基于13C稳定性同位素微观代谢和宏观代谢信息综合分析的发酵过程优化研究PPT课件

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代谢工程概述-PPT

作
（1）基因工程技术的应用（2）常规诱变技术的应用
2、生物合成途径的代谢调控
（1）生物合成中间产物的定量生物测定（2）共合成法在生物合成中的应用（3）酶的诱导合成和分解代谢产物阻遏
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3、研究生物合成机制的常用方法
（1）刺激实验法（2）同位素示踪法（3）洗涤菌丝悬浮法（4）无细胞抽提法（5）遗传特性诱变法
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• 1. 生物能支撑观点 • 微生物细胞是工业发酵产物的生产者，微生物细胞的
生长和维持需要由其自身的能量转换机构或从其他形式的能量转化形成的生物能来支撑。因此，工业发酵具有生物学属性。
• 2. 代谢网络观点 • 由生化反应网络和跨输送步骤组成的代谢网络既没有
绝对的起点，也没有绝对的终点。代谢网络中任何一种中间产物(或可借助生物学、化学方法与代谢网络联网的任何一种化合物)都可能被开发成为工业发酵的目的产物或原料。
简而言之，代谢工程是生物化学反应代谢网络有目的的修饰。
代谢工程要解决的主要问题就是改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质流在不同途径中的流量分布。其目标就是修饰初级代谢，将碳架物质流导入目的产物的载流途径以获得产物的最大转化率。
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代谢工程的主要特征就是利用DNA重组技术，重建代谢网络，改变代谢流及分支代谢速度，以改进代谢产物及蛋白类产品，由于外源 DNA的引入扩展了固有的代谢途径，获得了新的化学物质。改变转化蛋白的过程，减少不必要的废物。例如，谷氨酸发酵
“中心途径”和“离心途径”等连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目的
产物，最后，目的产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介质中。
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1、胞外酶对原料的降解及营养物质进入细胞的过程 2、经胞内降解代谢途径汇入中心代谢途径 3、中心代谢途径及其控制 4、合成代谢流及其控制 5、目的产物的跨膜及其控制

13c脯氨酸质谱同位素峰

13C脯氨酸质谱同位素峰：
脯氨酸，作为人体蛋白质中的一种重要氨基酸，对于生物体的生命活动具有不可或缺的作用。

通过质谱技术对脯氨酸进行分析，可以了解其分子结构和化学键等信息，对于研究生物体内蛋白质的合成与分解具有重要意义。

在13C脯氨酸质谱图中，我们可以观察到明显的同位素峰。

同位素峰是指质谱图中特定质量的离子信号，其出现是由于分子中存在同位素元素，导致其质量数与普通元素不同。

在脯氨酸分子中，含有C、H、O、N等元素，其中C元素的存在使得脯氨酸具有明显的13C同位素峰。

在13C脯氨酸质谱图中，主要的同位素峰包括M+1、M+2、M+3和M+4等。

其中，M+1峰是由于脯氨酸分子中C-13的天然丰度较高，因此该同位素峰较为明显。

而M+2、M+3和M+4等峰则是由于分子中存在多个C-13原子，导致其质量数增加而产生的。

除了同位素峰外，脯氨酸质谱图中还包含其他重要的信息。

例如，通过对比不同条件下脯氨酸的质谱图，可以研究脯氨酸分子的化学键断裂规律以及其在生物体内的代谢过程。

此外，利用质谱技术还可以对多肽和蛋白质进行序列分析，对于研究生物体内蛋白质的合成与分解具有重要意义。

总之，13C脯氨酸质谱同位素峰是脯氨酸分子中C-13原子存在的重要标志。

通过对其进行分析，可以了解脯氨酸分子的结构特点以及其在生物体内的代谢过程。

这一技术对于研究生物体内蛋白质的合成与分解具有重要意义，为人类疾病的预防和治疗提供了有力支持。

随着科技的不断发展，相信在未来的研究中，我们还能够利用质谱技术对更多的生物分子进行分析，为人类健康事业的发展做出更大的贡献。

13c标准物质的

13c标准物质的
13C标准物质是指其中的碳元素的同位素含量为13C的化合物。

13C是碳的一种同位素，相对丰度为1.1%，相对于稳定同位
素12C而言，13C含量较少。

13C标准物质在化学、生物、地质等领域中具有广泛的应用。

它可以用于研究化学反应、代谢途径、发酵过程等。

通过测定13C同位素比值，可以确定样品中特定元素的来源和代谢途径，进一步了解样品的性质和过程。

在医学和环境科学研究中，13C标准物质被用于进行同位素示
踪实验。

通过给予受试者带有13C标记的物质，研究者可以
追踪和定量受试者体内物质的代谢路径和转化速率，从而了解疾病发展和环境污染的机理。

常见的13C标准物质包括13C标记的葡萄糖、氨基酸、脂肪
酸等有机物，以及13C标记的二氧化碳等无机物。

这些标准
物质经过特殊制备和纯化工艺，确保其同位素含量和纯度的准确性和稳定性，以提供可靠的实验数据。

13c-尿素同位素丰度的检测方法

13c-尿素同位素丰度的检测方法13C-尿素同位素丰度检测方法是一种分子分析技术，用于分析样品中13C标记的尿素分子的相对丰度。

这种技术可以用来研究胃肠道的运动、蛋白质消化和氮代谢等方面的生理学和病理学过程。

在临床应用中，13C-尿素同位素丰度检测方法主要用于检测幽门螺杆菌感染和胃肠道功能障碍等疾病。

下面将详细介绍13C-尿素同位素丰度检测方法的原理、步骤和实验注意事项。

一、原理13C-尿素同位素丰度检测方法是基于13C同位素的质谱分析技术。

在13C-尿素同位素丰度检测方法中，将富含13C的尿素与患者饮食中含有12C的食物混合后口服，经过一段时间后，采集患者呼出气体中的CO2样品，并利用质谱仪分析13C和12C的相对丰度。

由于富含13C的尿素可以被幽门螺杆菌分解产生CO2，因此这种检测方法可以用来检测幽门螺杆菌感染和评估幽门螺杆菌的灭菌效果。

二、步骤1. 饮食控制：检测前患者需要遵循一些特殊的饮食控制，在检测前3-7天内禁止摄入大量含有13C的食物和药物，如牛奶、面包、饼干、鸡蛋等含有13C的食物，以及含有13C标记的药物。

2. 收集呼气样品：患者进食后，将样品收集瓶插入患者口中，患者闭上嘴唇，用吸气器吹出口腔的空气，然后舌头抵住瓶口，再用力吹气至瓶内。

3. 测量同位素丰度：将收集好的呼气样品放入质谱仪中测量同位素丰度，可以得到13C和12C的相对丰度比例，从而计算出13C-尿素的相对丰度。

三、实验注意事项2. 样品收集：收集患者的呼气样品时，需要采取严格的措施，保证样品不被外界的污染物所影响，建议在空气清新的环境下进行。

3. 质谱分析：在质谱分析时，要注意仪器的调试和校准，确保分析数据的准确性和可靠性。

4. 个体差异：需要注意的是，13C-尿素同位素丰度的检测结果可能受到个体差异的影响，因此一定要结合临床病史和其他检查结果进行综合分析。

基于13C稳定性同位素微观代谢和宏观代谢信息综合分析发酵过程优化及研究共28页PPT

基于13C稳定性同位素微观代谢和宏观代谢信息综合分析发酵过程优化及
研究
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此贞秀姿，卓为霜下杰。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王பைடு நூலகம்。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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发酵过程优化与控制(原理部分)

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大型发酵罐搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
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第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位二. 发酵过程优化的目标和研究内容三. 发酵过程优化的研究进展四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵，是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究才开始进入理论研究阶段
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基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再

发酵过程优化与控制PPT课件

菌种生产性能越高，其生产条件越难满足。
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发酵过程技术原理
分批发酵补料-分批发酵半连续发酵连续发酵
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分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
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连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
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发酵过程优化与控制
发酵
狭义——厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义——微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过程。
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发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素：菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
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选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测培养液种溶氧浓度的变化来控制。

