藻类磷吸收的热力学表征及模型匹配研究

发布时间：2020-11-11 13:17

　　 藻类在自然水生生态系统与人类工业生产中占据着重要地位,并对全球气候变化以及元素生物地球化学循环有着巨大影响。生理适应性是藻类通过调整胞内代谢途径以应对外界环境变化的内禀性质,是认识藻类营养吸收现象与胞内营养状态的基础,是藻类细胞模型构建的关键因素。对营养物吸收的数学描述是藻类生态模型的核心,其中动力学方法是应用最为广泛的匹配手段,提供了成熟的建模思路和丰富的模型数据。本研究采用热力学方法,以定量地描述藻类磷吸收过程的能量特征。首先,构建一种基于渗透势的藻类磷营养通量模型,从对藻类磷吸收现象层面的关注转移到细胞能量代谢层面,结合藻类细胞磷吸收、储存和同化的重要生化过程,遴选磷在细胞内部的主要物质归宿。模型构建重点下落到细胞模型的必要假设、条件要素和单元主体,采用线性非平衡热力学方法表征磷营养通量与渗透势,建立磷营养渗透过程与氧化磷酸化供能过程的耦合关系,进而对藻类磷营养渗透现象进行匹配研究。并且,结合室内实验获得了藻类磷营养限制的渗透阈值,探究了“势一通量”模型应用于藻类营养限制判别与种间竞争的分析功能。进一步地,采用化学计量学和能量学方法描述“势—通量”模型中吸收、储存和同化三个重要的生化过程。先以宏观化学方程式表示藻类细胞合成过程,以△G来描述该过程能量的变化,得到生成单位藻细胞所需要的Gibbs自由能大小(以△rGθ合成表示);再以能量储存载体ATP的基质水平磷酸化生成速率为桥梁,利用Michaelis-Menton方程建立环境磷浓度与△rGθ合成的关系;最后,将环境磷浓度对藻细胞生物量增长所作的贡献定义为增长势(μalgae),更直观地表示环境磷浓度对藻细胞增殖所作的贡献。同时结合室内实验,通过等温滴定微量热仪得到藻细胞磷吸收体系的焓变值和熵变值,最后计算获得藻类磷吸收与细胞增殖的热力学关系。虽然本研究对藻类磷吸收的模型匹配研究在理论及其与室内培养实验的结合上已经进行了一定探索,但是所得的研究结论中对其吸收特征的描述和吸收所作的生物量贡献,也仅局限于藻种的实验室培养。实际上,模型匹配研究应发挥更大作用,在细节上作出各种各样的改变,而目前的短板在于其解释功能还没有充分发挥。因此,可进一步地基于如何定量描述自然水环境中的种间竞争展开研究,并对不同现象之间的差异性进行解释,建立符合自然规律的匹配模型。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X173
【部分图文】：

憐被藻类吸收后随即进入生命代谢过程，用于合成生命活动所必需的生物大分子，??以实现细胞的生化功能。??磷元素在藻细胞中具有特定的代谢通路，图１．１阐释了目前己知的关于磷元素??摄取、代谢和储存的途径（Ｌｉｎ等．，２０１６）。图中实线箭头表示磷的代谢过程，虚线??箭头表示蛋白质或蛋白质复合物对磷代谢过程的作用反馈。磷酸盐的跨膜转运系??统包括两类：（１）高亲和性磷酸盐转运系统（ＰｓＴ），（２）低亲和性磷酸盐转运系统??（ＰｉＴ），其中ＰｉＴ又包含无机磷转运系统（ＩＰＴ）与离子型磷酸盐转运系统（ＳＰＴ）两个子??系统。从藻细胞膜外侧看，有机磷ＤＯＰ?（Ｒ－Ｃ－Ｐ０３）和无机磷Ｐｉ分别经跨膜蛋白??ＰｈｎＣＤＥ和ＰｈｏＲ进入胞内，磷酸酯（Ｒ－０－Ｐ０３）经细胞膜表面碱性磷酸酶（ＡＰ）??的催化，转化为磷酸盐后再经转运系统进入细胞内部。??

