Modelitzacio basada en agents per investigar i simular la dinamica de poblacions de l'alga Thalassiosira pseudonana

Abstract

Algae are vegetal organisms that have a great distribution around the world, and they are very important to the good maintenance of the biological equilibrium in all the ecosystems of the planet. They have an important chance in atmospherically CO2 fixation and the increase of O2 in the atmosphere. Nowadays, the studies about this organisms are experimenting a great evolution in order to know more about their lifestyle and do better artificial cultures with biotechnological and food industrial finalities. There are lots of algae species which are studied today, but the most important is the diatom Thalassiosira pseudonana. This species presents a great growth rate in high-density cultures which permits, for example, obtain a big quantity of biomass, whose nutritional value is excellent. This issue permits, specially, use this biomass for feed fish, mollusks and another marine organisms which are important in aquaculture. The main objective of this project is to modelate and simulate, with Agent-Based Model's point of view, the poblational dynamic's evolution of the diatom Thalassiosira pseudonana in artificial cultures located in experimentation labs. The conceptual base of the model, the consulted experimental results and protocol operation types developed and referred to the development of cultures in monitorized conditions will be inspirited in various scientific articles which had studied this issues in different perspectives. The implementation of the designed model will be done in freeaccess computational software NetLogo. The obtained simulator will should permit the experimentation on the algae behavior in different scenarios and culture methods which should permit the subsistence and development of microorganisms. In order to analyze the developed model, some simulations have been made. The obtained results can explain that the evolution of population dynamics of Thalassiosira pseudonana have similarities with another plancktonic organisms dynamics in liquid medium in three different culture protocols. In addition, is demonstrable that there are a group of biological parameters which cause important changes in the evolution of the population dynamics. The simulator will be available in order to make the knowledge about these populations in academical processes more easy while different types of artificial cultures are simulated in controlled conditions. This project can be, also, the base for more projects and experiments which are vinculated with Thalassiosira pseudonana.

Les algues son organismes vegetals amb una distribucio molt extensa per tot el planeta i organismes clau en el manteniment de l'equilibri biologic de tots els ecosistemes de la terra. Tenen un rol important en la fixacio de dioxid de carboni i en l'enriquiment en oxigen de l'atmosfera terrestre. Actualment, s'esta aprofundint cada cop mes en la biologia d'aquests microorganismes per comprendre millor el seu cicle de vida i per poder dur a terme cultius artificials d'algues controlats amb condicions especifiques que siguin d'interes biotecnologic, industrial i agroalimentari. D'entre les diferents especies d'algues que avui en dia s'estan utilitzant amb exit en l'ambit de la nutricio, la sanitat i la millora de cultius microbiologics esta l'especie Thalassiosira pseudonana, una de les especies mes destacades en l'ambit cientific. Aquesta alga presenta un creixement molt rapid en densitats de cultiu elevades, la qual cosa, per exemple, permet generar una generosa quantitat de biomassa algal, amb un elevat valor nutritiu que fa que s'utilitzi com aliment per a crustacis i mol·luscs en aquicultura, entre altres possibles aplicacions biotecnologiques. L'objectiu d'aquest treball consisteix en modelitzar i simular, utilitzant la perspectiva propia de la modelitzacio basada en agents, la dinamica de poblacions d'algues de l'especie Thalassiosira pseudonana quan es desenvolupa en condicions de laboratori. La base conceptual del model, les dades experimentals consultades i els tipus de protocols desenvolupats i lligats al desenvolupament del cultiu en condicions controlades s'ha fonamentat en una revisio de literatura cientifica que estudia aquest sistema viu des de diferents perspectives. La implementacio del model computacional dissenyat s'ha fet en la plataforma de programacio multiagent d'acces lliure NetLogo. El simulador obtingut permet explorar el comportament d'aquestes algues sota diferents escenaris o protocols de cultiu controlat que han de permetre la subsistencia i creixement d'aquests microorganismes en tres modes d'operacio: "Batch" (cultiu tancat), "Fed-batch" (cultiu amb alimentacio periodica) i "Continuous" (cultius obert amb entrada de medi fresc i sortida de medi i d'algues). Amb la finalitat d'analitzar el model desenvolupat s'ha realitzat un conjunt de simulacions que permet observar la sensibilitat de la resposta de la poblacio d'algues en front de la variacio de valors de certs parametres implicats en la construccio del simulador. S'han identificat els parametres del model que mostren una major sensibilitat en les dinamiques de les poblacions d'aquestes algues quan es posen a creixer sota els tres protocols de maneig establerts ("Batch", "Fed-batch", "Continuous"). Els resultats de simulacio obtinguts permeten concloure que l'evolucio de la dinamica poblacional de l'alga Thalassiosira pseudonana es raonable i coherent amb el coneixement experimental que es te del sistema viu. El simulador esta disponible per afavorir l'aprenentatge i facilitar la investigacio d'aquestes poblacions d'algues en un entorn academic, simulant cultius virtuals sota condicions de laboratori diverses i controlades. Al mateix temps, aquest treball es una de les bases per a futurs projectes de recerca en aquest context de control i aprofitament de l'alga Thalassiosira pseudonana.

