【摘要】：作為21世紀(jì)帶動人類發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)之一，微生物技術(shù)被不斷應(yīng)用在環(huán)境治理、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。微生物生長動力學(xué)模型以數(shù)學(xué)的形式對微生物生長進(jìn)行了定量描述，已建立的模型有Logistic、Gompertz、Schunte、Lopz等模型，這些模型描述了微生物數(shù)量隨生長時間的對應(yīng)關(guān)系。這些模型也被不斷應(yīng)用于平板菌落記數(shù)法、PCR技術(shù)、生物芯片技術(shù)、微熱量法等測量結(jié)果與微生物生長數(shù)量線性相關(guān)的檢測方法上。但是，對于一些在生長過程中不斷累積的代謝產(chǎn)物，如耗氧量、粘度、電阻抗等的測量結(jié)果，它們與微生物生長緊密相關(guān)，但目前仍然沒有與之對應(yīng)的、能給出微生物生長參數(shù)的、描述其與微生物生長時間之間關(guān)系的動力學(xué)模型。據(jù)此，論文對現(xiàn)有的Logistic模型、Gompertz模型、Baranyi模型、Huang模型這四個模型進(jìn)行了研究，分析了模型所描述的S型曲線以及模型含有的各參數(shù)對模型的影響，探索了將現(xiàn)有模型直接用于代謝產(chǎn)物法的微生物生長研究的可能性。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大生長量、最大生長速率、遲滯期時長這三個參數(shù)對于不同的模型的影響是相同的，其值的增大分別對應(yīng)著模型最大值、拐點(diǎn)斜率以及拐點(diǎn)切線與坐標(biāo)軸焦點(diǎn)的增大。其中Logistic模型、Gompertz模型由于其數(shù)學(xué)表達(dá)式的限制，模型中僅含有三個階段(遲滯期，指數(shù)增長期，穩(wěn)定期)，且Baranyi模型為中心對稱關(guān)系，所以這三種模型都不適合直接用于代謝產(chǎn)物的描述；Huang模型所描述的曲線雖然能夠與代謝產(chǎn)物累積量曲線相對應(yīng)，但是進(jìn)一步對模型分析發(fā)現(xiàn)，在對代謝產(chǎn)物進(jìn)行時，Huang模型對于微生物死亡期的描述是不符合實(shí)際的。于是本文以微生物生長遲滯期、指數(shù)增長期、穩(wěn)定期、衰亡期這四個階段為前提，從微生物生長模型中對各參數(shù)定義出發(fā)，以Huang模型為基礎(chǔ)提出了一種新的基于代謝產(chǎn)物的微生物生長動力學(xué)模型，以此來描繪代謝產(chǎn)物累積量曲線并從中獲取微生物的遲滯期、最大生長速率、死亡速率等生長參數(shù)，并且依據(jù)所提及過的四個模型對新建立模型中的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。同時，本文以金黃色葡萄球菌與酵母菌生長過程中產(chǎn)生的CO_2作為代謝產(chǎn)物的指標(biāo)，以平均相對誤差絕對值(MARE)、估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEP)、均方根誤差(RMSE)作為評估參數(shù)，結(jié)合擬合圖像，對新模型在實(shí)際測量中的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。
結(jié)果表明對于產(chǎn)物累積量曲線明顯不對稱的S型曲線而言，Gompertz模型比Logistic模型、Baranyi模型更合適，而對于產(chǎn)物累積量曲線中心對稱的曲線而言結(jié)果則相反，但是Huang模型和新建立的模型則沒有這種偏好，對于兩種曲線都表現(xiàn)出了良好的擬合優(yōu)度和非常小的擬合誤差，Huang模型對金黃色葡萄球菌測量結(jié)果擬合的MARE為0.064，SEP為47.217，RMSE為0.057；對酵母菌測量結(jié)果擬合的MARE為0.055，SEP為26.769，RMSE為1.0378，新建立模型對對金黃色葡萄球菌測量結(jié)果擬合的MARE為0.039，SEP為35.985，RMSE為0.05；酵母菌測量結(jié)果擬合的MARE為0.042，SEP為14.302，RMSE為0.012。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)測量結(jié)果為微生物生長中不斷累積的代謝產(chǎn)物時，新模型能夠較好地對其進(jìn)行表述。
最后，本文對25℃下的金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和酵母菌進(jìn)行了測量，給出了其生長動力學(xué)函數(shù)以及各階段生長參數(shù)。并且在24-34℃的范圍內(nèi)研究了溫度對微生物生長帶來的影響，結(jié)果表明在這個溫度范圍內(nèi)，溫度的升高能提高最大生長速率、減小遲滯期時長，但是在超過了最適生長溫度后，反而會使得最大生長速率下降，這個結(jié)果也與文獻(xiàn)一致。本文針對在微生物生長過程中不斷累積的代謝產(chǎn)物，建立了一種新的基于代謝產(chǎn)物的微生物生長動力學(xué)模型，并以CO_2為例對模型的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。新建立的模型可以用于擬合不同溫度、PH等環(huán)境條件下的微生物生長，獲取完整的微生物生長曲線以及代謝產(chǎn)物測量方法下的微生物各個階段的生長參量。
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