13c稳定同位素

13c稳定同位素
13C稳定同位素是化学领域中一个重要的研究课题。

它涉及到一种放射性同位素,即13碳同位素,这种同位素具有非常长的半衰期,可以在实验室中进行研究和分析。

13碳同位素是一种放射性同位素,它的半衰期可以达到数千年。

这种同位素可以通过几种不同的方法进行研究,包括量子计算、核磁共振和化学实验等。

在量子计算方面,13碳同位素可以用来研究碳同系物的结构、性质和反应。

通过对13碳同位素的量子计算,可以获得有关碳同系物的重要信息,包括它们的分子结构、电子分布和反应特性等。

在核磁共振方面,13碳同位素可以用来研究碳同系物的化学性质和生物分子。

通过对13碳同位素的核磁共振研究,可以揭示碳同系物的化学键结构、电子状态和反应性等。

在化学实验方面,13碳同位素可以用来研究碳同系物的物理和化学性质。

通过对13碳同位素的化学实验研究,可以揭示碳同系物的物理和化学性质,包括它们的化学键结构、分子形态和反应性等。

13碳同位素在研究碳同系物的结构和性质方面具有重要的作用。

通过研究13碳同位素的行为,我们可以更好地了解碳同系物的特性,为开发新的材料和药物提供了重要的理论基础。

基于13C同位素的土壤碳循环研究

基于13C同位素的土壤碳循环研究近年来，随着全球气候变化问题的加剧以及人类对土地利用方式的改变，土壤碳循环的研究备受关注。

其中，13C同位素技术成为了研究土壤碳循环的重要手段之一。

一、13C同位素在土壤碳循环研究中的应用13C同位素在土壤碳循环研究中的应用最为广泛，其主要表现为：1. 研究碳来源和归因通过不同碳来源同位素比值变化，可以区分出不同碳的来源地点，达到了了解土壤碳来源的目的。

因为不同来源的碳具有不同的13C同位素比值，所以可以通过比对不同来源物质的同位素比值变化，探究土壤碳的来源并归因。

2. 研究土壤碳库土壤碳库指的是土壤中的有机碳储量，因为13C同位素技术可以通过不同碳来源物质同位素比值的变化，进而探究土壤有机碳的来源和储量。

此外，13C同位素技术还可以通过跟踪土壤碳的分解和转化过程，了解土壤碳库中有机碳的周转率和分解率。

3. 研究碳循环机制13C同位素技术可以跟踪土壤有机碳的起源和增减变化，了解碳在土壤中的转化过程和机制，比如对不同化学反应条件下土壤碳的转化过程以及土壤固碳作用等进行研究。

二、13C同位素在不同生态系统土壤中的研究进展1. 农田土壤在农田土壤中，13C同位素技术广泛应用于所谓的“耕作传统主义”(CT)和“保持耕作”(NT)的比较研究中，该研究以分析耕作前后土壤中不同碳来源物质的13C同位素比值，探究不同耕作方式对土壤有机碳库的影响。

2. 森林土壤在森林土壤中，13C同位素主要用于研究森林残留物对土壤碳的影响以及树木生长及其与周围土壤碳的关系等方面的研究。

3. 草原土壤草原土壤中13C同位素的研究中，关注的主要是草原土壤碳库和草地生态系统条件下的碳循环过程和碳转化系数研究。

4. 湿地土壤湿地土壤的研究则主要关注湿地生态系统的碳库和碳储量，以及通过引入外源碳增强湿地土壤碳库。

三、总结综合来看，基于13C同位素的土壤碳循环研究是一个多学科交叉领域的研究，其在环境科学、生态学等方面都具有广泛的应用前景。

同位素示踪技术在生物体代谢研究中的应用

同位素示踪技术在生物体代谢研究中的应用同位素示踪技术是一种在生物体代谢研究中广泛应用的重要工具。

通过利用同位素标记物质的特殊性质，可以追踪和分析生物体内化合物的代谢途径、动态变化以及相关生物学过程。

本文将介绍同位素示踪技术在生物体代谢研究中的应用，并探讨其在医学、农业和环境科学领域的潜在应用。

同位素示踪技术是基于同位素的稳定性和可追踪性原理的。

同位素是指原子的核外电子数相同，而核内中子数不同的同种元素。

同位素之间的差异使得它们在化学反应和生物过程中表现出若干特定性质。

例如，核素碳-13（13C）相对于普通碳-12（12C）而言具有一个额外的中子，因此它在物理上比12C略微重一些。

这个微小的重量差异使得13C被用作追踪剂，通过标记目标化合物中的碳原子，其轨迹可以在生物体内追踪和分析。

在医学研究中，同位素示踪技术被广泛应用于代谢病理学研究、新药开发和药物动力学研究等方面。

通过将同位素标记的药物或营养物质引入生物体内，可以追踪其代谢产物在体内的分布和消除情况。

这对于评估新药在体内的活性和作用机制具有重要意义，同时也为药物剂量的合理调整提供了依据。

例如，在药物代谢动力学研究中，将药物中的一个碳原子用13C标记，并通过检测代谢产物中的13C同位素，可以确定药物在体内的转化途径和代谢速率。

在农业研究中，同位素示踪技术可以帮助科学家追踪农作物的养分吸收和转运过程。

通过使用同位素标记的养分，科学家可以确定养分在土壤中的迁移路径，并了解作物对养分的吸收效率。

此外，同位素示踪技术还可以用于研究植物间的共生现象，例如根际微生物与植物之间的相互作用。

通过标记微生物使用的同位素，科学家可以跟踪其在植物体内的定位和代谢过程，揭示它们与植物之间的协同作用机制。

在环境科学领域，同位素示踪技术被广泛应用于水资源管理和污染追踪方面。

例如，通过标记地下水中的同位素，可以确定地下水的污染来源和迁移路径。

这对于制定合理的地下水保护措施具有重要意义。

发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件

二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响实验结果（图5-3）表明：初始葡萄糖浓度为80g/L，当培养基中蛋白胨浓度为15g/L时，丙酮酸产量较高，低于15g/L时，葡萄糖消耗速度较慢，细胞干重和丙酮酸产量也较低；而高于 15g/L时，丙酮酸产量明显下降。
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响
1、豆饼水解液对丙酮酸发酵的影响实验结果（图5-4）表明：豆饼水解液浓度为5g/L时，发酵
用微生物中某一具有特定功能的酶完成由底物（如乳酸）
向丙酮酸的转化。具体包括如下4种方法：
1、酵母直接发酵生产丙酮酸常用的酵母有球拟酵母、嗜盐酵母、假丝酵母、得巴利酵母等，其中球拟酵母属菌株，特别是烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素4种维生素的营养缺陷型T.glabrata IFO 0005是发酵法生产丙酮酸的首选菌株。
T.glabrata IFO 0005在只有聚蛋白胨而不添加维生素的种子培养
基上照样生长良好的实验结果表明聚蛋白胨中所含有的维生素足以满足多重维生素营养缺陷途径中的作用显然无法得
出明确的结论，也不可能使丙酮酸产率达到很高的水平。
2、由于培养基中四种维生素的水平直接影响PDC
（丙酮酸脱羧酶）、PHD（丙酮酸脱氢酶系）、PC（丙酮酸羧化酶）和PT（转氨酶）的活性，仅仅通过单因素
实验很难分析出烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素各自在丙
酮酸过量合成中的作用，也就谈不上合理优化策略的确定。 3、已有报道认为较高的溶氧有利于丙酮酸的积累，但溶氧要高到什么程度，应当怎样控制等具体问题并没有定论。此外，如果把生物素作为主要因素，溶氧作为次要因素，这两种因素组合起来会对丙酮酸发酵过程产生什么影响也未有报道。
葡萄糖乙醇 Ⅰ 硫胺素 Ⅰ：丙酮酸脱羧酶（PDC） Ⅱ：转氨酶（PT） Ⅲ：丙酮酸羧化酶（PC） Ⅳ：丙酮酸脱氢酶系（PDH）丙酮酸 Ⅳ Ⅱ 吡哆醇氨基酸硫胺素烟酸生物素

13c葡萄糖示踪和稳态代谢组学

13c葡萄糖示踪和稳态代谢组学一、13C葡萄糖示踪13C葡萄糖示踪是一种基于同位素标记的技术，用于研究葡萄糖在生物体内的代谢通路和速率。

通过给生物体注射含有13C同位素标记的葡萄糖，可以追踪标记葡萄糖在代谢过程中的转化和分布情况。

这种技术的原理是利用13C同位素标记的葡萄糖与正常的葡萄糖在代谢过程中会有不同的碳同位素分布，从而可以通过分析组织或生物液中的代谢产物中的13C同位素标记来推断葡萄糖的代谢途径和速率。

