大腸桿菌生長(zhǎng)模型探討

1、大腸桿菌的生長(zhǎng)模型探討,組員：李云 王雪嬌薛雪王蕾關(guān)夢(mèng)玲崔靜慧勾倩倩杜桂月,目錄,大腸桿菌,大腸桿菌,大腸桿菌特點(diǎn),1.大腸桿菌屬于原核生物，它的代謝類型是異養(yǎng)兼性厭氧菌，具有由肽聚糖組成的細(xì)胞壁，只含有核糖體簡(jiǎn)單的細(xì)胞器，沒(méi)有細(xì)胞核，有擬核；細(xì)胞質(zhì)中的質(zhì)粒常用作基因工程中的運(yùn)載體。2.人體與大腸桿菌的關(guān)系：在正常棲居條件下大多數(shù)大腸桿菌不致病，還能競(jìng)爭(zhēng)性抵御致病菌的進(jìn)攻，還能合成維生素B和K2，與人體是互利共生的關(guān)

2、系；但在機(jī)體免疫力降低、腸道長(zhǎng)期缺乏刺激等特殊情況下，進(jìn)入膽囊、膀胱等處可引起炎癥，與人體是寄生關(guān)系。因此，大部分大腸桿菌通常被看作機(jī)會(huì)致病菌。并且大腸菌群數(shù)常作為飲水、食物或藥物的衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。,3.大腸桿菌在生物技術(shù)中的應(yīng)用：大腸桿菌作為外源基因表達(dá)的宿主，遺傳背景清楚，技術(shù)操作和培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單，大規(guī)模發(fā)酵經(jīng)濟(jì)，倍受遺傳工程專家的重視。目前大腸桿菌是應(yīng)用最廣泛，最成功的表達(dá)體系，因此，常用做高效表達(dá)的首選體系。,大腸桿菌特點(diǎn),影響因素

3、,BOD：N：P=100：5：1,生物的生長(zhǎng)過(guò)程若用圖形來(lái)描述將是一條S曲線,隨生物物種、生態(tài)環(huán)境等因素不同，這一曲線呈多樣性變化。,對(duì)生物生長(zhǎng)過(guò)程的數(shù)量化描述較為知名的Linear 、 Logistic 、 Gompertz 、Bertalanffy和Mitscherlich等方程.由于它們具有固定的拐點(diǎn),都只能準(zhǔn)確描述一種特定形狀的S曲線，或者說(shuō)完整S曲線的一個(gè)特定部分。,Logistic 方程介紹,理想條件下種群表現(xiàn)為指數(shù)式地增

4、長(zhǎng) dN/dt= rN r為該種群的內(nèi)稟增長(zhǎng)率，N為種群數(shù)量也可以寫為： Nt=N0ert 此增長(zhǎng)曲線為“J”型,考慮到食物環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，對(duì)模型進(jìn)行了修正Verhulst模型: dN/dt= rN (1 –N/K) 這就是描述種群增長(zhǎng)的Logistic方程其中K稱為環(huán)境容納量, (1 –N/K) 代表環(huán)境阻力。此增長(zhǎng)曲線為“

5、S”型 “S”型曲線的數(shù)學(xué)模擬模型為： N=K/(1+Be-rt ) 用于表征微生物的數(shù)學(xué)模型表示為：log (Nt/N0) = a/(1+be-ct ),2、12℃～16℃條件下用Logistic模型,Logistic 方程,圖2 16℃條件下的生長(zhǎng)擬合曲線,圖1 12℃條件下的生長(zhǎng)擬合曲線,Logistic 方程,數(shù)據(jù)出自：唐 艷,黃 薇,張 賓等.鮐魚中大腸桿菌生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的建立[J].食品科

6、技,2012,37(5),R2=0.9822,R2=0.9932,圖3 12℃條件下的生長(zhǎng)擬合曲線比較,結(jié)論,在 12℃～16℃用Logistic方程進(jìn)行擬合，所得的回歸相關(guān)系數(shù)R較高，均在0.99以上，方程擬合均較好，說(shuō)明所建立的模型具在此溫度區(qū)間有良好的適應(yīng)性。,Logistic 方程,Nt：t 時(shí)刻的生物量；a、b、c 為只有數(shù)學(xué)意義而沒(méi)有生物學(xué)意義的參數(shù),Gompertz 方程,Gompertz模型適用于大腸桿菌S型生長(zhǎng)的可靠

