大腸桿菌生長模型探討

1、大腸桿菌的生長模型探討,組員：李云 王雪嬌薛雪王蕾關夢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,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胞壁，只含有核糖體簡單的細胞器，沒有細胞核，有擬核；細胞質中的質粒常用作基因工程中的運載體。2.人體與大腸桿菌的關系：在正常棲居條件下大多數大腸桿菌不致病，還能競爭性抵御致病菌的進攻，還能合成維生素B和K2，與人體是互利共生的關

2、系；但在機體免疫力降低、腸道長期缺乏刺激等特殊情況下，進入膽囊、膀胱等處可引起炎癥，與人體是寄生關系。因此，大部分大腸桿菌通常被看作機會致病菌。并且大腸菌群數常作為飲水、食物或藥物的衛(wèi)生學標準。,3.大腸桿菌在生物技術中的應用：大腸桿菌作為外源基因表達的宿主，遺傳背景清楚，技術操作和培養(yǎng)條件簡單，大規(guī)模發(fā)酵經濟，倍受遺傳工程專家的重視。目前大腸桿菌是應用最廣泛，最成功的表達體系，因此，常用做高效表達的首選體系。,大腸桿菌特點,影響因素

3、,BOD：N：P=100：5：1,生物的生長過程若用圖形來描述將是一條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。,對生物生長過程的數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,都只能準確描述一種特定形狀的S曲線，或者說完整S曲線的一個特定部分。,Logistic 方程介紹,理想條件下種群表現為指數式地增

4、長 dN/dt= rN r為該種群的內稟增長率，N為種群數量也可以寫為： Nt=N0ert 此增長曲線為“J”型,考慮到食物環(huán)境競爭等問題，對模型進行了修正Verhulst模型: dN/dt= rN (1 –N/K) 這就是描述種群增長的Logistic方程其中K稱為環(huán)境容納量, (1 –N/K) 代表環(huán)境阻力。此增長曲線為“

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

6、技,2012,37(5),R2=0.9822,R2=0.9932,圖3 12℃條件下的生長擬合曲線比較,結論,在 12℃～16℃用Logistic方程進行擬合，所得的回歸相關系數R較高，均在0.99以上，方程擬合均較好，說明所建立的模型具在此溫度區(qū)間有良好的適應性。,Logistic 方程,Nt：t 時刻的生物量；a、b、c 為只有數學意義而沒有生物學意義的參數,Gompertz 方程,Gompertz模型適用于大腸桿菌S型生長的可靠

7、性分析，它是從時間序列中引用來的，其特點是：開始增長較慢，中間逐漸加快；到某一點后，增長速度又逐漸減慢。由于Gompertz模型中含有三個未知參數，其適應性較強，能擬合出許多細菌的可靠性增長試驗數據，因此引用相當廣泛。 但Gompertz模型的應用也存在一定的局限性，其要求把試驗數據分成三個等時間段進行參數估計，對于很多細菌的增長試驗數據，模型參數估計并不是特別準確。因此提出一種優(yōu)化擬合的方法對Gompertz模型進行改

8、進，即修正的Gompertz模型。,Gompertz 方程,修正的Gompertz 方程,圖4 10、15、20和25℃條件下的生長擬合曲線,修正的Gompertz 方程,數據出自：王力衛(wèi)，雷曉凌，彭鏡林等.冷凍魚糜制品中大腸桿菌生長動力學模型的構建[J].食品工業(yè)科技,2012,33(10),圖5 10℃條件下的生長擬合曲線比較,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過程，所得的回歸相關系數R較高，均在0.98以上，方程擬合均較好，說明所建立的模型具在此溫度區(qū)間有良好的適應性。,修正的Gompertz 方程,Richards方程,Richards生長方程建立在Bertalanffy生長理論的基礎上, Bertalanffy通

10、過分析動物的生長,發(fā)現在動物生長期間,動物的體重增長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. 由相對生長關系,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m=2時為Logistic方程, W= a/(1+b’e-Kt ) 當m→1時為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擬合曲線比較,Richards方程,R2=0.9995,R2=0.9995,數據來源：溫度生長預測模型在大腸桿菌O157_H7控制中的應用_朱英蓮,結論,在 37℃溫度條件下擬合方程為Richards 方程，標準差S=0.390，相關系數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，大腸桿菌的生長曲線,圖 8 高溫條件下(85℃)的生長擬條件擬合曲線,Linear方程,數據出自：王力衛(wèi)，雷曉凌，彭鏡林等.冷凍魚糜制品中大腸桿菌生長動力學模型的構建[J].食品工業(yè)科技,2012,33(10),結論,在 85℃、25s時，大腸桿菌幾乎全部死亡，生長曲線不具有S型的特點，宜用Linear方程，擬合較好。,由上圖，我們可以得出低溫條件下，大腸桿菌的生長曲線為一條直線，大腸桿菌基本上沒有生長。,Linear