ミクロシスティスの浮沈過程に及ぼす風と光の影響

Scientific Reports volume 12、記事番号: 5655 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ミクロシスティス コロニーの垂直方向の移動と蓄積は、藻類のブルーム形成における重要なプロセスです。 この研究では、ミクロシスティスのコロニーの垂直移動に対する風と光の強さの影響を調査しました。 Ansys Fluent と MATLAB を介して、風による流れ、光によるコロニーの質量密度の変化、およびコロニー サイズの影響を組み合わせて、コロニーの垂直方向の動きをシミュレートしました。 その結果、光はミクロシスティスに「昼沈夜浮遊」(dn)現象を引き起こすが、風はミクロシスティスの垂直運動を阻害する乱流抗力を形成することで現象を弱めることを示した。 本研究では、特定の平衡乱流運動エネルギーが存在し、水域の乱流運動エネルギーが平衡乱流運動エネルギーよりも大きい場合、dn現象は起こらないという、運動比に基づく手法を提案した。 太湖の場合、風による乱流の運動エネルギーは通常、平衡乱流の運動エネルギーよりも大きくなります。 したがって、Microcystis のコロニーは dn 現象を示さない可能性があります。 私たちの発見は、大きな浅い湖での藻類の発生をシミュレートする現在のプロセスベースのモデルに新しい理論的基礎を提供します。

湖の富栄養化によって引き起こされるアオコの発生は、地球規模の環境と人間の健康への懸念であり、飲料水の供給と淡水生態系の生態学的および経済的持続可能性を脅かしています1。 ミクロシスチスは、一般に富栄養湖の主要な藻類種です。 ミクロシスティスは、その強力な垂直移動能力により、最適な位置を占めることで光と栄養素を求めて他の藻類よりもうまく競争することができます2。 太湖は中国で 3 番目に大きい淡水湖で、面積は 2,360 平方キロメートルで、アオコの発生は湖の環境に深刻な影響を与えています。 太湖では、夏の植物プランクトンのバイオマスの 85% 以上をミクロシスティスが占めています 3。 したがって、ミクロシスティスの垂直方向の動きを研究することは、その成長とアオコの発生を除去するための治療法を理解するために不可欠です。 通常、水中でのミクロシスティスの浮遊/沈降には 3 つの要因が影響します。それは、ミクロシスティス個体群の質量密度 4、風による流れ 5、およびミクロシスティス コロニーのサイズ 6 です。

Ibelings ら 7 は、光強度の変化がミクロシスティスの光合成と呼吸プロセスに影響を与え、その結果コロニーの質量密度が変化することに気づきました。 浮力は質量密度に応じて変化するため、ミクロシスティスは日中は徐々に沈み、夜間は浮きます。 以前の研究では、フィールド9から精製されたミクロシスチス・アエルギノーサ8とシアノバクテリアを実験室で培養しました。 さまざまな光強度の下で、気胞膨張圧力、質量密度、細胞内炭水化物質量、およびタンパク質含有量がテストされました。 明らかに、ミクロシスティスの質量密度の変動は光の強さによって引き起こされた。 質量密度の変動の主な理由は、光合成および呼吸プロセスの結果としてのミクロシスティス細胞の細胞内炭水化物質量の変動でした。 Visser et al.10 は、実験室実験で Microcystis の密度変化率と光子放射照度の変化との関係を決定し、Microcystis 培養の「昼沈と夜浮」(dn) 現象のシミュレーションに重要な情報を提供しました。たまり水。

風によって引き起こされる流れは、静水中のミクロシスティスの dn 現象のパターンを変化させました 11。 George ら 12 は臨界風速の概念を提案しており、実際の風速が臨界風速を下回っている場合にのみ、ミクロシスティスは水面に浮き、深い層に沈むことができます。 洛東江14、滇池湖15、ミッキースロー湾16、キネレット湖17、太湖18など、世界のさまざまな地域で臨界風速が観測された。 臨界風速は現場調査ごとに異なった。