通过13C葡萄糖示踪，我们可以研究多种生物体的代谢过程，包括细胞、组织、器官以及整个生物体的代谢网络。

这项技术在生物医学研究中有着广泛的应用，特别是在研究糖尿病、肥胖症、癌症等代谢相关疾病的发生机制和治疗方法方面。

稳态代谢组学是一种基于稳态代谢网络的分析方法，通过对生物体中的代谢产物进行定量分析，来揭示代谢通路的变化和代谢网络的稳定性。

相比于传统的代谢组学研究，稳态代谢组学更加关注代谢网络的整体性和稳定性，能够提供更全面和准确的代谢信息。

稳态代谢组学的核心是建立代谢通路模型和代谢网络模型，通过对代谢产物浓度、代谢速率等数据进行分析，可以揭示代谢网络的结构和功能，进而研究代谢通路的调控机制和代谢疾病的发生机制。

稳态代谢组学在生物医学研究中有着广泛的应用，可以帮助我们理解代谢网络的稳定性和调控机制，为代谢疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。

13C葡萄糖示踪和稳态代谢组学是两种在代谢研究中常用的技术和方法。

通过13C葡萄糖示踪，我们可以追踪葡萄糖的代谢途径和速率，研究代谢相关疾病的发生机制；而稳态代谢组学则可以揭示代谢网络的结构和功能，为代谢疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。

