【摘要】：作為21世紀帶動人類發(fā)展的關鍵性技術之一，微生物技術被不斷應用在環(huán)境治理、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)療健康等領域。微生物生長動力學模型以數(shù)學的形式對微生物生長進行了定量描述，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關系。這些模型也被不斷應用于平板菌落記數(shù)法、PCR技術、生物芯片技術、微熱量法等測量結果與微生物生長數(shù)量線性相關的檢測方法上。但是，對于一些在生長過程中不斷累積的代謝產物，如耗氧量、粘度、電阻抗等的測量結果，它們與微生物生長緊密相關，但目前仍然沒有與之對應的、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系的動力學模型。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物法的微生物生長研究的可能性。
研究結果發(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著模型最大值、拐點斜率以及拐點切線與坐標軸焦點的增大。其中Logistic模型、Gompertz模型由于其數(shù)學表達式的限制，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模型為中心對稱關系，所以這三種模型都不適合直接用于代謝產物的描述；Huang模型所描述的曲線雖然能夠與代謝產物累積量曲線相對應，但是進一步對模型分析發(fā)現(xiàn)，在對代謝產物進行時，Huang模型對于微生物死亡期的描述是不符合實際的。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模型為基礎提出了一種新的基于代謝產物的微生物生長動力學模型，以此來描繪代謝產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)進行了驗證。同時，本文以金黃色葡萄球菌與酵母菌生長過程中產生的CO_2作為代謝產物的指標，以平均相對誤差絕對值(MARE)、估計標準誤差(SEP)、均方根誤差(RMSE)作為評估參數(shù)，結合擬合圖像，對新模型在實際測量中的應用進行了驗證。
結果表明對于產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，而對于產物累積量曲線中心對稱的曲線而言結果則相反，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果擬合的MARE為0.064，SEP為47.217，RMSE為0.057；對酵母菌測量結果擬合的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果擬合的MARE為0.039，SEP為35.985，RMSE為0.05；酵母菌測量結果擬合的MARE為0.042，SEP為14.302，RMSE為0.012。實驗結果表明，當測量結果為微生物生長中不斷累積的代謝產物時，新模型能夠較好地對其進行表述。
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行了測量，給出了其生長動力學函數(shù)以及各階段生長參數(shù)。并且在24-34℃的范圍內研究了溫度對微生物生長帶來的影響，結果表明在這個溫度范圍內，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，這個結果也與文獻一致。本文針對在微生物生長過程中不斷累積的代謝產物，建立了一種新的基于代謝產物的微生物生長動力學模型，并以CO_2為例對模型的實際應用進行了驗證。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物測量方法下的微生物各個階段的生長參量。
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