[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究基于批量实验的反演建模，开发了一种改进的双Contois动力学模型，用于描述*大肠杆菌*在非饱和多孔介质中的生长。该模型在无需额外校准的情况下，成功预测了在好氧和厌氧条件下Hele-Shaw细胞实验中的细胞密度分布，展示了从批量系统到多孔介质系统的强大可转移性。

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.

研究动机与目标

• 基于实验室批量实验，开发一种描述*大肠杆菌*在好氧和厌氧条件下生长的机理模型。
• 确定一组唯一且准确描述多种批量实验数据的动力学参数。
• 将批量生长模型扩展至模拟非饱和多孔介质中的微生物动态，包括扩散、相态交换和底物传输。
• 在无需额外校准的情况下，通过物理实验（Hele-Shaw细胞）验证模型的预测能力，实验条件为毛细管饱和带。
• 评估不同空气-水界面面积模型在多孔介质中对模型预测结果的影响。

提出的方法

• 开发了一种改进的双Contois生长动力学模型，用于描述*大肠杆菌*生长对氧气和溶解性有机碳（DOC）浓度的依赖性。
• 应用反演建模方法，将模型参数拟合至多个批量实验数据集，最小化模拟结果与实测细胞密度、底物消耗及氧气消耗之间的残差。
• 将生长模型与多孔介质中氧气相态交换和底物扩散的物理子模型相结合。
• 采用Niemet模型描述多孔介质中的空气-水界面面积，该模型将界面面积与水饱和度和颗粒粒径关联。
• 仅使用从批量实验中获得的参数，模拟了在非饱和流态条件下填充石英砂的Hele-Shaw细胞中的细菌生长。
• 通过重新悬浮和涂布法获得的实验细胞密度分布，对模拟结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从批量实验中获得的一组唯一参数，准确预测*大肠杆菌*在多种好氧和厌氧条件下的生长？
• RQ2 改进的双Contois生长模型在同时捕捉*大肠杆菌*的好氧和厌氧生长动态方面表现如何？
• RQ3 在批量系统中校准的参数，在预测复杂多孔介质环境（如毛细管饱和带）中的生长时，其可转移性如何？
• RQ4 不同空气-水界面面积模型对非饱和多孔介质中细菌生长预测结果的影响程度如何？
• RQ5 该模型在模拟Hele-Shaw细胞实验中空间细胞密度分布方面的预测精度如何？

主要发现

• 通过多组批量实验的反演建模获得的一组唯一参数，成功预测了*大肠杆菌*在好氧和厌氧条件下的生长动态。
• 改进的双Contois模型在拟合批量培养实验数据方面优于其他替代动力学模型。
• 该模型在无需额外校准的情况下，准确预测了Hele-Shaw细胞实验中的细胞密度分布，显示出在多孔介质环境中的强大预测能力。
• 当采用0.35 mm的颗粒直径时，Niemet模型在空气-水界面面积上的预测与实验数据吻合最佳，与石英砂中较小的颗粒尺寸一致。
• 模型预测在较小颗粒尺寸下，细胞密度峰值出现在较高水饱和度（较低位置），这与低饱和度下底物可利用性降低的规律一致。
• 模拟结果与实测细胞密度在定性和定量上均表现出良好一致性，证实了该模型在不同物理和生物条件下的鲁棒性。