微生物种群通常在自然环境、加工食品和人体肠道等复杂环境中生长,对人类健康和全球生态环境起着关键作用。在复杂环境中微生物受到各种营养条件和周围其它微生物相互作用的共同影响。环境中的营养能够促进微生物的生长,然而,过高的营养浓度也可能对生长有抑制作用,无法用Monod模型解释。除了受环境底物（营养）条件的影响,微生物种群之间还通过竞争与合作等相互作用影响彼此的生长,例如捕食-被捕食相互作用。尽管已经有很多实验观察到微生物捕食-被捕食系统的共存、振荡共存、灭绝等生态动力学行为,但是缺少对系统的稳定性分析和动力学行为参数的全局预测。微生物的行为可以通过非平衡统计物理的框架来描述。针对上述两个主要问题,本文运用统计物理中粗粒化建模的思想,整合分子层面和种群层面等多尺度调控机制,构建双通路微生物生长动力学模型,结合实验数据理解微生物与底物之间的作用机制。同时运用非线性物理中稳定性分析的方法,对微生物捕食-被捕食系统可能出现的稳定态进行总结。主要研究内容和创新性研究结果如下:（1）乳酸菌生长的底物抑制模型研究。基于种群层面的微生物生长动力学模型,运用统计物理中粗粒化建模的思想,引入分子层面的抑制调控通路,对大范围底物浓度的细菌生长速率进行预测。模型计算表明,在高浓度底物范围,细菌生长速率不增反降,过多的营养底物不仅不能促进细胞生长,反而会大大增加维持细胞生长所需的其他能量。模型的预测结果由保加利亚乳杆菌（L.bulgaricus）,干酪乳杆菌（L.casei）和植物乳杆菌（L.plantarum）等多个乳酸菌的发酵实验得到验证,说明该模型具有通用性;研究结果还揭示了底物抑制作用下细菌生长速率、生长滞后时间和生物质产量之间具有权衡关系,底物抑制的出现往往伴随着生长滞后时间的增加,和实验观察结果一致。（2）基于Lotka-Volterra（LV）方程的微生物捕食和被捕食系统动力学研究。本研究通过构建符合LV模型的微生物捕食-被捕食系统,结合物理中非线性系统的稳定性分析方法和数值模拟方法,获得了微生物种群之间捕食-被捕食相互作用对群落稳定性和多样性的影响。模拟得到的生长速率和死亡速率相图表明,微生物捕食细菌的死亡速率越小,微生物系统更容易进入共存相;当微生物种群系统达到平衡时,其种群相对丰度与捕食细菌的生长速率和捕食能力有密切关系。本文的粗粒化模型研究揭示了不同底物浓度下微生物种群生长的底物抑制新机制,加深了微生物捕食和被捕食系统群落结构稳定性和多样性的理解,为微生物在食品工业、污水处理和生物材料制造等领域的应用提供基础理论。