这两种技术的应用将进一步推动代谢研究的发展，有望为人类健康提供更好的解决方案。

基于13C_同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响

㊀山东农业科学㊀２０２４ꎬ５６(２):９５~１０３ＳｈａｎｄｏｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ㊀ＤＯＩ:１０.１４０８３/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４９４２.２０２４.０２.０１３收稿日期:２０２３－０３－２８基金项目:国家自然科学基金面上项目(８２１７３９１７)ꎻ国家现代农业产业技术体系项目(ＣＡＲＳ－２１)ꎻ中央本级重大增减支项目(２０６０３０２)ꎻ山东省重点研发计划项目(２０２１ＺＤＳＹＳ１２)ꎻ齐鲁工业大学(山东省科学院)科教产融合创新试点工程项目(２０２２ＰＸ０９３)作者简介:孟缘(１９９８ )ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事中药资源与质量控制研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｍｅｎｇｙｕａｎ６２６ｍｍ＠１６３.ｃｏｍ通信作者:刘伟(１９８１ )ꎬ男ꎬ山东潍坊人ꎬ博士ꎬ研究员ꎬ从事中药资源与质量控制研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｌｉｕｗｅｉ００７４＠１６３.ｃｏｍ基于１３Ｃ同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响孟缘１ꎬ２ꎬ付心雨１ꎬ２ꎬ鞠吉东１ꎬ２ꎬ周冰谦２ꎬ卢恒２ꎬ王晓２ꎬ郭兰萍３ꎬ刘伟２(１.山东中医药大学药学院ꎬ山东济南㊀２５０３５５ꎻ２.齐鲁工业大学(山东省科学院)/山东省分析测试中心ꎬ山东济南㊀２５００１４ꎻ３.中国中医科学院中药资源中心ꎬ北京㊀１００７００)㊀㊀摘要:以１年龄盆栽丹参为研究对象ꎬ设置１３Ｃ脉冲标记处理与１２Ｃ正常处理ꎬ应用１３Ｃ脉冲标记法研究连作与非连作丹参光合碳分配规律ꎬ比较植株标记４０ｄ后的形态学与理化指标差异ꎬ分析丹参地上部㊁根部以及根际土壤碳的１３Ｃ丰度㊁碳同位素比率㊁１３Ｃ原子百分比以及单位干重样品的１３Ｃ总量ꎬ以明确连作对丹参生长与光合作用的影响机理ꎮ结果表明ꎬ连作条件下ꎬ丹参各部分生物量与叶绿素含量明显下降ꎬ抗氧化酶活性升高ꎻ有效成分中的丹参酮Ⅰ㊁丹参酮ⅡＡ㊁二氢丹参酮Ⅰ以及迷迭香酸含量均降低ꎻ连作显著影响１３Ｃ－光合碳分配比例ꎬ非连作丹参地上部㊁根部以及根际土壤中１３Ｃ－光合碳比率分别为２７.１４％㊁７２.８０％和０.０６％ꎬ连作丹参为５９.３８％㊁４０.５９％和０.０３％ꎮ综上ꎬ连作后ꎬ丹参生长发育与次生代谢受到明显影响ꎻ光合产物向地下部的转移能力降低ꎬ导致连作丹参根部生长发育受到明显抑制ꎻ丹参光合作用的强弱是反映丹参生长状况的重要指标ꎮ关键词:１３Ｃ脉冲标记法ꎻ光合碳ꎻ丹参ꎻ生长代谢ꎻ连作障碍中图分类号:Ｓ５６７.５＋３㊀㊀文献标识号:Ａ㊀㊀文章编号:１００１－４９４２(２０２４)０２－００９５－０９ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｒｏｐｐｉｎｇｏｎＧｒｏｗｔｈａｎｄＰｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃＣａｒｂｏｎＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＳａｌｖｉａｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａＢａｓｅｄｏｎ１３ＣＩｓｏｔｏｐｅＬａｂｅｌｉｎｇＭｅｎｇＹｕａｎ１ꎬ２ꎬＦｕＸｉｎｙｕ１ꎬ２ꎬＪｕＪｉｄｏｎｇ１ꎬ２ꎬＺｈｏｕＢｉｎｇｑｉａｎ２ꎬＬｕＨｅｎｇ２ꎬＷａｎｇＸｉａｏ２ꎬＧｕｏＬａｎｐｉｎｇ３ꎬＬｉｕＷｅｉ２(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰａｒｍａｃｙꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅꎬＪｉｎａｎ２５０３５５ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＱｉｌｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ)/ＳｈａｎｄｏｎｇＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｅｎｔｅｒꎬＪｉｎａｎ２５００１４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅＲｅｓｏｕｒｃｅＣｅｎｔｅｒꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００７００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇ１￣ｙｅａｒ￣ｏｌｄｐｏｔｔｅｄＳａｌｖｉａｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａａｓｒｅｓｅａｒｃｈｏｂ￣ｊｅｃｔꎬａｎｄｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅ１３Ｃｐｕｌｓｅｌａｂｅｌｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄ１２Ｃｎｏｒｍａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔ.Ｔｈｅ１３Ｃｐｕｌｓｅｌａｂｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｒｂｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｎｄｎｏｎ￣ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａ.Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｐｌａｎｔｓａｆｔｅｒ３０ｄａｙｓｏｆｌａｂｅｌｉｎｇｗｅｒｅｒｅｃｏｒ￣ｄｅｄ.ＴｈｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄꎬｒｏｏｔａｎｄｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｏｆＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｉｒ１３ＣａｂｕｎｄａｎｃｅꎬＣｉｓｏｔｏｐｅｒａｔｉｏꎬ１３Ｃａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔａｇｅａｎｄｔｏｔａｌ１３Ｃｃｏｎｔｅｎｔｐｅｒｕｎｉｔｄｒｙｗｅｉｇｈｔｓａｍｐｌｅｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａ￣ｌｙｚｅｄｔｏｃｌａｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｏｎｇｒｏｗｔｈａｎｄｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｕｎｄｅｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｂｉｏｍａｓｓａｎｄｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌｃｏｎｔｅｎｔｏｆｖａｒｉｏｕｓｐａｒｔｓｏｆＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａ㊀ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄꎬａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔｅｎｚｙｍｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔａｎｓｈｉ￣ｎｏｎｅＩꎬｔａｎｓｈｉｎｏｎｅＩＩＡꎬｄｉｈｙｄｒｏｔａｎｓｈｉｎｏｎｅＩａｎｄｒｏｓｍａｒｉｎｉｃａｃｉｄｉｎｔｈｅａｃｔｉｖｅｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ.Ｔｈｅｄｉｓ￣ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｒｂｏｎｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｓｏｆＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａｗａｓｉｎｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆｒｏｏｔ>ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｐａｒｔ>ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌ.Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆ１３Ｃｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｒｂｏｎ.Ｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓｏｆ１３Ｃｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｒｂｏｎｉｎｔｈｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｐａｒｔꎬｒｏｏｔａｎｄｒｈｉｚｏ￣ｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｏｆｎｏｎ￣ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａｗｅｒｅ２７.１４％ꎬ７２.８０％ａｎｄ０.０６％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬｗｈｉｌｅｔｈｏｓｅｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａｗｅｒｅ５９.３８％ꎬ４０.５９％ａｎｄ０.０３％ꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.ＩｎｓｕｍｍａｒｙꎬｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｍｅｔａｂｏｌｉｓｍｏｆＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａ.Ｔｈｅｐｈｏｔｏ￣ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｒｂｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｉｎｔｏｔｈｅｒｏｏｔｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆｔｉｍｅｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇＳ.ｍｉｌｔｉ￣ｏｒｒｈｉｚａꎬｗｈｉｃｈｌｉｍｉｔｅｄｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｏｏｔｓ.Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｗａｓａｎｉｍｐｏｒ￣ｔａｎｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｇｒｏｗｔｈｓｔａｔｕｓｏｆＳ.ｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀１３ＣｐｕｌｓｅｌａｂｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄꎻＰｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｒｂｏｎꎻＳａｌｖｉａｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａꎻＧｒｏｗｔｈｍｅｔａｂｏｌｉｓｍꎻＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅ㊀㊀植物生长过程中ꎬ大气中的ＣＯ２在植物光合作用下由气孔向叶内扩散ꎬ一部分以有机物的形式被固定于植物体内ꎬ传输至各个组织用于植物的正常生长发育ꎬ另一部分以呼吸作用产物㊁根际沉积㊁根系分泌物等形式输入到外界环境中[１－２]ꎮ光合碳在植物体内的转化速率和分配比例与植物的生长状态息息相关ꎬ目前一般认为植物在发育初期与生长旺盛期碳转化效率较高ꎬ此时植物根系活力强ꎬ碳转移速率也相应较高[３－４]ꎮ此外ꎬ植物体内光合碳的分配比例也受温度㊁光照强度及土壤理化性质等生长环境因子的综合影响ꎮ当生长条件不利于植物生长时ꎬ光合碳会优先分配到根部ꎻ当生长环境中的营养充足时ꎬ光合碳则在地上部分的分配比例较大[５]ꎮ因此ꎬ量化光合碳在植物体内的分配比例与存留情况ꎬ可直接判断植物的生长状态与光合作用强弱ꎮ丹参(ＳａｌｖｉａｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａＢｇｅ.)为唇形科鼠尾草属多年生直立草本植物ꎬ其干燥根茎为我国传统大宗药材[６]ꎬ在«神农本草经»«本草纲目»等古籍中均有记载ꎮ药用丹参制品多用于预防和治疗心脑血管疾病[７]ꎮ丹参的临床需求量随我国老龄人口数量的增加不断上升ꎬ目前主要依赖人工栽培满足市场需求ꎮ由于市场对中药材道地性的追求ꎬ目前丹参重茬种植现象普遍ꎮ丹参的根部性状与其大部分活性成分含量呈正相关ꎬ是决定丹参药材质量与药材分级的重要依据[８]ꎮ而丹参连作后植株矮小ꎬ根部变色萎缩ꎬ严重影响丹参药材的产量与质量ꎮ因此ꎬ重茬种植引发的连作障碍已成为制约丹参产业发展的常见问题ꎮ本课题组前期研究发现ꎬ丹参连作２年后根部鲜重与干重下降８０％左右ꎬ根粗减少２０％~３３％ꎬ主要有效成分丹参酮ⅡＡ与丹酚酸Ｂ的平均降幅分别为１９.３５％与６４.４０％[９]ꎻ张辰露等[１０]的研究也发现在丹参连作２~４年的种植区ꎬ丹参幼苗存活率低于４０％ꎬ且连作４年后减产达８５.６％ꎮ因此ꎬ连作障碍的形成机制及其消减技术成为目前丹参产业亟待研究和解决的问题ꎮ稳定性同位素１３Ｃ脉冲标记技术可有效示踪碳在植物体内的流转信息ꎬ是目前研究植物光合碳分配规律的常用方法之一[１１]ꎮ该方法在国内外多用于研究玉米㊁水稻㊁大豆㊁小麦等常见粮食和经济作物的光合碳分配情况[１２－１７]ꎮ基于以上成果ꎬ本研究选择稳定性同位素１３Ｃ脉冲标记技术ꎬ以１年生盆栽丹参为试验对象ꎬ探究连作与非连作条件下丹参在１３Ｃ－ＣＯ２脉冲标记３０ｄ后的光合碳分配情况ꎬ同时分析连作与非连作丹参的形态学与生理学差异ꎬ以期为连作对丹参生长的影响研究提供理论依据ꎮ１㊀材料与方法１.１㊀试验材料丹参种子来自山东莱芜紫光生态园有限公司中药材种植基地ꎬ由山东中医药大学李佳教授鉴定为唇形科鼠尾草属植物丹参Ｓａｌｖｉａｍｉｌｔｉｏｒｒｈｉｚａ６９㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山东农业科学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５６卷㊀Ｂｇｅ.ꎮ供试丹参连作与非连作土壤均采自山东莱芜紫光生态园有限公司中药材种植基地ꎬ质地为砂壤土ꎬ基本理化性质为:ｐＨ值７.９ꎬ电导率１.１ｍＳ/ｃｍꎬ有机质含量０.６１％㊁全氮０.０６％㊁镁１１.０３ｇ/ｋｇ㊁铁４９.８６ｇ/ｋｇ㊁钙１４.８９ｇ/ｋｇ㊁有效磷０.０３ｇ/ｋｇ㊁速效钾０.２８ｇ/ｋｇꎮ标记用１３Ｃ－ＣＯ２纯度为９９ａｔｏｍ％ꎬ购于武汉纽瑞德特种气体有限公司ꎮ１.２㊀试验方法１.２.１㊀试验设计㊀试验于山东省分析测试中心的光照培养室进行ꎮ其平均温度(２３ʃ１)ħꎬ空气相对湿度７０％ꎬ光照时间为８ʒ００１８ʒ００ꎬ采用盆栽土培的试验方式ꎮ丹参生长周期为２０２１年１２月育苗ꎬ２０２２年４月移栽至花盆中ꎬ２０２２年１０月选择长势良好㊁大小相似的丹参植株进行后续试验ꎮ本试验共设５个处理:ＣＫ组(１３Ｃ－ＣＯ２标记ꎬ无丹参种植的非连作土壤)㊁Ａ组(１３Ｃ－ＣＯ２标记ꎬ丹参移栽至非连作土壤)㊁Ｂ组(１３Ｃ－ＣＯ２标记ꎬ丹参移栽至连作土壤)㊁Ｃ组(１２Ｃ－ＣＯ２标记ꎬ丹参移栽至非连作土壤)㊁Ｄ组(１２Ｃ－ＣＯ２标记ꎬ丹参移栽至连作土壤)ꎮ其中ꎬＡ组与Ｃ组为非连作丹参组(Ｆ组)ꎬＢ组与Ｄ组为连作丹参组(Ｌ组)ꎮ在１３Ｃ与１２Ｃ环境中标记同化４０ｄ后破坏取样ꎬ测定各项指标ꎮ试验时间为２０２２年１１１２月ꎮ１.２.２㊀盆栽试验㊀选择颗粒饱满㊁大小相近的丹参种子ꎬ清洗干净后浸泡并于４ħ冰箱中密封保存备用ꎮ将培育用土与基质均匀铺在２４穴育苗盘中ꎬ每穴放置３~５粒前处理好的丹参种子ꎬ轻撒一层薄土ꎬ放于光照培养室中等待萌芽ꎮ待长至１２~１６叶且抵抗力较强时ꎬ选择大小相似的丹参幼苗移到较大陶瓷花盆中继续培养ꎮ１.２.３㊀稳定性同位素１３Ｃ脉冲标记㊀取丹参种植田中的连作土与非连作土ꎬ选择大小相同㊁长势良好的盆栽丹参进行换土处理ꎬ在阴暗处过渡５~７ｄꎬ然后于光照培养室内继续培养ꎮ标记试验在特制的玻璃同化箱(８０ｃｍˑ８０ｃｍˑ１００ｃｍ)中进行ꎬ箱中配有光谱灯㊁温度计㊁风扇与ＣＯ２浓度检测仪ꎮ标记参照参考文献[１８－１９]中的方法进行ꎮ将ＣＫ组㊁Ａ组㊁Ｂ组放进同化箱后密封ꎬ检查密闭性ꎬ每天光照１０ｈ(８ʒ００１８ʒ００)ꎬ昼夜温度分别为(２３ʃ１)ħ和(２０ʃ１)ħꎬ相对湿度为５０％ꎮ标记前用３.５ｍｏｌ/ＬＮａＯＨ溶液吸收箱内ＣＯ２至浓度为４００ｍｇ/Ｌ后ꎬ用软管通过预留孔注入１３Ｃ－ＣＯ２气体ꎬ每次充气至ＣＯ２浓度在７５０~９５０ｍｇ/Ｌ范围内ꎬ待浓度降至４５０ｍｇ/Ｌ以下时再次充气ꎮ３０ｄ后打开同化箱与根箱ꎬ让试验组丹参继续同化培养１０ｄ后ꎬ破坏性取样用于后续指标检测ꎮ１.３㊀测定项目及方法１.３.１㊀丹参生物量㊀将各组丹参从花盆中取出ꎬ刷去叶子与根部的表面浮土ꎬ清理干净后分别测定地上部分与地下部分生物量ꎬ记录好数据后放于烘箱中８５ħ烘１５~３０ｍｉｎꎬ温度调至７０ħ后烘干至恒重ꎬ记录干重并计算折干率ꎮ１.３.２㊀丹参形态学指标㊀记录各组丹参的完整叶片数㊁枯叶数以及总叶片数ꎻ用直尺测量每个叶片的最大叶长与最大叶宽ꎬ计算叶长/叶宽与叶面积ꎻ用直尺测量丹参主根从芦头到根尖之间的长度与横向直径ꎬ记为最长根长与主根直径ꎻ同时记录直径在０.２ｃｍ以上的根数ꎬ记为分根数ꎮ１.３.３㊀１３Ｃ同位素指标㊀用抖根法采集Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ㊁Ｄ组丹参的根际土壤ꎬ烘干ꎮ将丹参地上部㊁根部以及根际土壤干样过８０目筛ꎬ分别取１ｇ送至深圳市华科精信检测科技有限公司进行１３Ｃ丰度(δ１３Ｃ)㊁碳同位素比率(１３Ｃ/１２Ｃ)㊁碳原子百分比与单位干重样品的１３Ｃ总量检测ꎮ１２Ｃ－ＣＯ２生长环境下的对照组丹参存在１３Ｃ自然丰度ꎬ１３Ｃ丰度用δ１３Ｃ值表示ꎬ标准物选择美国卡罗莱纳州白垩系ＰｅｅＤｅｅ组美洲拟箭石化石(ＰＤＢ)ꎮ其计算公式如下:δ１３Ｃɢ()＝１３Ｃ样品/１２Ｃ样品－１３ＣＰＤＢ/１２ＣＰＤＢ１３ＣＰＤＢ/１２ＣＰＤＢˑ１０００ꎮ式中ꎬ１３Ｃ样品/１２Ｃ样品为物质中稳定碳同位素相对量的比值ꎬ１３ＣＰＤＢ/１２ＣＰＤＢ为固定值０.０１１２３７２[２０]ꎮ１.３.４㊀丹参生理指标㊀分光光度法测定丹参叶片叶绿素含量ꎻ采用蒽酮比色法测定丹参叶片与根部的可溶性糖㊁葡萄糖以及果糖含量ꎻ间苯二酚法测定丹参蔗糖含量ꎻ采用分光光度法测定丹参超氧化物歧化酶(ＳＯＤ)活性和丙二醛(ＭＤＡ)含量ꎬ微量法检测过氧化物酶(ＰＯＤ)活性ꎮ１.３.５㊀丹参有效成分含量㊀对照品溶液配制:精密称取丹参酮Ⅰ０.００３９ｇ㊁丹参酮ⅡＡ０.００３７ｇ㊁隐丹参酮０.００３４ｇ㊁二氢丹参酮Ⅰ０.００３４ｇꎬ分别溶解于甲醇后定容于２５ｍＬ容量瓶中ꎬ依次吸７９㊀第２期㊀㊀㊀孟缘ꎬ等:基于１３Ｃ同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响取１㊁３㊁３㊁３ｍＬ于１０ｍＬ试管中配成脂溶性混标ꎻ精密称取丹酚酸Ｂ０.００３０ｇ㊁迷迭香酸０.００４２ｇ㊁丹参素０.００４１ｇꎬ溶解于甲醇后分别定容于１０ｍＬ容量瓶中ꎮ供试品溶液的配制与色谱条件的选择参考本课题组前期检测丹参有效成分的方法[２１]ꎬ并进行线性关系考察ꎮ１.４㊀数据处理与分析用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ处理数据ꎬ用ＳＰＳＳ２６.０软件进行差异显著性分析㊁Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析以及主成分分析ꎬ用Ｏｒｉｇｉｎ软件制图ꎮ２㊀结果与分析２.１㊀连作对丹参１３Ｃ－光合碳分配比例的影响根据１３Ｃ同位素丰度检测结果(表１㊁图１)ꎬ丹参标记同化后１３Ｃ－光合碳的分配比率表现为根部>地上部>根际土壤ꎬ真正到达根际土壤的光合产物占比极小ꎮ连作丹参根部的１３Ｃ丰度较非连作丹参增加８.９８％ꎬ地上部增加１倍以上ꎬ但根际土壤中的１３Ｃ丰度却降低１８.６０％ꎮ分析原因可能为本次１３Ｃ标记同化时间在４０ｄ以上ꎬ非连作丹参的生长活动旺盛ꎬ光合碳转移速率较快ꎬ１３Ｃ－光合碳自上而下转移ꎬ大部分存留于根部ꎬ一部分向根际土壤中释放ꎮ地上部的１３Ｃ－光合碳逐渐被１２Ｃ－光合碳取代ꎬ因此非连作丹参体内固定的１３Ｃ－光合碳仅为连作丹参的７４.８４％ꎬ且根部含量较高ꎮ连作丹参地上部与根部的１３Ｃ－光合碳分配量差异明显小于非连作ꎬ正是因为连作条件下丹参中１３Ｃ－光合碳转化效率较低的缘故ꎮ连作丹参(Ｂ组)地上部㊁根部的１３Ｃ/１２Ｃ值分别较非连作丹参(Ａ组)增加８０.９４％与８.２８％ꎬ但根际土壤中却降低０.１５％ꎮＢ组地上部㊁根部的１３Ｃ含量分别较Ａ组增加７５.０５％㊁２.９９％ꎬ根际土壤中含量则减少４.７７％ꎮ这均说明连作丹参的１３Ｃ－光合碳大部分滞留于地上部ꎬ根际土壤中分配的量较少ꎬ而非连作丹参的光合碳转化效率则较高ꎻ非连作丹参叶片中的光合碳被自然环境中的１２Ｃ－ＣＯ２逐步取代ꎬ所以地上部的１３Ｃ含量明显降低ꎬ根部与根际土壤中的含量则较高ꎮ㊀㊀表１㊀标记试验１３Ｃ同位素丰度检测及１３Ｃ－光合碳分配部位组别δ１３Ｃ/ɢ１３Ｃ/１２Ｃ值１３ＣＡＴ/％１３Ｃ/(ｍｇ/ｇ)地上部Ａ组４１３８.３６３０ʃ７.６７６１０.０５７７ʃ０.００１０５.４５８９ʃ０.００３９２１.１３２５ʃ０.０１６９Ｂ组８２９４.１１３０ʃ１０.４７１１０.１０４４ʃ０.０００３９.４５６３ʃ０.００２５３６.９９２６ʃ０.００１２自然丰度－２７.０９３３ʃ１.４０２７０.０１０９ʃ０.０００１１.０８１５ʃ０.０００４４.０２２８ʃ０.０００２根部Ａ组１１１４９.６７００ʃ７.９９１９０.１３６５ʃ０.０００２１２.０１２２ʃ０.０００９４７.４９９６ʃ０.００８２Ｂ组１２１５１.２４００ʃ９.６４２４０.１４７８ʃ０.０００２１２.８７５５ʃ０.００１７４８.９２０７ʃ０.００１１自然丰度－２２.１８３３ʃ０.７６５７０.０１１１ʃ０.０００２１.０８６９ʃ０.００１０４.４３５２ʃ０.００２０根际土壤Ａ组－１３.２９００ʃ０.７４５７０.０１１１ʃ０.０００１１.０９６６ʃ０.００１１０.４０２９ʃ０.００２６Ｂ组－１４.９２００ʃ１.６２０００.０１１１ʃ０.０００１１.０９４８ʃ０.００２２０.３８３７ʃ０.０００３ＣＫ组－２.１６６７ʃ０.０７４１０.０１１２ʃ０.０００１１.１０８９ʃ０.０００９０.３４０２ʃ０.０００３自然丰度－２２.０５３３ʃ０.７３０８０.０１１０ʃ０.０００１１.０８７０ʃ０.０１５６０.４６４０ʃ０.０１３５㊀㊀注:δ１３Ｃ１３Ｃ丰度ꎬ１３Ｃ/１２Ｃ碳同位素比率ꎬ１３ＣＡＴ碳原子百分比ꎬ１３Ｃ单位干重样品的１３Ｃ含量ꎻ各部位自然丰度样品均来自１２Ｃ－ＣＯ２对照组混合取样ꎻＣＫ组为无丹参种植且未遮蔽状态下的空白土壤取样ꎮ图１㊀连作与非连作丹参各部位１３Ｃ－光合碳含量比率２.２㊀连作对丹参生物量积累的影响由表２可知ꎬＬ组丹参地上㊁地下部的鲜㊁干重都明显低于Ｆ组ꎮＢ组地上㊁地下部的鲜㊁干重较Ａ组分别降低２８.１％㊁１５.２％㊁５１.２％㊁３２.６％ꎬＤ组较Ｃ组分别降低２７.１％㊁３０.２％㊁２５.３％和２５.２％ꎮＢ组丹参的折干率高于Ａ组ꎬ差异不显著ꎬＤ组丹参的折干率低于Ｃ组ꎬ差异也不显著ꎮ在通入１３Ｃ－ＣＯ２后ꎬ１３Ｃ试验组的丹参生物量积累８９㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山东农业科学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５６卷㊀高于１２Ｃ试验组ꎬ这可能是因为ＣＯ２短时间内快速升高刺激丹参生长的缘故ꎮ以上结果表明连作不利于丹参地上部与地下部的生物量积累ꎬ重茬种植明显影响丹参总体产量ꎮ㊀㊀表２㊀连作与非连作丹参的单株生物量积累差异组别地上部鲜重/ｇ地上部干重/ｇ地下部鲜重/ｇ地下部干重/ｇ折干率/％Ｆ组Ａ组８.１１ʃ３.１８ａ１.３２ʃ０.１６ａ８.９１ʃ３.３９ａ１.８７ʃ１.３５ａ１９.７５ʃ６.８７ａＣ组４.７６ʃ１.１７ａｂ０.８６ʃ０.１６ｂｃ４.７８ʃ１.７９ａｂ１.２７ʃ０.４８ａ２６.７５ʃ４.３２ａＬ组Ｂ组５.８３ʃ１.１６ａｂ１.１２ʃ０.２１ａｂ４.３５ʃ２.４７ａｂ１.２６ʃ０.７２ａ２９.２５ʃ３.６３ａＤ组３.４７ʃ０.９０ｂ０.６０ʃ０.０７ｃ３.５７ʃ１.２５ｂ０.９５ʃ０.５０ａ２４.７５ʃ５.８５ａ㊀㊀注:同列数据后不同小写字母表示组别间差异显著(Ｐ<０.