基于光照和溫度環(huán)境條件下杜氏鹽藻的生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

張港生, 孫 鑫, 朱大玲

(天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院,天津市鹵水化工與資源生態(tài)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457)

1 前言

杜氏鹽藻(Dunaliellasalina)是一種無(wú)細(xì)胞壁的單細(xì)胞嗜鹽綠藻,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最耐鹽真核生物之一[1],其含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、維生素等[2]。在高光強(qiáng)、高鹽、營(yíng)養(yǎng)缺失等脅迫條件下,杜氏鹽藻中β-胡蘿卜素含量可以達(dá)到14%[3],同時(shí),杜氏鹽藻在鹽度脅迫下也會(huì)產(chǎn)生大量甘油[4]。鹽藻的培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單,其培養(yǎng)不需要淡水資源,可以生存在較高濃度的鹽水中,土地需求量也低,避免了對(duì)農(nóng)業(yè)用地的影響。目前美國(guó)、中國(guó)和澳大利亞等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了杜氏鹽藻的規(guī)?；B(yǎng)殖[5]。但在鹽藻的規(guī)模養(yǎng)殖過程中,仍存在許多需要解決的工藝問題,其中如何實(shí)現(xiàn)鹽藻生長(zhǎng)優(yōu)化和生物量產(chǎn)量的預(yù)測(cè),以提高養(yǎng)殖工藝的可調(diào)控性和生物產(chǎn)量的穩(wěn)定性,是鹽藻養(yǎng)殖行業(yè)面臨的難點(diǎn)之一[6]。

近年來(lái),數(shù)學(xué)模型模擬已被廣泛應(yīng)用于生物工藝的開發(fā),是實(shí)現(xiàn)生物工藝從實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模向工業(yè)化大規(guī)模轉(zhuǎn)移的有效工具[7]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)微生物生長(zhǎng)模型的研究大多集中在食品安全方面,通過生長(zhǎng)模型的預(yù)測(cè)來(lái)確定食品的保質(zhì)期等,關(guān)于微藻生長(zhǎng)模型的研究報(bào)道較少。Bernard等人研究了光和氮對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響,并提出了二者的反應(yīng)器模型[8],Zhang等研究了光照和硝酸鹽濃度對(duì)耐熱綠藻Desmodesmussp.生長(zhǎng)和產(chǎn)葉黃素的復(fù)雜影響,并提出了具有高精度的動(dòng)力學(xué)模型[9]。Del Río等研究分析了雨生紅球藻在光照和硝酸鹽濃度影響下的蝦青素產(chǎn)量,并開發(fā)了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型,將生長(zhǎng)速度與光照強(qiáng)度和硝酸鹽輸入量相聯(lián)系[10]。當(dāng)前數(shù)學(xué)模型研究大多集中在綠藻方面,通常使用Droop、Monod等模型來(lái)預(yù)測(cè)單一營(yíng)養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)速率[11],而有關(guān)生長(zhǎng)環(huán)境的微藻生長(zhǎng)模型研究較少。

鹽藻的生長(zhǎng)環(huán)境獨(dú)特,生長(zhǎng)周期長(zhǎng),其生長(zhǎng)鹽度范圍為0.05～5 mol/L[12],生長(zhǎng)周期大于18 d[13]。已成熟的鹽藻規(guī)模養(yǎng)殖工藝通常為兩段式養(yǎng)殖工藝,包括生長(zhǎng)階段和β-胡蘿卜素積累階段。其中,生長(zhǎng)階段為菌種活化、擴(kuò)種和擴(kuò)培三個(gè)工序的生物量積聚階段;β-胡蘿卜素積累階段則是通過脅迫處理生長(zhǎng)后期的藻液使得細(xì)胞內(nèi)類胡蘿卜素積累,以提高鹽藻產(chǎn)品的商業(yè)價(jià)值[14]。生長(zhǎng)階段是鹽藻養(yǎng)殖工藝的重要階段,該階段的生長(zhǎng)可調(diào)控性和穩(wěn)定性是保證產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要前提。因此,文章針對(duì)鹽藻養(yǎng)殖中兩個(gè)重要的生長(zhǎng)環(huán)境條件光照和溫度對(duì)鹽藻生物量的影響,構(gòu)建鹽藻生長(zhǎng)階段模型,以期實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件對(duì)鹽藻生物量產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)鹽藻規(guī)模養(yǎng)殖工藝完善及鹽藻相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料和試劑

