5. Realaus pasaulio AR pavyzdžiai aplinkos ar biologijos srityse

5.2. Turtingi nuotekos: mikrobiologinės ir cheminės dinamikos AR modeliavimas

Silva & Gültekin (2021) sukurta „Affluent Effluent“ yra AR programa, kuri imituoja aplinkos sąveiką tarp teršalų ir mikrobų populiacijų. Modelis apima:

• · Maistinių medžiagų dinamiką,
• · Mikroorganizmų augimo fazes,
• · Teršalų skilimo greitį.

Apibrėžimas:
Maistinių medžiagų dinamika reiškia esminių maistinių medžiagų (pvz., anglies, azoto, fosforo, deguonies ar elektronų donorų, pvz., acetato), kurios palaiko mikrobų gyvybę ir daro įtaką jų veiklai užterštoje aplinkoje, judėjimą, transformaciją, prieinamumą ir įsisavinimą.

Biologinio valymo kontekste:

• · Lauke valymui naudojami mikroorganizmai auga ir metabolizuoja teršalus naudodami prieinamas maistines medžiagas.
• · Kartais maistinės medžiagos yra natūraliai esančios, tačiau daugeliu atvejų jos turi būti dirbtinai pridedamos (biostimuliacija), kad būtų skatinamas mikrobiologinis skilimas.
• · Pavyzdžiui, uranu užterštuose vandeninguose sluoksniuose įšvirkščiamas acetatas, siekiant stimuliuoti Geobacter rūšis, kurios jį naudoja kaip elektronų donorą, kad tirpų U(VI) paverstų netirpų U(IV) (Lovley et al., 2003).

AR modeliavimas:

• · Maistinių medžiagų dinamika vaizduojama kaip plitimo zonos arba koncentracijos gradientai, kurie kinta laikui bėgant.
• · Studentai ar tyrėjai gali pamatyti, kaip maistinių medžiagų turtingos zonos skatina mikrobų augimą ir teršalų skilimą.
• · Simuliacija taip pat gali parodyti konkurenciją dėl maistinių medžiagų, kuri daro įtaką dominuojančių mikroorganizmų rūšims.

Apibrėžimas:
Mikroorganizmų augimo fazės apibūdina keturių etapų ciklą, kurį mikroorganizmų populiacijos paprastai praeina, kai patenka į naują aplinką ar substratą:

1. Lag fazė – prisitaikymo laikotarpis, kai mikroorganizmai prisitaiko prie naujų sąlygų (augimas nevyksta).

2. Log (eksponentinė) fazė – greitas dauginimasis dėl gausių maistinių medžiagų.

3. Stacionari fazė – augimas sulėtėja, nes maistinės medžiagos išeikvojamos ir kaupiasi atliekos.

4. Mirties fazė – mikroorganizmai miršta dėl išteklių trūkumo arba toksinių šalutinių produktų kaupimosi.

Biologinio valymo kontekste:

• · Augimo fazių supratimas yra svarbus laiko pasirinkimui, pavyzdžiui, pakartotiniam inokulavimui ar maistinių medžiagų pakartotiniam naudojimui.
• · Pavyzdžiui, jei mikroorganizmų populiacija yra stacionarioje fazėje, teršalų skilimas sustos be tolesnių veiksmų.

AR modeliavime:

• · Šios fazės vaizduojamos vizualiai, pavyzdžiui, mikrobų kolonijų burbuliukai plečiasi ir stabilizuojasi arba keičia spalvą, kai patenka į skirtingas fazes.
• · Vartotojai gali reguliuoti sąlygas (pvz., temperatūrą, maistinių medžiagų kiekį) ir stebėti, kaip keičiasi augimo fazė, o tai padeda jiems suprasti, koks subtilus balansas reikalingas sėkmingam biologiniam valymui lauke.

Apibrėžimas:
Teršalų skilimo greitis – tai greitis, kuriuo tam tikras teršalas yra skaidomas arba transformuojamas į mažiau kenksmingas medžiagas mikrobiologinių arba cheminių procesų metu.

Biologinio valymo kontekste:

· Mikroorganizmai gali skaidyti teršalus:

o Aerobinis skilimas (su deguonimi) – pvz., angliavandeniliai Pseudomonas spp.

o Anaerobinis skilimas (be deguonies) – pvz., uranas arba nitratai, kuriuos skaido Geobacter spp.

· Veiksniai, darantys įtaką skilimo greičiui:

o Mikroorganizmų štamo efektyvumas,

o Temperatūra ir pH,

o Teršalų koncentracija ir cheminė forma,

o Maistinių medžiagų prieinamumas ir redokso sąlygos.

AR modeliavime:

· Degradacijos greitis vaizduojamas vizualinėmis skilimo kreivėmis, teršalų pluošto spalvos pokyčiais arba laiko animacijomis, rodančiomis, kiek teršalų lieka laikui bėgant.

· Vartotojai gali stebėti, kaip kintančios aplinkos sąlygos (pvz., didesnis maistinių medžiagų kiekis arba pH pokyčiai) veikia skilimo laiką.

Šie trys procesai – maistinių medžiagų prieinamumas, mikrobų augimas ir teršalų skilimas – sudaro dinamišką grįžtamojo ryšio grandinę biologiniame valyme:

1. Maistinių medžiagų prieinamumas veikia...

2. Mikroorganizmų augimą, kuris skatina...

3. Teršalų skilimą, kuris gali sunaudoti maistines medžiagas ir sukurti šalutinius produktus, turinčius įtakos mikrobų sveikatai.

Šios sistemos modeliavimas AR leidžia vartotojams pamatyti šias tarpusavio priklausomybes veikiant, suteikiant gilesnį supratimą aplinkos mokslininkams, studentams ar lauko techniniams specialistams.

Pagrindinės savybės:

• · Vizualizuoja cheminių koncentracijų pokyčius laikui bėgant;
• · Simuliuoja mikrobų reakcijas įvairių aplinkos veiksnių poveikio sąlygomis;
• · Veikia mobiliosiose AR platformose (pvz., išmaniuosiuose telefonuose, planšetiniuose kompiuteriuose).