7、性分析，它是從時(shí)間序列中引用來(lái)的，其特點(diǎn)是：開始增長(zhǎng)較慢，中間逐漸加快；到某一點(diǎn)后，增長(zhǎng)速度又逐漸減慢。由于Gompertz模型中含有三個(gè)未知參數(shù)，其適應(yīng)性較強(qiáng)，能擬合出許多細(xì)菌的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此引用相當(dāng)廣泛。 但Gompertz模型的應(yīng)用也存在一定的局限性，其要求把試驗(yàn)數(shù)據(jù)分成三個(gè)等時(shí)間段進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，對(duì)于很多細(xì)菌的增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型參數(shù)估計(jì)并不是特別準(zhǔn)確。因此提出一種優(yōu)化擬合的方法對(duì)Gompertz模型進(jìn)行改

8、進(jìn)，即修正的Gompertz模型。,Gompertz 方程,修正的Gompertz 方程,圖4 10、15、20和25℃條件下的生長(zhǎng)擬合曲線,修正的Gompertz 方程,數(shù)據(jù)出自：王力衛(wèi)，雷曉凌，彭鏡林等.冷凍魚糜制品中大腸桿菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建[J].食品工業(yè)科技,2012,33(10),圖5 10℃條件下的生長(zhǎng)擬合曲線比較,R2=0.9582,R2=0.9582,R2=0.9582,R2=0.9582,R2=0.95

9、82,R2=0.9582,R2大于0.98,修正的Gompertz 方程,結(jié)論,在 10℃～25℃溫度條件下，修正的Gompertz方程能很好的擬合大腸桿菌的生長(zhǎng)過(guò)程，所得的回歸相關(guān)系數(shù)R較高，均在0.98以上，方程擬合均較好，說(shuō)明所建立的模型具在此溫度區(qū)間有良好的適應(yīng)性。,修正的Gompertz 方程,Richards方程,Richards生長(zhǎng)方程建立在Bertalanffy生長(zhǎng)理論的基礎(chǔ)上, Bertalanffy通

10、過(guò)分析動(dòng)物的生長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物生長(zhǎng)期間,動(dòng)物的體重增長(zhǎng)速率為同化速率與消耗速率之差,而后兩者分別和同化器官的大小以及動(dòng)物體重成比例,即: dW/dt=Ra-Rt=αF-γW 式中:F一同化器官重,W—體重, Ra—同化速率, Rt—消耗速率. 由相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系,有F=βWm,因此: dW/dt= βW

11、m –γW 積分可得： W=a(1-be-kt)1/(1-m） 式中: a=(β/γ)(1-m)-1，b=[1-(γ/β)*Wo（1-m）], k=-(l-m)* γ， Wo為W的初值 當(dāng)m=2時(shí)為L(zhǎng)ogistic方程, W= a/(1+b’e-Kt ) 當(dāng)m→1時(shí)為Gompertz方程,W =a*exp[-exp(b-kx)],最佳溫度37℃條件下用 Ric

12、hards模型,Richards方程,圖6 37℃條件下大腸桿菌的生長(zhǎng)擬合曲線比較,Richards方程,R2=0.9995,R2=0.9995,數(shù)據(jù)來(lái)源：溫度生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型在大腸桿菌O157_H7控制中的應(yīng)用_朱英蓮,結(jié)論,在 37℃溫度條件下擬合方程為Richards 方程，標(biāo)準(zhǔn)差S=0.390，相關(guān)系數(shù)R=0.999，擬合較好。,Richards方程,4，低、高溫條件下用Linear失活模型,Linear方程,圖 7

13、 4℃條件下，大腸桿菌的生長(zhǎng)曲線,圖 8 高溫條件下(85℃)的生長(zhǎng)擬條件擬合曲線,Linear方程,數(shù)據(jù)出自：王力衛(wèi)，雷曉凌，彭鏡林等.冷凍魚糜制品中大腸桿菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建[J].食品工業(yè)科技,2012,33(10),結(jié)論,在 85℃、25s時(shí)，大腸桿菌幾乎全部死亡，生長(zhǎng)曲線不具有S型的特點(diǎn)，宜用Linear方程，擬合較好。,由上圖，我們可以得出低溫條件下，大腸桿菌的生長(zhǎng)曲線為一條直線，大腸桿菌基本上沒(méi)有生長(zhǎng)。,Linear