生物膜生长动力学建模研究

发布时间：2018-01-04 15:06

  本文关键词：生物膜生长动力学建模研究　出处：《武汉大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：生物膜是由多种细菌积聚在潮湿物体表面而形成复杂空间结构,生物膜的形成是微生物通过相互作用来实现共同保护的普遍策略。生物膜的形成有利于微生物的生存,同时也是造成许多社会危害原因,如管道内微生物淤积、设备腐蚀、慢性感染以及植入医疗器械感染等；同时生物膜在污水处理,土壤修复和微生物燃料电池等方面有重要应用。因此生物膜生长动力学的研究有助于人类控制和利用生物膜生长。本文通过建立枯草芽孢杆菌生物膜在琼脂表面生长动力学模型来量化生物膜生长动力学受微环境的影响和揭示生物膜生长过程中各种生物物理过程间的关系。在琼脂表面分别培养野生型和不产生表多糖的突变型枯草芽孢杆菌生物膜,通过图像处理的方法来得到实验中枯草芽孢杆菌生物膜随时间变化的生长曲线。建立基于反应—扩散理论的连续介质模型来描述枯草芽孢杆菌生物膜在琼脂表面生长过程,采用扩展有限元与水平集结合的方法来实现模拟过程。数值实验得到生物膜形貌与限制性营养物质消耗的定量关系,数值结果与实验对比发现,以谷氨酸为限制性营养物质的生物膜模拟结果与实验中不产生表多糖的突变型枯草芽孢杆菌生物膜的生长曲线一致,表明谷氨酸是琼脂表面生长的枯草芽孢杆菌生物膜生长的限制性营养物质,同时也说明了该生物膜处于扩散限制机制。数值实验表明琼脂表面生物膜的生长的最大半径、最大厚度与其初始营养物浓度成线性关系,与其最大营养吸收速率成非线性负相关。在野生型枯草芽孢杆菌生物膜内,随着表多糖的产生,其内部渗透压增加而从琼脂表面吸收更多的水溶液,加速了生物膜的生长和在琼脂表面上的扩张,该生物物理过程有利有生物膜的生存。本模型框架也可以用于研究生物膜内的细菌表现型转化与营养条件的关系以及细胞膜褶皱内的营养输运等生物物理现象。
[Abstract]:A continuous medium model based on reaction - diffusion theory has been used to describe the growth kinetics of Bacillus subtilis biofilm on agar surface .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q73

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