コロニーのサイズは、風による流れによる撹乱に抵抗するミクロシスティスの能力に影響します。 Medrano et al.11 は、Microcystis のコロニーのサイズが大きくなるほど、風による流れの乱れに対する耐性が高まることを示唆しました。これは、風速が増加した条件下では、大きなコロニーが水面に集まる可能性があることを示しています。 Wu ら 19 は、太湖のミクロシスチスはコロニーサイズ 36 ～ 120 μm で、風の強い条件下では垂直方向に均一に分布し、風のないときは湖面に集まることを観察しました。 Xiaoらによる実験室試験結果20およびZhaoらによる数値シミュレーション試験21は、風による流れの乱れに抵抗するMicrocystisの能力がコロニーのサイズと正の相関があることを示した。 ミクロシスティスには、乱流運動エネルギー (TKE) に対する抵抗限界があります。 風によって発生するTKEが抵抗限界を超えると、ミクロシスティスは水面に浮きにくくなります。

要約すると、コロニーの質量密度、コロニーのサイズ、風による流れはミクロシスティスの浮沈プロセスにおいて重要な役割を果たしますが、質量密度の一部は光によって、乱流の一部は風によって引き起こされます。 風と光の複数の影響は、基本的にミクロシスティスの浮沈プロセスに影響を与えます。 したがって、この問題を調査することが重要です。 Li ら 22 は、乱流混合が Microcystis のコロニー サイズを効果的に減少させる可能性があることを発見しました。 Chien et al.23 は、静水圧条件下での Microcystis の浮遊および沈降に対する光による質量密度の変動と Microcystis コロニーのサイズの影響を検討し、dn 現象は大きな Microcystis コロニーでのみ発生することを示唆しました。 Medrano et al.24 は、Microcystis コロニーの浮力変動と乱流擾乱の影響を統合し、乱流擾乱の影響が優勢な場合には Microcystis が垂直方向に均一に分布すると提案しました。 Liu ら 25 は、風による流れと Microcystis のコロニー サイズが浮遊速度に及ぼす影響を研究しました。 米国のミルフォード湖におけるミクロシスティスの垂直分布が測定およびシミュレーションされ、風による流れによって引き起こされる混合プロセスがミクロシスティスの垂直分布に重要な影響を与えることが提案されました。 これらの研究では、ミクロシスティスの浮遊/沈下に対する複数の要因の複合的な影響が考慮されていましたが、その動きは拡散分散モデルに基づいてシミュレートされており、コロニーの質量密度変動に対する風の擾乱や光の生物学的影響は組み込まれていませんでした。

風や光の影響を考慮したミクロシスティスの上方移動のメカニズムを解明する必要がある。 さらに、ミクロシスチスが dn 現象を伴う実験室静水培養のように振る舞うことを可能にする条件は不明です。 したがって、湖（すなわち、中国の太湖）におけるミクロシスティスの移動パターンは依然として不明である。 この研究では、ミクロシスティスの浮沈過程に対する風と光の影響を調査し、ミクロシスティスのコロニーの垂直運動を研究しました。 ミクロシスティスの浮遊および沈降の動きに対する風と光の影響を調査するために、風による流れの強さと質量密度の変化が浮遊および沈降の動きに及ぼす影響を評価しました。

風による流れの強さは Ansys Fluent を使用してシミュレートされ、現場での測定と比較されました。 MATLAB を使用してミクロシスティスの垂直運動をシミュレーションする場合、風による流れの乱れ、光による質量密度の変化、およびコロニー サイズの影響が組み合わされました。 データの相関関係を分析するために SPSS 20 を使用しました。 シミュレーションの詳細については、付録 A (補足) を参照してください。

太湖 (北緯 30°55ʹ40ʺ–31°32ʹ58ʺ; 東経 119°52ʹ32ʺ–120°36ʹ10ʺ) は、中国の長江デルタの下流部に位置しています。 広くて浅い、富栄養化した湖として知られています。 2017年、我々は太湖北部の美梁湾と公湖湾の2つのサンプリング地点で音響ドップラー流速プロファイラー（ADCP）を使用し、年間を通じて異なる風速の下で7層の層状TKEを測定した。 現場調査とデータ分析の詳細については、付録 A. 補足データを参照してください。

