Influence du vent et de la lumière sur le processus de flottement et de naufrage de Microcystis

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 5655 (2022) Citer cet article

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La migration verticale et l'accumulation des colonies de Microcystis est un processus critique dans la formation de la prolifération d'algues. Ce travail a exploré l'effet du vent et de l'intensité lumineuse sur la migration verticale des colonies de Microcystis. Les courants entraînés par le vent, les changements de densité de masse des colonies induits par la lumière et l'effet de la taille des colonies ont été couplés pour simuler le mouvement vertical des colonies via Ansys Fluent et MATLAB. Les résultats ont montré que la lumière fait que Microcystis présente un phénomène de « naufrage de jour et de flottement de nuit » (dn), cependant, le vent affaiblit le phénomène en formant une force de traînée turbulente qui inhibe le mouvement vertical de Microcystis. Cette étude a proposé une méthode basée sur le rapport cinétique, selon laquelle il existe une énergie cinétique turbulente d'équilibre spécifique et lorsque l'énergie cinétique turbulente de la masse d'eau est supérieure à l'énergie cinétique turbulente d'équilibre, le phénomène dn ne se produit pas. Pour le lac Taihu, l'énergie cinétique turbulente entraînée par le vent est généralement supérieure à l'énergie cinétique turbulente d'équilibre. Par conséquent, les colonies de Microcystis peuvent ne pas présenter le phénomène dn. Nos résultats fournissent une nouvelle base théorique pour les modèles actuels basés sur les processus de simulation des efflorescences algales dans les grands lacs peu profonds.

Les efflorescences algales causées par l'eutrophisation des lacs sont une préoccupation mondiale pour l'environnement et la santé humaine, menaçant nos approvisionnements en eau potable et la durabilité écologique et économique de nos écosystèmes d'eau douce1. Microcystis est généralement l'espèce d'algue dominante dans les lacs eutrophes. Sa forte capacité de migration verticale permet à Microcystis de mieux concurrencer que les autres algues pour la lumière et les nutriments en occupant une position optimisée2. Le lac Taihu est le troisième plus grand lac d'eau douce de Chine, avec une superficie de 2360 km2, et les proliférations d'algues ont un impact sérieux sur l'environnement du lac. Dans le lac Taihu, Microcystis comprend plus de 85 % de la biomasse estivale de phytoplancton3. Par conséquent, l'étude du mouvement vertical de Microcystis est essentielle pour comprendre sa croissance et son traitement pour éliminer les efflorescences algales. Trois facteurs affectent généralement le flottement/l'enfoncement de Microcystis dans l'eau : la densité de masse de la population de Microcystis4, les courants entraînés par le vent5 et la taille de la colonie de Microcystis6.

Ibelings et al.7 ont remarqué que les changements d'intensité lumineuse affectent les processus de photosynthèse et de respiration de Microcystis, entraînant des variations de la densité de masse des colonies. La force de flottabilité varie avec la densité de masse, ce qui fait que le Microcystis coule progressivement pendant la journée et flotte la nuit. Des études antérieures ont cultivé Microcystis aeruginosa8 et des cyanobactéries purifiées sur le terrain9 en laboratoire. Sous différentes intensités lumineuses, la pression d'expansion des vésicules de gaz, la masse volumique, la masse glucidique intracellulaire et la teneur en protéines ont été testées. Évidemment, les variations de la masse volumique de Microcystis étaient déterminées par l'intensité lumineuse. La principale raison des variations de densité de masse était la variation de la masse intracellulaire de glucides dans les cellules de Microcystis résultant des processus de photosynthèse et de respiration. Visser et al.10 ont déterminé la relation entre les taux de changement de densité dans Microcystis et les changements de l'irradiance photonique dans des expériences de laboratoire, et ont fourni des informations essentielles pour les simulations du phénomène de « naufrage diurne et flottant nocturne » (dn) des cultures de Microcystis en eau calme.

Les courants entraînés par le vent ont modifié le modèle du phénomène dn de Microcystis dans l'eau calme11. George et al.12 ont proposé un concept de vitesse critique du vent, et seulement lorsque la vitesse réelle du vent est inférieure à la vitesse critique du vent, Microcystis peut flotter à la surface de l'eau et couler vers les couches plus profondes et vice versa13. La vitesse critique du vent a été observée dans différentes parties du monde, telles que la rivière Nakdong14, le lac Dianchi15, la baie de Mickeysloe16, le lac Kinneret17, le lac Taihu18. La vitesse critique du vent était différente dans chaque étude in situ.

