Tảo là đối tượng trong các mô hình sinh thái, quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo được mô phỏng theo nhiều dạng mô hình khác nhau, phù hợp với điều kiện môi trường và nhu cầu thông tin. Các dạng mô hình này được chia theo nhiều cách nhưng được kể đến nhiều nhất là hệ thống được phân loại theo Becht và cs. (2013).
Dựa vào khả năng ứng dụng và độ phức tạp chia ra 3 loại mô hình. Loại đầu tiên (loại 1) xác định tốc độ quang hợp trong môi trường nuôi cấy thông qua chức năng của cường độ ánh sáng thông thường và cường độ ánh sáng trung bình
trong môi trường. Loại II tính toán tổng tốc độ quang hợp bằng cách tính tổng tốc độ quang hợp của từng lớp trong môi trường, tốc độ mỗi vùng dựa vào điều kiện mỗi vùng. Loại III tính toán các điều kiện từng vùng cũng như chu trình tuần hoàn ánh sáng (second scale light cycles). Loại III là mô hình có mức chi tiết lớn nhất, trường hợp phức tạp nhất để áp dụng vào thực tế.
Hình 2.6. Ba loại mô hình của Bechet và cs. (2013)
• Mô hình loại I:
Loại mô hình này dự đoán tốc độ quang hợp dựa vào chức năng của cường độ ánh sáng thông thường và trung bình. Loại I có thể chia thành điều kiện ánh sáng bình thường và ánh sáng trung bình.
Cường độ ánh sáng thông thường: dự đoán tốc độ quang hợp trong điều
kiện ánh sáng bình thường được đo liên tục. Loại mô hình thì được áp dụng ở một số điều kiện nhất định và không thể áp dụng diện rộng. Dữ liệu trong mô hình nên chỉ so sánh các yếu tố có chiều đồng nhất và các thông số.
Cường độ ánh sáng trung bình: Loại I dựa trên cường độ ánh sáng trung
bình dự đoán tốc độ quang hợp trong môi trường. Ý tưởng này thực hiện trong hệ thống hòa trộn hoàn toàn, trung bình cường độ ánh sáng và tốc độ quang hợp giống nhau. Mô hình này giới hạn 2 yếu tố với cường độ ánh sáng trung bình giống nhau với mức cường độ ánh sáng khác nhau phụ thuộc vào nồng độ tế bào và yếu tố hình học (hình dạng bể). Phép toán về tốc độ tăng trưởng của tảo dự đoán sẽ giống nhau, tuy nhiên trong thực tế tốc độ trung bình thì phụ thuộc vào giới hạn ánh sáng, độ bão hòa và các giá trị liên quan đến tế bào bị ức chế sẽ không được tính. Điều này không khả quan với tốc độ quang hợp thực sự trong hệ thống (Bechet et al., 2013).
Các biến trong mô hình I không tính toán được lượng tảo di chuyển giữa vùng sáng và vùng tối (chu trình ánh sáng ngắn), cũng như lượng ánh sáng giải phóng ra môi trường. Ánh sáng dư thừa trong hệ thống quang hợp của tảo có thể làm giảm năng suất.
Mô hình I giới hạn dải cường độ ánh sáng , nồng độ tế bào và không kể đến ảnh hưởng của tế bào khác nhau. Vì thế, mô hình này không áp dụng được rộng rãi mà chỉ áp dụng trong 1 quy trình nhất định.
• Mô hình loại II:
Mô hình này thể hiện sự phân bổ ánh sáng trong bể phản ứng quang sinh học. Mô hình này sử dụng các vùng ánh sáng khác nhau với cường độ ánh sáng khác nhau để tính toán tốc độ tăng trưởng riêng biệt. Mỗi khu vực này chịu ảnh hưởng của các trạng thái ánh sáng khác nhau (giới hạn, bão hòa, ức chế) của tế bào. Kích thước của khu vực có thể chia từ centimet hoặc nhỏ hơn. Vào thời điểm nồng độ sinh khối thay đổi và dẫn tới sự phân bổ ánh sáng khác nhau và tạo năng suất khác nhau của từng khu vực. Mô hình II được sử dụng để dự đoán sự tăng trưởng khi sử dụng ánh sáng mặt trời, cũng như nguồn sáng nhân tạo.
Thông số đầu vào: Mô hình II sử dụng mô hình toán để miêu tả tốc độ
sinh trưởng và phân bố ánh sáng. Sự phân vùng có thể được biểu diễn bằng sự tích hợp hoặc tổng hợp thành các lớp dày. Một số mô hình được mở rộng với sự phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và pH.
• Mô hình loại III
Mô hình này theo dõi tảo thông qua các phản ứng, dựa trên đầu vào được tinh toán. Bằng cách theo dõi sự biến đổi có thể xác định được sự ức chế ánh sáng, vùng tối, giới hạn dinh dưỡng và vấn đề gặp phải. Ưu điểm lớn nhất là có thể áp dụng được loại mô hình này vào tất cả các hệ thống nhưng nhược điểm của nó cũng chính là nó quá phức tạp trong tính toán. Eilers và Peeters (1988) đã đề nghị mô hình này cho sự tăng trưởng của tảo liên quan tới quang hợp (PSU). Vào năm 1988 mô hình đầu tiên được giới thiệu và mở rộng ra bởi Eilers và Peeters (1998) và Wu – Merchunk (2001).
Hình 2.7 Mô hình bởi Eilers và Peeters (1988)
Mô hình này ở 3 trạng thái: (1) trạng thái mở, nghỉ, (2) trạng thái đóng, hoạt động, (3) trạng thái ức chế. Ba trạng thái này diễn ra các trạng thái mà tảo có thể xảy ra.
PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU