×

恒化器中养分循环和休眠的简单模型:数学分析和二阶非标准有限差分方法。 (英语) Zbl 07822406号

小结:恒化器是一种通过持续的流入和流出维持均匀环境的装置。提出了一个表征可休眠微生物动态特性的恒化器模型。这种非线性常微分方程(ODE)耦合系统模型可以应用于各种类型的生物体,例如不同种类的细菌、古生菌、藻类、真菌、病毒和原生动物。然而,这些物种生活在不同的环境中,依赖不同的营养成分。因此,该模型通过养分循环适应了每个物种的限制养分。本文包括完整的稳定性分析、支持的相平面图和伴随的分岔图。本文还提出了一种求解数学模型的高级二阶保正初等稳定非标准差分方法。提出了一系列数值模拟,以支持理论结果并探索不同的生物场景。稳定性分析表明:(1)如果总稀释度、死亡率和转化率小于总生长量,那么当引入恒化器时,休眠种群和活跃种群都会持续存在;(2)如果总稀释、死亡和转化率大于总生长量,那么当引入恒化器时,微生物种群将全部死亡。此外,模型研究表明,在基本恒化器中,当活性微生物不受威胁时,休眠和营养循环都不会提供实质性的生存优势。

MSC公司:

65升12 常微分方程的有限差分和有限体积法
92E99型 化学
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 威瑟斯公司。;库珀,C.,《休眠》(《生态学百科全书》,2008年,爱思唯尔出版社),952-957
[2] 猪,P。;Coote,J.,细菌内孔形成的遗传学方面,《细菌评论》,40,49008-9621976
[3] 洛马纳州洛佩斯·加西亚。;Kusebauch,美国。;Raman,A.V。;潘,M。;土耳其斯兰。;Lorenzetti,A.P.,盐杆菌低丰度和上调转录物的选择性翻译,Msystems,5,4,e00329-2020
[4] Pitt,J.,《曲霉和青霉在人类和动物健康中的当前作用》,《医学退伍军人菌剂杂志》,32,sup1,17-321994年
[5] 洛杉矶Baxt。;Singh,U.,《溶组织内阿米巴发病机制的新见解》,《当前舆论感染疾病》,2008年第21、5、489页
[6] Genitsaris,S。;Kormas,K.A。;穆斯塔卡·古尼(Moustaka-Gouni,M.),《生活在濒临死亡的湖中的微观真核生物》(lake Koronia,希腊),FEMS Microbiol Ecol,69,1,75-832009年
[7] Cohen,J.I.,疱疹病毒潜伏期,临床投资杂志,130,7,3361-33692020
[8] Looker,K。;O.豪斯。;Grove,O.,《2016年单纯疱疹病毒感染流行率和发病率的全球和区域估计》,公牛世界卫生组织,98,315-3292020
[9] Hong,H.A。;Khaneja,R。;Tam,N.M。;Cazzato,A。;Tan,S。;Urdaci,M.,从人体胃肠道分离的枯草芽孢杆菌,Res Microbiol,160,2,134-1432009
[10] 韦伯,S.S。;博文伯格,R.A。;Driessen,A.J.,在产黄青霉中生产β-内酰胺抗生素的生物合成概念,生物技术杂志,7,2,225-2362012
[11] 曼宁,S.R。;La Claire,J.W.,Prymnesins:金藻的有毒代谢物,Prynnesium parvum Carter(Haptophyta),Mar Drugs,8,3,678-7042010年
[12] 文图拉,W。;伦道夫,T。;罗德里格斯,J。;Prieto Langarica,A。;斯卡伯勒,B。;Kojouharov,H。;Grover,J.,间歇培养和化学制剂中有害藻类的静止阶段和种群动态数学预印本系列2011-192011,Citeseer,德克萨斯大学阿灵顿分校
[13] 门德斯,A。;Alalhareth,F。;Kojouharov,H.,具有休眠和营养循环的分批培养中金色藻类的种群动态,AIP Conf Proc,2953,1,文章080008 pp.,2023
[14] DeAngelis,D.L.,《营养循环和食物网动力学》,2012年,施普林格科学与商业媒体
[15] 拉维尔,P。;杜格代尔,R。;斯科尔斯,R。;A.Berhe。;Carpenter,E。;Codispoti,L.,《营养循环》(生态系统与人类健康:现状与趋势,2005年,岛屿出版社)
