Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, thực phẩm sạch, thực phẩm an toàn luôn là mối quan tâm hàng đầu của mỗi quốc gia. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thực phẩm, trong số đó thì đất đai, môi trường là yếu tố đầu tiên, ảnh hưởng trực tiếp. Do vậy mà vấn đề cải tạo đất và môi trường là vấn đề hết sức cấp thiết.

Để giải quyết vấn đề này thì phân bón hóa học ra đời từ thế kỷ 19 được coi như một cuộc cách mạng trong nông nghiệp vì:

1. Tiện lợi, đơn giản2. Hiệu quả, nhanh chóng làm tăng sản lượng nông nghiệp.

Tuy nhiên sau một thời gian dài áp dụng, phương pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng <về tìm hiểu thêm về ảnh hưởng xấu của phân bón hóa học>:

1. Dư lượng chất hóa học trong nông sản ảnh hưởng đến sức khỏe con người.2. Làm cho đất xơ hóa, khó cải tạo hơn.

Vì vậy mà hiện nay có một phương pháp được các quốc gia châu Âu đặc biệt quan tâm và đánh giá cao đó là dùng hệ vi sinh vật để làm giàu chất hữu cơ trong môi trường đất. Phương pháp này làm giàu chất hữu cơ trong đất bằng tác động của vi sinh vật. Các sản phẩm nông nghiệp như rau, củ, quả…trên các môi trường đất như vậy rất sạch, an toàn. Chúng được gọi với cái tên khoa học là các sản phẩm vi sinh.

Nhằm mục đích nghiên cứu về việc dùng hệ vi sinh vật này thì năm (2010) Coucheney Elsa đã dựa trên những thí nghiệm để hoàn thành luận văn tiến sĩ ở ĐH Pierre et Marie Curie, Pháp. Tuy nhiên, những khó khăn gặp phải trong việc đánh giá và phân tích trong thực tế là:

(1) Cấu trúc của đất là một cấu trúc hết sức phức tạp, nó không phải ở dạng đặc mà ở dạng xốp tổ ong với một mạng lưới các lỗ thủng (pores),

(2) Hoạt động của vi sinh vật trong môi trường đất là không thể đo đạc, quan sát cụ thể và chi tiết được kể cả với các loại kính hiển vi hiện đại hiện có.

(3) Thời gian hoàn thành một thí nghiệm rất lâu (3 tháng).

Trong trường hợp này, việc xây dựng các mô hình trong phòng thí nghiệm để quan sát, phân tích và đánh giá những tương tác của vi sinh vật lên quá trình phân tách chất hữu cơ trong đất là hết sức khó khăn và cấp thiết. Để đơn giản hóa vấn đề và rút ngắn quá trình nghiên cứu, mô hình được xây dựng nhờ sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm mô phỏng.

VÀO CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH IBM, EBM VÀ PHẦN MÊM GAMA

- Mô hình IBM là một dạng mô hình tính toán trong đó các cá thể, sự tương tác giữa các cá thể với nhau và sự tương tác giữa cá thể với môi trường được thể hiện rõ ràng trong một chương trình.

- Mô hình phương trình EBM được mô tả như một hệ các phương trình vi phân, phương trình sai phân, phương trình đạo hàm riêng...

Đây là hai dạng mẫu mô hình sẽ được sử dụng để xây dựng các mô hình trong luận văn. Để cài đặt các mô hình thì phần mềm GAMA được sử dụng mô phỏng và Matlab 2007R để vẽ các biểu đồ.

GAMA là một nền tảng cung cấp môi trường mô hình hóa và mô phỏng hoàn chỉnh để xây dựng không gian mô phỏng dựa trên cá thể. Các đặc điểm chính của GAMA bao gồm:

- GAMA có thể chạy trên 3 nền hệ điều hành phổ biến hiện nay là Windows, Mac OS, Linux.

- Thư viện mẫu có sẵn của GAMA phong phú.- Dung lượng bộ cài đặt nhỏ gọn, dễ cài đặt làm cho nó ngày càng được sử dụng

phổ biến.

VÀO CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH MỘT LOÀI VI SINH VẬT

Dựa trên thí nghiệm của Coucheney Elsa gồm lọ thủy tinh có chứa mẫu cát, nước và các chất hữu cơ được bổ sung vào môi trường. lọ có nắp đậy để kiểm soát lượng CO2 thải ra. Chúng tôi xây dựng môi trường dựa trên mô hình IBM.

Môi trường là một tập hợp các lỗ thủng liên thông với nhau. 1. Khi chạy mô phỏng, môi trường được cho bởi một ma trận vuông thể hiện

cho ta biết vị trí các lỗ thủng và đất rắn.2. Chất hữu cơ trong môi trường là đường và xác của những vi sinh vật sau khi

chết đi.3. Một hàm sau trong GAMA được sử dụng để phân bổ đường vào môi trường:

float fructose <- rnd(1000) * maxFructose / 1000;Hình 2 minh họa cho ta thấy mặt cắt 2 chiều của môi trường. đất rắn màu xám,

lỗ thủng chứa hạt đường màu xanh.Lưu đồ hình 3 cho ta hình dung về hoạt động của môi trường. Mỗi bước chạy

mô phỏng, môi trường sẽ trải qua các quá trình: Được bổ sung thêm một lượng đường ngẫu nhiên. Cung cấp cho vi sinh vật.

Hình 4 cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về mô hình một loài. Các lỗ thủng được có màu xanh lá cây, mức độ đậm/nhạt của màu xanh biểu thị lượng chất hữu cơ có trong lỗ thủng đó. Tức là màu càng đậm thì càng giàu chất hữu cơ. Phần đặc của đất tô màu vàng. Vi sinh vật có màu đỏ được. Như vậy, vi sinh vật có thể di chuyển o có màu xanh lá cây.

