Contributions to mathematical modelling and numerical simulation of biofilms
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http://hdl.handle.net/2183/20932Coleccións
- Teses de doutoramento [2152]
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Contributions to mathematical modelling and numerical simulation of biofilmsAutor(es)
Director(es)
Vázquez, CarlosBalsa Canto, Eva
Data
2018Resumo
[Abstract]The main goal of this PhD work is the development and numerical resolution of
mathematical models that simulate the dynamics of bacterial biofilm systems, paying
special attention to those biofilms formed by the Listeria monocytogenes, a pathogen
of special relevance in food safety.
A biofihn is a layer of microorganisms attached to a surface and protected by a
matrix of exopolysaccharides. Biofilm structures difficult the removal of microorganisms,
thus the study of the type of structures formed throughout a biofilm life cycle
is key to design elimination techniques.
In the present work, we develop different models that simulate the dynamics of
biofilms formed by different strains of L. monocytogenes. We start with a 1D model
that can be used to describe the formation of flat biofilms. Afterwards, we apply
the acquired knowledge to develop a 2D model capable of describing more complex
structures. All this models are solved with efficient numerical methods and robust
numerical techniques, such as the Level Set method, that guarantees the good behaviour
of the obtained solutions. Finally, the numerical results are compared with the experimental measurements
obtained in the Instituto de Investigaciones Marinas, CSIC (Vigo, Spain), and the
Micalis Institute, INRA (Massy, France). [Resumen]El objetivo fundamental de esta tesis consiste en el desarrollo y resolución numérica
de modelos matemáticos que reproduzcan la dinámica de biopelículas, en especial,
aquellas formadas por Listeria monocytogenes, un patógeno especialmente relevante
en la seguridad alimentaria.
Una biopelícula es una capa de microorganismos adheridos a una superficie y protegidos
por una matriz de expolisacáridos. La estructura de las biopelículas hace
difícil la eliminación de los microorganismos, de ahí que sea fillldamental estudiar
el tipo de estructuras que se forman durante la vida de una biopelícula para poder
diseñar nuevas técnicas de eliminación.
En el presente trabajo, desarrollamos modelos que simulan la dinámica de biopelículas
de diferentes cepas de L. monocytogenes. Comenzamos estableciendo un modelo
1D capaz de describir la formación de biopelículas planas para, posteriormente,
aplicar los conocimientos adquiridos al desarrollo de un modelo 2D capaz de describir
estructuras más complejas. Estos modelos se resuelven con métodos numéricos eficientes
y técnicas numéricas robustas, como el método Level Set, que garantizan el
buen comportamiento de las soluciones.
Finalmente, los resultados obtenidos son comparados con las imágenes de microscopía
procedentes de experimentos realizados en el Instituto de Investigaciones
Marinas, CSIC (Vigo, España) yen el Micalis Institute, INRA (Massy, Francia). [Resumo ] O obxectivo fundamental desta tese é o desenvolvemento e resolución numérica de
modelos matemáticos que reproduzan a dinámica de biopelículas, en especial, aquelas
formadas por Lisieria monocytogenes, un patóxeno de especial relevancia na seguridade
alimentaria.
Unha biopelícula é unha capa de microorganismos adheridos a unha superficie
e protexidos por unha matriz de expolisacáridos. A estructura das biopelículas fai
difícil a eliminación dos microorganismos, de aí que sexa fundamental estudar o tipo
de estructuras que se forman ao longo da vida dunha biopelícula para poder deseñar
novas técnicas de eliminación.
No presente traballo, desenvolvemos modelos que simulan a evolución de diferentes
cepas de L. monocytogenes. Comezamos establecendo un modelo 1D capaz
de describir a dinámica de cepas chás para, posteriormente, aplicar os coñecementos
adquiridos ao desenvolvemento dun modelo 2D capaz de describir estruturas máis
complexas. Todos estes modelos resólvense con métodos numéricos eficientes e técnicas
numéricas robustas, como o método Level Set, que garanten o bo comportamento das
solucións.
Finalnlente, os resultados obtidos compáranse coas imáxes de microscopía obtidas
en experimentos realizados no Instituto de Investigacions Mariñas, CSIC (Vigo,
España) e no Micalis Institute, INRA (Massy, Francia).
Palabras chave
Biopelículas
Listeria monocytogenes
Microbiología-Modelos matemáticos
Listeria monocytogenes
Microbiología-Modelos matemáticos
Descrición
Programa Oficial de Doutoramento en Métodos Matemáticos e Simulación Numérica en Enxeñaría e Ciencias Aplicadas. 551V01
Dereitos
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