Mathematical and Computer Simulation of the Biological Life Support System Module 1/2. Description of the model

The mathematical model based on kinetic coefficients and dependencies obtained during the experiments was constructed to estimate the character of functioning of the experimental module of biological life support system (BLSS) and the possibilities of its controlling. The mathematical model consists of two compartments - the phytotron model (with wheat and radish) and the mycotron model (for mushrooms). The following components are included into the model: edible mushrooms (mushroom fruit bodies and mycelium); wheat; radish; straw (processed by mycelium); dead organic matter in the phytotron (separately for the wheat unit and for the radish unit); worms; worms` coprolites; vermicompost used as a soil-like substrate (SLS); bacterial microflora; mineral nitrogen, phosphorus and iron; products of the system intended for humans (wheat grains, radish roots and mushroom fruit bodies); oxygen and carbon dioxide. At continuous gas exchange, the mass exchange between the compartments occurs at the harvesting time. The conveyor character of the closed ecosystem functioning has been taken into account - the number of culture age groups can be controlled (in experiments and in the model - 4 and 8 age groups). The conveyor cycle duration can be regulated as well. The module was designed for the food and gas exchange requirements of 1\30 of a virtually present human. The model estimates the values of all dynamic components of the system under various conditions and modes of functioning, especially those, which are difficult to be realized in the experiment. The model allows dynamic calculation of biotic turnover closedness coefficient for main considered elements. The coefficient of matter biotic cycle closure for systems based on matter supplies has been formalized.Для оценки характера функционирования экспериментального модуля биологической системы жизнеобеспечения и возможности управления им построена математическая модель, опирающаяся на кинетические коэффициенты и зависимости, полученные в экспериментальных исследованиях. Математическая модель состоит из двух компартментов - моделей «фитотрона» (с пшеницей и с редисом) и модели «микотрона» (для грибов). В модель включены следующие компоненты: пшеница, редис, солома (перерабатываемая мицелием), мертвое органическое вещество в фитотроне, съедобные грибы (плодовые тела и мицелий), черви, продукты жизнедеятельности червей (копролиты), вермикомпост, использующийся как почвоподобный субстрат, бактериальная микрофлора, минеральные формы биогенных элементов (азот, фосфор, железо), продукция системы для человека (зерно пшеницы, корнеплоды редиса, плодовые тела грибов), кислород и углекислый газ. При постоянном газообмене массообмен между компартментами происходит только во время снятия урожая. Учитывается конвейерный характер функционирования замкнутой экосистемы - число возрастов культуры может регулироваться (в эксперименте - четыре и восемь возрастов). Также поддается регулированию длина конвейерного цикла. По пище и газообмену модуль рассчитан на условное присутствие 1/30 доли человека. Модель позволяет оценить значения всех учитываемых динамических компонентов системы при различных условиях и режимах ее функционирования, в частности, при труднореализуемых в эксперименте условиях. Формализован коэффициент замкнутости биотического круговорота вещества для систем на запасах вещества

Mathematical and Computer Simulation of the Biological Life Support System Module 2/2. Verification of the model and scenarios

According to experimental data a dynamic model of biological life support system (BLSS) module was verified. The soil-like substrate (SLS) lies in the basis of this BLSS. The module was designed for requirements of 1/30 of a virtually present human; it involves higher plants, unit for vegetable wastes processing and gas exchange for carbon dioxide and oxygen. Application of the model helped in estimation of variants of system functioning at optimal and non-optimal modes of illumination and according to the number of age groups in the phytoblock. The alternatives of system development at death of a part or the whole wheat phytomass have been demonstrated, the degree of biotic turnover closedness for C and N in different methods of system mass exchange organization has been estimated. BLSS with SLS exceed the system with physico-chemical method of matter oxidation by the degree of matter turnover closedness. From this viewpoint, SLS based experimental module can become the prototype of new generation BLSS with more high closedness of internal matter turnover.По экспериментальным данным верифицирована динамическая модель модуля биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО). В основе БСЖО использование почвоподобного субстрата (ППС). Модуль включает высшие растения, блок переработки растительных отходов, газообмен по углекислому газу и кислороду, и по массо-газообмену рассчитан на условное присутствие 1/30 доли человека. При помощи модели оценены варианты функционирования системы при неоптимальном и оптимальном режимах освещенности и по количеству возрастов в фитоблоке, продемонстрированы варианты развития системы для такой критической ситуации как гибель части или всей фитомассы пшеницы, оценена степень замкнутости биотического круговорота по С и N для различных способов организации массооборота системы. БСЖО с ППС по степени замкнутости круговорота вещества имеет преимущество перед системой с физико-химическим способом окисления вещества. В этом смысле экспериментальный модуль (на основе ППС) может послужить прообразом в создании нового поколения БСЖО с повышенным замыканием внутреннего круговорота вещества

Mathematical and Computer Simulation of the Biological Life Support System Module 1/2. Description of the model