０５)ꎬ下同ꎮ２.３㊀连作对丹参形态学指标的影响２.３.１㊀连作与非连作丹参地上部形态学指标差异㊀连作丹参植株较矮小ꎬ叶片发黄萎蔫ꎮ由表３可知ꎬＬ组丹参的枯叶数高于Ｆ组ꎬ叶片数㊁总叶片数和叶面积均低于Ｆ组ꎬ叶长与叶宽的比值相差不大ꎮ连作丹参叶片数少㊁叶面积小ꎬ不利于丹参进行光合作用ꎬ直接影响丹参的光合产物积累ꎮ㊀㊀表３㊀连作与非连作丹参的地上部形态学指标差异组别叶片数枯叶数总叶片数叶面积/ｃｍ２叶长/叶宽Ｆ组Ａ组６７.５ʃ１５.３４ａ１２.０ʃ６.７８ａｂ７９.５ʃ８.５６ａ４２２.７４ʃ７３.８１ａ１.００~２.０８Ｃ组３１.０ʃ３.６７ｂｃ７.５ʃ３.２０ｂ３８.５ʃ１.６６ｂ２１７.６０ʃ３７.９４ｂ１.３３~１.９３Ｌ组Ｂ组４８.５ʃ１０.２３ａｂ２０.５ʃ５.１７ａ６９.０ʃ５.３９ａ３２６.６８ʃ１６.３０ａ１.２９~２.４０Ｄ组２６.０ʃ７.８７ｃ１２.５ʃ４.１５ａｂ３８.５ʃ４.５０ｂ１８３.７６ʃ４７.８６ｂ１.２２~１.７７２.３.２㊀连作与非连作丹参地下部形态学指标差异㊀丹参根部的形态与活力直接影响其对营养物质的吸收能力ꎬ养分吸收能力差不仅不利于丹参的正常生长发育ꎬ对光合产物的运输也会产生消极影响ꎮ由表４可以看出ꎬＦ组丹参的地下部明显比Ｌ组发达ꎮＦ组主根较粗ꎬ根长且分根较多ꎬＬ组的各项数据均小于Ｆ组ꎬ其中最长根长的差距最大ꎮ㊀㊀表４㊀㊀㊀连作与非连作丹参的地下部形态学指标差异组别最长根长/ｃｍ主根直径/ｃｍ分根数/条Ｆ组Ａ组３１.００ʃ７.７１ａ０.７０ʃ０.１６ａ８.００ʃ１.８７ａＣ组１６.００ʃ２.４５ａ０.６３ʃ０.１３ａ５.７５ʃ０.４３ｂＬ组Ｂ组２０.５０ʃ１.６６ａ０.６３ʃ０.１３ａ４.７５ʃ１.０９ａｂＤ组１４.７５ʃ２.５９ｂ０.５０ʃ０.０７ａ４.２５ʃ１.０９ｂ㊀㊀２.４㊀连作对丹参理化性状的影响２.４.１㊀连作与非连作丹参叶绿素含量及抗氧化酶活性差异㊀叶绿素含量的降低会影响丹参的光合作用ꎬ降低光合产物的积累量ꎬ不利于光合碳在丹参体内的固定ꎬ从而影响丹参的正常生长发育ꎮ由图２可以看出ꎬ连作丹参的叶绿素ａ㊁叶绿素ｂ㊁叶绿素ａ＋ｂ及类胡萝卜素含量与非连作丹参相比分别降低４２.４％㊁４１.５％㊁４２.１％和３７.０％ꎮ图２㊀连作与非连作丹参叶片叶绿素含量差异作为植物体内的抗氧化能力指标ꎬＳＯＤ可催化超氧阴离子自由基ꎬＰＯＤ可降低毒性ꎬＭＤＡ含量可以直观反映植株受胁迫损伤的程度ꎮ由图３可以看出ꎬ连作丹参叶片的ＳＯＤ㊁ＰＯＤ活性与ＭＤＡ含量都有不同程度的增加ꎬ且ＭＤＡ含量增幅较大ꎬＳＯＤ㊁ＰＯＤ活性分别升高１６２.２％㊁２６.３％ꎬＭＤＡ含量增加２８４.２％ꎮ表明丹参连作后细胞受到胁迫与氧化损伤ꎬ体内的抗氧化酶系统积极应答ꎬ以对抗连作带来的伤害ꎮ２.４.２㊀连作与非连作丹参糖类成分含量差异㊀由图４可以看出ꎬ连作丹参叶片和根中可溶性糖㊁９９㊀第２期㊀㊀㊀孟缘ꎬ等:基于１３Ｃ同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响蔗糖㊁葡萄糖与果糖的含量均低于非连作丹参ꎬ其中与Ｆ组相比Ｌ组叶片各糖类成分分别减少６５.４％㊁５８.６％㊁３５.４％和４４.６％ꎬ根部可溶性糖㊁蔗糖㊁果糖含量分别减少５９.９％㊁２６.３％㊁３１.８％ꎮ光合作用的主要产物为碳水化合物ꎬ该结果表明连作丹参的光合能力明显低于非连作丹参ꎮ图３㊀连作与非连作丹参抗氧化能力指标差异２.５㊀丹参有效成分含量分析由图５可知ꎬ与非连作丹参相比ꎬ连作丹参水溶性有效成分中的丹酚酸Ｂ含量升高２８.８％ꎬ迷迭香酸含量减少５１.４％ꎮ由图６可知ꎬ连作条件下丹参的脂溶性有效成分除隐丹参酮含量增加５０.０％外ꎬ丹参酮Ⅰ㊁丹参酮ⅡＡ㊁二氢丹参酮Ⅰ含量都有所下降ꎬ质量分数分别降低５５.４％㊁４.４％㊁１００％ꎬ其中二氢丹参酮Ⅰ含量急剧下降ꎬ在连作丹参根部难以检测到ꎮ总而言之ꎬ连作后丹参的有效成分含量降低明显ꎬ质量整体下降ꎮ图４㊀连作与非连作丹参叶片与根中糖分含量差异图５㊀连作与非连作丹参水溶性有效成分含量差异Ｌ组二氢丹参酮Ⅰ含量极低ꎬ未达到检测最低值ꎮ图６㊀连作与非连作丹参脂溶性有效成分含量差异２.６㊀丹参各项生长指标间的Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析以丹参地上部１３Ｃ含量(ａ)㊁根部１３Ｃ含量(ｂ)㊁根际土壤１３Ｃ含量(ｃ)㊁地上部鲜重(ｄ)㊁地下部鲜重(ｅ)㊁总叶片数(ｆ)㊁最长根长(ｇ)㊁主根直径(ｈ)㊁叶绿素ａ＋ｂ含量(ｉ)㊁ＳＯＤ活性(ｊ)㊁ＰＯＤ活性(ｋ)㊁ＭＤＡ含量(ｌ)㊁脂溶性有效成分含量(ｍ)和水溶性有效成分含量(ｎ)为相关性分析因子ꎬ进行丹参光合碳分配比例㊁形态指标与理化００１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山东农业科学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５６卷㊀指标的Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析ꎬ相关系数见表５ꎮ表明ꎬ丹参地上部１３Ｃ含量和根部１３Ｃ含量与丹参水溶性有效成分含量㊁ＳＯＤ活性以及ＭＤＡ含量极显著正相关(Ｐ<０.０１)ꎬ与总叶片数(Ｐ<０.０５)㊁最长根长(Ｐ<０.０５)㊁叶绿素ａ＋ｂ含量(Ｐ<０.０１)以及丹参脂溶性有效成分含量(Ｐ<０.０１)呈显著或极显著负相关ꎻ叶绿素ａ＋ｂ含量与其他指标的相关性较强ꎮ表明ꎬ丹参有效成分含量受多种因素的综合影响ꎬ包括总叶片数㊁叶绿素含量以及ＳＯＤ活性等ꎮ㊀㊀表５㊀丹参光合碳分配比例㊁形态指标与理化指标的Ｐｅａｒｓｏｎ相关性(ｎ＝１４)因子ａｂｃｄｅｆｇｈｉｊｋｌｍｎａ１.０００ｂ１.０００∗∗１.０００ｃ－０.２００－０.２０９１.０００ｄ－０.４９０－０.５０２０.１４８１.０００ｅ－０.７２９－０.７３２０.０６００.６９８１.０００ｆ－０.８３０∗－０.８３５∗－０.１２１０.７３４０.７９８１.０００ｇ－０.８３７∗－０.８４１∗０.５１９０.７０１０.７６７０.６５０１.０００ｈ－０.３７４－０.３７２－０.３７２０.３０９０.８１３∗０.５５００.２７５１.０００ｉ－１.０００∗∗－１.０００∗∗０.１９３０.４８２０.７３２０.８２９∗０.８３２∗０.３８４１.０００ｊ０.９６４∗∗０.９６２∗∗－０.３６６－０.３５１－０.６７１－０.６６３－０.８５８∗－０.３０６－０.９６５∗∗１.０００ｋ０.３６６０.３７４－０.２６４－０.４６１－０.８２０∗－０.４５９－０.５０２－０.７６０－０.３７２０.３７５１.０００ｌ０９９５∗∗０.９９４∗∗－０.２１７－０.４１１－０.６６３－０.７８３－０.８０７－０.３１２－０.９９５∗∗０.９７３∗∗０.３０２１.０００ｍ－０.９９９∗∗－０.９９９∗∗０.１８７０.５１００.７３５０.８５３∗０.８２８∗０.３８２０.９９９∗∗－０.９５２∗∗－０.３７７－０.９９１∗∗１.０００ｎ０.９４５∗∗０.９４７∗∗－０.１５６－０.６７５－０.６８５－０.８５９∗－０.８５８∗－０.２５３－０.９４０∗∗０.８６４∗０.２３５０.９２６∗∗－０.９４７∗∗１.０００㊀㊀注:∗㊁∗∗分别表示在０.０５㊁０.０１水平上显著相关ꎮ２.７㊀丹参各项生长指标的主成分分析丹参各项生长指标之间存在较强相关关系ꎬ通过对以上指标进行主成分分析可以筛选出主成分因子ꎬ从而对丹参的生长状况进行综合评价ꎬ结果见表６ꎮ地上部１３Ｃ含量㊁根部１３Ｃ含量㊁根际土壤１３Ｃ含量三者的特征根值均>１.０ꎬ方差百分比之和超过９０％ꎬ累积方差贡献率达９２.７５４％ꎬ因此ꎬ前三个主成分已足够描述丹参的生长状况ꎮ地上部１３Ｃ含量㊁根部１３Ｃ含量和根际土壤１３Ｃ含量所表现出来的植物固碳能力与光合作用强弱可直接反映丹参的生长发育状况ꎮ㊀㊀表６㊀丹参主要生长指标的主成分分析成分初始特征值总计方差百分比/％累积贡献率/％提取载荷平方和总计方差百分比/％累积贡献率/％地上部１３Ｃ含量９.７０５６９.３２４６９.３２４９.７０５６９.３２４６９.３２４根部１３Ｃ含量１.９５４１３.９６０８３.２８４１.９５４１３.９６０８３.２８４根际土壤１３Ｃ含量１.３２６９.４７０９２.７５４１.３２６９.４７０９２.７５４地上部鲜重０.８４８６.０５５９８.８０９地下部鲜重０.１６７１.１９０９９.９９９３㊀讨论与结论稳定性同位素１３Ｃ标记技术使定量研究光合碳的动态变化与存留状态成为现实ꎬ有效揭示了碳元素在植物体内与植物－土壤－微生物之间的周转循环[２２]ꎬ目前被广泛应用于研究陆生与水生植物的光合碳分配规律㊁土壤有机碳循环以及鉴定土壤微生物的群落结构和功能等方面[２３]ꎮ孔玉华等[２４]利用１３Ｃ脉冲标记法发现侧柏光合碳分配规律为地上部>地下部>根际土壤ꎬ大部分１３Ｃ－光合碳被用于侧柏自身的生长ꎬ根际土壤中只存留了极少部分的１３Ｃ－光合碳ꎻ蔡章林等[１]发现１３Ｃ在枫香和山乌桕幼苗体内首先富集于叶片ꎬ后慢慢向根部转移ꎮ以上研究结果与本研究对丹参光１０１㊀第２期㊀㊀㊀孟缘ꎬ等:基于１３Ｃ同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响合碳分配情况的结论大致相似ꎬ光合碳在植物－土壤系统中基本以植物叶ң茎ң根再到根际土壤的路径向下转移ꎬ大部分存留于植物体内ꎬ根际土壤中１３Ｃ－光合碳含量较少ꎮ生长环境的变化可能改变植物代谢与生理适应情况ꎬ从而引发植物光合碳分配比例与碳同位素比值的变化[２５]ꎮ刘萍等[２６]利用１３Ｃ脉冲标记法发现施氮量为１００ｍｇ/ｋｇ时ꎬ水稻的生长势显著高于其他施氮量ꎬ且提高了光合碳在根际土壤的分配比例ꎮ光合碳通过根系凋亡与根系分泌物的释放进入根际土壤ꎬ连接起植物㊁土壤及土壤微生物ꎬ因此植物的光合作用是生物与地球环境碳循环的首要驱动因子[２７－２８]ꎮ孔玉华等[２４]也发现种植密度影响１３Ｃ－光合碳在植物地上部与根部的分配比例ꎬ地上部的光合碳分配量随种植密度的增大而增加ꎬ根部的光合碳分配量则随之减少ꎮ本研究中ꎬ连作条件下丹参的总生物积累量与生长发育情况都与非连作丹参有明显差异ꎮ其中ꎬ连作丹参水溶性有效成分中的丹酚酸Ｂ含量升高２８.８％ꎬ但迷迭香酸含量降低５１.４％ꎬ且连作条件下丹参的脂溶性有效成分总量明显降低ꎻ在１３Ｃ标记试验中ꎬ连作丹参地上部的光合碳含量明显高于非连作丹参ꎬ而根部光合碳含量相差不大ꎬ表明连作条件下光合碳传递至根部的量较少ꎬ说明连作丹参受连作土壤的负面影响ꎬ光合碳转移速率明显低于非连作丹参ꎮ综上ꎬ连作对丹参的生长发育与药效均有明显的负面影响ꎮ丹参光合作用的强弱是反映丹参生长状况的重要指标ꎮ则连作引发的丹参形态不佳及生理状态受损在影响其光合产物积累的同时ꎬ还减缓了光合产物的运输速率ꎬ从而降低光合产物在根部的分配比例ꎬ造成连作丹参质量受损㊁产量下降ꎻ连作条件下丹参光合作用产生的初生代谢产物合成受限ꎬ进而影响丹参次生代谢产物的积累ꎬ最终影响其药效ꎮ因此推测连作对丹参光合作用的影响是连作丹参药效降低的原因之一ꎮ参㊀考㊀文㊀献:[１]㊀蔡章林ꎬ赵厚本ꎬ蔡继醇ꎬ等.用１３Ｃ标记法研究光合碳在枫香和山乌桕幼苗体内的留存及分配动态[Ｊ].应用与环境生物学报ꎬ２０２３ꎬ２９(２):４０８－４１３.[２]㊀王艳红ꎬ于镇华ꎬ李彦生ꎬ等.植物－土壤－微生物间碳流对大气ＣＯ２浓度升高的响应[Ｊ].土壤与作物ꎬ２０１８ꎬ７(１):２２－３０.[３]㊀解丽娜.水盐因子对滨海盐沼土壤微生物及植物－土壤碳分配的影响[Ｄ].上海:华东师范大学ꎬ２０２２. [４]㊀ＲｅｍｕｓＲꎬＨüｖｅＫꎬＰöｒｓｃｈｍａｎｎＪꎬｅｔａｌ.Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅ￣ｐｏｉｎｔｗｈｅｎ１４Ｃｔｒａｃｅｒａｃｃｕｒａｔｅｌｙｒｅｆｌｅｃｔｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈａｔｅｕｓｅｉｎｔｈｅｐｌａｎｔ￣ｓｏｉｌｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＰｌａｎｔａｎｄＳｏｉｌꎬ２０１６ꎬ４０８(１/２):４５７－４７４.[５]㊀ＬｕｏＹꎬＸｉａｏＭＬꎬＹｕａｎＨＺꎬｅｔａｌ.Ｒｉｃｅｒｈｉｚｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｏ￣ｍｏｔｅｓｔｈｅｂｕｉｌｄ￣ｕｐｏｆｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｉｎｓｏｉｌｖｉａｆｕｎｇａｌｎｅｃｒｏ￣ｍａｓｓ[Ｊ].ＳｏｉｌＢｉｏｌｏｇｙａｎｄＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙꎬ２０２１ꎬ１６０:１０８３４５. [６]㊀国家药典委员会.中国药典:一部[Ｍ].北京:中国医药科技出版社ꎬ２０２０:７７.[７]㊀杨萍ꎬ李杰ꎬ周风华ꎬ等.丹参酮ⅡＡ对过氧化氢损伤心肌细胞的保护作用及机制研究[Ｊ].时珍国医国药ꎬ２０１０ꎬ２１(ｌ):３－５.[８]㊀尉广飞ꎬ李佳ꎬ刘谦ꎬ等.丹参根部颜色及其与活性成分含量的相关性研究[Ｊ].山东农业科学ꎬ２０１５ꎬ４７(８):５９－６２. 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张嗣良-发酵过程氮源利用与培养基研究