風力による電流は、Ansys Fluent の混相流オイラー モデルに基づいてシミュレーションされました。これにより、複数の別々の、しかし相互作用する相のモデリングが可能になります。 大気と水の間の運動量交換は、流体間交換係数の値に基づきます。 体積分率は連続方程式に従います。 風による流れの乱流強度は、「実現可能な k-ε モデル」26 に基づいてシミュレートされました。 アルゴリズムの収束と精度を確保するために、圧力と速度の結合と離散 2 次風上形式を使用した SIMPLEC アルゴリズムの解法が使用されました。

風応力は、大気と水の間の運動エネルギー伝達の効率と表面波の形態を決定します。 風応力の強さは水面の平均風速に大きく依存します27。 風による電流モデルの風応力は次のようにシミュレートされます28:

ここで \({F}_{x}\) と \({F}_{y}\) は風応力です。 \({\rho }_{air}\) は空気密度です。 \({\rho }_{water}\) は水の密度です。 \({C}_{d}\) は風応力の抗力係数です29。 \({u}_{wind}\) と \({v}_{wind}\) は水平面内の風速の成分です。

シミュレーションの詳細については、付録 A. 補足データを参照してください。

乱流におけるミクロシスチスのコロニーの動きは、乱流における堆積物の輸送プロセスに類似していると考えることができます21。 風による流れの擾乱下でミクロシスティス個体群にかかる乱流力 \({F}_{w}\) は、乱流抗力、仮想質量、および圧力勾配力で構成されます。

上方向を順方向とみなし、上方向を順方向とみなします。 したがって、ミクロシスティス個体群の単位質量あたりの乱流力 \({F}_{w}\) の式 30 は次のように表されます。

ここで、 \(\rho\) と \({\rho }_{p}\) はそれぞれ水とミクロシスティスの質量密度です。 \(v\) と \(u\) は、それぞれ水とミクロシスティス コロニーの垂直速度 (Vy) です。 \({Re}_{d}\) はコロニーのレイノルズ数であり、 \({Re}_{d}=\frac{\rho {d}_{p}\left|vu\right としてシミュレートされます) |}{\mu }\); \({C}_{D}\) は乱流の抗力係数 30、\({d}_{p}\) は Microcystis のコロニー サイズです。

ミクロシスティスの個体群と、風による流れで継続的に生成および消散する渦との間の相互作用を分析し、乱流 31 のランダム性を反映するために、この研究ではランダム ウォーク モデルを使用して時間ステップを計算しました。

シミュレーションの詳細については、付録 A. 補足データを参照してください。

ミクロシスティス コロニーの浮き沈みに対する光の影響は、主に光による質量密度の変化、つまり個体群の浮力に反映されます。 Visser et al.10 は、静止水中での Microcystis の質量密度の変化と光子放射照度の間の関係を提案しました。 本研究では、ミクロシスティスの光強度と質量密度の関係に基づいて、光駆動条件下での質量密度をシミュレーションした。 ミクロシスティス個体群の初期質量密度 32 は 985 kg m-3 に設定されました。

力解析によれば、光の影響は質量密度力 Fρ で表現でき、風の影響は乱流外乱力 Fw で表現できます。 これら 2 つの力の比は運動比 k として定義され、ミクロシスティスの垂直方向の動きにおける風または光の優勢を決定します。 式 (4) は k を次のように説明します。

ここで \({f}_{w}\) はミクロシスティス コロニーの単位質量あたりの乱流外乱力です (式 3)。 \({f}_{\rho }\) はミクロシスティス コロニーの単位質量あたりの質量密度力です、\({f}_{\rho }=g\frac{\left(\rho -{\rho } _{p}\right)}{{\rho }_{p}}\); \(\rho\) と \({\rho }_{p}\) はそれぞれ水と Microcystis コロニーの質量密度です。

