光合细菌生长的动力学研究

安徽工业大学学报第18卷第3期2001J. of Anhui University of Technology2001年7月文章编号000-2170(2001)03-0224-02光合细菌生长的动力学研究王德强1郭养浩21.安徽工业大学化学工程系安徽马鞍山2430022.福州大学福建福州350002)摘要报道了光合细菌在醋酸溶液中的生长动力学并用πonod模型描述了光合细菌生长情况模型能够较好地描述光合细菌生长状况。关键词光合细菌;动力学 nono模型中图分类号TQ033文献标识码: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引言光合细菌(PSB)在厌氧光照条件下,能利用低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、糖类、芳香族化合物等低分子有机物作为光合作用的电子受体,进行光能异养生长。在黑暗条件下能利用有机物作为呼吸基质进行好氧或异氧生长。则正确估计光合细菌的生长动力学参数对于光合反应器的设计具有重要意义。1材料方法(1)菌体分离本实验室的厌氧处理装置中的活性污泥接入 RCVBN培养基中富集培养,液面加盖无菌液体石蜡。在改良的YP培养基固体平板上划线分离琼脂上加盖无菌液体石蜡温度为30℃光强为3000lx(2)以醋酸为生长限制性底物,在厌氧祭件下培养,光照强度为30kx,温度30℃,培养基初始pH7.5。考察在不同初始底物质量浓度2~20g/L的 CH3 COONa·3HO(即 CH3COO·质量浓度0.5~5.0g/L)中光合细菌的生长速率和底物消耗速率。(3)温度因素夏季是鱼类生长最佳季节,水温范围一般在15~40℃,实验温度分别设置在∶8,2535A0A5℃下培养PSB分别取5个500mL三角瓶装入纯化菌种液40mL和培养基300mL培养H7.0,光强3000ⅸ液面加盖无菌液体石蜡。培养过程中测定培养液的光密度和有机酸浓度。2结果讨论光合细菌生长与底物消耗用 monod模型描述,则描述光合细菌生长与底物消耗的方程表示为:u= ums/(k+s中国煤化工收稿日期2000-12-26CNMHG作者简介汪德强1968-)男安徽繁昌人安徽工业大学化学工程第3期王德强等光合细菌生长的动力学研究225q=qms/(k。+s)dx/dt= xum s/(k+s)dx/dt=xum S/(k+s)ya/I=r,/y式中:x一光合细菌OD值,10D值的1L培养液含菌体干重是0.0025g/L;s一底物质量浓度g/L;dx/dt-光合细菌的生长率g(L·h);-ds/d底物的消耗速率g/(L:h);Y/一相对于底物的光合细菌的菌体得率系数;q一底物比消耗速率h-1;l-光合细菌的比生长速率h-1,lm-最大比生长速率h1;k-光合细菌对醋酸的饱和常数g/L。在厌氧培过程中毎隔24h测定培养液中醋酸质量浓度和光合细菌的O值。其中实验1~5组旳初始醋酸质量浓度分别是:.487,1.053,2.064,2.737,3.775g/L;1~5组的光合细菌初始OD值分别是.4,0.4,0.35,0.4,0.37。醋酸质量浓度用气相色谱测定OD值用721-A型紫外可见分光光度计在660mm处测定实验数据见表1,2表1培养过程中各实验组的醋酸消耗对照表2培养过程中各实验组的菌体生长对照1h组醋酸质量浓度/(g/L光合细菌OD值3组4组5t/h组1组2组3组4组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根据表中的结果,以优化目标函数∑(实验值22模型计算值)2最小为目标,采用单纯形对上式中参数 um. k.y进行估计,参数的取值范围为um=0.01~0.07hl;Y=0.01-0.10g/g;:1.4k=0.1~0.4mg/L估计结果得:隘1想Elm=0.035h-;k.=0.26g/L;H=0.25。5在 MATLAB环境下计算模型并绘图把计算值0.6与实验结果的比较列入图中可以得图1的结果。模0.2型计算值与实验值吻合,可以较好地描述光合细菌010203045060708在小分子有机酸中的生长与底物消耗的过程t/h图1模型对第3组实验的计算结3温度对光合细菌生长及底物利用速率的影响在18,25.35,40,45℃条件下培养PSB每隔24h测定菌体OD值和醋酸质量浓度所得结果见表3A。表3各实验组的光合细菌生长对照表4各实验组中光合细菌对醋酸的消耗对照光合细菌OD值t/h组1组醋酸质量浓度/(g/L)组1组3组4组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光合细菌的比生长速率和米氏常数随培养温度的变化规律用二次多项式进行回归。令um =um(a1+b1T+c1 T):k,'=k(az+b2T+c2 T2对实验数据进行回归分析后得到如下方程中国煤化工0.035(-0.2238+0.09CNMHG(下转244页)上接225页k.=0.02633(-0.316+0.308T-表5温度对光合细菌 monod模型中动力学参数的影响0.0048T2)项45℃综合考虑底物质量浓度、培养温度对微生物am/h0.01670.01850.03260.0360.02生长速率及对底物消耗速率的影响,光合细菌的k(m)028202316023260230290生长动力学模型可表示如下x/dt=un(-0.2238+0.097T-0.0026m)sx/(k/(-0.316+0.308T-0.0048T)+s)dx/d=x' Ydx/dt用上述模型分别对不同温度下的实验数据用单纯形法8行动力学参数估计所得结果如表5。将各组参数代入动力学模型并用上述模型计算各个实验条件下的PSB生长情况,如图2。图2表明修正后的模型能很好地描述35℃时的底物质量浓度对光合细菌生长速率及底物t/h产降解的影响。图2模型对第3组实验的计算结果中国煤化工参考文献CNMHGI1于沛芬.光合细菌的分离、鉴定和固定化[J.生物技术1996,53)35-50