安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第18卷第3期2001J. of Anhui University of Technology2001年7月文章編號(hào)000-2170(2001)03-0224-02光合細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)研究王德強(qiáng)1郭養(yǎng)浩21.安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程系安徽馬鞍山2430022.福州大學(xué)福建福州350002)摘要報(bào)道了光合細(xì)菌在醋酸溶液中的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)并用πonod模型描述了光合細(xì)菌生長(zhǎng)情況模型能夠較好地描述光合細(xì)菌生長(zhǎng)狀況。關(guān)鍵詞光合細(xì)菌;動(dòng)力學(xué) nono模型中圖分類(lèi)號(hào)TQ033文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on kinetics of photosynthetic bacterialWANG De-qiang GUo Yang-hao(1. Chemical Engineering Department Anhui University of Technology, Ma' anshan 243002, China: 2. FuzhouUniversity, Fuzhou 350002, China)Abstract Reported the kinetics of PSB in the solutions of CH3 cooh, and described the growth of pSb with monodmodel. This model can describe the data gathered from laboratory very wellKey words: photosynthetic bacterial kinetic: monod model引言光合細(xì)菌(PSB)在厭氧光照條件下,能利用低級(jí)脂肪酸、多種二羧酸、醇類(lèi)、糖類(lèi)、芳香族化合物等低分子有機(jī)物作為光合作用的電子受體,進(jìn)行光能異養(yǎng)生長(zhǎng)。在黑暗條件下能利用有機(jī)物作為呼吸基質(zhì)進(jìn)行好氧或異氧生長(zhǎng)。則正確估計(jì)光合細(xì)菌的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)于光合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有重要意義。1材料方法(1)菌體分離本實(shí)驗(yàn)室的厭氧處理裝置中的活性污泥接入 RCVBN培養(yǎng)基中富集培養(yǎng),液面加蓋無(wú)菌液體石蠟。在改良的YP培養(yǎng)基固體平板上劃線分離瓊脂上加蓋無(wú)菌液體石蠟溫度為30℃光強(qiáng)為3000lx(2)以醋酸為生長(zhǎng)限制性底物,在厭氧祭件下培養(yǎng),光照強(qiáng)度為30kx,溫度30℃,培養(yǎng)基初始pH7.5。考察在不同初始底物質(zhì)量濃度2~20g/L的 CH3 COONa·3HO(即 CH3COO·質(zhì)量濃度0.5~5.0g/L)中光合細(xì)菌的生長(zhǎng)速率和底物消耗速率。(3)溫度因素夏季是魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)最佳季節(jié),水溫范圍一般在15~40℃,實(shí)驗(yàn)溫度分別設(shè)置在∶8,2535A0A5℃下培養(yǎng)PSB分別取5個(gè)500mL三角瓶裝入純化菌種液40mL和培養(yǎng)基300mL培養(yǎng)H7.0,光強(qiáng)3000ⅸ液面加蓋無(wú)菌液體石蠟。培養(yǎng)過(guò)程中測(cè)定培養(yǎng)液的光密度和有機(jī)酸濃度。2結(jié)果討論光合細(xì)菌生長(zhǎng)與底物消耗用 monod模型描述,則描述光合細(xì)菌生長(zhǎng)與底物消耗的方程表示為:u= ums/(k+s中國(guó)煤化工收稿日期2000-12-26CNMHG作者簡(jiǎn)介汪德強(qiáng)1968-)男安徽繁昌人安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程第3期王德強(qiáng)等光合細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)研究225q=qms/(k。+s)dx/dt= xum s/(k+s)dx/dt=xum S/(k+s)ya/I=r,/y式中:x一光合細(xì)菌OD值,10D值的1L培養(yǎng)液含菌體干重是0.0025g/L;s一底物質(zhì)量濃度g/L;dx/dt-光合細(xì)菌的生長(zhǎng)率g(L·h);-ds/d底物的消耗速率g/(L:h);Y/一相對(duì)于底物的光合細(xì)菌的菌體得率系數(shù);q一底物比消耗速率h-1;l-光合細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率h-1,lm-最大比生長(zhǎng)速率h1;k-光合細(xì)菌對(duì)醋酸的飽和常數(shù)g/L。在厭氧培過(guò)程中毎隔24h測(cè)定培養(yǎng)液中醋酸質(zhì)量濃度和光合細(xì)菌的O值。其中實(shí)驗(yàn)1~5組旳初始醋酸質(zhì)量濃度分別是:.487,1.053,2.064,2.737,3.775g/L;1~5組的光合細(xì)菌初始OD值分別是.4,0.4,0.35,0.4,0.37。