，使牛奶蛋白质凝固以生产酸奶。
• 工业发酵罐维持无菌条件、最适 pH 值和温度、养分供应、供氧和搅拌，以达到最大生长量。
• 鱼类养殖（卷二）通过维持水质、控制捕食（种内与种间）、疾病管理、控制投喂和选择育种来最大化产量。