シミュレーションの詳細については、付録 A. 補足データを参照してください。

風速

1956 年 1 月 1 日から 2019 年 9 月 30 日までの太湖の日内風速は、中国気象データ ネットワーク (http://www.data.cma.cn) から取得されました。 過去 70 年間の太湖地域の平均日内風速は 3.39 ms−1 でした。 日内風速頻度分布から、典型的な風速は 0 ～ 5 ms-1 で、測定値の 93.3% を占めました。 したがって、風による流れのシミュレーションの広範囲の風速をカバーするために、風速 1、2、3、4、および 5 ms-1 と非常に高い値 10 ms-1 が選択されました。

光強度。

静止した水中では、光の強度は深さによって異なります。 ランベルト・ベールの法則によれば、水深 y における光の強度 I は次のようにシミュレートされます10。

ここで、η は減衰係数であり、-2 m-1 に設定されます。 \({{I}}_{{MAX}}\) は正午の最大光強度であり、1000 μmol に設定されます。 \({{D}}_{{L}}\) は光の持続時間で、12 時間に設定されます。

ミクロシスティスのコロニーサイズ

ミクロシスティスのコロニーのサイズと質量密度は、太湖北部の美梁湾と公湖湾から採取されたサンプルから測定されました。 太湖におけるミクロシスティスの平均コロニーサイズは 342.7 μm33 であった。 この研究では、シミュレーションにおけるミクロシスティスの 4 つの典型的なコロニー サイズとして 100、300、500、および 1000 μm の値が選択され、小規模から大型のミクロシスティス コロニーを表しました。 各シミュレーションでは、Microcystis コロニーのサイズは変化しません。

ミクロシスチスのコロニー数

乱流のランダム性を考慮して、同じ風速下で同じサイズの 1000 個のコロニーの移動をシミュレーションしました。 最終位置が1000コロニーの中央値となるコロニーを代表コロニーとして選択した。

風による流れのさまざまな強さをシミュレーションするための Ansys Fluent の 2 次元垂直数学モデルを図 1 に示します。太湖の実際の水深をエミュレートするために、水深 2 m が使用されました。 底高さは０ｍとした。 風による流れの完全なシミュレーションを保証するために、フェッチは 100 m に設定されました。 水面上の風場の強さは、シミュレーション中に変化しないシミュレートされた風速によって決定されました。 風による流れの強さに対する沖合の流れの影響を弱めるために、5 本の垂直線に記録された平均値を風による流れの最終的な強さとみなしました。 水域の中央に5m間隔の縦線を引き、データを記録した（X＝40m、45m、50m、55m、60m）。 平均値は、ミクロシスティスの浮き沈みに対する風による流れの影響を評価するために使用されました。

風力による電流シミュレーションの数学的モデルの概略図。

風速に加えて、風による流れは一般にフェッチと持続時間の影響を受けます27。 実際の結果を達成するために、シミュレーションの期間は 48 時間に設定されました。その理由は何ですか? 初期段階では風による流れの変動があるため、24 ～ 48 時間の期間の風による流れのシミュレーション結果が使用されました。 以下のセクションのシミュレーション時間は 24 時間からカウントされました。 モデルでは、ミクロシスティスの浮沈に対する風と光の影響が考慮されました。 ミクロシスティスの浮遊および沈降プロセスに対する風と光の複数の影響を分析するために、異なる強さの風による流れの擾乱と光の強さの変化の下で、さまざまなミクロシスティスのコロニーの垂直移動を24時間シミュレートしました。 0 ～ 24 時間の風力電流データは、次のセクションでは 24 ～ 48 時間のデータとして表されます。 光の強度は上記セクションで説明したのと同じに設定し、ミクロシスティスのコロニーを最初に水面に置きました。

