生物膜非线性动力学特性及分形结构

摘要

生物膜是自然界常见的一种生物形态，广泛存在于各种水生环境中、食品工业中和各种管道中，如给水、排水以及工业循环水和冷却水管道；同时广泛应用于各种生化反应操作和污水处理中。生物膜是包含多种微生物的复杂的微生态群落，其中发生着复杂的物理、化学和生物反应，形成一个多层次、多尺度、非线性、非平衡的开放复杂系统。 到目前为止，有关生物膜废水处理系统的基础理论仍然相当缺乏。本论文首先提出了一个可用于描述废水处理系统中生物膜形成的动力学模型。通过对模型的理论分析和数值计算，探讨稀释速率、脱落速率、进水浓度、初始接种污泥浓度等因素对生物膜形成和稳定的影响，得到一些有用的结论。这样不仅从深层次的理论上揭示了生物膜废水处理系统的物理机理，而且在工程应用上也有指导意义。 生物膜的宏观特性是与其微观动力学特征紧密联系在一起的。微观动力学可以用一个新的原理一最大流原理(一个远离平衡的开放复杂系统总是寻找一种优化过程使得系统在给定的约束或代价下所获得的广义流最大)来描述。因此在最大流原理的指导下，建立了生物膜的微观机理模型，并进行了理论研究。通过该模型能够揭示生物膜分形结构的起源和相应的影响因素。分析了广义流的构成和尺度对分形维数的影响。同时通过该模型解释了分形和多分形的微观起源，为现有的分形理论提供了新的解释途径。 本论文最后简要探讨了生物膜微生物细胞内部生物大分子网络的选择，并揭示出了生物膜内部生物大分子网络的一些演化规律，以及生物膜内部大分子相互作用对生物膜结构的影响。

目录

文摘

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第一章生物膜动力学的研究现状与展望

1.1引言

1.2生物膜动力学模型的研究进展

1.2.1唯象微分方程：反应-扩散-对流方程

1.2.2统计力学或基于细菌个体的模拟

1.2.3 Capdeville生物膜增长动力学模型

1.2.4多物种复合生物膜模型

1.2.5现有动力学模型的不足和缺陷

1.3生物膜动力学的实验研究

1.3.1生物膜的异质性

1.3.2生物膜结构参数的测定

1.4生物膜动力学研究的难点和新视角

1.4.1难点

1.4.2新视角

1.5本论文的主要研究方法和手段

第二章生物膜污水处理系统的一个理论模型

2.1生物膜废水处理系统的机理和模型

2.1.1生物膜废水处理系统的物理机理

2.1.2生物膜废水处理系统的数学模型

2.2模型分析

2.3数值计算及讨论

2.4本章小结

第三章生物膜形态和结构形成的机理研究

3.1生物膜的形态和结构的现有认识和研究

3.1.1生物膜的形态和结构

3.1.2生物膜结构的现有数学描述

3.2非平衡统计力学新方法的建立

3.2.1分形、自组织和复杂性理论视野中的生物膜特性

3.2.2非平衡统计力学新方法的建立

3.3新统计力学应用分析

3.4影响生物膜结构的主要因素分析

3.4.1外部因素

3.4.2内部因素

3.5新统计力学揭示的几个重要特征

3.5.1生物膜分形生长的条件：远离平衡态

3.5.2生物膜分形生长的动因：竞争和合作(相变)

3.5.3生物膜分形生长的宏观特征：最理想的优化结构

3.5.4分形生长的标度量化：动力学特征

3.5.5分形生长的特性：系统的鲁棒性(robustness)

3.6应用与展望

3.6.1学术应用

3.6.2工程应用

3.7本章小结

第四章生物膜细胞内大分子复杂网络结构形成的机理

4.1引言

4.2生物膜细胞内复杂网络的形成和演化

4.2.1网络的选择和网络基序的形成

4.2.2自复制和自组装

4.2.3遗传和变异

4.2.4等级、层次的出现、多层次和多尺度

4.2.5大分子网络复杂性的增加

4.2.6进化、优化和复杂性

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2遗留问题与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

附 录

致 谢