微塑料在明渠流中的输运机制与底栖生物摄食动态的高精度耦合模型研究

本研究针对水生环境中底栖生物对微塑料(MPs)的无意识摄食机制这一关键生态问题，通过开发大涡模拟(LES)与拉格朗日点粒子追踪技术耦合的高保真数值模型，揭示了底栖生物密度(ρB)、摄食类型(滤食者/啃食者/穴居者)和MP密度(ρM)对MP摄入比例的影响规律，首次提出以Rouse数(P)和湍流强度为核心的MP摄入预测模型，为评估MP生态风险提供了理论框架。

　　

随着塑料制品的大量使用，自然界中的大块塑料经过机械降解、氧化破碎和紫外线辐射作用，逐渐分解成1微米至5毫米的微塑料颗粒(MPs)。这些微小颗粒已广泛分布于全球海洋和河流系统中，成为威胁水生生态安全的重要污染物。尤其令人担忧的是，生活在沉积物-水界面的底栖生物群落，正面临着MPs暴露的高风险。现有研究表明，从贻贝、螃蟹到沙蚕，各类底栖生物都普遍存在无意识摄入MPs的现象，这可能引发水生食物网中的生物累积效应。然而，关于底栖生物如何在水动力条件下摄取MPs的机制研究仍存在重大空白——究竟是生物密度、摄食习性还是MP物化特性起主导作用？这些因素又如何共同影响最终的MP摄入比例？

为解答这些问题，南方科技大学的研究团队在《Water Research》发表了创新性研究成果。他们构建了首个双向耦合的三维水动力-粒子输运模型，将大涡模拟(LES)技术与拉格朗日点粒子追踪方法相结合，系统研究了明渠流中MPs的输运规律及其与不同摄食类型底栖生物的相互作用机制。研究特别关注三个关键参数：底栖生物摄食类型（滤食者、啃食者和穴居者）、生物密度（3.125-50 ind. m^-2）和MP密度（1.25-1.65 g cm^-3），通过18组对照模拟揭示了MP摄入的动态过程。

关键技术方法包括：采用开源LES代码Hydro3D求解滤波后的Navier-Stokes方程，模拟开放渠道湍流；基于Waldschl?ger-Schüttrumpf公式计算MPs沉降速度；通过拉格朗日追踪记录每个MP与底栖生物的接触事件；利用Rouse数(P)划分MP输运模式。所有模拟均在高性能计算集群"太乙"上完成。

【主要发现】

1. 水动力与摄入过程：滤食性生物（如贻贝）通过改变近床湍流结构显著提升MP悬浮概率，其壳结构产生的涡流使MPs保持悬浮状态(P<2.5)；而啃食者和穴居者主要促使MPs沿沉积物表面滑动(P>2.5)。

2. 主导因素解析：底栖生物密度是最关键参数，密度增加8倍可使MP摄入量激增5-22倍；摄食类型中，啃食者效率最高，滤食者次之，两者摄入率均达穴居者的2倍；MP密度仅在高密度滤食者条件下显现影响。

3. 预测模型构建：发现Rouse数与展向湍流强度的乘积能准确预测最终摄入比例，该线性关系适用于所有模拟场景。其中滤食者的"悬浮模式"和啃食者/穴居者的"滑动模式"在P=2.5处存在明显分界。

这项研究首次从流体力学-生态学交叉视角阐明了MPs在底栖食物网中的传递机制，其建立的预测框架可推广至不同水生环境。特别是提出的Rouse数阈值(2.5)为评估MP生物可利用性提供了普适性指标，而揭示的"生物密度放大效应"警示即使少量MP污染在高密度生物群落中也可能引发级联生态风险。这些发现不仅推动了MPs环境行为理论的突破，更为制定针对性的流域管理策略——如重点监控滤食性生物密集区、建立基于湍流强度的风险评估体系——提供了科学依据。未来研究可进一步结合原位观测验证模型预测，并探索MPs形状因子等参数对摄入动态的影响。