選択したシミュレーションの開始から 12 時間後の Y 方向の速度 (Vy、図 1) と乱流運動エネルギー (TKE) の分布、および太湖でのシミュレーションと測定データの比較 (図 2) 。 風力による電流の Vy は特定の周波数内で振動し、顕著なピーク値を持っていました (図 2a)。 風速の増加に伴い、風による電流の Vy の振動範囲も増加しました。 風によって発生する鉛直流速の大きさは、水深が深くなるにつれて徐々に減少します。 水面下 50 cm 以内では、風による鉛直流速の振動範囲が大きく、急速に変化しました。 水面下 50 ～ 200 cm の深さでは、風によって発生する鉛直流速の振動範囲が減少しました。 風速が増加するにつれて、風による流れの乱流の程度も同時に増加しました (図 2b、表 1)。 風による TKE は、水深が増加するにつれて徐々に減少しました。

シミュレーションされた風流の構造 (a)、深さと TKE の関係 (b)、TKE と風速の関係 (c)。

水柱内のさまざまな層から測定された平均値は、12時間の風による流れの水柱全体のシミュレートされた平均TKEと比較されました（図2c）。 水柱全体で測定された風による流れの平均 TKE は風速と相関していました。 シミュレーション結果と測定データは同様のパターンを示しています。

光の影響を無視して、コロニーの質量密度を985 kg m-332の一定値に設定し、Microcystisの浮遊および沈降プロセスに対する風の影響をシミュレートしました。 まず、異なるサイズのコロニーを水面に配置し、異なる強さの風による流れの下での垂直移動をシミュレートしました。 表 2 は、シミュレーション終了時の水柱内のミクロシスティス コロニーの最終位置の中央値と標準偏差を示しています。 風速の増加に伴い、同じサイズの最終位置の中央値が 1 時間後 (0 ～ 1 時間) で減少し、より小さい粒子サイズの最終位置が底に近づくことがわかりました。 さらに、風速の増加に伴い、最終位置の標準偏差は 1 時間後に増加し、分散の程度が大きくなることを示しています。 典型的なコロニーの移動軌跡を図 3 にプロットしました。

さまざまな一定風速におけるミクロシスティスコロニーの垂直移動: (a) 1 ms−1、(b) 2 ms−1、(c) 3 ms−1、(d) 4 ms−1、(e) 5 ms−1 、および (f) 10 ms−1。

異なる強度の風による流れの擾乱の下で、異なるサイズのミクロシスティスのコロニーを水面に配置することによってシミュレートされた垂直方向の変動パターン (図 3)。 風速は、異なるシミュレーション条件下でも変化しませんでした。 ミクロシスティスの 2 つの移動パターン、モード I とモード II が観察されました。 モード I は風による流れの乱れに抵抗し、ミクロシスティスは水面に浮かび続けましたが、モード II は風の流れの乱れに抵抗できませんでした。 ミクロシスティスは沈み、水柱内で乱流になった。 風速が非常に高い場合 (u = 10 ms−1)、テストしたすべてのサイズのコロニーはモード II でした。 風速が最も低いとき（u = 1 ms−1）、小さなコロニー（d = 100 μm）のみが沈み（モード II）、残りのコロニーはモード I になりました。風速が増加するにつれて、小さなコロニーはモード I からモード II に変化し、沈没しました。 より大きなコロニーは、風による流れの乱れに対する抵抗力を維持しました。

風場の強さの変化がミクロシスティスの浮沈に及ぼす影響はよくわかっていませんでした。 ミクロシスティスの 2 つのグループの行動は、さまざまな風場の強さを使用してシミュレートされました。 最初のグループでは、Microcystis のコロニーを水面に置き、Microcystis の沈下をシミュレートするために風速を 1 から 10 ms-1 に増加しました。 2 番目のグループでは、ミクロシスティスのコロニーを水底に置き、風速を 10 ミリ秒から 1 ミリ秒に減少させて、ミクロシスティスの浮遊をシミュレートしました。 表 3 は、シミュレーション終了時の水柱内のミクロシスティス コロニーの最終位置の中央値と標準偏差を示しています。 風速が増加すると、1 時間後の同じ粒子サイズのコロニーの最終的な位置は、一定の風速下での位置と一致することがわかりました。 典型的なコロニーの移動軌跡を図 4 にプロットしました。