La taille des colonies affecte la capacité de Microcystis à résister aux perturbations causées par les courants éoliens. Medrano et al.11 ont suggéré que plus la taille de la colonie de Microcystis est grande, plus elle est résistante à la perturbation des courants éoliens, ce qui indique que de grandes colonies peuvent se rassembler à la surface de l'eau dans des conditions de vitesse du vent accrue. Wu et al.19 ont observé que les Microcystis du lac Taihu, avec une taille de colonie de 36 à 120 µm, étaient uniformément répartis verticalement dans des conditions venteuses et se rassemblaient à la surface lorsqu'il n'y avait pas de vent. Les résultats d'essais en laboratoire de Xiao et al.20 et d'un test de simulation numérique de Zhao et al.21 ont montré que la capacité de Microcystis à résister à la perturbation des courants éoliens est positivement corrélée à la taille de la colonie. Microcystis a une limite de résistance pour l'énergie cinétique turbulente (TKE). Lorsque le TKE généré par le vent est supérieur à la limite de résistance, Microcystis ne peut pas facilement flotter à la surface.

En résumé, la densité de masse des colonies, la taille de la colonie, ainsi que le courant entraîné par le vent jouent un rôle essentiel dans le processus de flottement et de naufrage de Microcystis, tandis que la densité de masse est partiellement entraînée par la lumière et la turbulence a été partiellement entraînée par le vent. Les multiples effets du vent et de la lumière affectent essentiellement le processus de flottement-coulement de Microcystis. Par conséquent, il est important d'étudier cette question. Li et al.22 ont découvert que le mélange turbulent peut effectivement réduire la taille de la colonie de Microcystis. Chien et al.23 ont examiné les effets des variations de densité de masse induites par la lumière et de la taille des colonies de Microcystis sur le flottement et le naufrage de Microcystis dans des conditions hydrostatiques et ont suggéré que le phénomène dn ne se produit que dans les grandes colonies de Microcystis. Medrano et al.24 ont intégré les effets des variations de flottabilité des colonies de Microcystis et des perturbations turbulentes et ont proposé que Microcystis soit uniformément réparti verticalement lorsque les effets de la perturbation turbulente dominaient. Liu et al.25 ont étudié les effets des courants entraînés par le vent et de la taille des colonies de Microcystis sur la vitesse de flottaison. La distribution verticale de Microcystis à Milford Lake, aux États-Unis, a été mesurée et simulée, et il a été proposé que le processus de mélange causé par les courants entraînés par le vent ait un effet important sur la distribution verticale de Microcystis. Bien que ces études aient pris en compte les effets combinés de plusieurs facteurs sur le flottement/l'enfoncement de Microcystis, les mouvements ont été simulés sur la base de modèles de diffusion-dispersion, qui n'incorporaient pas les effets biologiques de la perturbation du vent et de la lumière sur les variations de densité de masse des colonies.

Le mécanisme du mouvement ascendant de Microcystis, compte tenu à la fois des effets du vent et de la lumière, doit être clarifié. De plus, les conditions qui permettent à Microcystis de se comporter comme une culture hydrostatique de laboratoire avec le phénomène dn sont inconnues. Par conséquent, les schémas de déplacement de Microcystis dans les lacs (c'est-à-dire le lac Taihu, Chine) restent flous. Cette étude a étudié l'influence du vent et de la lumière sur les processus de flottement et de naufrage de Microcystis et a étudié le mouvement vertical des colonies de Microcystis. Pour étudier les effets du vent et de la lumière sur les mouvements de flottement et de naufrage de Microcystis, nous avons évalué l'influence de l'intensité des courants entraînés par le vent et l'évolution de la densité de masse sur les mouvements de flottement et de naufrage.

L'intensité des courants entraînés par le vent a été simulée à l'aide d'Ansys Fluent et comparée aux mesures in situ. La perturbation des courants entraînés par le vent, les variations de densité de masse induites par la lumière et l'effet de la taille de la colonie ont été couplés lors de la simulation du mouvement vertical de Microcystis à l'aide de MATLAB. Nous avons utilisé SPSS 20 pour analyser la corrélation des données. Des détails sur les simulations peuvent être consultés à l'annexe A (supplémentaire).

Le lac Taihu (30°55ʹ40ʺ–31°32ʹ58ʺ N; 119°52ʹ32ʺ–120°36ʹ10ʺ E) est situé dans la partie inférieure du delta du fleuve Yangtze, en Chine. C'est un grand lac bien connu, peu profond et eutrophe. En 2017, nous avons utilisé un profileur de courant acoustique Doppler (ADCP) sur deux sites d'échantillonnage dans la baie de Meiliang et la baie de Gonghu dans le nord du lac Taihu pour mesurer le TKE stratifié en sept couches sous différentes vitesses de vent tout au long de l'année. Des détails sur l'investigation in situ et l'analyse des données peuvent être consultés à l'annexe A. Données supplémentaires.

