Μαθηματική μοντελοποίηση ρυθμιστικών μηχανισμών ανάπτυξης των ευκαρυωτικών φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών

Abstract

Photosynthetic microorganisms that grow at a constant light intensity and constant concentration of carbon dioxide adjust their photosynthetic mechanism in these environmental growth conditions (Acclimation). The model is the first that manages to predict the experimentally observed intersection curves of photosynthesis light intensity for cells grown in conditions of high and low intensity. When environmental conditions change the photosynthetic cells adapt their photosynthetic mechanism (adaptation) to the new growth conditions. The mathematical model is the first to quantify the management of absorbed energy and interface with the photoinhibition and provides for the first time and in agreement with experimental data from different and independent literature sources that the rate of wasted energy is affected by changes in levels of carbon dioxide. By increasing the light intensity the rate of deactivation as well as the oxygen production rate increases. After a critical value of the light intensity the oxygen production rate decreases revealing photoinhibition. The photosynthetic cell grows in a population Chapters 4 and 5 show the population models that structured based on the individual model of regulation modulation (Chapter 3). The first population model developed in the water column and predicts correctly the distribution patterns of phytoplankton biomass and distribution patterns of chlorophyll in the water column and answers to the disagreement about whether we can use patterns of chlorophyll to predict patterns of biomass. It also provides that the increased concentration of inorganic carbon in sea water has no significant effect on the distribution of phytoplankton biomass in the water column. The second population model developed in a closed photobioreactor aiming to highlight the applications that have the population models that are constructed based on trustworthy individual mechanistic mathematical models. In this model we quantify the degradation of phenolic compounds from photosynthetic organisms assuming that biodegradation has increased demands for oxygen and high biochemical cost. The model predicts that in addition to the successful biodegradation there is a small but not insignificant gain in biomass. It also predicts that during biodegradation dominate almost anoxic conditions which as observed experimentally promote photosynthetic hydrogen production.

Οι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται σε σταθερή φωτεινή ένταση και σταθερή συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα προσαρμόζουν το φωτοσυνθετικό τους μηχανισμό σε αυτές τις περιβαλλοντικές συνθήκες ανάπτυξης (εγκλιματισμός). Το μοντέλο που αναπτύσσεται στο Κεφ. 2 είναι το πρώτο που καταφέρνει να προβλέψει την πειραματικά παρατηρούμενη τομή των καμπυλών φωτοσύνθεσης - φωτεινής έντασης για κύτταρα που αναπτύσσονται σε συνθήκες υψηλής και χαμηλής φωτεινής έντασης. Όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες που αναπτύσσονται τα κύτταρα αλλάζουν οι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί προσαρμόζουν το φωτοσυνθετικό τους μηχανισμό (προσαρμογή) στις νέες συνθήκες ανάπτυξης. Το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύσσεται στο Κεφ. 3 είναι το πρώτο που ποσοτικοποιεί τη διαχείριση της δεσμευμένης ενέργειας και την διασύνδεση της με τη φωτοαναστολή και προβλέπει για πρώτη φορά και σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα διαφορετικών και ανεξάρτητων βιβλιογραφικών πηγών ότι ο ρυθμός της απορριπτόμενης ενέργειας επηρεάζεται από τις αλλαγές στα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα. Κατά την αύξηση της φωτεινής έντασης ο ρυθμός απενεργοποίησης αυξάνεται όπως επίσης αυξάνεται και ο ρυθμός παράγωγης οξυγόνου ενώ μετά από μια κρίσιμη τιμή της φωτεινής έντασης ο ρυθμός παράγωγης οξυγόνου μειώνεται αναδεικνύοντας τη φωτοαναστολή. Στα Κεφάλαια 4 και 5 παρουσιάζονται τα πληθυσμιακά μοντέλα που δομήθηκαν με βάση το ατομικό μοντέλο της προσαρμογής (Κεφ. 3). Το πρώτο πληθυσμιακό μοντέλο αναπτύσσεται στη στήλη του νερού προβλέπει σωστά τα πρότυπα κατανομής της φυτοπλαγκτονικής βιομάζας και τα πρότυπα κατανομής της χλωροφύλλης στη στήλη του νερού και δίνει απάντηση στη διαφωνία για το αν μπορούμε να χρησιμοποιούμε τα πρότυπα της χλωροφύλλης για την πρόβλεψη των προτύπων της βιομάζας. Το δεύτερο πληθυσμιακό μοντέλο αναπτύσσεται σε κλειστό φωτοβιοαντιδραστήρα. Στο μοντέλο αυτό ποσοτικοποιείται η αποικοδόμηση των φαινολικών ενώσεων από τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Το μοντέλο προβλέπει ότι πέραν της επιτυχούς βιοαποικοδόμησης υπάρχει και ένα μικρό άλλα όχι ασήμαντο κέρδος σε βιομάζα. Επίσης προβλέπει ότι στη διάρκεια της βιοαποικοδόμησης επικρατούν σχεδόν ανοξικές συνθήκες που όπως έχει παρατηρηθεί πειραματικά ευνοούν την παράγωγη φωτοσυνθετικού υδρογόνου.