さまざまな風速下でのミクロシスティス コロニーの垂直移動: (a) コロニーを水面に配置したシミュレーション、および (b) コロニーを水柱の底に配置したシミュレーション。

結果は、さまざまな風の強さの下でのミクロシスティスのコロニーの移動パターンは、一定の風の場合の移動パターンと同じであることを示しています（図4）。 小さなコロニー (d = 100 μm) は、シミュレーション中にモード II の動きを維持しました。 コロニーが最初に水面上にあったときでさえ（図5a）、短期間で沈下を示しました。 風速が低いとき（u < 3 ms−1）、中サイズのコロニー（d = 300 μm）はモード I の動きで水面に浮かぶことができました。 風速が 3 ms−1 を超えると、コロニーは風による流れに抵抗できず、モード II の動きで水中に沈みました。 大きなサイズのコロニー (d = 500 および 1000 µm) は、風による流れの乱れに対してより耐性があり、他のシナリオよりも長く地表に留まりました。 風速が低いときは水面まで上がってきてモードIの動きを見せました。 しかし、非常に高い風速の下では、コロニーは水中に沈み、モード II の動きを示しました。

さまざまな光強度下でのミクロシスティス コロニーの垂直移動。

光強度の変化がミクロシスティスのコロニーの質量密度に及ぼす影響がモデルに含まれています。 光強度は、1 日の光強度の変化に応じて、光のある時間を 0 ～ 12 時間、光のない時間を 12 ～ 24 時間として設定しました。 一日の初めにミクロシスティスのコロニーを水面に置き、コロニーサイズの異なるミクロシスティスのコロニーの垂直移動を、24時間にわたる光強度の変化でシミュレートしました。

この結果は、光強度の変化がミクロシスティスの垂直方向の動きに影響を与える可能性があることを示しています（図5）。 最初の 12 時間の光曝露では、すべてのミクロシスティス コロニーが約 2 時間の曝露後に沈み始め、最終的には底に到達しました。 光が当たらない最初の 12 時間では、質量密度が低下したため、すべてのミクロシスティス コロニーが表面に浮き上がりました。 昼と夜の光強度の変化をシミュレーションすると、すべての Microcystis コロニーで「昼沈み夜浮遊」(dn) 現象が見られました。 大きなミクロシスティスのコロニーの浮上および沈降の速度は、小さなコロニーサイズのコロニーよりも速かった。 ストークスの公式を使用して静水中でのミクロシスティスのコロニーの浮遊速度と沈降速度をシミュレートする場合、光強度の変化によって引き起こされる質量密度が重要な役割を果たしました8。

表 4 は、シミュレーション終了時の水柱内のミクロシスティス コロニーの最終位置の中央値と標準偏差を示しています。 風速の増加に伴い、24 時間後の同じ粒径を持つコロニーの最終的な位置が上記の法則と一致することがわかりました。 典型的なコロニーの移動軌跡を図 6 にプロットしました。

風と光の影響下でのミクロシスティスコロニーの垂直移動: (a) 1 ms−1、(b) 2 ms−1、(c) 3 ms−1、(d) 4 ms−1、(e) 5 ms −1、および(f) 10ms−1。

その結果、d = 100 μmの小さなコロニーでは、いくつかの風速条件下で「昼沈夜浮遊」現象（dn）が見られず、風の影響が支配的であることがわかりました（図6）。 風速が 3 ms−1 未満の場合、中サイズのコロニー (d = 300 μm) は静水圧条件下での挙動と同様の dn 現象を示しました。 風速が 3 ms−1 を超えると、この現象は発生しなくなりました。 風速が 3 ms−1 よりも高い場合でも、dn 現象は大きなサイズのコロニー (d = 500 μm および 1000 μm) で依然として観察されました。 しかし、風速が 4 ms-1 を超えると、コロニーはこの現象を示しませんでした。 ミクロシスティスの日内移動軌跡から、風速の増加に伴い、水柱内のミクロシスティスの位置は徐々に底に近づいた。