Les courants entraînés par le vent ont été simulés sur la base du modèle eulérien d'écoulement multiphase dans Ansys Fluent, qui permet la modélisation de plusieurs phases distinctes mais en interaction. L'échange de quantité de mouvement entre l'atmosphère et l'eau est basé sur la valeur du coefficient d'échange fluide-fluide. La fraction volumique suit l'équation de continuité. L'intensité de la turbulence des courants entraînés par le vent a été simulée sur la base du « modèle réalisable k–ε »26. Pour assurer la convergence et la précision de l'algorithme, la méthode de résolution dans l'algorithme SIMPLEC avec couplage pression-vitesse et le format au vent discret du second ordre a été utilisé.

La contrainte du vent détermine l'efficacité du transfert d'énergie cinétique entre l'atmosphère et l'eau, ainsi que la morphologie des ondes de surface. L'intensité de la contrainte du vent dépend fortement de la vitesse moyenne du vent à la surface de l'eau27. La contrainte du vent dans le modèle de courant entraîné par le vent est simulée comme suit28 :

où \({F}_{x}\) et \({F}_{y}\) sont les contraintes de vent ; \({\rho }_{air}\) est la densité de l'air ; \({\rho }_{eau}\) est la densité de l'eau ; \({C}_{d}\) est le coefficient de traînée de la contrainte du vent29 ; et \({u}_{vent}\) et \({v}_{vent}\) sont les composantes de la vitesse du vent dans le plan horizontal.

Des détails sur les simulations peuvent être consultés à l'annexe A. Données supplémentaires.

Le mouvement de la colonie de Microcystis dans la turbulence peut être considéré comme analogue au processus de transport des sédiments dans les courants turbulents21. La force turbulente, \({F}_{w}\), sur la population de Microcystis soumise à une perturbation de courant due au vent est composée de forces de traînée turbulente, de masse virtuelle et de gradient de pression.

La direction vers le haut est considérée comme la direction vers l'avant ; ainsi, la formule30 pour la force turbulente, \({F}_{w}\), par unité de masse de la population de Microcystis est représentée comme suit :

où \(\rho\) et \({\rho }_{p}\) sont les masses volumiques de l'eau et de Microcystis, respectivement ; \(v\) et \(u\) sont les vitesses verticales (Vy) de l'eau et de la colonie de Microcystis, respectivement ; \({Re}_{d}\) est le nombre de colonies de Reynolds, qui est simulé comme \({Re}_{d}=\frac{\rho {d}_{p}\left|vu\right|}{\mu }\); \({C}_{D}\) est le coefficient de traînée d'un écoulement turbulent30, et \({d}_{p}\) est la taille de la colonie de Microcystis.

Pour analyser l'interaction entre la population de Microcystis et les tourbillons générés et dissipés en continu dans le courant entraîné par le vent et pour refléter le caractère aléatoire de l'écoulement turbulent31, un modèle de marche aléatoire a été utilisé pour calculer le pas de temps dans cette étude.

Des détails sur les simulations peuvent être consultés à l'annexe A. Données supplémentaires.

L'effet de la lumière sur le flottement et le naufrage des colonies de Microcystis se reflète principalement dans les variations induites par la lumière de la densité de masse et donc de la flottabilité de la population. Visser et al.10 ont proposé une relation entre les variations de la masse volumique de Microcystis dans l'eau calme et l'irradiance photonique. Dans cette étude, la densité de masse dans des conditions de lumière a été simulée sur la base de la relation entre l'intensité lumineuse et la densité de masse de Microcystis. La masse volumique initiale32 de la population de Microcystis a été fixée à 985 kg m−3.

Selon l'analyse de la force, l'effet de la lumière peut être exprimé en termes de force de densité de masse, Fρ, et l'effet du vent peut être exprimé en termes de force de perturbation turbulente, Fw. Le rapport de ces deux forces est défini comme le rapport cinétique, k, qui détermine la dominance du vent ou de la lumière dans le mouvement vertical de Microcystis. L'équation (4) décrit k comme suit :

où \({f}_{w}\) est la force de perturbation de l'écoulement turbulent par unité de masse de la colonie de Microcystis (Eq. 3) ; \({f}_{\rho }\) est la force de densité de masse par unité de masse de la colonie de Microcystis, \({f}_{\rho }=g\frac{\left(\rho -{\rho }_{p}\right)}{{\rho }_{p}}\); et \(\rho\) et \({\rho }_{p}\) sont les densités de masse de l'eau et des colonies de Microcystis, respectivement.

Des détails sur les simulations peuvent être consultés à l'annexe A. Données supplémentaires.

