第12卷第1期化學(xué)研究與應(yīng)用Vol. 12 NoChemical Research and ApplicationFeb.,2000文章編號(hào):1004-1656(200001-009-05細(xì)菌生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展南照東,曾憲誠(chéng)(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(dǎo)式量熱計(jì)及理論模型細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型著重介紹了近五年中熱動(dòng)力學(xué)在研究細(xì)賞生長(zhǎng)代謝過(guò)程中的應(yīng)用;通過(guò)測(cè)定不同條件下細(xì)菌生長(zhǎng)代謝過(guò)程的產(chǎn)熱曲線,求褥細(xì)菌生長(zhǎng)代謝的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù),研究細(xì)菌的生長(zhǎng)條件和藥物的抑制作用關(guān)鍵詞熱動(dòng)力學(xué);細(xì)菌;動(dòng)力學(xué)糗型;熱動(dòng)力學(xué)方程中圖分類(lèi)號(hào):O643.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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)程都伴隨著熱效應(yīng)的發(fā)生.隨著人1量熱計(jì)及理論模型們認(rèn)識(shí)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(duì)熱焙變化的1.1絕熱式量熱計(jì)及理論模型動(dòng)態(tài)”測(cè)量日益感興趣現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高理想的絕熱式量熱計(jì)在量熱計(jì)的反應(yīng)器及其靈敏度高自動(dòng)化的微量量熱計(jì)不斷涌現(xiàn)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(cè)量從過(guò)去的“靜態(tài)”到“動(dòng)態(tài)”成為可能。計(jì)的反應(yīng)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(yàn)中放出的熱量等于測(cè)量過(guò)程中溫度的變化與反動(dòng)力學(xué)在本世紀(jì)初應(yīng)運(yùn)而生應(yīng)器及所容物的熱容之積,即根據(jù)變化過(guò)程的放(吸)熱速率研究過(guò)程動(dòng)力(1)學(xué)規(guī)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)科稱為熱動(dòng)力學(xué)(細(xì)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隨著熱效應(yīng)的發(fā)生,通過(guò)自動(dòng)量熱計(jì)連續(xù)準(zhǔn)確地是熱功率;t是時(shí)間;是比例常數(shù)(標(biāo)定常數(shù)),由檢測(cè)和記錄這一變化過(guò)程的量熱曲線,可得到細(xì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。在理想條件下等于量熱計(jì)的反應(yīng)器菌生長(zhǎng)的熱譜。用熱動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)熱諧進(jìn)行分及所容物的熱容。析,可獲得細(xì)菌生長(zhǎng)代謝的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息。1.2熱導(dǎo)式量熱計(jì)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(cè)量有熱導(dǎo)式量熱計(jì)將反應(yīng)器內(nèi)放出(或吸收)的熱許多獨(dú)到之處,它在測(cè)量中不用添加任何試劑,量傳導(dǎo)給散熱器(或由散熱器吸收熱量)散熱器能直接檢測(cè)生物體系所固有的代謝熱,所以不會(huì)般是包圍著反應(yīng)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(jì)的反應(yīng)器目的地加入有關(guān)物質(zhì)以研究該物質(zhì)對(duì)生物體系和散熱器之間的“熱電堆”測(cè)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(cè)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(cè)量完畢后,并不電勢(shì)U。