[논문 리뷰] Numerical simulation of growth of Escherichia coli in unsaturated porous media

Pavel Hron, Daniel Jost외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 14.

Fecal contamination and water quality참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 배치 실험의 역모델링을 통해 校正된 비포화 다孔성 매질 내 *Escherichia coli* 성장에 대한 수정된 더블 컨토이스 동역학 모델을 개발한다. 이 모델은 추가 校정 없이 산소가 존재하는 조건과 혐기 조건에서 모두 Hele-Shaw 셀 실험에서 세포 밀도 프로파일을 성공적으로 예측하여, 배치 시스템에서 다공성 매질 시스템으로의 강력한 이행성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실험실에서의 배치 실험 기반으로 산소 존재 및 혐기 조건에서의 *E. coli* 성장에 대한 기계적 모델을 개발한다.
• 다양한 배치 실험 데이터를 정확하게 기술할 수 있는 유일한 동역학 매개변수 조합을 도출한다.
• 배치 성장 모델을 확장하여 다공성 매질 내 미생물 역학을 시뮬레이션할 수 있도록, 확산, 상 간 이동 및 기질 이동을 포함한다.
• 추가적인 校정 없이도 다공성 매질 조건에서의 물리적 실험(Hele-Shaw 셀)에서 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 다공성 매질 내 공기-수분 계면 면적 모델의 다양성이 다공성 매질 내 세균 성장 예측에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 산소 농도와 용해유기탄소(DOC) 농도에 따라 변화하는 *E. coli* 성장을 기술하기 위해 수정된 더블 컨토이스 성장 동역학 모델을 개발하였다.
• 모델 매개변수를 다수의 배치 실험 데이터셋에 적합시키기 위해 역모델링을 적용하였으며, 시뮬레이션된 세포 밀도, 기질 소비 및 산소 소비량 간 잔차를 최소화하였다.
• 다공성 매질 내 산소 상 간 이동 및 기질 확산을 위한 물리적 하위모델과 성장 모델을 통합하였다.
• 공기-수분 계면 면적을 다공성 매질 내에서 모델링하기 위해 Niemet 모델을 사용하였으며, 이는 수분 포화도와 입자 크기와의 관계를 기반으로 한다.
• 모든 매개변수를 배치 실험에서 유도하여, 규칙적인 모래로 채워진 Hele-Shaw 셀 내에서 비포화 유량 조건 하에서 세균 성장을 시뮬레이션하였다.
• 재분산 및 배지법으로 확보한 실험적 세포 밀도 프로파일과 비교하여 시뮬레이션 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배치 실험에서 유도된 유일한 매개변수 조합이 다양한 산소 존재 및 혐기 조건에서 *E. coli* 성장을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 수정된 더블 컨토이스 성장 모델이 동시에 산소 존재 및 혐기 조건에서의 *E. coli* 성장 역학을 얼마나 잘 기술할 수 있는가?
• RQ3 배치 시스템에서 校정된 매개변수들이 캡일러리 프리지 조건과 같은 복잡한 다공성 매질 환경에서의 성장 예측에 얼마나 잘 이행되는가?
• RQ4 다공성 매질 내 세균 성장 예측에 영향을 미치는 공기-수분 계면 면적 모델의 다양성은 어떠한가?
• RQ5 Hele-Shaw 셀 실험에서 공간적 세포 밀도 분포를 시뮬레이션할 때 모델의 예측 정확도는 어떠한가?

주요 결과

• 다수의 배치 실험에 대한 역모델링을 통해 유도된 유일한 매개변수 조합이 산소 존재 및 혐기 조건에서의 *E. coli* 성장 역학을 성공적으로 예측하였다.
• 수정된 더블 컨토이스 모델은 배치 배양에서의 실험 데이터를 보다 잘 맞추는 데에 다른 동역학 모델보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 추가적인 校정 없이도 Hele-Shaw 셀 실험에서의 세포 밀도 프로파일을 정확하게 예측하여, 다공성 매질 환경에서의 강력한 예측 능력을 입증하였다.
• 입자 직경 0.35 mm를 사용할 경우 Niemet 모델이 실험 데이터와 가장 잘 일치하였으며, 이는 퇴적 모래의 더 작은 입자 크기와 일치하였다.
• 더 작은 입자 크기에서는 낮은 수분 포화도에서 기질 가용성이 감소하므로, 더 높은 수분 포화도(낮은 위치)에서 세포 밀도의 피크를 예측하였다.
• 시뮬레이션 결과는 측정된 세포 밀도와 양적·정성적으로 잘 일치하여, 다양한 물리적 및 생물학적 조건에서 모델의 강건성을 확인하였다.