?／??Ｏｕｔｅｒ?ｃｅｌｌ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??图１．１藻类细胞磷吸收、代谢和储存机理图（Ｌｉｎ等．，２０１６）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｏｆ?ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ?ｕｐｔａｋｅ，?ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ，?ａｎｄ?ｓｔｏｒａｇｅ．??（Ｌｉｎ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１６）??进入细胞内部的磺酸单脂在碱性或酸性磷酸酶的催化作用下，转化为ｐｉ和含??Ｒ－０键的有机化合物。胞内Ｐｉ通过呼吸作用或光合作用获得能量并转化为ＡＴＰ，??作为藻细胞代谢活动的能量来源；并且，ＡＴＰ也作为藻类的磷储存体，用于含磷生??物大分子的生化合成。含磷的生物大分子主要包括：核酸（ＤＮＡ和ＲＮＡ）、磷脂、??三磷酸腺苷（ＡＴＰ）等。作为核酸的核心组分，磷在细胞储存、复制和基因转录等??生理过程中扮演着至关重要的角色，其中核糖体ＲＮＡ合成蛋白质的过程对磷的需??求量最高（Ｇｅｉｄｅｒ和Ｌａ?Ｒｏｃｈｅ

Ｓｔｕｃｋｉ?（１９９１）分析了?ＡＴＰ能量生成函数／关于ＯＰ耦合度ｇ的最优解，能量输出??表达式为／＝１３１１＂＊（〇｛／２）（：〇３（？）（／？＝１，２，３，４），对应常数》７下输出函数／的最优解如表??１．１所示，不同输出函数／与耦合度９的关系如图１．４所示。??１３??
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 叶培毅;;水体附着藻类生长速率的简单测定[J];实验教学与仪器;2017年Z1期

2 张欢;刘德富;张佳磊;严广寒;叶海松;;两种不同氮磷比下的藻类生长曲线[J];湖北工业大学学报;2017年04期

3 牛建峰;王霞;余斌;王广策;;脱落酸介导的逆境响应信号传导系统及在藻类中的分布与功能[J];海洋科学集刊;2016年00期

4 ;食品上的应用[J];生物技术通报;1988年11期

5 张成娥;原始成土过程中各时期藻类的分布[J];土壤通报;1988年04期

6 孙文浩,俞子文,余叔文;水葫芦对藻类的克制效应[J];植物生理学报;1988年03期

7 汤忠民;;藻类的利用[J];今日科技;1988年11期

8 孙文浩,俞子文,余叔文;城市富营养化水域的生物治理和凤眼莲抑制藻类生长的机理[J];环境科学学报;1989年02期

9 李益健;太晤士河Datchet站藻类种群季节性变化的研究[J];环境科学研究;1989年04期

10 T. Kaiigvist;朱正宏;;应用藻类试验评价受污染河流的毒性和富营养化[J];环境科学技术;1989年04期

相关博士学位论文 前4条

1 刘丰;异重流环境中游动型藻类与水动力耦合机制研究及数值模拟[D];中国水利水电科学研究院;2018年

2 何少林;高效藻类塘处理农村生活污水氮磷去除机理及工艺研究[D];同济大学;2006年

3 周贤杰;三峡库区次级河流富营养化模型统计与藻类生长的试验研究[D];重庆大学;2008年

4 崔玉洁;三峡水库香溪河藻类生长敏感生态动力学过程及其模拟[D];武汉大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 时蕾;内陆富营养化湖泊藻类碳遥感估算研究[D];南京师范大学;2018年

2 张雄雄;藻类吸收水体氮磷的P系统建模与仿真[D];广西大学;2018年

3 秦镕聪;藻类磷吸收的热力学表征及模型匹配研究[D];中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院);2018年

4 李春梅;预氧化对南方某水库中藻类控制效果的研究[D];湖南大学;2018年

5 时莹;基于藻类多样性的浑河生态评价研究[D];沈阳师范大学;2018年

6 张文慧;水动力对太湖营养盐循环及藻类生长的影响[D];中国环境科学研究院;2017年

7 迟堃;城市污水处理菌藻共生系统中影响藻类生长的因素研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

8 冉翊;多层营养盐协同作用的藻类生长模型研究[D];重庆大学;2007年

9 焦世珺;三峡库区低流速河段流速对藻类生长的影响[D];西南大学;2007年

10 王建慧;流速对藻类生长影响试验及应用研究[D];清华大学;2012年

本文编号：2879235