生物菌落膜表面形貌形成的力学研究

摘要

生物菌落膜是大量微生物彼此粘附、聚集的膜状结构.菌落膜一方面影响伤口愈合、产生生物淤积,另一方面在植物保护、污染治理和微生物燃料电池中有重要应用.由于营养物质具有浓度梯度,菌落膜内的细胞生长通常表现出空间差异,因而产生宏观尺度上的应力.该应力足以触发失稳,导致褶皱形貌.已有研究认为这种褶皱形貌对于营养物质在生物膜中的输运起关键作用.然而,生物膜表面褶皱的形成和调控机制尚不清楚.本文建立力学模型,从薄膜–基底系统失稳的角度阐释菌落膜表面形貌的形成机制.在获得临界失稳的理论解后,采用Ginzburg-Landau动力学方法和Fourier谱方法结合的途径模拟失稳形貌,给出了不同生长应变下的形貌相图.所得结果与文献中的实验结果吻合,并能对不同生长空间分布下的复杂形貌进行预测.