18、基于信号时空逻辑的3D生物膜模拟时空模型检查

基于信号时空逻辑的3D生物膜模拟时空模型检查

生物膜是微生物群落，它们被包裹在自我产生的细胞外基质中，微生物相互粘连或附着在表面上。这种结构复杂性为生物膜提供了生物和机械稳定性，使其能够抵抗环境压力，如营养限制或流体流动引起的剪切力。理解生物膜结构特征随环境变化的响应，对于设计和维护与生物膜相关的应用（如废水处理或生物修复）至关重要。本文将介绍如何使用信号时空逻辑（SSTL）模型检查来分析3D个体生物膜模拟的动力学。

1. 引言

空间生物建模和模拟是理解生物系统复杂结构特征的强大方法。在微生物生态学领域，微生物群落的空间建模通常有两种方式：基于种群的模型（PbMs）和基于个体的模型（IbMs）。

• 基于种群的模型（PbMs） ：使用偏微分方程直接描述种群随时间和空间的变化，是连续模型，时间、空间和微生物密度是连续变量。
• 基于个体的模型（IbMs） ：将环境条件（如可溶性营养物质）表示为连续场，将个体微生物表示为离散粒子。每个微生物都有自己的一组生物和物理属性，这些属性受细胞内和细胞外过程的影响，导致复杂的空间和时间行为的出现。

然而，对模拟的时空属性进行事后分析具有挑战性，通常需要手动检查模拟轨迹或开发复杂的定制算法进行数据处理。为了缓解这个问题，本文提出使用时空模型检查来指定和正式验证生物特征在空间和时间上的表现。

2. 微生物群落空间建模方法

在微生物生态学中，为了理解微生物群落的行为和特性，常采用空间建模的方法。主要有基于种群的模型（PbMs）和基于个体的模型（IbMs）这两种方式，它们