细菌生长的热动力学研究进展

第12卷第1期化学研究与应用Vol. 12 NoChemical Research and ApplicationFeb.,2000文章编号:1004-1656(200001-009-05细菌生长的热动力学研究进展南照东,曾宪诚(四川大学化学学院,四川成都610064)摘要本文简单介绍了绝热式和热导式量热计及理论模型细菌生长的动力学模型着重介绍了近五年中热动力学在研究细赏生长代谢过程中的应用;通过测定不同条件下细菌生长代谢过程的产热曲线,求褥细菌生长代谢的热力学和动力学参数,研究细菌的生长条件和药物的抑制作用关键词热动力学;细菌;动力学糗型;热动力学方程中图分类号:O643.1文献标识码:A自然界中所发生的一切物理变化、化学变化和生物代谢过程都伴随着热效应的发生.随着人1量热计及理论模型们认识自然和改造自然的不断深入,经典“静态”热化学的局限性日益明显使人们对热焙变化的1.1绝热式量热计及理论模型动态”测量日益感兴趣现代科学技术的发展,高理想的绝热式量热计在量热计的反应器及其灵敏度高自动化的微量量热计不断涌现从而使周围环境之间没有(净的)热交换。一般是在量热量热测量从过去的“静态”到“动态”成为可能。计的反应器周围加一绝热屏来提供绝热条件。实门旨在研究热焓变化动态过程的新兴学科—热验中放出的热量等于测量过程中温度的变化与反动力学在本世纪初应运而生应器及所容物的热容之积,即根据变化过程的放(吸)热速率研究过程动力(1)学规律并融热化学与化学动力学于一体的分支学P= E(dr/dt)科称为热动力学(细菌在整个代谢过程中都伴其中,q是过程中放的热量:△T是温度的变化;P随着热效应的发生,通过自动量热计连续准确地是热功率;t是时间;是比例常数(标定常数),由检测和记录这一变化过程的量热曲线,可得到细实验测定。在理想条件下等于量热计的反应器菌生长的热谱。用热动力学的方法对热谐进行分及所容物的热容。析,可获得细菌生长代谢的热力学和动力学信息。1.2热导式量热计及理想模型微量量热法用于生物体系代谢过程的热量测量有热导式量热计将反应器内放出(或吸收)的热许多独到之处,它在测量中不用添加任何试剂,量传导给散热器(或由散热器吸收热量)散热器能直接检测生物体系所固有的代谢热,所以不会般是包围着反应器的金属块。热量与热流速率干扰生物体系的正常活动和代谢另外,还可以有成正比,热流速率一般是由置于量热计的反应器目的地加入有关物质以研究该物质对生物体系和散热器之间的“热电堆”测量。由于热电堆上温代谢的影响。它不用制成透明的清澈液,可直接测度的差异,将产生和热流速率d/t成正比的热量生物体的组织和悬浮液,而且测量完毕后,并不电势U。在稳定的状态下热功率P和热电势U破坏研究对象,还可做进一步的测试成中国煤化本文简单介绍了绝热式和热导式量热计及理CNMHG论模型、细菌生长的动力学模型,着重介绍近五年在则来热动力学在细菌生长过程研究中的应用。dq= Pde= EUdt(4)收物召期:驴99-03-0110化学研究与庄用12毒其中,c是标定常数。在理想状态下,是热电堆的的质量。热传导系数与热电偶材料的 Seeback系数的比D. Cantero认为, Brown等人提出的细值生长模型对一些现象不能解释P. Westgate和对理想的热导式量热计非稳定状态的热功率A. H Emery对此进行了修正,提出了式(10)的可用Tian方程表示,线性生长动力学越阻P=t(U rdu/d)dX/dt=A/e(10其中,τ是时间常数,崔启武和G. J. Lawson00对细菌生长的动力r=C/G(6)学进行了研究,指出细菌最简单的生长动力学模C是量热计的反应器和所容物的热容量G是热型是指数生长模型。指数生长模型只是在有限的电偶的传导系数{1时间内,随着细菌数目的增加,营养物质的消耗,式(5)是在假定反应器中没有明显的温度梯细菌生长常用 Logistic方程描述,即度时得到的。当存在明显的温度梯度时,方程将含dx/dt AX(1-X/X)(11)有两个或多个时间常数口式中,X。是在有限的营养条件下的最大细菌密假定开始和结束时的热电势相等,通常都接度近于零,对式(4)或(5)积分,得式(11)积分得Ude(7)In(X/X)-In[(X.-X)/(X.