[16] 史密斯·H·L。;Waltman,P.,《恒化器理论:微生物竞争动力学》,1995年,剑桥大学出版社·Zbl 0860.92031号
[17] 贝雷塔,E。;Bischi,G。;Solimano,F.,《延迟养分循环的恒化器方程稳定性》,《数学生物学杂志》,2899-11119990年·Zbl 0665.45006号
[18] 贝雷塔,E。;Takeuchi,Y.,具有延迟养分循环的恒化器方程的全局稳定性,非线性世界,1,3191-3061994·Zbl 0809.34084号
[19] 弗里德曼,H。;袁彤,X.,具有瞬时和延迟营养循环的恒化器竞争模型,《数学生物学杂志》,31,5,513-5271993年·Zbl 0778.92022号
[20] 马丁内斯,I.P。;Kojouharov,H.V。;Grover,J.P.,资源竞争和化感作用的恒化器模型,应用数学计算,215,2,573-5822009·Zbl 1171.92040号
[21] Rehim,M。;Sun,L。;阿卜杜拉赫曼,X。;Teng,Z.,污染环境中具有脉冲输入和营养循环的恒化器模型研究,Commun非线性科学数值模拟,16,6,2563-2574,2011·Zbl 1221.34036号
[22] Ruan,S.,浮游动物-浮游植物-营养盐模型中的持久性和共存与瞬时养分循环,《数学生物学杂志》,31,6,633-6541993年·Zbl 0779.92021号
[23] 阮,S。;He,X.-Z.,具有养分循环的chemostat型竞争模型的全局稳定性,SIAM应用数学杂志,58,1,170-192,1998·Zbl 0912.34062号
[24] 袁,S。;张伟。;Han,M.,具有延迟的恒化器型竞争模型的全局渐近行为,非线性分析RWA,10,3,1305-13202009·Zbl 1162.34335号
[25] Alalhareth,F.K。;古普塔,M。;罗伊,S。;Kojouharov,H.V.,二阶修正的正稳定和初等稳定非标准数值方法,求解(n)维自治微分方程,数学方法应用科学,2023
[26] Mickens,R.E.,《非标准有限差分格式:方法和应用》,2020年,《世界科学》
[27] 伍德,D.T。;Dimitrov,D.T。;Kojouharov,H.V.,《n维生产-破坏系统的非标准有限差分方法》,《J difference Equ Appl》,21,3,240-254,2015·Zbl 1376.37121号
[28] 伍德,D.T。;Kojouharov,H.V.,自治动力系统的一类非标准数值方法,Appl Math Lett,50,78-822015·Zbl 1330.65120号
[29] 古普塔,M。;Slezak,J。;Alalhareth,F。;罗伊,S。;Kojouharov,H.,二阶非标准显式Euler方法,AIP Conf Proc,2302,1,Article 110003 pp.,2020
[30] 古普塔,M。;Slezak,J。;Alalhareth,F。;罗伊,S。;Kojouharov,H.V.,一维自治微分方程的二阶修正非标准显式Runge-Kutta和θ方法,Appl-Appl Math Int J(AAM),16788-8032021·Zbl 1498.65121号
[31] Kojouharov,H.V。;罗伊,S。;古普塔,M。;Alalhareth,F。;Slezak,J.M.,《一维自治微分方程的二阶修正非标准θ法》,Appl Math Lett,112,第106775页,2021年·Zbl 1458.65096号
[32] Alalhareth,F.K.,自治微分方程的高阶非标准有限差分方法及其在数学生态学中的应用,2022年,德克萨斯大学阿灵顿分校,[博士论文]
[33] 诺维克,A。;Szilard,L.,《恒化器的描述》,《科学》,第112、2920、715-716页,1950年
[34] Monod,J.,《培养技术的延续:理论与应用》,《塞尔帕·莫勒克·雅克·莫诺的生物学》,第79期,第390-410页,1950年
[35] 新泽西州巴拉班。;梅林,J。;Chait,R。;Kowalik,L.公司。;Leibler,S.,作为表型转换的细菌持久性,《科学》,305,5690,1622-16252004