Vitesse du vent

La vitesse diurne du vent dans le lac Taihu du 1er janvier 1956 au 30 septembre 2019 a été obtenue du China Meteorological Data Network (http://www.data.cma.cn). Au cours des 70 dernières années, la vitesse diurne moyenne du vent dans la région du lac Taihu était de 3,39 ms−1. D'après la distribution de fréquence de la vitesse diurne du vent, la vitesse typique du vent était de 0 à 5 ms-1, représentant 93,3 % des mesures. Par conséquent, des vitesses de vent de 1, 2, 3, 4 et 5 ms−1 et une valeur extrêmement élevée de 10 ms−1 ont été sélectionnées pour couvrir la large gamme de vitesses de vent pour la simulation des courants entraînés par le vent.

Intensité lumineuse.

En eau calme, l'intensité lumineuse variait à différentes profondeurs. Selon la loi de Lambert-Beer, l'intensité lumineuse, I, à une profondeur d'eau, y, est simulée comme suit10 :

où η est le coefficient d'extinction, fixé à − 2 m−1 ; \({{I}}_{{MAX}}\) est l'intensité lumineuse maximale à midi, fixée à 1000 μmol ; et \({{D}}_{{L}}\) est la durée de lumière, fixée à 12 h.

Taille de la colonie de microcystis

La taille et la densité de masse des colonies de Microcystis ont été déterminées à partir d'échantillons prélevés dans la baie de Meiliang et la baie de Gonghu dans le nord du lac Taihu. La taille moyenne des colonies de Microcystis dans le lac Taihu était de 342,7 µm33. Dans l'étude, des valeurs de 100, 300, 500 et 1000 µm ont été sélectionnées comme quatre tailles de colonies typiques de Microcystis dans des simulations, représentant des colonies de Microcystis petites à grandes. Dans chaque simulation, la taille de la colonie de Microcystis reste inchangée.

Nombre de colonies de Microcystis

Compte tenu du caractère aléatoire de la turbulence, la migration de 1000 colonies de même taille a été simulée sous la même vitesse de vent. La colonie dont la position finale était la valeur médiane de 1000 colonies a été sélectionnée comme colonie typique.

Le modèle mathématique vertical bidimensionnel d'Ansys Fluent pour la simulation de différentes intensités de courants éoliens est illustré à la Fig. 1. Une profondeur d'eau de 2 m a été utilisée pour émuler la profondeur d'eau réelle du lac Taihu. La hauteur du fond a été fixée à 0 m. Pour garantir la simulation complète des courants entraînés par le vent, le fetch a été fixé à 100 m. La force du champ de vent à la surface de l'eau a été déterminée par la vitesse du vent simulée qui est restée inchangée pendant la simulation. Pour affaiblir l'influence du flux offshore sur l'intensité du courant éolien, nous avons considéré la valeur moyenne enregistrée sur cinq lignes verticales comme l'intensité finale des courants éoliens. Des lignes verticales à des intervalles de 5 m ont été établies au milieu du plan d'eau et les données ont été enregistrées (X = 40 m, 45 m, 50 m, 55 m et 60 m). La valeur moyenne a été utilisée pour évaluer l'effet des courants entraînés par le vent sur le flottement-affaissement de Microcystis.

Diagramme schématique du modèle mathématique pour les simulations de courants entraînés par le vent.

En plus de la vitesse du vent, les courants entraînés par le vent sont généralement affectés par le fetch et la durée27. Pour obtenir des résultats pratiques, la durée de la simulation a été fixée à 48 h, et pourquoi ? En raison de la variance des courants entraînés par le vent au cours de la phase précoce, les résultats simulés des courants entraînés par le vent dans la période de 24 à 48 h ont été utilisés. Le temps de simulation dans les sections suivantes a été compté à partir des 24 h. Les effets du vent et de la lumière sur le flottement et le naufrage de Microcystis ont été pris en compte dans le modèle. Pour analyser les multiples effets du vent et de la lumière sur le processus de flottement et de naufrage de Microcystis, le mouvement vertical de différentes colonies de Microcystis a été simulé pendant 24 h sous différentes intensités de perturbations de courant entraînées par le vent et de variations d'intensité lumineuse. Les données de courant entraîné par le vent pour la période de 0 à 24 h sont représentées comme des données de la période de 24 à 48 h dans les sections suivantes. L'intensité lumineuse a été réglée pour être la même que celle décrite dans la section ci-dessus, et les colonies de Microcystis ont été initialement placées à la surface de l'eau.