在穩(wěn)定的狀態(tài)下熱功率P和熱電勢(shì)U破壞研究對(duì)象,還可做進(jìn)一步的測(cè)試成中國(guó)煤化本文簡(jiǎn)單介紹了絕熱式和熱導(dǎo)式量熱計(jì)及理CNMHG論模型、細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型,著重介紹近五年在則來(lái)熱動(dòng)力學(xué)在細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程研究中的應(yīng)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(biāo)定常數(shù)。在理想狀態(tài)下,是熱電堆的的質(zhì)量。熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱電偶材料的 Seeback系數(shù)的比D. Cantero認(rèn)為, Brown等人提出的細(xì)值生長(zhǎng)模型對(duì)一些現(xiàn)象不能解釋P. Westgate和對(duì)理想的熱導(dǎo)式量熱計(jì)非穩(wěn)定狀態(tài)的熱功率A. H Emery對(duì)此進(jìn)行了修正,提出了式(10)的可用Tian方程表示,線性生長(zhǎng)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(shù),崔啟武和G. J. Lawson00對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力r=C/G(6)學(xué)進(jìn)行了研究,指出細(xì)菌最簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模C是量熱計(jì)的反應(yīng)器和所容物的熱容量G是熱型是指數(shù)生長(zhǎng)模型。指數(shù)生長(zhǎng)模型只是在有限的電偶的傳導(dǎo)系數(shù){1時(shí)間內(nèi),隨著細(xì)菌數(shù)目的增加,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,式(5)是在假定反應(yīng)器中沒(méi)有明顯的溫度梯細(xì)菌生長(zhǎng)常用 Logistic方程描述,即度時(shí)得到的。當(dāng)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(shù)口式中,X。是在有限的營(yíng)養(yǎng)條件下的最大細(xì)菌密假定開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的熱電勢(shì)相等,通常都接度近于零,對(duì)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(duì)熱導(dǎo)式量熱計(jì),其標(biāo)定常數(shù)(是量熱計(jì)靈敏(12)度的倒數(shù))和反應(yīng)器及所容物的熱容無(wú)關(guān)式中X是t時(shí)刻的細(xì)菌密度在文獻(xiàn)中作者普遍應(yīng)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(xì)菌需求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方面下也是如此在有關(guān)研究細(xì)菌體系的報(bào)導(dǎo)中,這種進(jìn)行分析處理,他們根據(jù)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(jì)理論模dx/(xd)=(1-X/x-)/(1-X/X)(13)型,他將式(3)和(5)的處理方法分別稱為“熱流式中X。是一個(gè)和營(yíng)養(yǎng)物利用有關(guān)的常數(shù);p法”和“動(dòng)態(tài)法”。2細(xì)菌生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型3熱動(dòng)力學(xué)在研究細(xì)菌生長(zhǎng)中的應(yīng)用Mond首先提出了細(xì)菌在耆養(yǎng)條件不受限制3.1細(xì)菌指數(shù)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用的情況下呈指數(shù)生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型,巳被后來(lái)的Boling等1)曾用Btch型量熱計(jì)檢測(cè)了某分析結(jié)果所證實(shí)于是作為細(xì)菌生長(zhǎng)的基本的動(dòng)些細(xì)菌的生長(zhǎng)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(shù)學(xué)表達(dá)式是不到細(xì)菌復(fù)蘇期和指數(shù)生長(zhǎng)期。這是由于BtchN(e)= N,exp(kt8)型量熱計(jì)需要1-2小時(shí)的預(yù)熱平衡時(shí)間,因而儲(chǔ)式中,N和N(t)分別是細(xì)菌在開(kāi)始和t時(shí)刻的數(shù)過(guò)了對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)初期階段的監(jiān)測(cè)。武漢大學(xué)的屈目k是細(xì)菌的生長(zhǎng)速率常數(shù)。