微尺度下微生物聚集过程模拟解析

作     者：顾越 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘丽;王国庆

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：环境压力 微生物运动 初期附着 微生物聚集 种群结构 

摘      要：微生物在面对环境压力时,会以聚集的方式形成群体来抵御不利环境的影响。微生物聚集体的形成和生长繁殖是微生物与其所处环境之间复杂交互作用的结果,是微生物主动或被动调节和适应其环境的行为反映。然而,目前对环境压力如何胁迫微生物聚集过程的认识尚不清晰,缺乏微尺度下微生物聚集过程的定量描述。本文以细菌和单细胞藻类为研究对象,探究限制性营养条件和消毒剂胁迫下水体化学和微生物行为过程的微观时空变化模式,构建微尺度下微生物聚集过程的数学模型,剖析环境压力胁迫下细菌运动对其初期附着、聚集的影响机理,以期为控制和利用微生物聚集行为提供理论支撑。首先,以铜绿假单胞菌为研究对象,探讨不同营养条件下细菌运动对其初期附着的影响。结果表明,随着营养物质浓度的增大,细菌运动速度和表面附着均呈现先升高后降低的趋势,其中在稀释比例为1/50时最高。数学模拟结果表明,受到环境突变和微观浓度梯度的双重影响,中度营养限制条件促进细菌的运动,有助于增大细菌觅食机会以及细胞-细胞和细胞-表面间的碰撞频率,进而促进细菌的表面附着和聚集。其次,以单细胞藻类为研究对象,研究不同初始氯浓度条件下小球衣藻的运动和聚集行为。结果表明,低浓度氯会提高小球衣藻的运动速度和聚集,高浓度氯抑制其运动,不利于聚集。影响小球衣藻运动速率的主要原因是投加消毒剂造成的环境突变所带来的刺激作用,微尺度下浓度分布的差异性对其影响不显著;但微观浓度梯度调控着藻的运动方向,使其趋向于低浓度区域。小球衣藻的聚集行为有利于提高其在消毒剂环境中的生存率。最后,在以上研究的基础上,研究营养条件对生物膜种群结构的影响。结果表明,在营养限制条件下,两种细菌共同接种有利于其初期附着,并且接种菌群越均匀附着率越高;而在营养充足条件下,非运动细菌所占比例越高越有利于初期附着。营养条件通过调控运动速度影响细菌相互作用,进而改变附着微生物菌群结构,其中增大营养浓度会降低生物膜中运动细菌的占比,随着时间的推移,非运动型细菌占比逐渐增大。