H+
常规控制器
(MVS) SFR OTR HTR
H+FR
反应器混和与传递
生物反应器
细胞水平的
代谢动力学
s
DO剪切
T 细胞生长
pH
Pco2
Xm (cp)
(EVs) P
(PVs) SUR OUR HER H+ CER PPR
必需高度重视代谢流及其对反应器的影响
(IFB)
•产物与代谢流有关
• 不同层次反应的关联方法
发酵过程优化放大技术的现状与存在的问题
过程优化主要靠人工经验长期摸索───效果差周期长
➢ 提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品 ➢ 新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长
过程放大主要采用人工经验逐级放大──效果差风险大
➢ 从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 ➢ 放大指数越大风险越大（新设备、新产品）
影响发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用
➢ 整体技术：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备技术、… ➢ 大宗发酵产品急需新技术,降低生产成本,提高市场竞争能力 ➢ 生物能源等可持续发展的战略需求已经提到议事日程
发酵过程优化的基础与应用技术研究
基础研究
•科学问题
• 发酵过程全局优化与高度分支的生命科学研究关系 • 过程放大时的生物反应器流场不均匀性对细胞生理特性的影
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5 200 -25 0
25 50 75 100 125 150 175 200
Time (h)
1、酵母粉替代比例增加，pH在20h反弹高峰下降，50h粘度高峰明显，但100h后