-X)](t-t)对热导式量热计,其标定常数(是量热计灵敏(12)度的倒数)和反应器及所容物的热容无关式中X是t时刻的细菌密度在文献中作者普遍应用简单的式(3)来表示同时他们指出, Logistic方程也是一种比较过程的热功率,既使在dU/dt明显不为零的情况简单的模型它没有从细菌需求的营养物质方面下也是如此在有关研究细菌体系的报导中,这种进行分析处理,他们根据吸附理论,提出了新的动方法更被普遮使用。力学棋型Zielenkiewicz提出了多种量热计理论模dx/(xd)=(1-X/x-)/(1-X/X)(13)型,他将式(3)和(5)的处理方法分别称为“热流式中X。是一个和营养物利用有关的常数;p法”和“动态法”。2细菌生长的动力学模型3热动力学在研究细菌生长中的应用Mond首先提出了细菌在耆养条件不受限制3.1细菌指数生长动力学模型的应用的情况下呈指数生长的动力学模型,巳被后来的Boling等1)曾用Btch型量热计检测了某分析结果所证实于是作为细菌生长的基本的动些细菌的生长热谱但这些热谱不完整从热谐看力学模型被人们接受00。其数学表达式是不到细菌复苏期和指数生长期。这是由于BtchN(e)= N,exp(kt8)型量热计需要1-2小时的预热平衡时间,因而储式中,N和N(t)分别是细菌在开始和t时刻的数过了对细菌培养初期阶段的监测。武汉大学的屈目k是细菌的生长速率常数。松生教授、谢昌礼教授等人用LKB-2277型热导Sinclair和 Kristiansen1提出细菌在一定的式生物活性量热计测得了细菌生长的完整的热条件下是线性生长的。 Brown和 Gradum°提出谱中国煤化工率正比于细菌数目这了细菌线性生长的动力学模型CNMHG,导出了细菌指数生长dx/dt=(/K)[m/(v·v)]=常数(9)的热动力学方程。其推导方法为其中,K是细胞内含量的饱和系数;是细菌的P(t)= PoN(e)14)最大生长速率常数;X是细胞的浓度;V是培养基式中,P是单个细菌的放热功率。将式(8)代入的体积;炬细液体的比体积;m是微量元素(14)得1期南照东哥:如菌生长的热动力学所究进履P(t)=Pexp(延)(15)式中8=1/P-即kP,b=/kP,β为衰减速率常P= PoNo(16)数。由式(15)得应用细菌生长的热动力学方程,求得了细菌InP()= inP+kr(17)的生长速率常数,得到了细菌生长的最适和最低由式(3)可知细菌生长的放热功率与热电势生长温度在细菌的最适生长温度下,通过改变培即热谱峰高成正比,通过电标定可得该种热导养基的pH值和加入药物,得到了细菌生长的最式量热计可调节使e=1),因此从细菌生长的热佳PH值和最佳抑菌浓度。谱可得细菌生长的任一时刻的放热功率P(t)。对33修正的细菌生长的 Logistic模型的应用于细菌生长的指数生长期,1nP(t)对t作图成一经典的细菌生长的指数模型描述是无限制条直线,其斜率就是细菌指数生长的速率常数,式件下理想的生长过程。经典的 Logistic模型描述(15)是细菌指数生长的热动力学方程,可由下的是一种理想的“S"型生长过程。由实验中测得式求得细菌生长的传代时间G,细菌生长的热谱播述的往往既不是指数生长,也G= In2/k(18)不是按 Logistic模型生长,为此刘义等根据式所得结果与传统方法的结果吻合实验证明,每种(13)将经典的指数生长模型修正为:细菌的代谢热谱都有自已的特征性,在严格控制dN /d= [EN(1-N/N)](1-N/N.)(20)实验条件下,其生长熟谱具有良好的重现性,因式中N为生长过程中的最大细胞数,N为培养此,细菌的生长热谱可作为“指纹图”来鉴定细菌,基中的营养物完全被利用所能达到的细胞数与前人的结论相同将式(20)代入式(14)化简得张洪林教投等人用2277热活性监测系统(热n[P(1-P/P)导式量热计)测得了细菌在不同温度下的生长热n[P(1-P/P)-]+k(21)谐按式(17)进行处理,得到了不同温度下细菌生式中,r=/a,B=1/Pa=1/P长的速率常数用计算机拟合求得了最适生长温当r=1时,式(20)为度和最低生长温度10.文献1·-町报导了不同药dN/dt=是N22)物浓度c下,细菌的生长代谢情况,并用式(17)求是细菌指数生长动力学模型。得了细菌生长的速率常数,通过建立k=f(c)的当r=0时,式(20)为函数关系,得到了最佳用药量,提出了药物抑菌和dN/dt= kN(1-N/N)(23)促菌作用机理是细菌生长的 Logistic动力学模型。武汉大学热化学课题组1报导了对大肠在通常情况下,0