細菌生長(cháng)的熱動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

第12卷第1期化學(xué)研究與應用Vol. 12 NoChemical Research and ApplicationFeb.,2000文章編號:1004-1656(200001-009-05細菌生長(cháng)的熱動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展南照東,曾憲誠(四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院,四川成都610064)摘要本文簡(jiǎn)單介紹了絕熱式和熱導式量熱計及理論模型細菌生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型著(zhù)重介紹了近五年中熱動(dòng)力學(xué)在研究細賞生長(cháng)代謝過(guò)程中的應用;通過(guò)測定不同條件下細菌生長(cháng)代謝過(guò)程的產(chǎn)熱曲線(xiàn),求褥細菌生長(cháng)代謝的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數,研究細菌的生長(cháng)條件和藥物的抑制作用關(guān)鍵詞熱動(dòng)力學(xué);細菌;動(dòng)力學(xué)糗型;熱動(dòng)力學(xué)方程中圖分類(lèi)號:O643.1文獻標識碼:A自然界中所發(fā)生的一切物理變化、化學(xué)變化和生物代謝過(guò)程都伴隨著(zhù)熱效應的發(fā)生.隨著(zhù)人1量熱計及理論模型們認識自然和改造自然的不斷深入,經(jīng)典“靜態(tài)”熱化學(xué)的局限性日益明顯使人們對熱焙變化的1.1絕熱式量熱計及理論模型動(dòng)態(tài)”測量日益感興趣現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高理想的絕熱式量熱計在量熱計的反應器及其靈敏度高自動(dòng)化的微量量熱計不斷涌現從而使周?chē)h(huán)境之間沒(méi)有(凈的)熱交換。一般是在量熱量熱測量從過(guò)去的“靜態(tài)”到“動(dòng)態(tài)”成為可能。計的反應器周?chē)右唤^熱屏來(lái)提供絕熱條件。實(shí)門(mén)旨在研究熱焓變化動(dòng)態(tài)過(guò)程的新興學(xué)科—熱驗中放出的熱量等于測量過(guò)程中溫度的變化與反動(dòng)力學(xué)在本世紀初應運而生應器及所容物的熱容之積,即根據變化過(guò)程的放(吸)熱速率研究過(guò)程動(dòng)力(1)學(xué)規律并融熱化學(xué)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)于一體的分支學(xué)P= E(dr/dt)科稱(chēng)為熱動(dòng)力學(xué)(細菌在整個(gè)代謝過(guò)程中都伴其中,q是過(guò)程中放的熱量:△T是溫度的變化;P隨著(zhù)熱效應的發(fā)生,通過(guò)自動(dòng)量熱計連續準確地是熱功率;t是時(shí)間;是比例常數(標定常數),由檢測和記錄這一變化過(guò)程的量熱曲線(xiàn),可得到細實(shí)驗測定。在理想條件下等于量熱計的反應器菌生長(cháng)的熱譜。用熱動(dòng)力學(xué)的方法對熱諧進(jìn)行分及所容物的熱容。析,可獲得細菌生長(cháng)代謝的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息。1.2熱導式量熱計及理想模型微量量熱法用于生物體系代謝過(guò)程的熱量測量有熱導式量熱計將反應器內放出(或吸收)的熱許多獨到之處,它在測量中不用添加任何試劑,量傳導給散熱器(或由散熱器吸收熱量)散熱器能直接檢測生物體系所固有的代謝熱,所以不會(huì )般是包圍著(zhù)反應器的金屬塊。熱量與熱流速率干擾生物體系的正?；顒?dòng)和代謝另外,還可以有成正比,熱流速率一般是由置于量熱計的反應器目的地加入有關(guān)物質(zhì)以研究該物質(zhì)對生物體系和散熱器之間的“熱電堆”測量。由于熱電堆上溫代謝的影響。它不用制成透明的清澈液,可直接測度的差異,將產(chǎn)生和熱流速率d/t成正比的熱量生物體的組織和懸浮液,而且測量完畢后,并不電勢U。在穩定的狀態(tài)下熱功率P和熱電勢U破壞研究對象,還可做進(jìn)一步的測試成中國煤化本文簡(jiǎn)單介紹了絕熱式和熱導式量熱計及理CNMHG論模型、細菌生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型,著(zhù)重介紹近五年在則來(lái)熱動(dòng)力學(xué)在細菌生長(cháng)過(guò)程研究中的應用。dq= Pde= EUdt(4)收物召期:驢99-03-0110化學(xué)研究與莊用12毒其中,c是標定常數。在理想狀態(tài)下,是熱電堆的的質(zhì)量。熱傳導系數與熱電偶材料的 Seeback系數的比D. Cantero認為, Brown等人提出的細值生長(cháng)模型對一些現象不能解釋P. Westgate和對理想的熱導式量熱計非穩定狀態(tài)的熱功率A. H Emery對此進(jìn)行了修正,提出了式(10)的可用Tian方程表示,線(xiàn)性生長(cháng)動(dòng)力學(xué)越阻P=t(U rdu/d)dX/dt=A/e(10其中,τ是時(shí)間常數,崔啟武和G. J. Lawson00對細菌生長(cháng)的動(dòng)力r=C/G(6)學(xué)進(jìn)行了研究,指出細菌最簡(jiǎn)單的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模C是量熱計的反應器和所容物的熱容量G是熱型是指數生長(cháng)模型。指數生長(cháng)模型只是在有限的電偶的傳導系數{1時(shí)間內,隨著(zhù)細菌數目的增加,營(yíng)養物質(zhì)的消耗,式(5)是在假定反應器中沒(méi)有明顯的溫度梯細菌生長(cháng)常用 Logistic方程描述,即度時(shí)得到的。當存在明顯的溫度梯度時(shí),方程將含dx/dt AX(1-X/X)(11)有兩個(gè)或多個(gè)時(shí)間常數口式中,X。是在有限的營(yíng)養條件下的最大細菌密假定開(kāi)始和結束時(shí)的熱電勢相等,通常都接度近于零,對式(4)或(5)積分,得式(11)積分得Ude(7)In(X/X)-In[(X.-X)/(X.-X)](t-t)對熱導式量熱計,其標定常數(是量熱計靈敏(12)度的倒數)和反應器及所容物的熱容無(wú)關(guān)式中X是t時(shí)刻的細菌密度在文獻中作者普遍應用簡(jiǎn)單的式(3)來(lái)表示同時(shí)他們指出, Logistic方程也是一種比較過(guò)程的熱功率,既使在dU/dt明顯不為零的情況簡(jiǎn)單的模型它沒(méi)有從細菌需求的營(yíng)養物質(zhì)方面下也是如此在有關(guān)研究細菌體系的報導中,這種進(jìn)行分析處理,他們根據吸附理論,提出了新的動(dòng)方法更被普遮使用。力學(xué)棋型Zielenkiewicz提出了多種量熱計理論模dx/(xd)=(1-X/x-)/(1-X/X)(13)型,他將式(3)和(5)的處理方法分別稱(chēng)為“熱流式中X。是一個(gè)和營(yíng)養物利用有關(guān)的常數;p法”和“動(dòng)態(tài)法”。2細菌生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型3熱動(dòng)力學(xué)在研究細菌生長(cháng)中的應用Mond首先提出了細菌在耆養條件不受限制3.1細菌指數生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模型的應用的情況下呈指數生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型,巳被后來(lái)的Boling等1)曾用Btch型量熱計檢測了某分析結果所證實(shí)于是作為細菌生長(cháng)的基本的動(dòng)些細菌的生長(cháng)熱譜但這些熱譜不完整從熱諧看力學(xué)模型被人們接受00。其數學(xué)表達式是不到細菌復蘇期和指數生長(cháng)期。這是由于BtchN(e)= N,exp(kt8)型量熱計需要1-2小時(shí)的預熱平衡時(shí)間,因而儲式中,N和N(t)分別是細菌在開(kāi)始和t時(shí)刻的數過(guò)了對細菌培養初期階段的監測。