La distribution de la vitesse dans la direction Y (Vy, Fig. 1) et de l'énergie cinétique turbulente (TKE) à 12 h depuis le début de la simulation sélectionnée et la comparaison entre la simulation et les données mesurées au lac Taihu (Fig. 2). Le Vy des courants entraînés par le vent oscillait dans une certaine fréquence et avait une valeur de crête bien visible (Fig. 2a). Avec une augmentation de la vitesse du vent, les plages d'oscillation de Vy des courants entraînés par le vent ont également augmenté. L'amplitude de la vitesse d'écoulement vertical générée par le vent diminue progressivement avec l'augmentation de la profondeur de l'eau. À moins de 50 cm sous la surface de l'eau, la plage d'oscillation de la vitesse de l'écoulement vertical généré par le vent était importante et changeait rapidement. À des profondeurs comprises entre 50 et 200 cm sous la surface de l'eau, les plages d'oscillation de la vitesse d'écoulement vertical générée par le vent ont diminué. À mesure que la vitesse du vent augmentait, le degré de turbulence dans les courants entraînés par le vent augmentait simultanément (Fig. 2b, Tableau 1). Le TKE entraîné par le vent a progressivement diminué avec l'augmentation de la profondeur de l'eau.

Structure simulée des courants entraînés par le vent (a), relation entre profondeur et TKE (b), relation entre TKE et vitesse du vent (c).

Les valeurs moyennes mesurées à partir de différentes couches de la colonne d'eau ont été comparées aux TKE moyens simulés de toute la colonne d'eau du courant éolien à 12 h (Fig. 2c). Le TKE moyen des courants éoliens mesurés dans toute la colonne d'eau a été corrélé à la vitesse du vent. Les résultats simulés et les données mesurées montrent une tendance similaire.

Sans tenir compte de l'effet de la lumière, la densité de masse de la colonie a été fixée à une valeur constante de 985 kg m−332, et l'effet du vent sur le processus de flottement et de naufrage de Microcystis a été simulé. Dans un premier temps, différentes tailles de colonies ont été placées à la surface de l'eau et la migration verticale a été simulée sous différentes intensités de courants éoliens. Le tableau 2 montre la valeur médiane et l'écart type de la position finale des colonies de Microcystis dans la colonne d'eau à la fin de la simulation. Nous avons constaté qu'avec l'augmentation de la vitesse du vent, la valeur médiane de la position finale avec la même taille diminuait après 1 h (0-1 h), et la position finale avec la plus petite taille de particules était plus proche du fond. De plus, avec l'augmentation de la vitesse du vent, l'écart type de la position finale augmente après 1 h, indiquant une plus grande mesure de dispersion. La trajectoire de migration de la colonie typique a été tracée à la Fig. 3.

Migration verticale des colonies de Microcystis à différentes vitesses de vent constantes : (a) 1 ms-1, (b) 2 ms-1, (c) 3 ms-1, (d) 4 ms-1, (e) 5 ms-1 et (f) 10 ms-1.

Les schémas de variation verticale qui ont été simulés en plaçant des colonies de Microcystis de différentes tailles à la surface de l'eau sous différentes intensités de perturbation du courant entraîné par le vent (Fig. 3). La vitesse du vent est restée inchangée dans différentes conditions de simulation. Deux schémas de mouvement de Microcystis, Mode I et Mode II, ont été observés. Le mode I a résisté à la perturbation des courants entraînés par le vent, permettant à Microcystis de continuer à flotter à la surface de l'eau, tandis que le mode II n'a pas pu résister à la perturbation des courants éoliens ; Microcystis a coulé et a été turbulent dans la colonne d'eau. Lorsque la vitesse du vent était extrêmement élevée (u = 10 ms−1), les colonies de toutes les tailles testées étaient en mode II. Lorsque la vitesse du vent était la plus faible (u = 1 ms−1), seules les petites colonies (d = 100 µm) coulaient (mode II), et les colonies restantes étaient en mode I. À mesure que la vitesse du vent augmentait, le mouvement des colonies plus petites passait du mode I au mode II, et elles coulaient ; les plus grandes colonies ont maintenu leur résistance à la perturbation du courant entraîné par le vent.

L'effet des variations de l'intensité du champ de vent sur le flottement et le naufrage de Microcystis n'a pas été bien compris. Les comportements de deux groupes de Microcystis ont été simulés en utilisant différentes intensités de champ de vent. Dans le premier groupe, les colonies de Microcystis ont été placées à la surface de l'eau et la vitesse du vent a été augmentée de 1 à 10 ms-1 pour simuler le naufrage de Microcystis. Dans le deuxième groupe, les colonies de Microcystis ont été placées au fond de l'eau et la vitesse du vent a été réduite de 10 à 1 ms-1 pour simuler le flottement de Microcystis. Le tableau 3 montre la valeur médiane et l'écart type de la position finale des colonies de Microcystis dans la colonne d'eau à la fin de la simulation. Nous avons constaté qu'avec l'augmentation de la vitesse du vent, la position finale des colonies avec la même taille de particules après 1 h était cohérente avec celle sous une vitesse de vent constante. La trajectoire de migration de la colonie typique a été tracée à la Fig. 4.

