[发明专利]一种浮游植物细胞模型及其构建和应用

说明书

技术领域

本发明涉及微生物领域，特别是涉及一种浮游植物细胞模型，还涉及一种浮游植物细胞模型的构建方法和应用。

背景技术

浮游植物贡献了全球一半以上的初级生产力，是水生生态系统食物网的基础，对全球生态系统碳、氮、磷的生物地球循环起到了重要的作用，是水生态环境学科领域的重点研究对象。通过数学模型描述浮游植物在水生生态系统中的生理生态过程，是长期以来的研究热点。完善的浮游植物细胞模型，不仅可以描述浮游植物对生境变化的生理生态响应，也可以准确模拟浮游植物在变化环境下的种群动态，对预测浮游植物群落演替具有重要意义。

然而，目前浮游植物细胞模型还存在以下问题：

1)如Monod方程、Droop方程等经典模型，将浮游植物细胞当作一个具有特定特征的黑箱处理，只考虑了浮游植物细胞对生境资源(营养物、光照等)的吸收利用与种群生长之间关系，却不考虑物质在细胞内部的流转与分配，故难以描述浮游植物细胞对生境变化的生理自适应调节机制。

2)Pahlow等2009年开发的链式模型、Klausmeier等2004年构建的最优氮磷比模型，初步考虑了浮游植物细胞内部C、N、P的转化过程与反应速率，描述了C、N、P等关键生源要素在细胞内部的流转与分配。但上述流转与分配过程因缺乏细胞内生理生化过程的有力支撑，而无法在细胞内实现严格意义上的元素守恒。

3)由于浮游植物细胞内部的所有生理生化反应构成了一个复杂的反应体系，涉及到近似于无穷的生理生化过程，同一物质可能涉及到多个反应，即可作为某一生化过程反应物，也可作为其他生化过程的反应产物，如何对这种复杂的反应体系进行清楚简洁的表达也是一个需要解决的问题。

因此，需要一种能根据浮游植物主要生态功能与关键生理过程来构建细胞模型。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能根据浮游植物细胞生命活动与关键生理过程来构建细胞模型的方法与应用。该模型以浮游植物单细胞为考察对象，以细胞形成到细胞完成分裂或死亡之间的生命活动为模拟过程，基于结构化建模方法，采用化 学计量学的手段说明浮游植物对环境变化的生理自适应调整过程。

该模型的目的在于解决以下的三点问题：1)基于浮游植物细胞的主要生理过程描述细胞对生境变化的生理自适应调节机制；2)在描述浮游植物细胞生理自适应调整过程中实现严格意义上的元素守恒；3)采用一种合理的方法对细胞复杂的生理自适应调整过程进行有效的表达，确保运用该方法构建的浮游植物细胞模型可用于模拟或预测浮游植物细胞对生境变化的生理生态响应。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种浮游植物细胞模型，该模型以浮游植物细胞为模拟对象，基于细胞内部的碳氮磷代谢过程和能量流动，将浮游植物细胞划分为不同的细胞功能单元，确定细胞功能单元的化学计量表达式，根据细胞功能单元之间物质代谢和能量流动关系，建立相应的化学计量方程与过程速率表达式，根据过程-组分矩阵构建矩阵形式表达的浮游植物细胞模型，用以模拟或预测浮游植物细胞对生境变化的生理生态响应。

本发明的另一目的还在于提供一种构建浮游植物细胞模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1，将浮游植物细胞概化为若干个相对独立的细胞功能单元，确定不同细胞功能单元之间的物质、能量流动关系；

步骤2，确定细胞功能单元的物质构成和化学计量表达式；不同细胞功能单元，具有不同的物质构成与化学计量表达式。

步骤3，建立细胞功能单元之间、细胞功能单元同其他非生命物质之间的化学计量方程，确定其反应动力学与速率表达式；

步骤4，利用“过程-组分”矩阵，将不同细胞功能单元之间的关系、细胞功能单元及其他非生命物质的化学表达式进行组合，形成以矩阵形式表达的浮游植物细胞结构化模型。

本发明还有一目的利用浮游植物细胞模型，提供一种模拟或预测浮游植物细胞对生境变化的生理生态响应的方法，包括：

1)基于浮游植物细胞内不同生物大分子的初始含量，按照步骤2.1-2.5所示的方法计算出不同细胞功能单元的初始含量和表示其元素构成的化学计量系数；

2)根据不同细胞功能单元的化学计量系数，结合模型涉及过程的过程产率系数，得到表征不同过程的化学计量方程的计量系数；

3)基于不同过程中组分含量变化速率方程与化学计量方程的计量系数，得到不同组分含量随时间变化的总速率方程；