醋酸質(zhì)量濃度用氣相色譜測(cè)定OD值用721-A型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在660mm處測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,2表1培養(yǎng)過(guò)程中各實(shí)驗(yàn)組的醋酸消耗對(duì)照表2培養(yǎng)過(guò)程中各實(shí)驗(yàn)組的菌體生長(zhǎng)對(duì)照1h組醋酸質(zhì)量濃度/(g/L光合細(xì)菌OD值3組4組5t/h組1組2組3組4組50.4871.0532.0642.7373.77500.40.40.350.40.3990.9391.9742.39307240.540.540.510.540.470.3170.8761.6512.0872.872480..630.630.670.680.57800.2872701.1532.169801.051.31.41.351.350.6510.5441.095961.021.82.22.12.50.1040.2450.8611140.952.12.6根據(jù)表中的結(jié)果,以?xún)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)∑(實(shí)驗(yàn)值22模型計(jì)算值)2最小為目標(biāo),采用單純形對(duì)上式中參數(shù) um. k.y進(jìn)行估計(jì),參數(shù)的取值范圍為um=0.01~0.07hl;Y=0.01-0.10g/g;:1.4k=0.1~0.4mg/L估計(jì)結(jié)果得:隘1想Elm=0.035h-;k.=0.26g/L;H=0.25。5在 MATLAB環(huán)境下計(jì)算模型并繪圖把計(jì)算值0.6與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較列入圖中可以得圖1的結(jié)果。模0.2型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合,可以較好地描述光合細(xì)菌010203045060708在小分子有機(jī)酸中的生長(zhǎng)與底物消耗的過(guò)程t/h圖1模型對(duì)第3組實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)3溫度對(duì)光合細(xì)菌生長(zhǎng)及底物利用速率的影響在18,25.35,40,45℃條件下培養(yǎng)PSB每隔24h測(cè)定菌體OD值和醋酸質(zhì)量濃度所得結(jié)果見(jiàn)表3A。表3各實(shí)驗(yàn)組的光合細(xì)菌生長(zhǎng)對(duì)照表4各實(shí)驗(yàn)組中光合細(xì)菌對(duì)醋酸的消耗對(duì)照光合細(xì)菌OD值t/h組1組醋酸質(zhì)量濃度/(g/L)組1組3組4組0.480.490.490.495.505.605.194.825.54721.001.803.853.300.685.434.374.083.651.202.604.803.700.78965.123.723.823.085.39201.293.655光合細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率和米氏常數(shù)隨培養(yǎng)溫度的變化規(guī)律用二次多項(xiàng)式進(jìn)行回歸。令um =um(a1+b1T+c1 T):k,'=k(az+b2T+c2 T2對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后得到如下方程中國(guó)煤化工0.035(-0.2238+0.09CNMHG(下轉(zhuǎn)244頁(yè))上接225頁(yè)k.=0.02633(-0.316+0.308T-表5溫度對(duì)光合細(xì)菌 monod模型中動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響0.0048T2)項(xiàng)45℃綜合考慮底物質(zhì)量濃度、培養(yǎng)溫度對(duì)微生物am/h0.01670.01850.03260.0360.02生長(zhǎng)速率及對(duì)底物消耗速率的影響,光合細(xì)菌的k(m)028202316023260230290生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型可表示如下x/dt=un(-0.2238+0.097T-0.0026m)sx/(k/(-0.316+0.308T-0.0048T)+s)dx/d=x' Ydx/dt用上述模型分別對(duì)不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用單純形法8行動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)所得結(jié)果如表5。將各組參數(shù)代入動(dòng)力學(xué)模型并用上述模型計(jì)算各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的PSB生長(zhǎng)情況,如圖2。圖2表明修正后的模型能很好地描述35℃時(shí)的底物質(zhì)量濃度對(duì)光合細(xì)菌生長(zhǎng)速率及底物t/h產(chǎn)降解的影響。圖2模型對(duì)第3組實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果中國(guó)煤化工參考文獻(xiàn)CNMHGI1于沛芬.光合細(xì)菌的分離、鑒定和固定化[J.生物技術(shù)1996,53)35-50