微生物在面對環(huán)境壓力時,會以聚集的方式形成群體來抵御不利環(huán)境的影響。微生物聚集體的形成和生長繁殖是微生物與其所處環(huán)境之間復(fù)雜交互作用的結(jié)果,是微生物主動或被動調(diào)節(jié)和適應(yīng)其環(huán)境的行為反映。然而,目前對環(huán)境壓力如何脅迫微生物聚集過程的認(rèn)識尚不清晰,缺乏微尺度下微生物聚集過程的定量描述。本文以細菌和單細胞藻類為研究對象,探究限制性營養(yǎng)條件和消毒劑脅迫下水體化學(xué)和微生物行為過程的微觀時空變化模式,構(gòu)建微尺度下微生物聚集過程的數(shù)學(xué)模型,剖析環(huán)境壓力脅迫下細菌運動對其初期附著、聚集的影響機理,以期為控制和利用微生物聚集行為提供理論支撐。首先,以銅綠假單胞菌為研究對象,探討不同營養(yǎng)條件下細菌運動對其初期附著的影響。結(jié)果表明,隨著營養(yǎng)物質(zhì)濃度的增大,細菌運動速度和表面附著均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,其中在稀釋比例為1/50時最高。數(shù)學(xué)模擬結(jié)果表明,受到環(huán)境突變和微觀濃度梯度的雙重影響,中度營養(yǎng)限制條件促進細菌的運動,有助于增大細菌覓食機會以及細胞-細胞和細胞-表面間的碰撞頻率,進而促進細菌的表面附著和聚集。其次,以單細胞藻類為研究對象,研究不同初始氯濃度條件下小球衣藻的運動和聚集行為。結(jié)果表明,低濃度氯會提高小球衣藻的運動速度和聚集,高濃度氯抑制其運動,不利于聚集。影響小球衣藻運動速率的主要原因是投加消毒劑造成的環(huán)境突變所帶來的刺激作用,微尺度下濃度分布的差異性對其影響不顯著;但微觀濃度梯度調(diào)控著藻的運動方向,使其趨向于低濃度區(qū)域。小球衣藻的聚集行為有利于提高其在消毒劑環(huán)境中的生存率。最后,在以上研究的基礎(chǔ)上,研究營養(yǎng)條件對生物膜種群結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,在營養(yǎng)限制條件下,兩種細菌共同接種有利于其初期附著,并且接種菌群越均勻附著率越高;而在營養(yǎng)充足條件下,非運動細菌所占比例越高越有利于初期附著。營養(yǎng)條件通過調(diào)控運動速度影響細菌相互作用,進而改變附著微生物菌群結(jié)構(gòu),其中增大營養(yǎng)濃度會降低生物膜中運動細菌的占比,隨著時間的推移,非運動型細菌占比逐漸增大。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X52;X172
【文章目錄】：
致謝
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 微生物聚集行為研究現(xiàn)狀
        1.2.1 微生物聚集體的形成過程及其優(yōu)勢
        1.2.2 微生物聚集的影響因素
    1.3 微尺度模型研究現(xiàn)狀
        1.3.1 微尺度模型簡介
        1.3.2 基于IbM的微尺度模型在微生物行為研究中的應(yīng)用
    1.4 研究目標(biāo)、內(nèi)容
        1.4.1 研究目標(biāo)
        1.4.2 研究內(nèi)容
        1.4.3 技術(shù)路線
第二章 營養(yǎng)條件對細菌運動及附著行為的影響
    2.1 引言
    2.2 實驗與模擬方法
        2.2.1 實驗方法
        2.2.2 微觀環(huán)境條件模擬
        2.2.3 細菌行為模擬
    2.3 實驗結(jié)果與討論
        2.3.1 環(huán)境營養(yǎng)條件對細菌運動速度的影響
        2.3.2 環(huán)境營養(yǎng)條件對細菌附著的影響
        2.3.3 不同營養(yǎng)條件下細菌運動速度及表面附著的模擬結(jié)果
        2.3.4 不同初始營養(yǎng)條件下物質(zhì)濃度梯度的變化
        2.3.5 細菌運動行為的能量消耗與收益
        2.3.6 環(huán)境營養(yǎng)條件對細菌碰撞頻率的影響
    2.4 小結(jié)
第三章 氯對單細胞藻類聚集行為的影響
    3.1 引言
    3.2 實驗和模擬方法
        3.2.1 實驗方法
        3.2.2 環(huán)境模擬
        3.2.3 微生物行為模擬
    3.3 實驗結(jié)果與討論
        3.3.1 不同氯濃度對小球衣藻運動性的影響
        3.3.2 不同氯濃度對小球衣藻聚集率的影響
        3.3.3 不同氯濃度下小球衣藻的運動速度和聚集的模擬結(jié)果
        3.3.4 氯濃度梯度的變化規(guī)律
        3.3.5 氯對小球衣藻聚集空間分布和碰撞頻率的影響
    3.4 小結(jié)
第四章 營養(yǎng)條件調(diào)控下菌群間互作對初期表面附著的影響
    4.1 引言
    4.2 模擬方法
        4.2.1 環(huán)境模擬
        4.2.2 微生物行為模擬
    4.3 實驗結(jié)果與討論
        4.3.1 營養(yǎng)條件對細菌表面附著的影響
        4.3.2 營養(yǎng)限制條件下菌群配比對附著率的影響
        4.3.3 營養(yǎng)限制條件下菌群配比對細菌碰撞頻率的影響
        4.3.4 細菌的空間分布
    4.4 小結(jié)
第五章 結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 存在的問題與展望
附錄一 底物擴散計算方法
附錄二 細菌運動速度擬合方法
附錄三 模擬參數(shù)表
參考文獻

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