2結(jié)果與討論
2.1產(chǎn)絮菌的生長(zhǎng)發(fā)酵及其絮凝活性
微生物絮凝劑作為產(chǎn)絮菌的發(fā)酵代謝產(chǎn)物，其絮凝活性與產(chǎn)絮菌的生長(zhǎng)情況有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，觀測(cè)產(chǎn)絮菌J-1在33 h內(nèi)的生長(zhǎng)變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1產(chǎn)絮菌J-1的絮凝活性隨其生長(zhǎng)狀態(tài)的變化
由圖1可知，在0～12 h，產(chǎn)絮菌J-1處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，理論上，其絮凝率k應(yīng)隨著菌體的快速生長(zhǎng)而逐漸升高，但實(shí)際卻在0～6 h內(nèi)出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是由于絮凝劑液體培養(yǎng)基造成的誤差[8]。空白培養(yǎng)基具有一定的絮凝效果，隨著營(yíng)養(yǎng)成分供菌體生長(zhǎng)而消耗，絮凝率呈下降趨勢(shì)。6 h后隨著菌體生長(zhǎng)接近最高值，開(kāi)始不斷分泌代謝產(chǎn)物，絮凝率開(kāi)始上升。12～27 h內(nèi)，產(chǎn)絮菌J-1處于穩(wěn)定期，菌體量保持穩(wěn)定狀態(tài)，代謝產(chǎn)物大量積累，在15 h時(shí)，菌量積累到最大值為2.05 g/L，絮凝率達(dá)到94.97%。21 h后產(chǎn)絮菌J-1處于穩(wěn)定期后期，培養(yǎng)基提供的營(yíng)養(yǎng)不足以供給菌體生長(zhǎng)，代謝產(chǎn)物的分泌呈減緩趨勢(shì)。27 h后，部分代謝產(chǎn)物被用來(lái)彌補(bǔ)培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的缺失，產(chǎn)絮菌J-1進(jìn)入衰亡期，絮凝率繼續(xù)下降。綜上所述，絮凝率的變化趨勢(shì)符合產(chǎn)絮菌J-1的生長(zhǎng)代謝規(guī)律。
為進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)絮菌J-1的絮凝活性與其生長(zhǎng)代謝規(guī)律的關(guān)聯(lián)性，對(duì)發(fā)酵15 h的產(chǎn)絮菌J-1傳代培養(yǎng)10次，觀測(cè)其菌濁與絮凝率的變化，見(jiàn)圖2。
圖2產(chǎn)絮菌J-1絮凝活性與菌濁的穩(wěn)定性
由圖2可知，傳代次數(shù)n為10，產(chǎn)絮菌J-1的絮凝率均保持在95%左右，其菌濁也保持在最高水平。這不僅驗(yàn)證了產(chǎn)絮菌J-1的絮凝活性與其生長(zhǎng)代謝規(guī)律的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)證明了產(chǎn)絮菌J-1遺傳穩(wěn)定性?xún)?yōu)良。
2.2產(chǎn)絮菌的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型
為更加科學(xué)、客觀地掌握產(chǎn)絮菌J-1生長(zhǎng)變化的內(nèi)在規(guī)律，觀測(cè)其33 h內(nèi)的菌量變化規(guī)律，選擇Logistic方程建立產(chǎn)絮菌J-1的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型。
對(duì)Logistic方程積分計(jì)算后，得到：
式中：ρ0——初始生物量，g/L，產(chǎn)絮菌J-1的ρ0為0.28 g/L；
ρm——最大生物量，g/L，產(chǎn)絮菌J-1的ρm為2.05 g/L；
K——最大比生長(zhǎng)速率，h-1；
t——時(shí)間，h；
Y——菌體干重，g/L。
將ρ0和ρm值代入式(1)：
產(chǎn)絮菌J-1的培養(yǎng)時(shí)間t為自變量，菌體干重Y為因變量，進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。
由圖3可知，Logistic方程基本可以反映產(chǎn)絮菌J-1的生長(zhǎng)變化規(guī)律。衰亡期菌量的預(yù)測(cè)值低于實(shí)驗(yàn)值，這是由于實(shí)驗(yàn)中菌量的測(cè)定采取了菌體干重法，既有活菌又有死菌，而Logistic方程對(duì)菌量的預(yù)測(cè)值為活菌量。兩者平均殘差為0.008，擬合度R2為0.98。利用該擬合曲線，求得K值為0.441，代入式(2)，獲得產(chǎn)絮菌J-1的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型：
圖3生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)擬合曲線