實(shí)驗(yàn)藻種為杜氏鹽藻,由天津科技大學(xué)生物質(zhì)資源利用實(shí)驗(yàn)室提供。

培養(yǎng)基(g/L):NaCl(≥98%,天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司)根據(jù)需要添加;MgCl2·6H2O 1.5 g (≥98%,天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司);MgSO4·7H2O 0.5 g(≥99%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);KCl 0.2 g(≥99%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);CaCl2·2H2O 0.2 g(≥98%,天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司);KNO31 g(≥98%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);NaHCO30.043 g(≥99%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);KH2PO40.035 g(≥99.5%,天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司),鐵離子溶液10 mL,微量元素溶液10 mL。

鐵離子溶液(mg/L):Na2EDTA 189 mg(≥99%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);FeCl3·6H2O 244 mg(≥99%,天津市雙船化學(xué)試劑廠)。

微量元素溶液(mg/L):H3BO361 mg(≥99.5%,天津科威有限公司);(NH4)6Mo7O24·4H2O 38 mg(≥99%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);CuSO4·5H2O 6 mg(≥99%,天大化工實(shí)驗(yàn)室);CoCl2·6H2O 5.1 mg(≥98%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);ZnCl24.1 mg(≥98%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);MnCl2·4H2O 4.1 mg(≥98%,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與分析儀器

精密電子天平(AL204、賽多利科學(xué)儀器(北京)有限公司)、實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)(FE20、梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司)、鹽度計(jì)、紫外分光光度計(jì)(UV-1800、日本島津有限公司)、高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)(TGL-16M、長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司)、真空干燥箱(DZF-6050、鞏義市宏華儀器設(shè)備工貿(mào)有限公司)、鹽藻培養(yǎng)箱(HNGZ-250、天津歐諾儀器股份有限公司)、生物顯微鏡(CX23LEDRFS1C、奧林巴斯(廣州)工業(yè)有限公司)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 藻種活化

取杜氏鹽藻藻種接種于100 mL培養(yǎng)基中,接種量10%,在光照和溫度分別為72 μmol/m2·s2和25 ℃環(huán)境條件下光照培養(yǎng)箱搖瓶培養(yǎng)25 d,光暗時(shí)間分別為12 h和12 h。

2.3.2 環(huán)境對(duì)鹽藻生物量積累影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)杜氏鹽藻兩段式養(yǎng)殖工藝的特點(diǎn),分別選取光照和溫度兩個(gè)環(huán)境因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),獲得的鹽藻生物量積累數(shù)據(jù)用于數(shù)學(xué)模型構(gòu)建。采用單因素分析法分別分析光照和溫度對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響。在光照單因素實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)5個(gè)實(shí)驗(yàn)組,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組溫度條件固定為299.15 K,光照條件分別為36、54、72、90、108 μmol/m2·s2(表1)。在溫度單因素實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)5個(gè)實(shí)驗(yàn)組,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組光照條件固定為72 μmol/m2·s2,溫度條件分別為293.15、296.15、299.15、302.15、305.15 K(表1)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)置三個(gè)平行,取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型模擬。每批次實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)間為25 d,每隔3 d取樣檢測(cè)鹽藻生物量。為了證明模型的可預(yù)測(cè)性,另根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)了兩組不同溫度和光照環(huán)境條件下的鹽藻生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),具體工藝參數(shù)詳見表1。

表1 鹽藻生長(zhǎng)階段實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

2.3.3 鹽藻生物量的測(cè)定

鹽藻生物量的測(cè)定分別采用分光光度法和細(xì)胞干重法兩種方法。

分光光度法。采用UV-Vis分光光度計(jì)(日本島津UV-1800型)測(cè)量680 nm波長(zhǎng)下藻液樣品的光吸收值,即OD680。

細(xì)胞干重法。使用預(yù)先稱重的Whatman GF/C過濾器,過濾10 mL藻液,并用2 mL 0.5 mol/L碳酸氫銨洗滌三次,然后在60 ℃下干燥16 h以上,直到重量恒定,根據(jù)最終和初始過濾器重量和過濾樣品體積之間的差異計(jì)算[15],獲得鹽藻干重(Dry Weight,DW)。

分別測(cè)定相同藻液樣品的OD680和DW,構(gòu)建OD680和細(xì)胞干重之間的適當(dāng)校準(zhǔn)方程,將OD680值轉(zhuǎn)換為生物量濃度。鹽藻獲得OD680與干藻類生物量(g/L)之間的關(guān)系曲線后,在接下來(lái)實(shí)驗(yàn)中,通過測(cè)定藻類OD680值,利用相關(guān)方程計(jì)算得到生物量。

2.3.4 鹽藻比生長(zhǎng)速率的測(cè)定

鹽藻的生長(zhǎng)速率由公式計(jì)算獲得,具體如下:

式中:DWi和DWi-1分別代表第i時(shí)和第i-1時(shí)的生物量濃度;ti和ti-1分別代表取樣時(shí)間為t時(shí)和ti-1時(shí)。

2.4 模型構(gòu)建

當(dāng)前微藻產(chǎn)高值產(chǎn)品工藝通常為兩步法,第一步快速積累微藻生物量,第二步對(duì)微藻進(jìn)行脅迫培養(yǎng)使其積累胡蘿卜等高值物質(zhì)。已有研究發(fā)現(xiàn)光照和溫度是鹽藻生物量積累階段的重要環(huán)境因素,根據(jù)這兩個(gè)條件建立模擬杜氏鹽藻快速積累生物量的動(dòng)態(tài)方程,將對(duì)鹽藻養(yǎng)殖工藝優(yōu)化提供幫助。文章在已有微藻相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[16],提出了一個(gè)鹽藻生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模型,該模型根據(jù)不同環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)速率的影響程度,并基于動(dòng)力學(xué)機(jī)理而來(lái)。

式中:X為生物量濃度,單位g/L;I為平均光照強(qiáng)度;ks為細(xì)胞生長(zhǎng)的光飽和系數(shù);ki細(xì)胞生長(zhǎng)的光抑制值;A和B是指數(shù)前系數(shù);E1為細(xì)胞生長(zhǎng)的活化能;E2為細(xì)胞生長(zhǎng)的滅活化能;μd為細(xì)胞衰減率。

公式模擬了生物量的生長(zhǎng)速率,等式右邊第一項(xiàng)表示生物量的增長(zhǎng),第二項(xiàng)表示鹽藻細(xì)胞呼吸和衰變。

2.4.1 光照模型構(gòu)建過程

藻類可利用光進(jìn)行光合作用,光是藻細(xì)胞生長(zhǎng)的能量來(lái)源之一,因此光照是微藻生長(zhǎng)模擬中的重要參數(shù),根據(jù)光照強(qiáng)度不同,藻細(xì)胞生長(zhǎng)一般會(huì)經(jīng)歷三個(gè)光區(qū),分別為光限制區(qū)、光飽和區(qū)和光抑制區(qū)。

光照強(qiáng)度顯著影響生物量的增長(zhǎng)速率,通常使用Aiba模型來(lái)描述[17]。

式中:μmax是細(xì)胞最大比生長(zhǎng)速率;ks為細(xì)胞生長(zhǎng)的光飽和系數(shù);ki是細(xì)胞生長(zhǎng)的光抑制系數(shù)。

當(dāng)鹽藻細(xì)胞在進(jìn)行培養(yǎng)時(shí),考慮到光衰減,細(xì)胞經(jīng)受的局部光強(qiáng)度遠(yuǎn)低于入射光強(qiáng)度,所以為了考慮光衰減現(xiàn)象,一般采用Beer-Lambert定律來(lái)解釋。與其他光傳輸模型相比,Beer-Lambert定律具有較高的精度和方便的參數(shù)估計(jì)[18]。

I=I0×e-kz

式中:I是光照強(qiáng)度;I0是垂直于介質(zhì)表面進(jìn)入的光照強(qiáng)度;z是深度;k是衰減率。

最近研究表明光衰減與藻類在生長(zhǎng)過程中吸收光子、氣泡散射和微生物散射有關(guān),但也有研究表明微生物散射對(duì)光衰減的影響很低,可忽略不計(jì)[17,19]。實(shí)驗(yàn)在鹽藻細(xì)胞培養(yǎng)過程中,未進(jìn)行通氣培養(yǎng),所以忽略氣泡散射對(duì)光衰減的影響。因此僅考慮了鹽藻吸收光子的影響,對(duì)Beer-Lambert模型進(jìn)行修正:

I=I0×e-αXz

式中:X為生物量濃度,單位g/L;α是藻類吸收系數(shù)。但是當(dāng)該方程包含到Aiba模型中時(shí),模型將同時(shí)包含時(shí)間維度和空間維度,同時(shí)需要一個(gè)偏微分方程模型,以便于參數(shù)估計(jì)、過程模擬和此后的過程優(yōu)化,所以為了便于參數(shù)估計(jì),對(duì)空間維度進(jìn)行簡(jiǎn)化,使用平均光強(qiáng)度代替局部光強(qiáng)度:

2.4.2 溫度模型構(gòu)建過程

除了光照之外,研究發(fā)現(xiàn)溫度顯著影響細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞衰變和生物產(chǎn)物的積累,為了解釋溫度對(duì)生物生長(zhǎng)速率的影響,實(shí)驗(yàn)采用Hinshelwood模型用于溫度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響[20]。

μ=A×e-E1/T-B×e-E2/T

式中:T為絕對(duì)溫度,單位K;A、B、E1、E2為模型參數(shù);E1和E2取代了Arrhenius模型原始形式中的氣體常數(shù)活化能Eα/R,Hinshelwood模型第一項(xiàng)代表微藻的生長(zhǎng)速率,第二項(xiàng)表示高溫導(dǎo)致的微藻死亡速率。

2.4.3 參數(shù)估計(jì)過程

對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)是模型構(gòu)建中非常關(guān)鍵的一步,不可靠的參數(shù)將會(huì)嚴(yán)重影響模型的擬合和應(yīng)用,文章提出一個(gè)非線性最小二乘法優(yōu)化問題,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型輸出值的平方差值作為目標(biāo)函數(shù),通過粒子群優(yōu)化算法對(duì)生成的非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解(NLP),以達(dá)到近似的全局最優(yōu)解,這項(xiàng)工作是通過MATLAB優(yōu)化環(huán)境中編程得以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同環(huán)境條件對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響

通過測(cè)定不同細(xì)胞濃度的藻液OD680和DW,結(jié)果分析表明藻液的OD680與DW(g/L)呈現(xiàn)正相關(guān)性,結(jié)果見圖1。藻液DW和OD680的相關(guān)方程為y=0.01+5.38x,其中,y為藻液的細(xì)胞干重;x為藻液在680 nm波長(zhǎng)下的光吸收值。該方程R2大于99%,可信度高。因此,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中采用測(cè)定藻類OD680后,利用相關(guān)方程計(jì)算得出藻液的生物量。

圖1 鹽藻藻液OD680與干重的標(biāo)準(zhǔn)曲線

在所有組別實(shí)驗(yàn)中,鹽藻生物量在培養(yǎng)過程中都保持良好增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),由于初始接種生物量濃度相同,故可以通過比較最終生物量和生長(zhǎng)速率來(lái)分析環(huán)境因素對(duì)生物量積累的影響。光照強(qiáng)度對(duì)鹽藻生物量積累的影響結(jié)果表明,光照對(duì)鹽藻的生長(zhǎng)影響明顯,隨著光照強(qiáng)度的提高,鹽藻的生物量積累和生長(zhǎng)速率皆不斷增加(圖2a和圖3a)。光照(Aiba)模型對(duì)鹽藻生長(zhǎng)速率曲線的擬合效果良好,R2為0.95,大于95%。在光照強(qiáng)度為36～72 μmol/m2·s2之間,隨著光照強(qiáng)度的提高鹽藻生長(zhǎng)速率增加較快,在光照強(qiáng)度為90～108 μmol/m2·s2之間,鹽藻的生長(zhǎng)速率基本穩(wěn)定,在光照強(qiáng)度為108 μmol/m2·s2條件下,鹽藻的生物量積累和生長(zhǎng)速率最大,分別為16.38 g/L和0.14/d(圖3a)。在大多數(shù)情況下,平均光強(qiáng)越高,生物生長(zhǎng)速率越大,這與Sui等發(fā)表的研究一致[21]。溫度對(duì)鹽藻生物量積累的影響結(jié)果表明,溫度對(duì)鹽藻生長(zhǎng)影響較大,在最佳培養(yǎng)溫度299.15 K時(shí),鹽藻的生物量和生長(zhǎng)速率為14.94 g/L和0.12/d(圖2b和圖3b)。溫度對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響方式符合微藻溫度動(dòng)力學(xué)模型(Hinshelwood模型),模型擬合效果良好,R2為0.97,大于95%。鹽藻生長(zhǎng)速率在293.15～299.15 K(19～25 ℃)與溫度呈正相關(guān),在299.15～305.15 K(25～31 ℃)與溫度成負(fù)相關(guān)(圖3b)。