[36] Mikkaichi,T。;叶曼,M.R。;霍夫曼,A。;Group,M.S.I.,《使用数学模型识别持续性MRSA菌血症的决定因素》,PLoS Comput Biol,15,7,文章e1007087 pp.,2019
[37] Munther,D.S。;卡特,M.Q。;奥尔德里克,C.V。;Ivanek,R。;Brandl,M.T.,《莴苣叶球中大肠杆菌O157:H7持久性细胞的形成及应用微分方程模型预测其在田间莴苣植株上的流行情况》,《应用环境微生物》,86,2,e01602-192020年
[38] 塞林格,T。;穆勒,J。;Hösel,V。;Tellier,A.,更好的合作者是处于休眠状态还是静止状态?,Math Biosci,318,第108272条,2019年·Zbl 1437.92090号
[39] 辛格,G。;奥曼,医学硕士。;康拉德,J.C。;Nikolau,M.,《脉冲给药根除持久性细菌的系统设计》,《公共科学图书馆计算生物学》,第19卷,第1期,第1010243页,2023年
[40] Horváth,Z.,Runge-Kutta和对角线分裂Runge-Kutta方法的正性,应用数值数学,28,2-4,309-3261998·Zbl 0926.65073号
[41] McNabb,A.,微分方程的比较定理,数学与分析应用杂志,119,1-2,417-4281986·Zbl 0648.34042号
[42] Perko,L.,微分方程和动力系统,2013年,施普林格科学与商业媒体
[43] Otto,S.P。;Day,T.,《生态学和进化数学建模生物学家指南》,2011年,普林斯顿大学出版社·Zbl 1152.92027
[44] Quarteroni,A。;Sacco,R。;Saleri,F.,《数值数学》,6572007年,柏林-海德堡施普林格出版社·Zbl 1136.65001号
[45] Shampine,L.F。;Reichelt,M.W.,MATLAB ODE套件,SIAM科学计算杂志,18,1,1-221997·Zbl 0868.65040号
[46] J·多曼德。;Prince,P.,嵌入式Runge-Kutta公式家族,《计算应用数学杂志》,6,1,19-261980年·Zbl 0448.65045号
[47] Grover,J.P。;起重机,K.W。;贝克,J.W。;布鲁克斯,B.W。;Roelke,D.L.,流动水域生境中有害藻类及其毒素的空间变异:理论探索,浮游生物研究杂志,33,211-2272011
[48] 阿卡尔,N。;Cogan,N.G.,通过营养素和抗生素激发时间对细菌种群进行增强消毒,Math Biosci,313,12-32019·Zbl 1425.92102号
[49] Bradley,J.A。;Amend,J.P。;LaRowe,D.E.,《最少人的生存:海洋沉积物中微生物的休眠和深层次的维持》,地球生物学,2019年第17期,第143-59页
[50] Cogan,N.,《利用持续动态控制细菌种群的最佳控制方法》(AIP会议记录,第1738卷,第1期,2016年,AIP出版社)
[51] 福勒,A。;Winstanley,H.,《饥饿胁迫下的微生物休眠和兴衰种群动态》,《Theor Popul Biol》,120114-1202018年·Zbl 1397.92436号
[52] 卡拉巴洛,T。;韩,X。;Kloeden,P.E.,具有可变延迟的非自主化疗药物,SIAM数学分析杂志,47,3,2178-2199,2015·Zbl 1323.92155号
[53] Dong,X。;Kojouharov,H.V。;Grover,J.P.,梯度调节器中营养循环和毒素生成的数学模型,计算数学应用,68,9,972-9852014·Zbl 1362.92090号
[54] 高,M。;江,D。;丁,J.,《营养浮游生物模型与Ornstein-Uhlenbeck过程和养分循环的动力学行为》,混沌孤子分形,174,第113763页,2023年
[55] 霍尔,B。;韩,X。;克劳登,体育。;Van Wyk,H.-W.,《含不同营养成分的肠道微生物生长的非自主恒化器模型》,离散Contin Dyn系统Ser S,15,10,2889-29082022·Zbl 1495.92038号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。