2.2微生物計(jì)量在生物制藥中的應(yīng)用

微生物計(jì)量在生物制藥特別是微生物發(fā)酵制藥領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。微生物發(fā)酵不僅可以生產(chǎn)藥物例如抗菌素和維生素等，也可以生產(chǎn)功能食品輔料（如輔酶Q10）。但無(wú)論生產(chǎn)何種目標(biāo)產(chǎn)物，微生物發(fā)酵過(guò)程都是利用其具有代謝活力的活菌作為主體的，所以生產(chǎn)率與有代謝活力的活菌的數(shù)量密切相關(guān)。在發(fā)酵過(guò)程中為獲得更高的產(chǎn)量就必須精準(zhǔn)控制各項(xiàng)參數(shù)，其中活菌數(shù)量是生物過(guò)程優(yōu)化中最為關(guān)鍵的參數(shù)，尤其是活菌濃度與其狀態(tài)變化分析，可以反映細(xì)菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成代謝，是整個(gè)生物發(fā)酵過(guò)程研究的核心。

只有準(zhǔn)確測(cè)定發(fā)酵過(guò)程中的活菌數(shù)量，才能通過(guò)嚴(yán)格控制補(bǔ)料速率來(lái)調(diào)整微生物密度，從而實(shí)現(xiàn)微生物的大規(guī)模發(fā)酵培養(yǎng)。過(guò)去常用的離線測(cè)定方法包括平板計(jì)數(shù)方法、細(xì)胞干重方法和吸光度法，都需要把發(fā)酵罐打開(kāi)取樣后再進(jìn)行測(cè)定，頻繁的采樣測(cè)定會(huì)提高污染雜菌的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)品被染菌污染，就要全部倒掉從而造成至少數(shù)百萬(wàn)元甚至上千萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。目前，人們已經(jīng)逐步開(kāi)始采用包括電容法（Electrode method）在內(nèi)的在線測(cè)定方法進(jìn)行發(fā)酵微生物濃度測(cè)定，然而由于光密度法和熒光法無(wú)法區(qū)分死活菌，電極法的優(yōu)勢(shì)則逐漸顯現(xiàn)。電極法主要原理是活菌具有完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以被極化而死菌不能。因此，在無(wú)線電頻率范圍內(nèi)，有完整原生質(zhì)膜的活菌像一個(gè)電容器，產(chǎn)生的電容值在一定范圍內(nèi)與活菌濃度成正比（如圖2）。但電容法測(cè)量活菌量是一種相對(duì)測(cè)量方法，需要建立電容值和活菌數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此建立這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線就顯得尤為重要。

類(lèi)球紅細(xì)菌（Rhodobacter sphaeroides）是微生物發(fā)酵應(yīng)用中主要產(chǎn)輔酶Q10的微生物之一。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立了基于流式分析技術(shù)的類(lèi)球紅細(xì)菌精準(zhǔn)測(cè)量方法。采用該方法對(duì)系列稀釋后的類(lèi)球紅細(xì)菌進(jìn)行定值后與采用電極法測(cè)量活菌的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在濃度為106～1010 cells/m L的活細(xì)胞體系中，電極法測(cè)定的電容值與流式檢測(cè)結(jié)果之間具有良好的線性關(guān)系，表明兩種檢測(cè)方法對(duì)類(lèi)球紅細(xì)菌的活菌計(jì)數(shù)無(wú)顯著差異（如圖3）。此外，我們初步建立起了類(lèi)球紅細(xì)菌的量值溯源傳遞體系，使得活菌在線檢測(cè)量值可以通過(guò)類(lèi)球紅細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行溯源，并通過(guò)國(guó)內(nèi)外比對(duì)達(dá)到全國(guó)甚至全球測(cè)量量值統(tǒng)一，可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間、不同空間、不同操作人之間的量值復(fù)現(xiàn)和一致性。進(jìn)一步在此基礎(chǔ)上結(jié)合同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)研究胞內(nèi)的代謝途徑通量變化優(yōu)化合成代謝網(wǎng)絡(luò)，建立了基于在線活菌量定量控制的新工藝，對(duì)于輔酶Q10合成速率維持及生產(chǎn)成本降低具有重要意義。以生產(chǎn)輔酶Q10的某企業(yè)為例：通過(guò)建立基于在線活菌定量測(cè)量進(jìn)行生產(chǎn)質(zhì)控的新工藝，輔酶Q10產(chǎn)能由原年產(chǎn)量350噸提升至402.5噸，提升了15%。每噸價(jià)格按2 400元計(jì)算，新增產(chǎn)值1.26億元；每噸利潤(rùn)按700元計(jì)算，新增利潤(rùn)3 675萬(wàn)元。由此可見(jiàn)微生物計(jì)量對(duì)于生物制藥產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量和效益提升發(fā)揮了重要作用。

