19、SSTL模型在生物膜系统时空特性检查中的应用

SSTL模型在生物膜系统时空特性检查中的应用

1. 引言

生物膜系统在众多实际应用中发挥着重要作用，了解其时空特性对于预测生物膜的影响至关重要。本文将介绍如何使用SSTL（Spatio - Temporal Logic）模型来检查生物膜系统的时空特性，包括生物膜表面形态和在流体环境中的变形与分离。

2. 生物膜表面形态研究

生物膜能够通过调整其表面结构来感知营养浓度梯度。理解生物膜在相关环境条件下的形态，对于预测其在许多实际应用中的影响至关重要。例如，生物膜形态被认为对赋予抗微生物抗性的突变的出现至关重要。表面不规则（因此表面积大）的生物膜可以显著提高其在废水处理过程中的性能。

2.1 生物膜生长模型

为了研究生物膜的表面形态，我们开发了一个单物种生物膜模型，该模型考虑了异养生物及其EPS（胞外聚合物）的产生。以下是模型的关键参数和基于个体的建模（IbM）过程：
| 参数和设置 | 值 | 单位 |
| — | — | — |
| 尺寸 | 100 × 40 × 80 µm | - |
| 笛卡尔网格元素 | 30 × 12 × 24 | 网格 |
| SSTL网格元素（属性1） | 30 × 12 × 24 | 网格 |
| 初始微生物 | 40 | - |
| SSTL时间点（dt） | 1000 | 秒 |
| 模拟时间 | 9.5 | 天 |
| 底物本体浓度 | 0.1–0.3 | g/m³ |
| IbM过程 | 生物学：微生物生长、分裂、EPS产生；化学：营养物质质量平衡；物理学：接触力、EPS粘附 | - |