Las algas son organismos vegetales con una amplia distribucion por todo el globo, y son la clave para el mantenimiento del equilibrio biologico de todos los ecosistemas de la tierra. Tienen un importante papel en la fijacion del dioxido de carbono atmosferico y en el posterior enriquecimiento de la atmosfera terrestre en oxigeno. Actualmente se esta profundizando en el estudio de estos organismos para comprender mejor su ciclo de vida y llevar a cabo cultivos artificiales en condiciones controladas con finalidades biotecnologicas y agroalimentarias. De entre las distintas especies de algas que actualmente se utilizan en estudios nutritivos, sanitarios y de mejora de cultivos microbiologicos, la especie Thalassiosira pseudonana es una de las mas destacadas en el ambito de la ciencia. Presenta una tasa de crecimiento muy alta en cultivos de alta densidad poblacional, que permite, por ejemplo, conseguir una generosa cantidad de biomasa algal cuyo valor nutritivo es excelente. Esta caracteristica permite, entre otras cosas, su uso como alimento para peces, moluscos y crustaceos en piscifactorias. El objetivo de este trabajo consiste en modelizar y simular, desde la perspectiva de la modelizacion basada en agentes, la dinamica de poblaciones de Thalassiosira pseudonana en cultivos artificiales y controlados en laboratorio. La base conceptual del modelo, los datos experimentales consultados y los tipos de protocolo desarrollados y ligados al desarrollo del cultivos en condiciones controladas se fundamentara en articulos cientificos que han estudiado este sistema vivo desde distintas perspectivas. La implantacion del modelo computacional diseñado se realizara en la plataforma de programacion multiagente y de acceso libre NetLogo. El simulador obtenido debera permitir la explotacion del comportamiento de estas algas bajo diferentes escenarios y protocolos de cultivo que deben permitir la subsistencia y el crecimiento de estos microorganismos. Con el proposito de analizar el modelo desarrollado se ha realizado un conjunto de simulaciones del modelo construido. Los resultados obtenidos permiten deducir que la evolucion de la dinamica poblacional de la alga Thalassiosira pseudonana sigue un patron comun en otros tipos de microorganismos planctonicos en medio liquido con tres sistemas operacionales distintos y que, ademas, existe un grupo de parametros biologicos que producen cambios muy significativos en la evolucion de la dinamica poblacional. El simulador estara disponible para favorecer el aprendizaje y facilitar la investigacion de estas poblaciones en el entorno academico, simulando cultivos virtuales bajo condiciones de laboratorio diversas y controladas. Al mismo tiempo, este trabajo puede ser la base para futuros proyectos de investigacion en este contexto de investigacion y aprovechamiento de Thalassiosira pseudonana.