產(chǎn)絮菌J-1的比生長(zhǎng)速率0.441，高于實(shí)驗(yàn)室已有的高效產(chǎn)絮菌的比生長(zhǎng)速率0.253，說(shuō)明產(chǎn)絮菌J-1代時(shí)相對(duì)較短，為微生物絮凝劑的發(fā)酵節(jié)約了時(shí)間成本。
2.3產(chǎn)絮菌的產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型
圖1表明，產(chǎn)絮菌J-1的絮凝活性由其代謝產(chǎn)物確定，且穩(wěn)定期絮凝率最高，此時(shí)菌體生長(zhǎng)也達(dá)到最高值，比生長(zhǎng)速率減緩，菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成屬于部分偶聯(lián)型，故選取Luedeking-Piret方程進(jìn)行模擬。
對(duì)Luedeking-Piret方程積分計(jì)算后，得到：
式中：α——產(chǎn)物生成常數(shù)(關(guān)聯(lián)菌體生長(zhǎng))；
β——產(chǎn)物生成常數(shù)(關(guān)聯(lián)菌體量);
P——產(chǎn)物生成量，g/L。
代入K值，有
產(chǎn)絮菌J-1的培養(yǎng)時(shí)間t為自變量，產(chǎn)物生成量P為因變量，進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4。
由圖4可知，Luedeking-Piret方程可以較好地反映產(chǎn)絮菌J-1的代謝規(guī)律。代謝產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的平均殘差為0.016，擬合度R2為0.97。利用該擬合曲線，求得α值為1.29，β值為-0.010，代入式(5)，得到產(chǎn)絮菌J-1的產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型：
當(dāng)α≠0、β=0時(shí)，發(fā)酵類(lèi)型屬于生長(zhǎng)偶聯(lián)型；α=0、β≠0時(shí)，發(fā)酵類(lèi)型屬于非生長(zhǎng)偶聯(lián)型；α≠0、β≠0時(shí)，發(fā)酵類(lèi)型屬于部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型。由式(6)可見(jiàn)，當(dāng)α值越大，β值越小時(shí)，產(chǎn)物生成量越高。再次證明了產(chǎn)絮菌J-1發(fā)酵微生物絮凝劑的過(guò)程為部分偶聯(lián)型。
綜上所述，菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成屬于部分偶聯(lián)型，所以產(chǎn)絮菌J-1代謝產(chǎn)物的生成與其菌體總量相關(guān)，而與菌體生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)較小。因此，在微生物絮凝劑大量合成前，若比生長(zhǎng)速率較大，保證充足的營(yíng)養(yǎng)和生物量，菌體快速繁殖，菌體總量大量積累，產(chǎn)絮菌J-1代謝產(chǎn)物的合成速率可以得到有效提高。
3結(jié)論
(1)產(chǎn)絮菌J-1絮凝活性的變化趨勢(shì)符合其生長(zhǎng)代謝規(guī)律。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為15 h時(shí)，即產(chǎn)絮菌J-1的穩(wěn)定期，絮凝活性最高為94.97%，且連續(xù)傳代10次，保持穩(wěn)定。
(2)利用Logistic方程模擬產(chǎn)絮菌J-1的生長(zhǎng)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中菌量測(cè)選值與Logistic方程預(yù)測(cè)值的平均殘差為0.008，根據(jù)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)擬合曲線，求得K值為0.441，獲得產(chǎn)絮菌J-1生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型。
(3)利用Luedeking-Piret方程可以較好地反映產(chǎn)絮菌J-1的代謝規(guī)律。代謝產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的平均殘差為0.016，根據(jù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)擬合曲線，獲得產(chǎn)絮菌J-1的產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型。
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