Influência do vento e da luz no processo de flutuação e afundamento de Microcystis

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 5655 (2022) Citar este artigo

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A migração vertical e o acúmulo de colônias de Microcystis é um processo crítico na formação de proliferação de algas. Este trabalho explorou o efeito do vento e da intensidade luminosa na migração vertical de colônias de Microcystis. As correntes impulsionadas pelo vento, as mudanças provocadas pela luz na densidade de massa das colônias e o efeito do tamanho da colônia foram acoplados para simular o movimento vertical das colônias via Ansys Fluent e MATLAB. Os resultados mostraram que a luz faz com que o Microcystis exiba um fenômeno de 'afundamento do dia e flutuação da noite' (dn), no entanto, o vento enfraquece o fenômeno formando uma força de arrasto turbulenta que inibe o movimento vertical do Microcystis. Este estudo propôs um método baseado em razão cinética, que existe uma energia cinética turbulenta de equilíbrio específica e quando a energia cinética turbulenta do corpo d'água é maior que a energia cinética turbulenta de equilíbrio, o fenômeno dn não ocorre. Para o Lago Taihu, a energia cinética turbulenta impulsionada pelo vento é geralmente maior do que a energia cinética turbulenta de equilíbrio. Portanto, as colônias de Microcystis podem não apresentar o fenômeno dn. Nossas descobertas fornecem uma nova base teórica para modelos baseados em processos atuais na simulação de proliferação de algas em grandes lagos rasos.

A proliferação de algas causada pela eutrofização do lago é uma preocupação global para o meio ambiente e a saúde humana, ameaçando nosso abastecimento de água potável e a sustentabilidade ecológica e econômica de nossos ecossistemas de água doce1. Microcystis é geralmente a espécie de alga dominante em lagos eutróficos. Sua forte capacidade de migração vertical permite que Microcystis compita melhor do que outras algas por luz e nutrientes, ocupando uma posição otimizada2. O Lago Taihu é o terceiro maior lago de água doce da China, com uma área de 2.360 km2, e a proliferação de algas tem um sério impacto no ambiente do lago. No Lago Taihu, Microcystis compreende mais de 85% da biomassa3 de fitoplâncton de verão. Portanto, estudar o movimento vertical de Microcystis é essencial para entender seu crescimento e tratamento para eliminar a proliferação de algas. Três fatores normalmente afetam a flutuação/afundamento de Microcystis na água: a densidade de massa da população de Microcystis4, as correntes de vento5 e o tamanho da colônia de Microcystis6.

Ibelings et al.7 observaram que mudanças na intensidade luminosa afetam os processos de fotossíntese e respiração de Microcystis, resultando em variações na densidade de massa das colônias. A força de flutuação varia com a densidade da massa, fazendo com que o Microcystis afunde gradualmente durante o dia e flutue à noite. Estudos anteriores cultivaram Microcystis aeruginosa8 e cianobactérias purificadas do campo9 em laboratório. Sob diferentes intensidades de luz, a pressão de expansão da vesícula gasosa, a densidade de massa, a massa de carboidratos intracelulares e o teor de proteína foram testados. Evidentemente, as variações na densidade de massa de Microcystis foram impulsionadas pela intensidade da luz. A principal razão para as variações na densidade de massa foi a variação na massa de carboidratos intracelulares nas células de Microcystis como resultado dos processos de fotossíntese e respiração. Visser et al.10 determinaram a relação entre as taxas de mudança de densidade em Microcystis e mudanças na irradiação de fótons em experimentos de laboratório, e forneceram informações críticas para simulações do fenômeno 'diurno e noturno flutuante' (dn) de culturas de Microcystis em ainda água.

As correntes movidas pelo vento mudaram o padrão do fenômeno dn de Microcystis em águas paradas11. George et al.12 propuseram um conceito de velocidade crítica do vento, e somente quando a velocidade real do vento está abaixo da velocidade crítica do vento, Microcystis pode flutuar na superfície da água e afundar nas camadas mais profundas vice-versa13. A velocidade crítica do vento foi observada em diferentes partes do mundo, como Nakdong River14, Lake Dianchi15, Mickeysloe Bay16, Lake Kinneret17, Lake Taihu18. A velocidade crítica do vento foi diferente em cada investigação in-situ.