近日，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室水沙动力学研究团队在生物-泥沙絮凝机制方面取得了新进展。研究利用河口环境中典型存在的中肋骨条藻（Skeletonema costatum），阐明了湍流剪切环境中藻类-泥沙絮凝的关系，提出了藻类-泥沙絮凝的新模式，并建立了一个能预测有藻和无藻条件下絮凝体粒径的统一公式。相关成果以“Measured and predicted floc size of cohesive sediment in the presence of microalgae” 为题发表于Water Research期刊。

 

研究背景

　　水生环境中粘性泥沙的絮凝作用在河流、湖泊和河口的形态演变、污染物运输、营养循环和生态系统功能中起着重要作用。前人已经就影响絮凝的物理因素（如剪切速率和悬浮泥沙浓度）和化学因素（如盐度和pH值）开展了广泛的研究，并达成了一定的共识。然而，由于其复杂性，生物因素对絮凝的影响，即生物因素如何影响絮凝的机理尚未达成共识。

 

　　最近的研究调查了多种因素对生物絮凝过程响应的影响，特别是对水动力和微藻的混合机制的影响。前人对不同湍流环境下微藻对絮凝的作用存在分歧（促进/抑制）。由于微藻和湍流剪切都会影响沉积物絮凝。它们参与的絮凝过程相当复杂，其机理需要进一步研究。

 

　　数值模型是更好地理解絮凝动力学的宝贵工具。通常，有两种主要方法用于模拟絮凝过程。第一个是种群平衡方程（PBEs），它涉及复杂的求解过程，可以按多个群体模拟絮体尺寸分布（FSD）。第二种方法是拉格朗日絮凝模型，该模型侧重于跟踪絮体代表性尺寸（如中值尺寸）的演变，最初由Winterwerp（1998）（以下简称W98）引入。虽然W98模型可以准确地描述剪切速率和悬沙浓度对絮体尺寸的影响，但它没有考虑生物因素。这种局限性使得该模型无法评估生物含量（如微藻）变化对絮体大小的影响。

 

研究结果

　　团队基于自主研发的絮凝体粒径-沉降高分辨率观测装置开展了室内实验，采集了藻类-泥沙絮凝过程及絮凝平衡阶段的近万张絮凝图像。研究发现，藻类作用下形成的微藻-粘土矿物絮体与矿物粘土絮体（图1）相比存在显著的差异。此外，絮凝体平衡中值粒径随着叶绿素含量的增加而增加（图2a-e）。值得注意的是，在图2a-c中的低湍流（G≤40 s-1）环境中，中值粒径随着叶绿素含量的变化而更显著地增加。然而，在高湍流（G>40s-1）环境中，微藻的促进作用减弱了近一半。

 

　　团队针对上述现象，提出了一个新的微藻-矿物粘土絮凝模式（图3），即基于稳定阶段，微藻细胞将进一步聚集，形成微藻链。这些微藻链可以与悬浮液中的其他絮体结合，导致微藻矿物粘土絮体的最终尺寸和形状发生显著变化。这种模式的一个典型例子是中肋骨条藻的链状聚集。

 

　　进一步地，我们基于W98模型，开发了一种新的生物絮凝模型（图4），该模型可以预测有藻和无藻环境中的平衡中值絮体粒径大小，此模型得到了很好的验证，平均误差小于10%。

 

 

 

 

 

研究团队及资助

　　该论文第一作者为河口海岸学国家重点实验室博士生章一杰，通讯作者为徐元副研究员；其他共同作者包括河口海岸学国家重点实验室何青研究员、徐凡副研究员、张乃予博士后，华东师范大学地理科学学院本科生张萌，广东省水利水电科学研究院邓智瑞和长江水利委员会长江科学研究所郭超等。研究得到国家自然科学基金（U2040216, 42376168,52379058）、上海市启明星扬帆计划（23YF1410200）、上海市自然科学基金（23ZR1420100）、海洋空间资源管理技术重点实验室开放基金（KF-2023-110）、上海浦江人才计划（22PJD020）的大力支持。

 

文献信息

Zhang, Y., Xu, Y., Zhang, N., Xu, F., Deng, Z., Guo, C., Zhang, M., He, Q., 2024. Measured and predicted floc size of cohesive sediment in the presence of microalgae. Water Res. 122519. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122519