13c稳定同位素

13c稳定同位素稳定同位素是指具有稳定的核结构，不会发生核反应或放射性衰变的同位素。

它们的核外电子结构相同，所以化学性质相似。

稳定同位素在自然界中广泛存在，并且在生物、地球和医学等领域有着重要的应用。

稳定同位素有很多种，其中有些是非常常见的，而有些则非常罕见。

以下是一些常见的稳定同位素：1.氢-1（1H）:最常见的氢同位素，构成了水和绝大部分有机化合物的基础。

2.碳-12（12C）和碳-13（13C）:碳的两个稳定同位素，占地球上所有碳元素的绝大部分。

3.氮-14（14N）和氮-15（15N）:氮的两个稳定同位素，主要存在于大气中和生物体内。

4.氧-16（16O），氧-17（17O）和氧-18（18O）:氧的三个同位素，构成了水和大气中大部分氧元素。

5.铁-54（54Fe），铁-56（56Fe），铁-57（57Fe）和铁-58（58Fe）:铁的四个稳定同位素，分别占地球上铁元素的绝大部分。

稳定同位素的应用十分广泛。

下面是一些主要应用的例子：1.环境和地球科学：稳定同位素可以用来研究气候变化、地球化学循环和环境污染等。

例如，通过测量冰芯中氧同位素的比例变化，可以重建过去的气候变化情况；通过测量土壤中氮同位素的比例，可以追踪氮的来源和转化过程。

2.生物学：稳定同位素可以用来研究生物体内物质的来源和代谢途径。

例如，通过测量食物链中不同组织的碳同位素比例，可以判断某种食物的基础是否是植物还是动物；通过测量体内氮同位素的比例，可以推断生物体的食物来源和营养状态。

3.医学：稳定同位素可以用于医学诊断和治疗。

例如，碳-13呼气试验可以用来检测胃肠道疾病；氧-18标记的药物可以用来研究药物的吸收和代谢过程；氙-129可以用作核磁共振成像的显影剂。

4.食品科学：稳定同位素可以用于检测食品的真实性和质量。

例如，通过测量乳制品中碳同位素的比例，可以区分天然奶和甜奶粉的混合物；通过测量蜂蜜中氧同位素的比例，可以区分野生蜂蜜和添加糖蜜的伪劣产品。

13c稳定同位素标记

13c稳定同位素标记English Answer:13C Stable Isotope Labeling: A Powerful Tool for Biomedical Research.Stable isotope labeling with 13C is a powerful technique used in biomedical research to study metabolic pathways, protein turnover, and other biological processes. By incorporating 13C-labeled precursors into cells or organisms, researchers can track the fate of these molecules and gain insights into their metabolism.There are several advantages to using 13C stable isotope labeling. First, 13C is a nonradioactive isotope, making it safe for use in humans and animals. Second, 13C can be detected and quantified using mass spectrometry, which is a sensitive and specific analytical technique. Third, 13C labeling can be used to study both in vitro and in vivo systems, providing a wide range of experimentalpossibilities.One of the most common applications of 13C stable isotope labeling is in the study of metabolic pathways. By feeding cells or animals with 13C-labeled glucose, for example, researchers can track the fate of glucose through the glycolysis and TCA cycle. This information can be usedto identify rate-limiting steps in metabolism and to study the effects of drugs or other interventions on metabolic pathways.In addition to studying metabolic pathways, 13C stable isotope labeling can also be used to study protein turnover. By feeding cells or animals with 13C-labeled amino acids, researchers can track the incorporation of these aminoacids into proteins. This information can be used to measure protein synthesis and degradation rates, and to study the effects of drugs or other interventions onprotein turnover.13C stable isotope labeling is a powerful tool for biomedical research that has been used to make significantadvances in our understanding of metabolic pathways,protein turnover, and other biological processes. As the technology continues to improve, 13C labeling is likely to play an increasingly important role in biomedical research.Chinese Answer:13C稳定同位素标记，生物医学研究的强大工具。