富营养化条件下蓝藻的不可逆集体迁移

为应对与全球气候变化相关的自然或人为污染，水生环境中的微生物会突然聚集在水面。这些被称为水华的密集悬浮物对生态系统有害，并显著降低水资源质量。为了确定参与其形成的物理化学参数并定量预测其出现，我们在体外成功重现了不可逆的蓝藻水华。通过结合化学、生物化学和流体动力学证据，我们确定了一种与内部气囊存在无关的机制，该机制允许几种蓝藻菌株（Microcystis aeruginosa PCC 7005、Microcystis aeruginosa PCC 7806 和 Synechocystis sp. PCC 6803）在试管中突然集体向上迁移。最终状态是在气液界面形成一层生物质泡沫，其中微生物可存活数周，而下方介质几乎完全耗尽蓝藻。这些“实验室水华”始于产生阴离子胞外聚合物（EPS）的蓝藻菌株在高离子强度下的细胞聚集。在适宜的营养和光强条件下，细胞团内高的光合活性导致溶解氧（DO）过饱和并成核形成气泡。这些气泡被困在EPS中，生长直至其浮力将生物质拉向自由表面。通过研究广泛的空间均匀环境条件（光照、盐度、细胞和营养浓度），我们确定了形成水华的物种依赖性阈值和时间尺度。我们总结了这些结果对环境中毒藻水华形成的意义，并提出了一种在生物反应器中收获生物质的有效方法。