[論文レビュー] Numerical simulation of growth of Escherichia coli in unsaturated porous media

Pavel Hron, Daniel Jost+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Fecal contamination and water quality参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、バッチ実験の逆問題モデリングを用いてキャリブレーションされた、不飽和多孔質媒体内での *Escherichia coli* の成長を記述する修正された二重コントイス動力学モデルを開発した。このモデルは、追加のキャリブレーションを要せず、好気的および嫌気的条件下でのヘレ・ショウセル実験における細胞密度プロファイルを正確に予測でき、バッチ系から多孔質媒体系への高い移行性を示した。

ABSTRACT

A model for the aerobic and anaerobic growth of Escherichia coli (HB101 K12 pGLO) depending on the concentration of oxygen and DOC as substrate has been developed based on laboratory batch experiments. Using inverse modelling to obtain optimal sets of parameters, it could be shown that a model based on a modified double Contois kinetic can predict cell densities, organic carbon utilisation, oxygen transfer and utilisation rates for a large number of experiments under aerobic and anaerobic conditions with a single unique set of parameters. The model was extended to describe growth of E. coli in unsaturated porous media, combining diffusion, phase exchange and microbiological growth. Experiments in a Hele-Shaw cell, filled with quartz sand, were conducted to study bacterial growth in the capillary fringe above a saturated porous medium. Cell density profiles in the Hele-Shaw cell were predicted with the growth model and the parameters from the batch experiments without any further calibration. They showed a very good qualitative and quantitative agreement with cell densities determined from samples taken from the Hele-Shaw cell by re-suspension and subsequent counting. Thus it could be shown, that it is possible to successfully transfer growth parameters from batch experiments to porous media for both aerobic and anaerobic conditions.

研究の動機と目的

• ラボバッチ実験に基づき、好気的および嫌気的条件下での *E. coli* の成長を記述する機械的メカニズムモデルの構築。
• 多様なバッチ実験データを正確に記述できる、一意の動力学的パラメータセットの特定。
• バッチ成長モデルを拡張し、拡散、相間移動、基質輸送を含む不飽和多孔質媒体内での微生物動態をシミュレートすること。
• 追加のキャリブレーションを要せず、物理的実験（ヘレ・ショウセル）においてキャピラリー膜領域条件下でのモデルの予測能力を検証すること。
• 多孔質媒体内での空気-水界面面積モデルの違いが、細菌成長予測に与える影響の感度を評価すること。

提案手法

• 酸素および溶解性有機炭素（DOC）濃度に依存する *E. coli* の成長を記述する、修正された二重コントイス成長動力学モデルを構築した。
• 複数のバッチ実験データセットにモデルパラメータをフィットさせるために逆問題モデリングを適用し、シミュレートされたと測定された細胞密度、基質消費、酸素消費の残差を最小化した。
• 多孔質媒体内での酸素相間移動および基質拡散の物理的サブモデルと成長モデルを統合した。
• 空気-水界面面積のニーメットモデルを用い、界面面積を水換算度および粒子径と関連づけた。
• バッチ実験から得たパラメータのみを用いて、石英砂で満たされたヘレ・ショウセル内でのバクテリア成長を、不飽和流動条件下でシミュレートした。
• 再懸濁およびプラート法で得られた実験的細胞密度プロファイルと照合して、シミュレーションを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バッチ実験から得た一組の動力学的パラメータが、多様な好気的および嫌気的条件下での *E. coli* の成長を正確に予測できるか？
• RQ2 修正された二重コントイス成長モデルは、同時に好気的および嫌気的成長ダイナミクスをどれほど正確に捉えることができるか？
• RQ3 バッチ系でキャリブレーションされたパラメータが、キャピラリー膜のような複雑な多孔質媒体環境における成長予測にどの程度適用可能か？
• RQ4 多孔質媒体内での細菌成長予測に、空気-水界面面積の異なるモデルがどのように影響を与えるか？
• RQ5 モデルは、ヘレ・ショウセル実験における空間的細胞密度分布の予測精度をどの程度達成できるか？

主な発見

• 複数のバッチ実験の逆問題モデリングから得た一意のパラメータセットが、好気的および嫌気的条件下での *E. coli* の成長ダイナミクスを成功裏に予測した。
• 修正された二重コントイスモデルは、バッチ培養からの実験データのフィッティングにおいて、他の代替動力学モデルを上回った。
• ヘレ・ショウセル実験における細胞密度プロファイルを、追加のキャリブレーションなしに正確に予測でき、多孔質媒体環境下での強い予測能力を示した。
• 粒子径 0.35 mm を用いた場合、ニーメットモデルによる空気-水界面面積が実験データと最も一致し、石英砂の小さな粒子径と一致した。
• モデルは、粒子径が小さい場合に、水換算度が低くなる（位置が下がる）高水換算度領域で細胞密度のピークを予測しており、低換算度での基質の利用可能性の低下と整合的であった。
• シミュレーション結果は、測定された細胞密度と良好な定性的および定量的整合性を示し、異なる物理的および生物学的条件下でもモデルの頑健性が確認された。