Математическая модель системы жизнеобеспечения на основе водорослей, замкнутая по кислороду и углекислому газу

Целью исследования было сравнить методы количественного анализа, применявшиеся на ранних этапах создания прототипов замкнутых систем, с современными подходами анализа данных. В качестве примера рассмотрена математическая модель устойчивого сосуществования двух микроводорослей в смешанной проточной культуре, предложенная Болсуновским и Дегерменджи в 1982 г. Модель построена на основе детального теоретического описания взаимодействия видов и субстрата (в данном случае освещенности). Возможность управления соотношением видов позволяет регулировать ассимиляционный коэффициент (AQ), т. е. отношение поглощенного углекислого газа к выделенному кислороду. Задача управления ассимиляционным коэффициентом системы жизнеобеспечения до сих пор актуальна, микроводоросли рассматриваются как перспективные генераторы кислорода и в современных работах. При этом акцент в них сделан на эмпирических методах моделирования, в частности на анализе больших данных; также работы не выходят за пределы задачи управления монокультурой микроводорослей. В настоящем исследовании мы обращаем внимание на три результата, по нашему мнению, удачно дополняющих современные методы. Во-первых, модель позволяет использовать результаты экспериментов с монокультурами, во-вторых, предсказывает преобразование данных к виду, удобному для дальнейшего анализа, в том числе для вычисления AQ. В-третьих, модель позволяет гарантировать устойчивость полученного приближения и в дальнейшем искать решение как малую поправку эмпирическими методами.

1. Belyanin V.N., Bolsunovskiy A.Ya. Regulation of species range in a two-component algae community in an experiment. In: Parametric Control of Microalgal Biosynthesis. Novosibirsk: Nauka Publ., 1980;72-80 (in Russian)

2. Belyanin V.N., Sydko F.Ya., Trinkenschu A.P. Energetics of Photosynthesizing Plant Culture. Novosibirsk: Nauka Publ., 1980 (in Russian)

3. Bolsunovskiy A.Ya., Degermendzhi A.G. Study of the photosynthetic mechanism of coexistence of species in a mixed continuous-flow chlorella-spirulina culture. In: Issues of Controlling the Biosynthesis in Lower Plants. Novosibirsk: Nauka Publ., 1982;99-116 (in Russian)

4. Cycil L.M., Hausrath E.M., Ming D.W., Adcock C.T., Raymond J., Remias D., Ruemmele W.P. Investigating the growth of algae under low atmospheric pressures for potential food and oxygen production on Mars. Front. Microbiol. 2021;12:733244. DOI 10.3389/fmicb.2021.733244

5. Fahrion J., Mastroleo F., Dussap C.-G., Leys N. Use of photobioreactors in regenerative life support systems for human space exploration. Front. Microbiol. 2021;12:699525. DOI 10.3389/fmicb.2021.699525

6. Häder D. On the way to Mars-flagellated algae in bioregenerative life support systems under microgravity conditions. Front. Plant Sci. 2020;10:1621. DOI 10.3389/fpls.2019.01621

7. Heinicke C., Verseux C. The MaMBA facility as a testbed for bioregenerative life support systems. Life Sci. Space Res. (Amst.). 2023; 36:86-89. DOI 10.1016/j.lssr.2022.08.009

8. Helisch H., Keppler J., Detrell G., Belz S., Ewald R., Fasoulas S., Heyer A.G. High density long-term cultivation of Chlorella vulgaris SAG 211-12 in a novel microgravity-capable membrane raceway photobioreactor for future bioregenerative life support in SPACE. Life Sci. Space Res. (Amst.). 2020;24:91-107. DOI 10.1016/j.lssr.2019.08.001

9. Hu D., Liu H., Yang C., Hu E. The design and optimization for light-algae bioreactor controller based on Artificial Neural Network-Model Predictive Control. Acta Astronaut. 2008;63(7-10):1067-1075. DOI 10.1016/j.actaastro.2008.02.008

10. Hu D., Li M., Zhou R., Sun Y. Design and optimization of photo bioreactor for O2 regulation and control by system dynamics and computer simulation. Bioresour. Technol. 2012;104:608-615. DOI 10.1016/j.biortech.2011.11.049

11. Hu D., Li L., Li Y., Li M., Zhang H., Zhao M. Gas equilibrium regulation by closed-loop photo bioreactor built on system dynamics, fuzzy inference system and computer simulation. Comput. Electron. Agric. 2014;103:114-121. DOI 10.1016/j.compag.2014.02.002

12. Keller R.J., Porter W., Goli K., Rosenthal R., Butler N., Jones J.A. Biologically-based and physiochemical life support and in situ resource utilization for exploration of the Solar System – reviewing the current state and defining future development needs. Life. 2021; 11(8):844. DOI 10.3390/life11080844

13. Keller R., Goli K., Porter W., Alrabaa A., Jones J.A. Cyanobacteria and algal-based biological life support system (BLSS) and planetary surface atmospheric revitalizing bioreactor brief concept review. Life. 2023;13(3):816. DOI 10.3390/life13030816

14. Liu H., Yao Z., Fu Y., Feng J. Review of research into bioregenerative life support system(s) which can support humans living in space. Life Sci. Space Res. (Amst.). 2021;31:113-120. DOI 10.1016/j.lssr.2021.09.003

15. Matula E.E., Nabity J.A. Effects of stepwise changes in dissolved carbon dioxide concentrations on metabolic activity in Chlorella for spaceflight applications. Life Sci. Space Res. (Amst.). 2021;29:7384. DOI 10.1016/j.lssr.2021.03.005

16. Matula E.E., Nabity J.A., McKnight D.M. Supporting simultaneous air revitalization and thermal control in a crewed habitat with temperate Chlorella vulgaris and eurythermic antarctic chlorophyta. Front. Microbiol. 2021;12:709746. DOI 10.3389/fmicb.2021.709746

17. Metelli G., Lampazzi E., Pagliarello R., Garegnani M., Nardi L., Calvitti M., Gugliermetti L., Restivo Alessi R., Benvenuto E., Desiderio A. Design of a modular controlled unit for the study of bioprocesses: еowards solutions for Bioregenerative Life Support Systems in space. Life Sci. Space Res. (Amst.). 2023;36:8-17. DOI 10.1016/j.lssr.2022.10.006