Migration verticale des colonies de Microcystis sous différentes vitesses de vent : (a) simulations dans lesquelles les colonies étaient placées à la surface de l'eau et (b) simulations dans lesquelles les colonies étaient placées à la base de la colonne d'eau.

Les résultats indiquent que les schémas de déplacement des colonies de Microcystis sous des intensités de vent variables étaient les mêmes que ceux avec un vent constant (Fig. 4). De petites colonies (d = 100 µm) ont maintenu des mouvements de mode II pendant la simulation. Même lorsque les colonies étaient initialement à la surface de l'eau (Fig. 5a), elles présentaient un naufrage à court terme. Les colonies de taille moyenne (d = 300 µm) pouvaient flotter à la surface de l'eau avec un mouvement Mode I, lorsque la vitesse du vent était faible (u < 3 ms−1). Lorsque la vitesse du vent était supérieure à 3 ms-1, les colonies ne pouvaient pas résister au courant entraîné par le vent et s'enfonçaient dans l'eau avec un mouvement de mode II. Les colonies de grandes tailles (d = 500 et 1000 µm) sont plus résistantes aux perturbations des courants d'origine éolienne et restent en surface plus longtemps que dans les autres scénarios. Lorsque la vitesse du vent était faible, ils remontaient à la surface de l'eau et présentaient un mouvement de mode I. Cependant, sous des vitesses de vent extrêmement élevées, les colonies ont coulé dans l'eau et ont présenté un mouvement de mode II.

Migration verticale des colonies de Microcystis sous une intensité lumineuse variable.

L'effet de la variation de l'intensité lumineuse sur la densité de masse des colonies de Microcystis a été inclus dans le modèle. L'intensité lumineuse a été réglée en fonction de la variation de l'intensité lumineuse au cours d'une journée en définissant 0 à 12 h comme temps avec lumière et 12 à 24 h comme temps sans lumière. Les colonies de Microcystis ont été placées à la surface de l'eau au début de la journée, et le mouvement vertical des colonies de Microcystis avec différentes tailles de colonies a été simulé avec le changement d'intensité lumineuse sur 24 h.

Le résultat montre que les variations d'intensité lumineuse peuvent affecter le mouvement vertical de Microcystis (Fig. 5). Au cours des 12 premières heures d'exposition à la lumière, toutes les colonies de Microcystis ont commencé à couler après environ 2 heures d'exposition, atteignant finalement le fond. Au cours des 12 premières heures sans lumière, toutes les colonies de Microcystis ont flotté à la surface en raison de la densité de masse réduite. Toutes les colonies de Microcystis ont montré le phénomène de 'diurne et flottant nocturne' (dn) lors de la simulation avec les variations des intensités lumineuses diurnes et nocturnes. Les vitesses de flottement et de descente des grandes colonies de Microcystis étaient plus rapides que celles des colonies de plus petite taille. Lors de la simulation des vitesses de flottement et de descente des colonies de Microcystis dans l'eau calme à l'aide de la formule de Stokes, la densité de masse entraînée par la variation de l'intensité lumineuse a joué un rôle clé8.

Le tableau 4 montre la valeur médiane et l'écart type de la position finale des colonies de Microcystis dans la colonne d'eau à la fin de la simulation. Nous avons constaté qu'avec l'augmentation de la vitesse du vent, la position finale des colonies avec la même taille de particules après 24 h était conforme à la loi ci-dessus. La trajectoire de migration de la colonie typique a été tracée à la Fig. 6.

Migration verticale des colonies de Microcystis sous l'effet du vent et de la lumière : (a) 1 ms−1, (b) 2 ms−1, (c) 3 ms−1, (d) 4 ms−1, (e) 5 ms−1 et (f) 10 ms−1.

Le résultat montre que les colonies plus petites avec d = 100 μm n'ont pas montré le phénomène de « coulement diurne et flottant nocturne » (dn) dans les différentes conditions de vitesse du vent données, et l'influence du vent était dominante (Fig. 6). Lorsque la vitesse du vent était inférieure à 3 ms−1, les colonies de taille moyenne (d = 300 μm) présentaient le phénomène dn, qui est similaire au comportement dans des conditions hydrostatiques. Lorsque la vitesse du vent était supérieure à 3 ms−1, le phénomène ne se produisait plus. Le phénomène dn est encore observé dans les colonies de grandes tailles (d = 500 μm et 1000 μm), lorsque la vitesse du vent est supérieure à 3 ms−1. Cependant, lorsque la vitesse du vent était supérieure à 4 ms−1, aucune colonie ne présentait le phénomène. A partir de la trajectoire de migration diurne de Microcystis, à mesure que la vitesse du vent augmentait, la position de Microcystis dans la colonne d'eau se rapprochait progressivement du fond.