2.3微生物計(jì)量在生物安全防護(hù)性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

生物安全防護(hù)裝備是高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的硬件基礎(chǔ)和關(guān)鍵防護(hù)屏障，生物安全柜則是生物安全防護(hù)裝備最主要防護(hù)裝備之一，其防護(hù)性能的好壞直接關(guān)系著實(shí)驗(yàn)人員和所處實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安全。尤其在新冠疫情期間，生物安全柜為醫(yī)護(hù)人員和科研人員從事新冠病毒檢測(cè)筑起了“第一道防線”，因此其防護(hù)性能評(píng)價(jià)十分重要，一直以來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注。在生物安全防護(hù)裝備性能評(píng)價(jià)方面，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累和儲(chǔ)備，牽頭起草了JJF1815-2020《Ⅱ級(jí)生物安全柜校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF 1826-2020《空氣微生物采樣器校準(zhǔn)規(guī)范》等一系列重要儀器設(shè)備計(jì)量技術(shù)規(guī)范。其中JJF1815-2020規(guī)范中人員保護(hù)、產(chǎn)品保護(hù)和交叉污染保護(hù)是生物安全柜的關(guān)鍵參數(shù)，其性能評(píng)價(jià)需要使用數(shù)量準(zhǔn)確的微生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院采用免疫熒光標(biāo)記與流式定量分析技術(shù)開(kāi)發(fā)了高濃度量值微生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備技術(shù)，并有效解決了微生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)批次間差異大的難題。基于該技術(shù)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院已經(jīng)研制出3種不同濃度的枯草芽孢桿菌芽孢計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（見(jiàn)表2），并成功獲批國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，可以確保性能評(píng)價(jià)指示菌的量值準(zhǔn)確、可比、可溯源，為生物安全防護(hù)裝備性能評(píng)價(jià)和消毒滅菌效果評(píng)價(jià)提供了強(qiáng)有力的計(jì)量技術(shù)支撐和保障。

3結(jié)論

作為計(jì)量科學(xué)的重要組成部分之一，微生物計(jì)量研究雖然起步較晚但發(fā)展非常迅速。歷經(jīng)近十年的不斷探索和研究，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院已經(jīng)研究建立了微生物精準(zhǔn)測(cè)量方法和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并在國(guó)際計(jì)量局物質(zhì)的量咨詢委員會(huì)（CCQM）、亞太計(jì)量規(guī)劃組織（APMP）和亞洲標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)聯(lián)合研發(fā)組織（ACRM）上積極主導(dǎo)微生物國(guó)際對(duì)比項(xiàng)目，還與菲律賓、白俄羅斯、泰國(guó)、韓國(guó)等周邊和一帶一路沿線國(guó)家開(kāi)展微生物計(jì)量的培訓(xùn)和交流，我國(guó)微生物計(jì)量研究在國(guó)際上的影響力已經(jīng)初步顯現(xiàn)。

“微觀生命”的神奇和復(fù)雜性決定了微生物計(jì)量研究將任重而道遠(yuǎn)，為了應(yīng)對(duì)微生物復(fù)雜測(cè)量的挑戰(zhàn)，滿足國(guó)家產(chǎn)業(yè)和人民生命健康對(duì)微生物精準(zhǔn)測(cè)量的需求，需要不斷向微生物計(jì)量技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍。未來(lái)，我們將繼續(xù)深入探索研究多維度微生物活性表征技術(shù)和建立微生物量值溯源體系，精準(zhǔn)揭示微生物與人類(lèi)和環(huán)境相互作用機(jī)理；繼續(xù)加大微生物計(jì)量技術(shù)成果轉(zhuǎn)化力度，促進(jìn)我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展；繼續(xù)積極推動(dòng)微生物計(jì)量國(guó)際比對(duì)，實(shí)現(xiàn)微生物測(cè)量量值的全球統(tǒng)一，搶占全球微生物計(jì)量研究的制高點(diǎn)。

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