[发明专利]基于藻类细胞能量代谢的磷营养通量模型的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及藻类生理学、生物热力学、生态化学计量学等研究领域，特别是涉及一种基于藻类细胞能量代谢的磷营养通量模型的构建方法。

背景技术

磷是水体中藻类种群和密度的第一限制性营养元素，根据世界经合组织(ODEC)的研究表明，80％的湖泊富营养化是受磷元素的制约。同时，磷在藻细胞代谢中起着极为重要的作用。藻类磷吸收过程是细胞膜主动运输的过程，环境中磷进入细胞后通过光合作用获得能量并转化为三磷酸腺苷(ATP)，作为藻细胞代谢活动的能量来源；而ATP可在聚合磷酸盐合成酶(PPK)的作用下形成聚合磷(PolyP)，作为藻类细胞的营养物存储。因此，胞内磷通过氧化磷酸化和去磷酸化作用调节着藻细胞的能量代谢过程，能量代谢是认识藻类磷营养限制的核心和本质。生物热力学方法是用于描述细胞中能量吸收、转化和储存的定量工具，可将环境中磷浓度与藻细胞的能量代谢联系起来。

磷营养通量模型的主要构建难点在于：藻类的磷吸收过程并不单纯的受环境中磷浓度的影响，因为藻类会根据细胞营养状态和能量转化来调节细胞膜主动运输的能力，故藻类磷吸收受环境磷浓度与细胞磷含量的共同影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种从细胞能量代谢角度定量描述藻类磷营养通量数学关系的构建方法。该方法建立在藻细胞磷转运、同化和储存的能量分析基础上，通过明确细胞能量物质和营养储存物质的关键生理过程，得到藻细胞磷吸收过程的总反应，采用热力学函数建立环境磷浓度与营养通量之间的数学关系式，以定量分析不同营养状态的藻细胞受环境磷浓度约束的能量水平。

该模型构建的目的在于解决以下问题：采用热力学定量的方法对藻类磷吸收过程的总反应式进行有效表达，确保运用该方法构建的数学关系可反映藻细胞对环境磷浓度变化的生理响应。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种藻类细胞能量代谢的磷营养通量模型的构建方法，限定藻细胞磷吸收过程的能量代谢包括磷的转运、磷的同化和磷的储存三个环节，综合三个环节的化学反应式，得到藻类磷吸收过程的总反应式，结合线性非平衡热力学函数J＝L·X，磷营养通量J的改变由藻类磷吸收过程总反应的吉布斯自由能变化ΔG推动，未涉及的其他影响因素由线性系数L表征，得到磷营养通量模型，利用该模型反映藻细胞对环境磷浓度变化的生理响应。

在本发明的一些实施例中，得到磷营养通量模型表达式为：

J＝L(logK_p[P_e]+nΔpH)(7)；

P_e表示环境中磷浓度，从环境中检测得到，单位nmol/L，J为磷营养通量，L为模型系数，K_p为环境中磷经跨膜转运、胞内转化生成PolyP的平衡常数，ΔpH为H⁺迁移形成的pH梯度，n为迁移的H⁺数目。从物理意义上说，磷营养通量表示藻细胞在单位时间所吸收的磷营养物质的量。单位不唯一，因为藻细胞生物量可用叶绿素a浓度(chla，μg/L)、细胞密度(CellD，个/L)、细胞干重(DW，mg/L)等指标进行表征，本发明的实施例采用叶绿素a浓度来表征藻细胞生物量，故J单位为μmol·(μgchla·h)^–1，根据单位换算，作图时也采用μmol·(mgchla·min)^–1或μmol·(mgchla·h)^–1表示。模型中K_p、nΔpH参数是热力学方法推导的要素，具有其本身的化学意义，但本发明不对其进行细胞分子层面的测定，关键是把握宏观磷营养盐与藻类吸收的关系，故测定指标仅包括胞外磷浓度和藻细胞生物量。J通过具体实验，作图计算得到。

在本发明的一些实施例中，磷的转运过程的化学反应方程式为：

P_i表示胞内磷浓度，单位nmol/L；

磷的同化过程的化学反应方程式为：

磷的储存过程的化学反应方程式为：

综合式(1)、式(2)和式(3)，得到藻类磷吸收过程的总反应式为：

在本发明的一些实施例中，吉布斯自由能变化的热力学函数ΔG＝-RTlnK[S]/[P]，推动力X的表达式为：

R为气体常数，8.314J·mol^–1·K^–1

T为热力学温度，K

X在线性非平衡热力学中的物理意义为“推动力”，能量单位J