噪聲干擾下水環(huán)境中微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型研究.pdf

1、近年來(lái)，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(wú)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(wú)害的無(wú)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(zhǎng)過(guò)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(lái)描述微生物細(xì)胞在自然實(shí)際環(huán)境中的生長(zhǎng)過(guò)程，即在未對(duì)微生物細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)的前提下預(yù)測(cè)微生物的生長(zhǎng)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(wú)規(guī)則變化的擾動(dòng)可能會(huì)對(duì)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(wú)規(guī)則擾動(dòng)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(duì)于常用的微生物成長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)的隨機(jī)因素還有許多，例如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匱乏、微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)、

3、突發(fā)自然環(huán)境的改變等，這些因素對(duì)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(zhǎng)過(guò)程的模擬值與觀測(cè)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(zhǎng)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(dòng)下的水中微生物降解有機(jī)底物動(dòng)力學(xué)成長(zhǎng)模型，分析研究了微生物增長(zhǎng)模型受環(huán)境噪聲影響時(shí)的動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)代謝過(guò)程。結(jié)果分析表明:噪聲對(duì)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(dòng)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(jí)時(shí)，噪聲不會(huì)影響微生物物種的正常生長(zhǎng)代謝過(guò)程，即模型中的噪聲驅(qū)動(dòng)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(duì)微生物動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(lái)說(shuō)，本論