近日，Nature Geoscience發(fā)表了華東師范大學(xué)河口海岸全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何青研究員團(tuán)隊(duì)最新研究成果“Drag acting on suspended sediment increased by microbial colonization”；該研究首次揭示了微生物驅(qū)動(dòng)的泥沙結(jié)構(gòu)-動(dòng)力演化機(jī)制，顛覆了傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動(dòng)理論的核心假定。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張乃予博士后為第一作者，徐凡副研究員為通訊作者，論文合作者包括美國(guó)田納西大學(xué)李昊宸副教授和英國(guó)南安普頓大學(xué)Charlotte Thompson副教授和Ian Townend教授。細(xì)顆粒泥沙是水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)輸運(yùn)與地貌演化的關(guān)鍵單元。然而，在自然水體中，它們并非孤立運(yùn)動(dòng)，而是常被微生物附著和粘結(jié)，聚集形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)多變的泥沙-微生物絮凝體。


由于顆粒尺度微小、結(jié)構(gòu)隱蔽，常規(guī)觀測(cè)技術(shù)難以準(zhǔn)確捕捉其真實(shí)三維形貌。原位觀測(cè)顯示，微生物作用下，僅約4%細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)符合傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動(dòng)理論的“球體假定”。至今，微生物如何重塑絮凝體結(jié)構(gòu)并調(diào)控其運(yùn)動(dòng)行為，是泥沙運(yùn)動(dòng)研究領(lǐng)域懸而未決的難題。華東師范大學(xué)河口海岸全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)南安普頓大學(xué)和美國(guó)田納西大學(xué)，構(gòu)建了一套適用于液態(tài)環(huán)境的亞微米級(jí)三維原位無(wú)損成像系統(tǒng)，并融合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了水下絮凝體真實(shí)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)識(shí)別與精確重構(gòu)（圖1），首次高精度還原了絮凝體在流動(dòng)水體中的受力狀態(tài)及其動(dòng)態(tài)變化。

圖1泥沙-微生物絮凝體的三維結(jié)構(gòu)（黃色標(biāo)記泥沙顆粒，紫色指示微生物及其分泌物）


基于1618組絮凝體樣本的高分辨率分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)泥沙-微生物絮凝體的拖曳力顯著偏離傳統(tǒng)“光滑球體”假定，且該差異高達(dá)3倍，這種偏離源于微生物對(duì)絮凝體內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的重塑（圖2）。

圖2微生物對(duì)絮凝體細(xì)微結(jié)構(gòu)的重塑（a）及其對(duì)拖拽力的顯著改變（b）


研究團(tuán)隊(duì)修正Schiller&Naumann經(jīng)典拖曳力公式，構(gòu)建了“微生物驅(qū)動(dòng)細(xì)顆粒泥沙絮凝體結(jié)構(gòu)–動(dòng)力協(xié)同演化”的新理論（圖3），將細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)精度提升5倍，突破了傳統(tǒng)方法難以量化絮凝體三維微觀結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)演化的拖曳力理論瓶頸。

圖3基于Schiller&Naumann經(jīng)典拖拽力公式，構(gòu)建“微生物驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)–動(dòng)力協(xié)同演化”新理論


研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（長(zhǎng)江水科學(xué)研究聯(lián)合基金）“長(zhǎng)江河口河勢(shì)穩(wěn)定性及人類(lèi)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)化機(jī)制研究”（U2040216），國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“潮溝網(wǎng)絡(luò)的共性形態(tài)及形成機(jī)理”（42376168）和國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“南海東北部深海顆粒有機(jī)碳保存方式的微觀研究”（42206059）等共同資助。


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