式によると、 (4) より、運動比 (k) > 1 の場合は風の影響が支配的となり、k < 1 の場合は光の影響が支配的になります。 風の影響が支配的になると、乱流抗力が垂直方向の動きを支配し、より多くのコロニーが水層に閉じ込められます。 光の影響が支配的になると、質量密度の変化によってコロニーの沈下と浮遊のプロセスが促進され、「昼沈下夜浮遊」(dn)現象の傾向が生じました。 光は大きなコロニーの浮き沈みに大きな影響を与えましたが、比較して、小さなコロニーは風の乱れの影響をより受けました。 風と光の影響下では、異なるコロニーサイズを持つミクロシスティスの平均運動比が、風による流れによって変化しました。 平均運動比を計算することにより、光と風の強さの影響を受けるミクロシスティスの垂直運動の支配的な要因を分析しました。 光強度の変化がミクロシスティスのコロニーの質量密度に影響を与えることが観察されました。 日中は光合成により質量密度が増加し、ミクロシスティスのコロニーは沈む傾向があります。 対応する位置での平均 TKE を図 7 に示します。風による流れの一定の影響下では、異なるコロニー サイズの速度比は大幅に変化しました。 コロニー サイズが 100 μm 未満の場合、速度比は一般に 1 未満であり、風が支配的な役割を果たしていることが示されました。 コロニーサイズが 1000 μm 以上に達した場合でも、風速が 5 ms-1 を超えない限り、光の影響が依然として支配的な役割を果たす可能性があります。 コロニーのサイズごとに、光と風の影響が互いに打ち消し合う平衡点が観察されました。 この点よりも小さい風速は光優勢を示し、その逆も同様であり、これは「平衡 TKE」として定義されます。

反応速度比と TKE の関係: (a) 100 μm、(b) 300 μm、(c) 500 μm、(d) 1000 μm。

ミクロシスティスのコロニーは、質量密度が減少する夜間に浮遊する傾向があります。 風力流の鉛直速度は一定の周波数内で振動し、顕著なピーク値を持ち、風速の増加に伴って風力流の鉛直速度の振動範囲も増加します。 したがって、水の乱流はコロニーに抗力を生み出し、コロニーの移動方向と逆に作用します。 これは、日中にミクロシスティスが沈むときに風による流れによって上向きの抗力が発生し、夜間にコロニーが上昇するときに下向きの抗力が発生することを意味します。 抗力の大きさは乱流の強さに関係しており、抗力に抵抗するコロニーの能力はコロニー サイズの 2 乗に大きく依存します (式 3)。これは、コロニーが小さいほど抵抗力が大きいことも示しています。同じ風速下で水柱中に分散します。

現実的には、湖が完全に静止していることはあり得ません。 ミクロシスティスの個体数は一般的に春に増加し始め、秋以降は減少します。 太湖34のライトアップ時間と水面上の光の強さは季節や天候によって異なります。 年間を通じた太湖の通常のコロニーサイズと風速に対応する TKE を図 8 にプロットし、表 2 にリストします。この研究から得られた Microcystis コロニーサイズと平衡 TKE の関係を実線で示します。 ほとんどの Microcystis コロニーは、4 月には 300 ～ 400 µm まで成長します 33。 実際の風速統計によると、4 月の平均風速は 3.6 ms-1、測定された TKE 強度は約 45 cm2 s-2 で、平衡 TKE よりも大きかった。 したがって、ミクロシスティスの垂直方向の動きは風が支配的でした。 dn現象の時間は少なくなり、ミクロシスティスは水層に分布した。 7 月から 8 月にかけて、コロニーのサイズは約 500 µm35、平均風速は 3.4 ms−1、測定された TKE は約 42 cm2 s−2 でした。 平衡 TKE に近づきましたが、風が支配する期間はより長くなりました。 昼間の測定結果36では、大きなコロニーは水面に浮きやすいのに対し、小さなコロニーは水層に混在していることがわかりました。 風速が 2 ～ 3 ms−1 の場合、この効果は光の条件によって変わりません。 ほとんどの場合、風が支配的な影響を及ぼしますが、比較的静止している期間には、光がミクロシスティスの浮沈に支配的な役割を果たすことがあります。 しかし、風速が増加すると、乱流の抗力が支配的になり始めます。 したがって、光がミクロシスティスの軌道を変えることは困難です。