Selon l'éq. (4), lorsque le rapport cinétique (k) > 1, l'effet du vent domine, et lorsque k < 1, l'effet de la lumière devient dominant. Lorsque l'effet du vent dominait, la force de traînée turbulente dominait le mouvement vertical, et plus les colonies étaient piégées dans la couche d'eau. Lorsque l'effet de la lumière dominait, le changement de densité de masse entraînait le processus de naufrage et de flottement de la colonie, ce qui a conduit à la tendance du phénomène de «naufrage de jour et de flottement de nuit» (dn). La lumière a eu un effet plus important sur le flottement et le naufrage des grandes colonies, tandis qu'en comparaison, les petites colonies ont été plus affectées par les perturbations du vent. Sous l'effet du vent et de la lumière, le rapport cinétique moyen de Microcystis avec différentes tailles de colonies a été déplacé par les courants entraînés par le vent. En calculant le rapport cinétique moyen, nous avons analysé les facteurs dominants du mouvement vertical de Microcystis, qui était affecté par les intensités de lumière et de vent. On a observé que les variations d'intensité lumineuse affectaient la densité de masse des colonies de Microcystis. Pendant la journée, la photosynthèse a provoqué une augmentation de la densité de masse et les colonies de Microcystis ont tendance à couler. Le TKE moyen à l'emplacement correspondant est illustré à la Fig. 7. Sous l'effet constant des courants entraînés par le vent, les rapports cinétiques des différentes tailles de colonies variaient considérablement. Lorsque la taille de la colonie était < 100 μm, le rapport cinétique était généralement < 1, indiquant que le vent jouait un rôle dominant. Lorsque la taille de la colonie atteint 1000 μm ou plus, l'effet de la lumière peut encore jouer un rôle prédominant, sauf lorsque la vitesse du vent est supérieure à 5 ms−1. Pour chaque taille de colonie, un point d'équilibre a été observé dans lequel les effets de la lumière et du vent s'annulaient; une vitesse du vent inférieure à ce point indiquait une dominance légère, et vice versa, ce qui est défini comme «équilibre TKE».

Relation entre le rapport cinétique et TKE : (a) 100 µm, (b) 300 µm, (c) 500 µm, (d) 1000 µm.

Les colonies de microcystis ont tendance à flotter la nuit lorsque la densité de masse diminue. La vitesse verticale des courants entraînés par le vent oscille dans une certaine fréquence et a une valeur de crête remarquable, les plages d'oscillation de la vitesse verticale des courants entraînés par le vent augmentent également avec l'augmentation de la vitesse du vent. Ainsi, la turbulence de l'eau produit une force de traînée sur les colonies, qui agit à l'opposé de la direction de leur mouvement. Cela signifie que les courants entraînés par le vent créent une force de traînée vers le haut lorsque Microcystis coule pendant la journée, et une force de traînée vers le bas est créée lorsque les colonies se lèvent la nuit. L'ampleur de la force de traînée est liée à la force de la turbulence, et la capacité des colonies à résister à la force de traînée dépend fortement du carré de la taille de la colonie (Eq. 3), ce qui indique également que les plus petites colonies sont plus dispersées dans la colonne d'eau sous la même vitesse de vent.

De manière réaliste, un lac ne peut pas être absolument immobile. Les populations de Microcystis commencent généralement à se développer au printemps et diminuent après l'automne. Le temps d'illumination et l'intensité lumineuse au-dessus des variations de la surface de l'eau dépendent de la saison et de la météo du lac Taihu34. Les TKE correspondant à la taille normale des colonies et à la vitesse du vent dans le lac Taihu tout au long de l'année sont tracés à la Fig. 8 et répertoriés dans le tableau 2. La relation entre la taille de la colonie de Microcystis et le TKE d'équilibre obtenu à partir de cette étude est représentée par une ligne continue. La plupart des colonies de Microcystis peuvent atteindre 300 à 400 µm en avril33. Selon les statistiques réelles sur la vitesse du vent, la vitesse moyenne du vent en avril était de 3,6 ms-1 et la force de TKE mesurée était d'environ 45 cm2 s-2, ce qui était supérieur à la TKE d'équilibre. Par conséquent, le vent a dominé le mouvement vertical de Microcystis. Il y avait moins de temps pour le phénomène dn, et Microcystis était distribué dans la couche d'eau. De juillet à août, la taille de la colonie était d'environ 500 µm35, la vitesse moyenne du vent était de 3,4 ms−1 et le TKE mesuré était d'environ 42 cm2 s−2. Bien qu'elle soit plus proche du TKE d'équilibre, la période dominée par le vent était plus longue. Les résultats mesurés pendant la journée36 ont montré que les grandes colonies flottent facilement à la surface de l'eau, tandis que les petites colonies sont mélangées dans la couche d'eau. Avec des vitesses de vent de 2–3 ms−1, cet effet ne change pas en raison des conditions de luminosité. Bien que le vent ait un effet dominant la plupart du temps, la lumière peut jouer un rôle dominant dans le flottement et le naufrage de Microcystis pendant des périodes relativement calmes. Cependant, lorsque la vitesse du vent augmente, la force de traînée des courants turbulents commence à dominer. Ainsi, il est difficile pour la lumière de modifier la trajectoire de Microcystis.