松生教授、謝昌禮教授等人用LKB-2277型熱導(dǎo)Sinclair和 Kristiansen1提出細(xì)菌在一定的式生物活性量熱計(jì)測(cè)得了細(xì)菌生長(zhǎng)的完整的熱條件下是線性生長(zhǎng)的。 Brown和 Gradum°提出譜中國(guó)煤化工率正比于細(xì)菌數(shù)目這了細(xì)菌線性生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型CNMHG,導(dǎo)出了細(xì)菌指數(shù)生長(zhǎng)dx/dt=(/K)[m/(v·v)]=常數(shù)(9)的熱動(dòng)力學(xué)方程。其推導(dǎo)方法為其中,K是細(xì)胞內(nèi)含量的飽和系數(shù);是細(xì)菌的P(t)= PoN(e)14)最大生長(zhǎng)速率常數(shù);X是細(xì)胞的濃度;V是培養(yǎng)基式中,P是單個(gè)細(xì)菌的放熱功率。將式(8)代入的體積;炬細(xì)液體的比體積;m是微量元素(14)得1期南照東哥:如菌生長(zhǎng)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(shù)。由式(15)得應(yīng)用細(xì)菌生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)方程,求得了細(xì)菌InP()= inP+kr(17)的生長(zhǎng)速率常數(shù),得到了細(xì)菌生長(zhǎng)的最適和最低由式(3)可知細(xì)菌生長(zhǎng)的放熱功率與熱電勢(shì)生長(zhǎng)溫度在細(xì)菌的最適生長(zhǎng)溫度下,通過(guò)改變培即熱譜峰高成正比,通過(guò)電標(biāo)定可得該種熱導(dǎo)養(yǎng)基的pH值和加入藥物,得到了細(xì)菌生長(zhǎng)的最式量熱計(jì)可調(diào)節(jié)使e=1),因此從細(xì)菌生長(zhǎng)的熱佳PH值和最佳抑菌濃度。譜可得細(xì)菌生長(zhǎng)的任一時(shí)刻的放熱功率P(t)。對(duì)33修正的細(xì)菌生長(zhǎng)的 Logistic模型的應(yīng)用于細(xì)菌生長(zhǎng)的指數(shù)生長(zhǎng)期,1nP(t)對(duì)t作圖成一經(jīng)典的細(xì)菌生長(zhǎng)的指數(shù)模型描述是無(wú)限制條直線,其斜率就是細(xì)菌指數(shù)生長(zhǎng)的速率常數(shù),式件下理想的生長(zhǎng)過(guò)程。經(jīng)典的 Logistic模型描述(15)是細(xì)菌指數(shù)生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)方程,可由下的是一種理想的“S"型生長(zhǎng)過(guò)程。由實(shí)驗(yàn)中測(cè)得式求得細(xì)菌生長(zhǎng)的傳代時(shí)間G,細(xì)菌生長(zhǎng)的熱譜播述的往往既不是指數(shù)生長(zhǎng),也G= In2/k(18)不是按 Logistic模型生長(zhǎng),為此劉義等根據(jù)式所得結(jié)果與傳統(tǒng)方法的結(jié)果吻合實(shí)驗(yàn)證明,每種(13)將經(jīng)典的指數(shù)生長(zhǎng)模型修正為:細(xì)菌的代謝熱譜都有自已的特征性,在嚴(yán)格控制dN /d= [EN(1-N/N)](1-N/N.)(20)實(shí)驗(yàn)條件下,其生長(zhǎng)熟譜具有良好的重現(xiàn)性,因式中N為生長(zhǎng)過(guò)程中的最大細(xì)胞數(shù),N為培養(yǎng)此,細(xì)菌的生長(zhǎng)熱譜可作為“指紋圖”來(lái)鑒定細(xì)菌,基中的營(yíng)養(yǎng)物完全被利用所能達(dá)到的細(xì)胞數(shù)與前人的結(jié)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)(熱n[P(1-P/P)導(dǎo)式量熱計(jì))測(cè)得了細(xì)菌在不同溫度下的生長(zhǎng)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(xì)菌生式中,r=/a,B=1/Pa=1/P長(zhǎng)的速率常數(shù)用計(jì)算機(jī)擬合求得了最適生長(zhǎng)溫當(dāng)r=1時(shí),式(20)為度和最低生長(zhǎng)溫度10.文獻(xiàn)1·-町報(bào)導(dǎo)了不同藥dN/dt=是N22)物濃度c下,細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝情況,并用式(17)求是細(xì)菌指數(shù)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型。得了細(xì)菌生長(zhǎng)的速率常數(shù),通過(guò)建立k=f(c)的當(dāng)r=0時(shí),式(20)為函數(shù)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(jī)理是細(xì)菌生長(zhǎng)的 Logistic動(dòng)力學(xué)模型。武漢大學(xué)熱化學(xué)課題組1報(bào)導(dǎo)了對(duì)大腸在通常情況下,0