コロニーサイズと平衡TKEの関係。

本研究で提案した手法は、風による流れの影響とミクロシスティスの移動に対するミクロシスティスの質量密度の変化を組み合わせたものであり、将来、浅い湖での藻類の発生予測の分野に広く適用可能である。 巣湖 37 や滇池湖 15 などの他の浅い湖では、アオコの形成に対する風による流れの影響がより注目されています。 この研究は効果的なシミュレーション方法を提供し、この分野の理論的指針を提供します。 しかし、エリー湖 38 や霞浦湖 39 などの深い湖では、温度成層によって引き起こされる乱流を無視できません。 さらに、藻類のブルームの形成は水柱の透明度を低下させ、光強度の垂直分布に影響を与えます。これは、自己シェーディングによるミクロシスティス表面のスカム形成と安定性の正のフィードバック制御を示唆しています40。 私たちの追跡調査では、このメカニズムがさらに調査される予定です。

結論として、ミクロシスティスは光の強さの変化により「昼沈夜浮遊」（dn）現象を示す傾向がありますが、風流により乱流抗力が発生し、ミクロシスティスの垂直方向の移動が妨げられ、このdn現象が弱まります。 サイズが小さいコロニーは乱流に対する耐性が低く、水柱内でより分散します。 dn 現象の存在は、反応速度比と平衡 TKE を比較することで判断できます。 水域の TKE が平衡 TKE よりも大きい場合、Microcystis では dn 現象は発生しません。 太湖の場合、風の影響がミクロシスティスの垂直移動を支配するため、ミクロシスティスのコロニーは dn 現象を示しません。 この現象が存在しない場合、ミクロシスティスのコロニーは、TKE が平衡 TKE よりも低い静水層に残ります。 私たちの方法では、速度比の重要なしきい値の使用を強調しています。これは、Microcystis ブルームの数値シミュレーションと予測を簡素化するのに役立ちます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。 機器と設定：すべての図は Excel 2016 で作成されました。

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この研究に対する江蘇省科学技術プロジェクト [BE2018737] および江蘇省大学院生のための研究革新計画 [B200203049] からの助成金に感謝します。 英語の編集については Elsevier (https://cn.webshop.elsevier.com) に感謝します。

この研究は、江蘇省科学技術プロジェクト [BE2018737] および江蘇省大学院生のための研究革新計画 [B200203049] によって支援されたプロジェクトによって資金提供されました。

河海大学水文学および水資源大学、南京、210098、中華人民共和国

ゾンプ・シュエ

河海大学環境学部、南京、210098、中華人民共和国

ウェイ・ジュー、フアイミン・チェン、ガンユー・フォン

河海大学土木交通工学院、南京、210098、中華人民共和国

シフイ・ファン

クイーンズランド大学土木工学部、ブリスベン、4067、オーストラリア

朱裕陽

材料工学部 (環境工学部)、常州産業技術大学、常州市、213164、中華人民共和国

チェン・フアイミン

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ZX はシミュレーションを実行し、原稿の作成に大きく貢献しました。 WZ は、ミクロシスティスの浮沈過程に対する風と光の影響を分析しました。 YZが原稿を書きました。 XF はシミュレーションに参加しました。 HC と GF は太湖フィールドのデータを分析しました。 著者全員が最終原稿を読んで承認しました。

魏朱への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Xue、Z.、Zhu、W.、Zhu、Y. 他。 ミクロシスティスの浮沈過程に対する風と光の影響。 Sci Rep 12、5655 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-08977-5

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受信日: 2021 年 12 月 2 日

受理日: 2022 年 3 月 11 日

公開日: 2022 年 4 月 5 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-08977-5

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