The mathematical model based on kinetic coefficients and dependencies obtained during the experiments was constructed to estimate the character of functioning of the experimental module of biological life support system (BLSS) and the possibilities of its controlling. The mathematical model consists of two compartments - the phytotron model (with wheat and radish) and the mycotron model (for mushrooms). The following components are included into the model: edible mushrooms (mushroom fruit bodies and mycelium); wheat; radish; straw (processed by mycelium); dead organic matter in the phytotron (separately for the wheat unit and for the radish unit); worms; worms` coprolites; vermicompost used as a soil-like substrate (SLS); bacterial microflora; mineral nitrogen, phosphorus and iron; products of the system intended for humans (wheat grains, radish roots and mushroom fruit bodies); oxygen and carbon dioxide. At continuous gas exchange, the mass exchange between the compartments occurs at the harvesting time. The conveyor character of the closed ecosystem functioning has been taken into account - the number of culture age groups can be controlled (in experiments and in the model - 4 and 8 age groups). The conveyor cycle duration can be regulated as well. The module was designed for the food and gas exchange requirements of 1\30 of a virtually present human. The model estimates the values of all dynamic components of the system under various conditions and modes of functioning, especially those, which are difficult to be realized in the experiment. The model allows dynamic calculation of biotic turnover closedness coefficient for main considered elements. The coefficient of matter biotic cycle closure for systems based on matter supplies has been formalized.Для оценки характера функционирования экспериментального модуля биологической системы жизнеобеспечения и возможности управления им построена математическая модель, опирающаяся на кинетические коэффициенты и зависимости, полученные в экспериментальных исследованиях. Математическая модель состоит из двух компартментов - моделей «фитотрона» (с пшеницей и с редисом) и модели «микотрона» (для грибов). В модель включены следующие компоненты: пшеница, редис, солома (перерабатываемая мицелием), мертвое органическое вещество в фитотроне, съедобные грибы (плодовые тела и мицелий), черви, продукты жизнедеятельности червей (копролиты), вермикомпост, использующийся как почвоподобный субстрат, бактериальная микрофлора, минеральные формы биогенных элементов (азот, фосфор, железо), продукция системы для человека (зерно пшеницы, корнеплоды редиса, плодовые тела грибов), кислород и углекислый газ. При постоянном газообмене массообмен между компартментами происходит только во время снятия урожая. Учитывается конвейерный характер функционирования замкнутой экосистемы - число возрастов культуры может регулироваться (в эксперименте - четыре и восемь возрастов). Также поддается регулированию длина конвейерного цикла. По пище и газообмену модуль рассчитан на условное присутствие 1/30 доли человека. Модель позволяет оценить значения всех учитываемых динамических компонентов системы при различных условиях и режимах ее функционирования, в частности, при труднореализуемых в эксперименте условиях. Формализован коэффициент замкнутости биотического круговорота вещества для систем на запасах вещества

Mathematical and Computer Simulation of the Biological Life Support System Module 2/2. Verification of the model and scenarios

According to experimental data a dynamic model of biological life support system (BLSS) module was verified. The soil-like substrate (SLS) lies in the basis of this BLSS. The module was designed for requirements of 1/30 of a virtually present human; it involves higher plants, unit for vegetable wastes processing and gas exchange for carbon dioxide and oxygen. Application of the model helped in estimation of variants of system functioning at optimal and non-optimal modes of illumination and according to the number of age groups in the phytoblock. The alternatives of system development at death of a part or the whole wheat phytomass have been demonstrated, the degree of biotic turnover closedness for C and N in different methods of system mass exchange organization has been estimated. BLSS with SLS exceed the system with physico-chemical method of matter oxidation by the degree of matter turnover closedness. From this viewpoint, SLS based experimental module can become the prototype of new generation BLSS with more high closedness of internal matter turnover.По экспериментальным данным верифицирована динамическая модель модуля биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО). В основе БСЖО использование почвоподобного субстрата (ППС). Модуль включает высшие растения, блок переработки растительных отходов, газообмен по углекислому газу и кислороду, и по массо-газообмену рассчитан на условное присутствие 1/30 доли человека. При помощи модели оценены варианты функционирования системы при неоптимальном и оптимальном режимах освещенности и по количеству возрастов в фитоблоке, продемонстрированы варианты развития системы для такой критической ситуации как гибель части или всей фитомассы пшеницы, оценена степень замкнутости биотического круговорота по С и N для различных способов организации массооборота системы. БСЖО с ППС по степени замкнутости круговорота вещества имеет преимущество перед системой с физико-химическим способом окисления вещества. В этом смысле экспериментальный модуль (на основе ППС) может послужить прообразом в создании нового поколения БСЖО с повышенным замыканием внутреннего круговорота вещества

Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches

A large number and wide variety of lake ecosystem models have been developed and published during the past four decades. We identify two challenges for making further progress in this field. One such challenge is to avoid developing more models largely following the concept of others (‘reinventing the wheel’). The other challenge is to avoid focusing on only one type of model, while ignoring new and diverse approaches that have become available (‘having tunnel vision’). In this paper, we aim at improving the awareness of existing models and knowledge of concurrent approaches in lake ecosystem modelling, without covering all possible model tools and avenues. First, we present a broad variety of modelling approaches. To illustrate these approaches, we give brief descriptions of rather arbitrarily selected sets of specific models. We deal with static models (steady state and regression models), complex dynamic models (CAEDYM, CE-QUAL-W2, Delft 3D-ECO, LakeMab, LakeWeb, MyLake, PCLake, PROTECH, SALMO), structurally dynamic models and minimal dynamic models. We also discuss a group of approaches that could all be classified as individual based: super-individual models (Piscator, Charisma), physiologically structured models, stage-structured models and trait-based models. We briefly mention genetic algorithms, neural networks, Kalman filters and fuzzy logic. Thereafter, we zoom in, as an in-depth example, on the multi-decadal development and application of the lake ecosystem model PCLake and related models (PCLake Metamodel, Lake Shira Model, IPH-TRIM3D-PCLake). In the discussion, we argue that while the historical development of each approach and model is understandable given its ‘leading principle’, there are many opportunities for combining approaches. We take the point of view that a single ‘right’ approach does not exist and should not be strived for. Instead, multiple modelling approaches, applied concurrently to a given problem, can help develop an integrative view on the functioning of lake ecosystems. We end with a set of specific recommendations that may be of help in the further development of lake ecosystem model