武漢大學(xué)的屈目k是細菌的生長(cháng)速率常數。松生教授、謝昌禮教授等人用LKB-2277型熱導Sinclair和 Kristiansen1提出細菌在一定的式生物活性量熱計測得了細菌生長(cháng)的完整的熱條件下是線(xiàn)性生長(cháng)的。 Brown和 Gradum°提出譜中國煤化工率正比于細菌數目這了細菌線(xiàn)性生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型CNMHG,導出了細菌指數生長(cháng)dx/dt=(/K)[m/(v·v)]=常數(9)的熱動(dòng)力學(xué)方程。其推導方法為其中,K是細胞內含量的飽和系數;是細菌的P(t)= PoN(e)14)最大生長(cháng)速率常數;X是細胞的濃度;V是培養基式中,P是單個(gè)細菌的放熱功率。將式(8)代入的體積;炬細液體的比體積;m是微量元素(14)得1期南照東哥:如菌生長(cháng)的熱動(dòng)力學(xué)所究進(jìn)履P(t)=Pexp(延)(15)式中8=1/P-即kP,b=/kP,β為衰減速率常P= PoNo(16)數。由式(15)得應用細菌生長(cháng)的熱動(dòng)力學(xué)方程,求得了細菌InP()= inP+kr(17)的生長(cháng)速率常數,得到了細菌生長(cháng)的最適和最低由式(3)可知細菌生長(cháng)的放熱功率與熱電勢生長(cháng)溫度在細菌的最適生長(cháng)溫度下,通過(guò)改變培即熱譜峰高成正比,通過(guò)電標定可得該種熱導養基的pH值和加入藥物,得到了細菌生長(cháng)的最式量熱計可調節使e=1),因此從細菌生長(cháng)的熱佳PH值和最佳抑菌濃度。譜可得細菌生長(cháng)的任一時(shí)刻的放熱功率P(t)。對33修正的細菌生長(cháng)的 Logistic模型的應用于細菌生長(cháng)的指數生長(cháng)期,1nP(t)對t作圖成一經(jīng)典的細菌生長(cháng)的指數模型描述是無(wú)限制條直線(xiàn),其斜率就是細菌指數生長(cháng)的速率常數,式件下理想的生長(cháng)過(guò)程。經(jīng)典的 Logistic模型描述(15)是細菌指數生長(cháng)的熱動(dòng)力學(xué)方程,可由下的是一種理想的“S"型生長(cháng)過(guò)程。由實(shí)驗中測得式求得細菌生長(cháng)的傳代時(shí)間G,細菌生長(cháng)的熱譜播述的往往既不是指數生長(cháng),也G= In2/k(18)不是按 Logistic模型生長(cháng),為此劉義等根據式所得結果與傳統方法的結果吻合實(shí)驗證明,每種(13)將經(jīng)典的指數生長(cháng)模型修正為:細菌的代謝熱譜都有自已的特征性,在嚴格控制dN /d= [EN(1-N/N)](1-N/N.)(20)實(shí)驗條件下,其生長(cháng)熟譜具有良好的重現性,因式中N為生長(cháng)過(guò)程中的最大細胞數,N為培養此,細菌的生長(cháng)熱譜可作為“指紋圖”來(lái)鑒定細菌,基中的營(yíng)養物完全被利用所能達到的細胞數與前人的結論相同將式(20)代入式(14)化簡(jiǎn)得張洪林教投等人用2277熱活性監測系統(熱n[P(1-P/P)導式量熱計)測得了細菌在不同溫度下的生長(cháng)熱n[P(1-P/P)-]+k(21)諧按式(17)進(jìn)行處理,得到了不同溫度下細菌生式中,r=/a,B=1/Pa=1/P長(cháng)的速率常數用計算機擬合求得了最適生長(cháng)溫當r=1時(shí),式(20)為度和最低生長(cháng)溫度10.文獻1·-町報導了不同藥dN/dt=是N22)物濃度c下,細菌的生長(cháng)代謝情況,并用式(17)求是細菌指數生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模型。得了細菌生長(cháng)的速率常數,通過(guò)建立k=f(c)的當r=0時(shí),式(20)為函數關(guān)系,得到了最佳用藥量,提出了藥物抑菌和dN/dt= kN(1-N/N)(23)促菌作用機理是細菌生長(cháng)的 Logistic動(dòng)力學(xué)模型。武漢大學(xué)熱化學(xué)課題組1報導了對大腸在通常情況下,0