圖2 光照強(qiáng)度對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響

圖3 溫度對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響

由上述分析可知,溫度和光照環(huán)境條件均對(duì)杜氏鹽藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響。其中,在299.15～305.15 K溫度范圍內(nèi),隨著溫度升高,鹽藻生長(zhǎng)速率開始急劇下降,從0.12降至0.096,下降了20%。這種急劇下降通常表示藻類細(xì)胞死亡,此條件下藻細(xì)胞內(nèi)的酶活性和化學(xué)反應(yīng)(如營(yíng)養(yǎng)吸收)對(duì)溫度的變化都十分敏感[22],以在規(guī)?；B(yǎng)殖中,溫度恒定控制在適宜范圍內(nèi)對(duì)生物量高效積累是必需的。

3.2 鹽藻生長(zhǎng)模型構(gòu)建

通過研究光照和溫度兩個(gè)環(huán)境因素對(duì)鹽藻的生長(zhǎng)的影響,得到10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),共90個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),以此來(lái)估計(jì)鹽藻生長(zhǎng)模型參數(shù)值。通過將參數(shù)問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題,計(jì)算鹽藻生長(zhǎng)模型中的參數(shù)值,模型參數(shù)結(jié)果見表2。最優(yōu)參數(shù)ks為38.38 μmol·photons/m2· s,ki為2 000 μmol·photons/m2· s,A、B、E1、E2分別為19.68、0.000 1、917.30、2 000,最大生長(zhǎng)速率0.30/d,衰亡速率0.01/d。表2中μmax數(shù)值為0.30,相比于其他微藻,處于較高水平[23]。μd數(shù)值接近于0,這是因?yàn)閿M合數(shù)據(jù)還未達(dá)到此類鹽藻生長(zhǎng)穩(wěn)定期的緣故。通過粒子群優(yōu)化后的光抑制系數(shù)ki為2 000 μmol·photons/m2·s,表明細(xì)胞生長(zhǎng)過程中所受抑制力不強(qiáng),未出現(xiàn)較大光衰減現(xiàn)象,參數(shù)模型過程中可以使用使用平均光強(qiáng)度代替局部光強(qiáng)度。優(yōu)化后的鹽藻生長(zhǎng)模型為:

表2 鹽藻生長(zhǎng)模型的相關(guān)參數(shù)

圖4顯示了鹽藻生長(zhǎng)模型結(jié)果與溫度、光照影響下鹽藻生物量積累實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合情況。從圖4可以看出鹽藻生長(zhǎng)模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較高,這表明該研究提出的參數(shù)估計(jì)方法和模型對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確且適用的。其中,光照強(qiáng)度對(duì)生長(zhǎng)的影響組別的模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果皆較好,生物量增長(zhǎng)階段數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合偏差7.5%以下。溫度對(duì)生長(zhǎng)的影響組別的模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果部分較好。在溫度為293.15～302.15 K之間的實(shí)驗(yàn)組別中模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果較好,實(shí)驗(yàn)6～實(shí)驗(yàn)9生物量增長(zhǎng)階段數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合偏差在10%以下;而實(shí)驗(yàn)10(溫度305.15 K)的擬合曲線出現(xiàn)部分偏離,這可能是因?yàn)辂}藻生長(zhǎng)對(duì)溫度變化非常敏感,較高溫度對(duì)生長(zhǎng)速率影響過大,導(dǎo)致誤差偏大,擬合效果降低[24]。