Mô phỏng các hoạt động của vi sinh vậtVi sinh vật được phân bố một cách ngẫu nhiên trong môi trường tại thời điểm ban

đầu. Các cá thể vi sinh vật có các hoạt động như: di chuyển, sinh, chết và cạnh tranh chất hữu cơ. Chúng tôi giới thiệu một biến cho các cá thể đó là biến năng lượng energy. Biến này đại diện cho năng lượng của vi sinh vật. Toàn bộ các hoạt động của vi sinh vật sẽ đều liên quan chặt chẽ đến biến năng lượng này.

1. Di chuyển: VSV di chuyển tự do giữa các lỗ thủng. Sau một bước mô phỏng, thì mỗi VSV đều di chuyển ngẫu nhiên từ lỗ thủng này sang lỗ thủng khác. Em đã sử dụng 3 hàm sau trong GAMA để thể hiện sự di chuyển của VSV trong môi trường <chỉ lên màn chiếu>

2. Cạnh tranh đường, xác chết: một lỗ thủng có thể có nhiều con vi sinh vật. Do đó, mỗi VSV sẽ phải cạnh tranh phân tách chất hữu cơ với các con khác. Số lượng đường fructose, xác chết mà mỗi VSV ăn được bằng số lượng chất hữu cơ vị trí hiện tại nhân với hệ số 1/numA <chỉ lên màn chiếu>

3. Sinh sản: khi energy>= reproducing_energy thì VSV có thể sinh sản. VSV mẹ phân đôi thành 2 VSV con.

4. Sự chết: dựa vào xác suất chết và khi năng lượng của nó giảm về 0. Sau khi VSV chết, có một lượng chất hữu cơ nhất định được tạo ra tại vị trí đó.

Tất cả các hoạt động của VSV được tóm tắt trong một lưu đồ trong hình 5.

Trình bày kết quả khi chạy mô phỏngVới một lần chạy mô phỏng. Thu được biểu đồ như hình 6. Nhìn vào hình, chúng

ta thấy được ngay số lượng vi sinh vật tăng nhanh chóng từ 100 lên khoảng 2500 cá thể. Tuy nhiên sau đó, số lượng giảm dần do khả năng đáp ứng của môi trường có hạn và dần tới mức ổn định ở khoảng 1200 cá thể.

Để tăng tính chính xác của quá trình mô phỏng, mô hình được chạy 30 lần rồi lấy trung bình số liệu về số lượng vi sinh vật. Kết quả được biểu diễn trong hình 7.

MÔ HÌNH HAI LOÀI VI SINH VẬT CẠNH TRANHĐể nghiên cứu bài toán sinh thái về hai loài vi sinh vật cạnh tranh, chúng tôi dự

vào mô hình một loài và bổ sung thêm một loài vi sinh vật khác. Mô hình của chúng tôi gồm hai yếu tố chính: môi trường và vi sinh vật. ở phần này, chúng ta sẽ chú ý hơn tới sự tương tác của hai loài vi sinh vật với nhau.

Về cơ bản, môi trường và các hoạt động của vi sinh vật được mô tả giống như với trường hợp một loài. Có vài điểm khác biệt ở đây là:

1. Vi sinh vật sẽ phải cạnh tranh cùng loài và khác loài. Do vậy, công thức tính lượng thức ăn của 1 con sẽ là

h * fructose (tương tự h * corpse);với h được lấy từ công thức:

h = fruc_compete/(numA * fruc_competeA + numB * fruc_competeB);

2. Xây dựng mô hình EBM song song với mô hình IBM. Các tham số của EBM được ước lượng từ IBM. Bốn phương trình vi phân lần lượt thể hiện: lượng đường có trong môi trường, số lượng vi sinh vật A, số lượng vi sinh vật B và lượng xác chết có trong.

Kết quảSau khi xây dựng các mô hình. Phần mềm GAMA được chạy để lấy kết quả.

ở đây, ta xét hai trường hợp: Trường hợp 1: loài A mạnh hơn về khả năng ăn đường và xác chếtKết quả chạy ở hình 9 cho ta thấy vi sinh vật A tồn tại, vi sinh vật B hoàn toàn

biến mất. Trong trường hợp này, nhờ khả năng phân tách các hợp chất hữu cơ mạnh hơn mà loài A đã chiến thắng. Nhằm tăng tính chính xác của quá trình chạy mô phỏng và loại bỏ các yếu tố ngẫu nhiên trong mô hình IBM, chúng tôi cho chạy 30 mô phỏng và lấy trung bình số liệu. Trong hình 10, số lượng 2 loài vi sinh vật được trong mô hình IBM và EBM được vẽ chung nhằm đánh giá tính chính xác của 2 mô hình đã xây dựng. Trong khoảng 1000 bước chạy mô phỏng đầu tiên, số lượng 2 loài vi sinh vật ở 2 mô hình không trùng nhau do các yếu tố ngẫu nhiên tác động. Từ bước 1000 trở đi, chúng ta thấy được sự trùng khớp về số lượng 2 loài ở cả 2 mô hình. Điều này chứng tỏ việc xây dựng các mô hình là hợp lý và hoàn toàn chính xác.

Trường hợp 2: loài A mạnh hơn về khả năng ăn đường nhưng yếu hơn về khả năng cạnh tranh xác chết.

Nhìn vào hình 12, chúng ta thấy vi sinh vật B mạnh hơn vi sinh vật A khi cạnh tranh xác chết là nguyên nhân khiến hai loài cùng tồn tại.