Models de terraformació. Estudi de la dinàmica de poblacions entre microorganismes sintètics i autòctons per a la degradació de plàstic oceànic

Abstract

Our planet is experiencing an accelerated process of change associated to a variety of anthropogenic phenomena. The presence of vast amount of plastic in the open ocean has generated great concern to its potential ecological conseqüences. The cutting edge area of biology, synthetic biology, leads to new approaches and promises solutions to some of today's most pressing challenges in environmental protection in order to restore the ecosystem-level homeostasis in affected areas. Under the supervision of the research group of ICREA-Complex Systems Lab (CSL, http://complex.upf.edu/) the present project offers a theoretical aproach which aims to understand the dynamics of different mathematical and computational models about the oceanic plastic debris degradation potential from a synthetic microbial strain based on the wild type present in the affected ecosystem. We have been analyzing the problem assuming that many important problems in complex systems are related in one way or another with the presence of phase transition phenomena. Going through a scaled set of computational and mathematical models based on the "simplest model" philosopy, we have been validating population dymnamics strategies, at first stage level, as "fuction and die" degradation process or the biofilm formation capacity to increase the control over microplastic dispersion, as well as determining the key aspects of the studied system, always from a qualitative point of view. The different models explored have been performed using cellular automata (CA), individual based models (IBM), Mean Field, as stochastic models in 1 and 2 dimensions (1D and 2D) and contrasting them with analytical models. Most of them in MATLAB programming language. As a final addressing, there have been initiated laboratory experiments to explore the assumed biofilm capacity to catch plastic as a primary experimental approach to the proposed population dynamics. Furthermore the results, the present work suppose a huge learning process that has allowed me the possibility to get into the world of complex systems and synthetic biology.

El planeta està experimentant un procés accelerat de canvi associat a una gran varietat de fenòmens antropogènics. La presència de grans quantitats de plàstic a mar obert ha generat una forta preocupació envers les potencials conseqüències ecològiques. L'àrea innovadora en el camp de la biologia -la biologia sintètica- condueix a noves aproximacions i promet solucions a alguns dels reptes actuals mes urgents en l'àmbit de protecció mediambiental, amb l'objectiu de restaurar l'homeostàsis dels ecosistemes en les àrees afectades. Sota la tutela del grup de recerca ICREA-Complex Systems Lab (CSL, http://complex.upf.edu/ ), el projecte ofereix una aproximació teòrica amb l'objectiu d'entendre les dinàmiques de diferents models matemàtics i computacionals sobre el potencial de degradació de plàstic oceànic per part d'una soca sintètica basada en la soca autòctona present en el ecosistema afectat. S'ha realitzat una anàlisi del problema assumint que, d'una manera o altre, molts dels problemes importants en els sistemes complexos estan relacionats amb els fenòmens de transició de fases. A través d'un conjunt escalat de models matemàtics i computacionals, basats en la "filosofia del model més simple", s'han validat estratègies de dinàmica de poblacions com ara: els processos de degradació "funció i mort", la capacitat de creació de biofilm per aconseguir un increment en el control sobre la dispersió de microplàstics, així com la determinació d'aspectes clau del sistema proposat, sempre des d'un punt de vista qualitatiu. Els diferents models suggerits han estat implementats com a autòmats cel·lulars (CA), Models Basats en l'Individu (IBM) i models de camp mig (Mean Field). Aquests models estocàstics en 1 i 2 dimensions (1D i 2D) s'han contrastat amb models analítics. La gran majoria s'han escrit en llenguatge de programació MATLAB. Com a direccionalitat final del projecte, s'han iniciat experiments de laboratori per a l'exploració de la capacitat del biofilm per a atrapar plàstic, sota l'enfocament d'una aproximació experimental inicial a les dinàmiques de poblacions proposades. Més enllà dels resultats, el present treball suposa un gran procés d'aprenentatge que m'ha brindat la possibilitat d'entrar en el món dels sistemes complexos i la biologia sintètica.

El planeta está experimentando un proceso acelerado de cambio asociado a una gran variedad de fenómenos antropogenicos. La presencia de grandes cantidades de plástico a mar abierto ha generado una fuerte preocupación hacia las potenciales consecuencias ecológicas. El área innovadora en el campo de la biología -la biología sintética- conduce a nuevas aproximaciones y promete soluciones a algunos de los retos actuales más urgentes en el ámbito de protección medioambiental, con el objetivo de restaurar la homeostasis de los ecosistemas en las áreas afectadas. Bajo el tutelaje del grupo de investigación ICREA-Complex Systems Lab (CSL, http://complex.upf.edu/), el proyecto ofrece una aproximación teórica con el objetivo de entender las dinámicas de diferentes modelos matemáticos y computacionales sobre el potencial de degradación de plástico por parte de una cepa sintética basada en la cepa autóctona presente en el ecosistema afectado. Se ha realizado un análisis del problema asumiendo que, de una manera o de otra, muchos de los problemas importantes en los sistemas complejos están relacionados con los fenómenos de transiciones de fases. A través de un conjunto escalado de modelos matemáticos y computacionales, basados en la "filosofía del modelo más simple", se han validado estrategias de dinámica de poblaciones como: los procesos de degradación "función y muerte" o la capacidad de creación de biofilm para conseguir un incremento en el control sobre la dispersión de microplasticos, así como la determinación de aspectos clave del sistema propuesto, siempre des de un punto de vista cualitativo. Los diferentes modelos sugeridos han sido implementados como autómatas celulares (CA), Modelos basados en el Individuo (IBM), campo medio (Mean Field), los modelos estocásticos en 1 i 2 dimensiones (1D y 2D) y contrastándolos con modelos analíticos. La gran mayoría se han escrito en lenguaje de programación MATLAB. Como direccionalidad final del proyecto, se han iniciado experimentos de laboratorio para la exploración de la capacidad del biofilm para atrapar plástico, bajo el enfoque de una aproximación experimental inicial a las dinámicas de población propuestas. Más allá de los resultados, el presente trabajo supone un gran proceso de aprendizaje que me ha brindado la posibilidad de entrar en el mundo de los sistemas complejos y la biología sintética.