圖4 鹽藻生長(zhǎng)模型擬合結(jié)果

3.3 動(dòng)態(tài)模型可預(yù)測(cè)性的驗(yàn)證

研究基于光照和溫度環(huán)境條件對(duì)生物量積累影響構(gòu)建的鹽藻生長(zhǎng)模型,是否能夠在鹽藻規(guī)模養(yǎng)殖的實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖工藝操作條件的實(shí)時(shí)指導(dǎo)和產(chǎn)品產(chǎn)量的預(yù)估,關(guān)鍵取決于鹽藻生長(zhǎng)模型的精度和預(yù)測(cè)性能。因此,研究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了實(shí)際生產(chǎn)中常見的兩種環(huán)境條件,分別是夏季的高溫、高光強(qiáng)環(huán)境A(和冬季的低溫、低光強(qiáng)環(huán)境B,具體工藝條件詳見表3。兩種環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)值的擬合情況見圖4和圖5。預(yù)測(cè)A組的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合偏差為9.4%;預(yù)測(cè)B組的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合偏差為6%。

圖5 不同環(huán)境條件下鹽藻生長(zhǎng)模型預(yù)測(cè)效果

表3 預(yù)測(cè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的工藝條件

與直接使用Logistic模型擬合微藻或微生物生長(zhǎng)相比,鹽藻生長(zhǎng)模型創(chuàng)新性地考慮了環(huán)境因素對(duì)生物量積累的影響。Logistic模型是一種經(jīng)典的生長(zhǎng)模型,通常適用于描述生物體在恒定環(huán)境條件下的生長(zhǎng)趨勢(shì)。但是,在實(shí)際的鹽藻養(yǎng)殖中,環(huán)境因素的變化會(huì)對(duì)鹽藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的影響,研究提出杜氏鹽藻生長(zhǎng)模型較好地考慮和描述環(huán)境條件對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響,且通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合驗(yàn)證了模型的精度和預(yù)測(cè)性能。與Logistic模型相比,杜氏鹽藻生長(zhǎng)模型具有更高的預(yù)測(cè)精度和可靠性,可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鹽藻在不同環(huán)境條件下的生長(zhǎng)情況。該模型可應(yīng)用于鹽藻規(guī)模養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè),對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)和產(chǎn)品產(chǎn)量預(yù)估,進(jìn)而提高鹽藻養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性。此外,杜氏鹽藻生長(zhǎng)模型還可以結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,從而提高模型的適用性和可靠性,使模型具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和更強(qiáng)的實(shí)用性,為鹽藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更好的解決方案。

4 結(jié)論

研究以杜氏鹽藻為研究對(duì)象,通過分析光照和溫度環(huán)境條件對(duì)鹽藻生物量和生長(zhǎng)速率的影響,成功構(gòu)建鹽藻生長(zhǎng)模型并進(jìn)行了預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

采用單因素實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)杜氏鹽藻最佳光照和溫度生長(zhǎng)條件分別為25 ℃和108 μmol/m2·s2。光照強(qiáng)度和溫度對(duì)杜氏鹽藻的生物量積累和生長(zhǎng)速率影響都較為明顯。光照和溫度對(duì)鹽藻生長(zhǎng)的影響方式分別符合光照(Aiba)模型和微藻溫度動(dòng)力學(xué)模型(Hinshelwood模型)。

成功構(gòu)建基于光照和溫度共影響下的鹽藻生長(zhǎng)模型,通過粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化模型參數(shù),優(yōu)化后參數(shù)為光飽和系數(shù)為38.38 μmol·photons/m2·s,光衰減系數(shù)為2 000 μmol·photons/m2·s,A、B、E1、E2分別為19.35、0.000 1、136.44、2 000,最大生長(zhǎng)速率0.30/d,衰亡速率0.01/d。

利用鹽藻生長(zhǎng)模型對(duì)高溫、高光強(qiáng)和低溫、低光強(qiáng)環(huán)境條件下的鹽藻生物量積累情況進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果表明該模型具有一定精度和預(yù)測(cè)性,該鹽藻生長(zhǎng)模型可以在鹽藻養(yǎng)殖中的過程控制和產(chǎn)量預(yù)估中發(fā)揮積極作用。