【摘要】:作为21世纪带动人类发展的关键性技术之一,微生物技术被不断应用在环境治理、发酵工业、医疗健康等领域。微生物生长动力学模型以数学的形式对微生物生长进行了定量描述,已建立的模型有Logistic、Gompertz、Schunte、Lopz等模型,这些模型描述了微生物数量随生长时间的对应关系。这些模型也被不断应用于平板菌落记数法、PCR技术、生物芯片技术、微热量法等测量结果与微生物生长数量线性相关的检测方法上。但是,对于一些在生长过程中不断累积的代谢产物,如耗氧量、粘度、电阻抗等的测量结果,它们与微生物生长紧密相关,但目前仍然没有与之对应的、能给出微生物生长参数的、描述其与微生物生长时间之间关系的动力学模型。据此,论文对现有的Logistic模型、Gompertz模型、Baranyi模型、Huang模型这四个模型进行了研究,分析了模型所描述的S型曲线以及模型含有的各参数对模型的影响,探索了将现有模型直接用于代谢产物法的微生物生长研究的可能性。


研究结果发现最大生长量、最大生长速率、迟滞期时长这三个参数对于不同的模型的影响是相同的,其值的增大分别对应着模型最大值、拐点斜率以及拐点切线与坐标轴焦点的增大。其中Logistic模型、Gompertz模型由于其数学表达式的限制,模型中仅含有三个阶段(迟滞期,指数增长期,稳定期),且Baranyi模型为中心对称关系,所以这三种模型都不适合直接用于代谢产物的描述;Huang模型所描述的曲线虽然能够与代谢产物累积量曲线相对应,但是进一步对模型分析发现,在对代谢产物进行时,Huang模型对于微生物死亡期的描述是不符合实际的。于是本文以微生物生长迟滞期、指数增长期、稳定期、衰亡期这四个阶段为前提,从微生物生长模型中对各参数定义出发,以Huang模型为基础提出了一种新的基于代谢产物的微生物生长动力学模型,以此来描绘代谢产物累积量曲线并从中获取微生物的迟滞期、最大生长速率、死亡速率等生长参数,并且依据所提及过的四个模型对新建立模型中的参数进行了验证。同时,本文以金黄色葡萄球菌与酵母菌生长过程中产生的CO_2作为代谢产物的指标,以平均相对误差绝对值(MARE)、估计标准误差(SEP)、均方根误差(RMSE)作为评估参数,结合拟合图像,对新模型在实际测量中的应用进行了验证。


结果表明对于产物累积量曲线明显不对称的S型曲线而言,Gompertz模型比Logistic模型、Baranyi模型更合适,而对于产物累积量曲线中心对称的曲线而言结果则相反,但是Huang模型和新建立的模型则没有这种偏好,对于两种曲线都表现出了良好的拟合优度和非常小的拟合误差,Huang模型对金黄色葡萄球菌测量结果拟合的MARE为0.064,SEP为47.217,RMSE为0.057;对酵母菌测量结果拟合的MARE为0.055,SEP为26.769,RMSE为1.0378,新建立模型对对金黄色葡萄球菌测量结果拟合的MARE为0.039,SEP为35.985,RMSE为0.05;酵母菌测量结果拟合的MARE为0.042,SEP为14.302,RMSE为0.012。实验结果表明,当测量结果为微生物生长中不断累积的代谢产物时,新模型能够较好地对其进行表述。


最后,本文对25℃下的金黄色葡萄球菌、白色念珠菌和酵母菌进行了测量,给出了其生长动力学函数以及各阶段生长参数。并且在24-34℃的范围内研究了温度对微生物生长带来的影响,结果表明在这个温度范围内,温度的升高能提高最大生长速率、减小迟滞期时长,但是在超过了最适生长温度后,反而会使得最大生长速率下降,这个结果也与文献一致。本文针对在微生物生长过程中不断累积的代谢产物,建立了一种新的基于代谢产物的微生物生长动力学模型,并以CO_2为例对模型的实际应用进行了验证。新建立的模型可以用于拟合不同温度、PH等环境条件下的微生物生长,获取完整的微生物生长曲线以及代谢产物测量方法下的微生物各个阶段的生长参量。

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