噪聲干擾下水環(huán)境中微生物生長動力學(xué)模型研究.pdf

1、近年來，隨著水體污染的日益加重，生物修復(fù)技術(shù)以其成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)成為人們研究的熱點(diǎn)。微生物修復(fù)技術(shù)作為生物修復(fù)中的核心技術(shù)，主要利用自身分解能力，將水體中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定無害的無機(jī)物，例如氧化、還原、光合、同化和異化等，從而修復(fù)水體，改善水體的質(zhì)量。由于微生物細(xì)胞生長過程的復(fù)雜性與各種條件的局限，研究學(xué)者一般采用數(shù)學(xué)模型來描述微生物細(xì)胞在自然實(shí)際環(huán)境中的生長過程，即在未對微生物細(xì)胞進(jìn)行檢測的前提下預(yù)測微生物的生長情況。但是非線

2、性隨機(jī)系統(tǒng)與自然環(huán)境之間不可能完全處于隔絕狀態(tài)，無規(guī)則變化的擾動可能會對隨機(jī)系統(tǒng)起消極作用，但在一定條件下也有可能起著非常積極的促進(jìn)作用。
　　目前，運(yùn)用噪聲模擬非線性隨機(jī)系統(tǒng)的無規(guī)則擾動已經(jīng)引起了廣泛的注意，在物理、化學(xué)和生物等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都非常廣泛。對于常用的微生物成長預(yù)測模型來說，環(huán)境因子一般包括:氧氣、溫度、pH和添加劑等，然而實(shí)際自然環(huán)境中影響微生物細(xì)胞生長的隨機(jī)因素還有許多，例如營養(yǎng)物質(zhì)的匱乏、微生物之間的生存競爭、

3、突發(fā)自然環(huán)境的改變等，這些因素對微生物系統(tǒng)都具有不可忽視的影響，導(dǎo)致微生物細(xì)胞生長過程的模擬值與觀測值產(chǎn)生了較大的誤差。因此，為了更加精確地模擬微生物細(xì)胞的生長規(guī)律，可以考慮噪聲的影響作用。
　　本論文基于Box-Muller算法，構(gòu)建了噪聲驅(qū)動下的水中微生物降解有機(jī)底物動力學(xué)成長模型，分析研究了微生物增長模型受環(huán)境噪聲影響時(shí)的動力學(xué)行為，即在白色噪聲、彩色噪聲及復(fù)合噪聲的驅(qū)動下微生物模型的變化行為;然后在不同強(qiáng)度與不同自關(guān)聯(lián)時(shí)間

4、的噪聲環(huán)境中觀察微生物細(xì)胞的生長代謝過程。結(jié)果分析表明:噪聲對模型的影響作用十分明顯且彩色噪聲比白色噪聲的影響作用大;噪聲的強(qiáng)度和自關(guān)聯(lián)時(shí)間與驅(qū)動影響效果都呈正相關(guān)性，當(dāng)噪聲強(qiáng)度小于10-4或噪聲自關(guān)聯(lián)時(shí)間小于0.1的數(shù)量級時(shí)，噪聲不會影響微生物物種的正常生長代謝過程，即模型中的噪聲驅(qū)動影響作用可以忽略不計(jì)。
　　本文將采用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換方法估計(jì)模型中的彩色噪聲強(qiáng)度與自關(guān)聯(lián)時(shí)間，進(jìn)一步分析彩色噪聲對微生物動力學(xué)生長過程的影響。觀

5、察分?jǐn)?shù)階傅里葉變換之后得到的噪聲參數(shù)估計(jì)值與估計(jì)比例，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)估計(jì)方法對噪聲強(qiáng)度與自關(guān)聯(lián)時(shí)間的估計(jì)是有效的。在不同運(yùn)行次數(shù)下模擬估計(jì)多個(gè)參數(shù)樣本，發(fā)現(xiàn)計(jì)算過程的運(yùn)算次數(shù)越多，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換方法的估計(jì)精度越高。隨后，為了更深層次地討論模型特性參數(shù)的不同取值對估計(jì)值的影響作用，本文設(shè)置了十六組不同的噪聲參數(shù)值情景，并通過估計(jì)模擬得出結(jié)果。分析可知，當(dāng)噪聲強(qiáng)度與自關(guān)聯(lián)時(shí)間很大時(shí)，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換方法估計(jì)越不精確。
　　總體來說，本論