教材级综述｜俄勒冈大学金曲生教授AG：环境微生物动力学建模
教材级综述｜俄勒冈大学金曲生教授AG：环境微生物动力学建模
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以下文章来源于AG应用地球化学 ，作者金曲生
Appl Geochem创于1986年，顾问委员会主席为中国地质大学（武汉）校长王焰新院士，主编为复旦大学王梓萌教授。传承品牌，搭建舞台，汇聚人才，拥抱未来。
导言
重磅推荐美国俄勒冈大学地球科学系金曲生教授为Applied Geochemistry献上的一篇特邀评述。金曲生教授是生物地球化学模型的权威专家，同时还担任AG的副主编。本文由另一位副主编，土壤化学动力学模型专家，华南理工大学石振清教授处理，审稿人皆为领域享有盛誉的资深学者。
本文是金曲生教授亲自执笔，多番打磨之后为AG交出的一篇堪比教科书的重磅综述。该主题的深度的综述论文非常少见。当该领域的教材来不及更新，本文可能成为一段时间内学习、使用和研究微生物动力学模型的学生和青年学者必读的一篇经典文章。
本文已经永久开放获取，可点击阅读原文直达。
理论综述：环境中的微生物动力学建模
金曲生
美国俄勒冈大学地球科学系
在上世纪末，地球化学领域引入了微生物学的理论和方法，对地球科学带来了深远的影响，可谓一场伟大的思想革命。传统的低温地球化学主要关注地表或近地表地质活动的化学特性，而环境微生物学强调了微生物在自然环境中的生态学和对地球化学过程的作用。地球化学与微生物学的融合为地球科学注入了新的活力，为环境可持续性的研究提供了有力支持。一方面，微生物学为地球化学研究提供了全新的理论和方法，拓宽了地球化学研究的视野和范围。另一方面，地球化学为地质微生物学提供了必要的工具和数据支持，使深入揭示微生物与环境之间的相互关系成为可能。这两者的结合还催生了一系列新兴的研究方法和理念，包括针对环境的微生物动力学模拟。
针对环境的微生物动力学模型建立在无机反应混合物模拟的框架之上，通过将微生物视为自催化剂来模拟微生物。它旨在描述和模拟在自然环境中微生物的生态角色和新陈代谢动力学过程。为了方便大家学习和应用这一数值工具，我受邀编写了这篇综述，阐述了地质微生物动力学模拟的理论框架、最新进展和应用局限。
模型是对事实的简化，针对自然环境的微生物动力学模型亦无例外。这些模型包含两个主要的简化。首先是对微生物多样性的简化，将微生物群落视为微生物功能群的集合，并将功能群分为活跃生长和休眠的亚群。其次是对新陈代谢的简化，通过描述分解代谢、生物质合成和维持这三种反应来表征微生物的新陈代谢。模拟这些反应的动力学过程需要三个方面的信息，包括反应的化学计量方程、速率定律和微生物的化学计量和动力学参数。
微生物反应速率定律描述了微生物反应速度与底物浓度、环境条件（如温度、pH等）之间的关系。最有名的微生物速率定律包括莫诺方程，该方程描述了单一溶质对微生物反应速度的影响。在底物为固体或非水相液体 (NAPL) 的情况下，Contois 方程和 Best 方程可能更为准确。当微生物反应同时受到多种因素限制时，可供选择的定律包括乘法速率定律和李比希最小值定律。这些速率定律是根据实验观察建立的，将它们应用于自然环境需要考虑适当的修改，例如，针对不同的环境条件，我们可以遵循乘法速率定律，使用无量纲函数来考虑pH、温度、盐度和细胞密度等因素。还有一类修改侧重于微生物的生理学，将微生物的休眠、生物量衰减和生理适应纳入模型。近年来，分子生物学工具的广泛应用促进了微生物动力学模型的进一步发展。功能基因的建模、特定途径的动力学建模、基因组规模的化学计量代谢建模等新方法不断涌现，提高了模型的精度。
微生物动力学模型的建立不可避免地引入了简化和理想化, 引入了模型的偏差和局限。例如，这些模型的基本单位是微生物功能群。由于微生物代谢的多样性和微生物群落的代谢冗余，模型中的微生物功能群与自然环境中的微生物细胞可能没有直接关联。这一差距极大地阻碍了微生物动力学模型的验证和应用。另外，尽管目前我们已经建立了许多速率定律，但这些定律往往金玉其外，仅提供微生物反应速率的近似描述。由于微生物参数的可塑性和相互依赖性，严谨的模型还需要微生物参数集的内部一致性。通过掌握模型理论框架，客观了解模型偏差和局限性，我们可以系统地理解微生物动力学模型的优势和局限性，并以透明、客观和可重复的方式将这一工具应用于地球化学和环境问题的研究中。
来源： AG应用地球化学。 投稿、合作 、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领 域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微 信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为 星标 ，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！ 环境人Environmentor现有综合群、 期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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