Influenza del vento e della luce sul processo di galleggiamento e affondamento di Microcystis

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5655 (2022) Citare questo articolo

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La migrazione verticale e l'accumulo delle colonie di Microcystis è un processo critico nella formazione della fioritura algale. Questo lavoro ha esplorato l'effetto del vento e dell'intensità della luce sulla migrazione verticale delle colonie di Microcystis. Le correnti guidate dal vento, i cambiamenti guidati dalla luce nella densità di massa delle colonie e l'effetto della dimensione delle colonie sono stati accoppiati per simulare il movimento verticale delle colonie tramite Ansys Fluent e MATLAB. I risultati hanno mostrato che la luce fa sì che Microcystis mostri un fenomeno di "affondamento diurno e fluttuazione notturna" (dn), tuttavia, il vento indebolisce il fenomeno formando una forza di resistenza turbolenta che inibisce il movimento verticale di Microcystis. Questo studio ha proposto un metodo basato sul rapporto cinetico, secondo cui esiste una specifica energia cinetica turbolenta di equilibrio e quando l'energia cinetica turbolenta del corpo idrico è maggiore dell'energia cinetica turbolenta di equilibrio, il fenomeno dn non si verifica. Per il Lago Taihu, l'energia cinetica turbolenta spinta dal vento è solitamente maggiore dell'energia cinetica turbolenta di equilibrio. Pertanto, le colonie di Microcystis potrebbero non presentare il fenomeno dn. I nostri risultati forniscono una nuova base teorica per gli attuali modelli basati sui processi nella simulazione delle fioriture algali nei grandi laghi poco profondi.

Le fioriture algali causate dall’eutrofizzazione dei laghi rappresentano un problema globale per l’ambiente e la salute umana, poiché minacciano le nostre riserve di acqua potabile e la sostenibilità ecologica ed economica dei nostri ecosistemi di acqua dolce1. La microcystis è generalmente la specie algale dominante nei laghi eutrofici. La sua forte capacità di migrazione verticale consente a Microcystis di competere meglio di altre alghe per la luce e le sostanze nutritive occupando una posizione ottimizzata2. Il lago Taihu è il terzo lago d'acqua dolce più grande della Cina, con un'area di 2360 km2, e le fioriture algali hanno un grave impatto sull'ambiente lacustre. Nel lago Taihu, Microcystis costituisce oltre l'85% della biomassa fitoplanctonica estiva3. Pertanto, lo studio del movimento verticale di Microcystis è essenziale per comprenderne la crescita e il trattamento per eliminare le fioriture algali. Tre fattori tipicamente influenzano il galleggiamento/affondamento dei Microcystis nell'acqua: la densità di massa della popolazione di Microcystis4, le correnti guidate dal vento5 e le dimensioni delle colonie di Microcystis6.

Ibelings et al.7 hanno notato che i cambiamenti nell'intensità della luce influenzano i processi di fotosintesi e respirazione di Microcystis, con conseguenti variazioni nella densità di massa delle colonie. La forza di galleggiamento varia con la densità di massa, facendo sì che il Microcystis affondi gradualmente durante il giorno e galleggi durante la notte. Studi precedenti hanno coltivato Microcystis aeruginosa8 e cianobatteri purificati dal campo9 in laboratorio. Sotto diverse intensità di luce, sono stati testati la pressione di espansione delle vescicole di gas, la densità di massa, la massa di carboidrati intracellulari e il contenuto proteico. Evidentemente, le variazioni nella densità di massa di Microcystis erano guidate dall'intensità della luce. La ragione principale delle variazioni nella densità di massa era la variazione della massa di carboidrati intracellulari nelle cellule Microcystis come risultato dei processi di fotosintesi e respirazione. Visser et al.10 hanno determinato la relazione tra i tassi di variazione della densità in Microcystis e i cambiamenti nell'irradiazione dei fotoni in esperimenti di laboratorio e hanno fornito informazioni critiche per le simulazioni del fenomeno "day-sinking e night-floating" (dn) delle colture di Microcystis in Acqua naturale.

Le correnti spinte dal vento hanno cambiato lo schema del fenomeno dn di Microcystis in acque ferme11. George et al.12 hanno proposto un concetto di velocità critica del vento e solo quando la velocità effettiva del vento è inferiore alla velocità critica del vento, Microcystis può galleggiare sulla superficie dell'acqua e viceversa affondare negli strati più profondi13. La velocità critica del vento è stata osservata in diverse parti del mondo, come il fiume Nakdong14, il lago Dianchi15, la baia di Mickeysloe16, il lago Kinneret17, il lago Taihu18. La velocità critica del vento era diversa in ciascuna indagine in situ.