微生物计量技术研究进展及发展趋势（三）

2.2微生物计量在生物制药中的应用

微生物计量在生物制药特别是微生物发酵制药领域也有广泛应用前景。微生物发酵不仅可以生产药物例如抗菌素和维生素等，也可以生产功能食品辅料（如辅酶Q10）。但无论生产何种目标产物，微生物发酵过程都是利用其具有代谢活力的活菌作为主体的，所以生产率与有代谢活力的活菌的数量密切相关。在发酵过程中为获得更高的产量就必须精准控制各项参数，其中活菌数量是生物过程优化中最为关键的参数，尤其是活菌浓度与其状态变化分析，可以反映细菌的生长和产物的合成代谢，是整个生物发酵过程研究的核心。

只有准确测定发酵过程中的活菌数量，才能通过严格控制补料速率来调整微生物密度，从而实现微生物的大规模发酵培养。过去常用的离线测定方法包括平板计数方法、细胞干重方法和吸光度法，都需要把发酵罐打开取样后再进行测定，频繁的采样测定会提高污染杂菌的风险，一旦发酵罐内产品被染菌污染，就要全部倒掉从而造成至少数百万元甚至上千万元的经济损失。目前，人们已经逐步开始采用包括电容法（Electrode method）在内的在线测定方法进行发酵微生物浓度测定，然而由于光密度法和荧光法无法区分死活菌，电极法的优势则逐渐显现。电极法主要原理是活菌具有完整细胞结构可以被极化而死菌不能。因此，在无线电频率范围内，有完整原生质膜的活菌像一个电容器，产生的电容值在一定范围内与活菌浓度成正比（如图2）。但电容法测量活菌量是一种相对测量方法，需要建立电容值和活菌数的标准曲线才能进行准确测量，因此建立这个标准曲线就显得尤为重要。

类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）是微生物发酵应用中主要产辅酶Q10的微生物之一。中国计量科学研究院建立了基于流式分析技术的类球红细菌精准测量方法。采用该方法对系列稀释后的类球红细菌进行定值后与采用电极法测量活菌的结果进行对比发现：在浓度为106～1010 cells/m L的活细胞体系中，电极法测定的电容值与流式检测结果之间具有良好的线性关系，表明两种检测方法对类球红细菌的活菌计数无显著差异（如图3）。此外，我们初步建立起了类球红细菌的量值溯源传递体系，使得活菌在线检测量值可以通过类球红细菌标准物质进行溯源，并通过国内外比对达到全国甚至全球测量量值统一，可以实现不同时间、不同空间、不同操作人之间的量值复现和一致性。进一步在此基础上结合同位素标记实验研究胞内的代谢途径通量变化优化合成代谢网络，建立了基于在线活菌量定量控制的新工艺，对于辅酶Q10合成速率维持及生产成本降低具有重要意义。以生产辅酶Q10的某企业为例：通过建立基于在线活菌定量测量进行生产质控的新工艺，辅酶Q10产能由原年产量350吨提升至402.5吨，提升了15%。每吨价格按2 400元计算，新增产值1.26亿元；每吨利润按700元计算，新增利润3 675万元。由此可见微生物计量对于生物制药产业的质量和效益提升发挥了重要作用。

2.3微生物计量在生物安全防护性能评价中的应用

生物安全防护装备是高等级生物安全实验室的硬件基础和关键防护屏障，生物安全柜则是生物安全防护装备最主要防护装备之一，其防护性能的好坏直接关系着实验人员和所处实验环境的安全。尤其在新冠疫情期间，生物安全柜为医护人员和科研人员从事新冠病毒检测筑起了“第一道防线”，因此其防护性能评价十分重要，一直以来受到了国内外的高度关注。在生物安全防护装备性能评价方面，中国计量科学研究院经过多年的技术积累和储备，牵头起草了JJF1815-2020《Ⅱ级生物安全柜校准规范》和JJF 1826-2020《空气微生物采样器校准规范》等一系列重要仪器设备计量技术规范。其中JJF1815-2020规范中人员保护、产品保护和交叉污染保护是生物安全柜的关键参数，其性能评价需要使用数量准确的微生物标准物质。中国计量科学研究院采用免疫荧光标记与流式定量分析技术开发了高浓度量值微生物标准物质制备技术，并有效解决了微生物标准物质批次间差异大的难题。基于该技术中国计量科学研究院已经研制出3种不同浓度的枯草芽孢杆菌芽孢计数标准物质（见表2），并成功获批国家一级标准物质，可以确保性能评价指示菌的量值准确、可比、可溯源，为生物安全防护装备性能评价和消毒灭菌效果评价提供了强有力的计量技术支撑和保障。

3结论

作为计量科学的重要组成部分之一，微生物计量研究虽然起步较晚但发展非常迅速。历经近十年的不断探索和研究，中国计量科学研究院已经研究建立了微生物精准测量方法和计量标准，并在国际计量局物质的量咨询委员会（CCQM）、亚太计量规划组织（APMP）和亚洲标准物质联合研发组织（ACRM）上积极主导微生物国际对比项目，还与菲律宾、白俄罗斯、泰国、韩国等周边和一带一路沿线国家开展微生物计量的培训和交流，我国微生物计量研究在国际上的影响力已经初步显现。

“微观生命”的神奇和复杂性决定了微生物计量研究将任重而道远，为了应对微生物复杂测量的挑战，满足国家产业和人民生命健康对微生物精准测量的需求，需要不断向微生物计量技术广度和深度进军。未来，我们将继续深入探索研究多维度微生物活性表征技术和建立微生物量值溯源体系，精准揭示微生物与人类和环境相互作用机理；继续加大微生物计量技术成果转化力度，促进我国生物产业的高质量发展；继续积极推动微生物计量国际比对，实现微生物测量量值的全球统一，抢占全球微生物计量研究的制高点。

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