Relation entre la taille des colonies et l'équilibre TKE.

La méthode proposée dans cette étude, qui combine l'influence des courants entraînés par le vent et le changement de densité de masse de Microcystis sur la migration de Microcystis, a une large applicabilité dans le domaine de la prédiction de la prolifération d'algues dans les lacs peu profonds à l'avenir. Pour d'autres lacs peu profonds, tels que le lac Chaohu37 et le lac Dianchi15, l'influence des courants poussés par le vent sur la formation d'efflorescences aquatiques a reçu plus d'attention. Cette étude fournit une méthode de simulation efficace et fournit des orientations théoriques pour ce domaine. Cependant, dans les lacs profonds, comme le lac Érié38 et le lac Xiapu39, la turbulence causée par la stratification de la température ne peut être ignorée. En outre, la formation d'efflorescences algales diminue la transparence de la colonne d'eau et influence la distribution verticale de l'intensité lumineuse, ce qui suggère une régulation par rétroaction positive de la formation et de la stabilité de l'écume de surface de Microcystis par auto-ombrage40. Dans notre étude de suivi, ce mécanisme sera exploré plus en détail.

En conclusion, Microcystis a tendance à présenter le phénomène de `` naufrage diurne et flottant de nuit '' (dn) à cause des intensités lumineuses changeantes, cependant, les courants de vent génèrent des forces de traînée turbulentes qui empêchent le mouvement vertical de Microcystis et affaiblissent ce phénomène dn. Les colonies de plus petite taille sont moins résistantes aux turbulences et sont plus dispersées dans la colonne d'eau. L'existence du phénomène dn peut être déterminée en comparant le rapport cinétique et le TKE d'équilibre. Lorsque le TKE du plan d'eau est supérieur au TKE d'équilibre, le phénomène dn ne se produit pas pour Microcystis. Pour le lac Taihu, les colonies de Microcystis ne présentent pas le phénomène dn, car l'effet du vent domine le mouvement vertical de Microcystis. En l'absence de ce phénomène, les colonies de Microcystis restent dans la couche d'eau calme où le TKE est inférieur à leur TKE d'équilibre. Notre méthode met en évidence l'utilisation d'un seuil critique du rapport cinétique, qui aide à simplifier la simulation numérique et la prévision des efflorescences de Microcystis.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Équipement et paramètres : Toutes les figures ont été créées dans Excel 2016.

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Nous sommes reconnaissants pour les subventions accordées pour cette étude par le projet scientifique et technologique de la province du Jiangsu [BE2018737] et le plan de recherche et d'innovation pour les étudiants de troisième cycle de la province du Jiangsu [B200203049]. Nous tenons à remercier Elsevier (https://cn.webshop.elsevier.com) pour l'édition en anglais.

Ce travail a été financé par un projet soutenu par le projet scientifique et technologique de la province du Jiangsu [BE2018737] et le plan de recherche et d'innovation pour les étudiants de troisième cycle de la province du Jiangsu [B200203049].

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Huaimin Chen

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ZX a effectué les simulations et a contribué de manière significative à la rédaction du manuscrit. WZ a analysé l'influence du vent et de la lumière sur les processus de flottement et de naufrage de Microcystis. YZ a rédigé le manuscrit. XF a participé aux simulations. HC et GF ont analysé les données de terrain du lac Taihu. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Wei Zhu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Xue, Z., Zhu, W., Zhu, Y. et al. Influence du vent et de la lumière sur le processus de flottement et de naufrage de Microcystis. Sci Rep 12, 5655 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-08977-5

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Reçu : 02 décembre 2021

Accepté : 11 mars 2022

Publié: 05 avril 2022

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

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