《Environmental Pollution》：Time-fractional modeling framework for
Microcystis blooms and microcystin dynamics
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•针对微囊藻毒素，开发了一个四状态显式传输-扩散-反应（TF-ADR）模型。•将产毒性和非产毒性的微囊藻生物量分开处理。•模拟了微囊藻的细胞内和细胞外动态。•生物量与微囊藻毒素相关但并不等同。•过程诊断将毒素风险与合成、释放、去除和传输联系起来。引言湖泊、水库和河口中的蓝藻水华对
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针对微囊藻毒素，开发了一个四状态显式传输-扩散-反应（TF-ADR）模型。
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将产毒性和非产毒性的微囊藻生物量分开处理。
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模拟了微囊藻的细胞内和细胞外动态。
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生物量与微囊藻毒素相关但并不等同。
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过程诊断将毒素风险与合成、释放、去除和传输联系起来。
引言
湖泊、水库和河口中的蓝藻水华对水质的影响日益严重，因为它们会产生影响饮用水安全、娱乐活动、渔业和生态系统健康的蓝藻毒素（Anderson等人，2012年；Paerl和Barnard，2020年；Song等人，2023年）。在这些毒素中，微囊藻毒素尤为重要，因为它们通常与微囊藻水华相关，并且可以以细胞结合和溶解的形式存在（Chaffin等人，2022年；Merel等人，2013年；Zamyadi等人，2013年）。人类接触微囊藻毒素主要通过摄入受污染的饮用水或在娱乐活动中意外摄入（Anderson等人，2012年；Merel等人，2013年）。食用受污染的海鲜也是另一种潜在的暴露途径，因为微囊藻毒素可以在可食用的水生生物（包括鱼类、蓝蟹和河口双壳类动物）中积累（Garcia等人，2010年；Poste等人，2011年；Wallace等人，2025年）。
因此，仅预测蓝藻生物量不足以解释风险，因为公共卫生和生态风险不仅取决于水华的规模，还取决于水华是否包含产毒菌株、细胞内合成的毒素量以及释放到溶解相中的毒素量（Dong等人，2016年；Hellweger等人，2022年；Schampera和Hellweger，2025年）。
许多监测和预测方法使用蓝藻生物量、叶绿素-a、藻蓝蛋白或卫星衍生的水华指标作为潜在毒素风险的代理，因为生物量和色素测量通常比微囊藻毒素观测更容易获得（Jiang等人，2016年；Liu等人，2025年；Qian等人，2021年）。这些方法提供了有用的早期预警工具，包括隐马尔可夫模型、贝叶斯模型、基于回归的模型和叶绿素到毒素的预测系统，但生物量与毒素之间的关系并非固定不变，可能会有很大变化。微囊藻毒素浓度不仅取决于总蓝藻生物量，还取决于产毒微囊藻的数量、菌株组成、细胞内毒素配额、环境对毒素合成的影响、细胞损伤或死亡相关的释放、溶解相中的降解以及水动力传输（Chaffin等人，2022年；Davis等人，2009年；Dick等人，2021年；Liu等人，2025年；Merel等人，2013年）。基于机制和传输的模型越来越多地涵盖了这些过程，包括毒素的产生、降解、细胞内-细胞外的分配以及微囊藻毒素的移动（bte Sukarji等人，2022年；Garstecki和Wells，2023年；Schampera和Hellweger，2025年；Zhou等人，2023年）。然而，仍然需要一个时空性的、显式考虑毒素的传输-反应框架，该框架能够同时处理产毒性和非产毒性的生物量、细胞内和细胞外的微囊藻毒素、水动力再分配以及生物量和毒素动态的时间分数依赖性。
庞特查特雷恩湖河口为开发这样的框架提供了一个有用的案例研究系统。该河口较浅，受风影响，空间异质性强，并与多条淡水和潮汐交换路径相连（Flocks等人，2009年；Huang和Li，2017年；Li等人，2018年；McCorquodale等人，2009年）。这种类型系统中的蓝藻生物量和毒素动态可能受到环境强迫、河口盐度梯度、营养物质可用性、水动力再分配和局部水华发展的影响（Hofioni等人，2026年；Roy等人，2012年；Turner等人，2002年）。这些特征使得直接的生物量到毒素推断变得不确定，因此需要一个能够明确表示毒素产生和传输的框架。
在这项研究中，开发了一个显式考虑毒素的时空时间分数传输-反应框架，用于耦合蓝藻生物量和微囊藻毒素动态，以庞特查特雷恩湖河口作为案例研究。尽管在这里是在河口系统中实现的，但该框架不仅限于河口，当有适当的水动力、环境强迫和毒素数据时，也可以应用于湖泊和水库。该框架解决了四种传输状态变量：产毒生物量、非产毒生物量、细胞内微囊藻毒素和细胞外微囊藻毒素。主要的方法学进展是将时间分数动态与空间上明确的四状态传输框架相结合。研究目标是：（1）构建一个显式考虑毒素的时空TF-ADR模型，用于耦合蓝藻生物量和微囊藻毒素动态；（2）评估模型化的生物量结构和产毒/非产毒的分配；（3）将模型化的细胞内、细胞外和总微囊藻毒素与现场观测结果进行比较；（4）诊断站点、河口范围和空间尺度上的生物量-毒素解耦；（5）量化对毒素合成、释放和去除的过程级控制。
章节摘录
产毒性和非产毒性的微囊藻以及细胞内-细胞外微囊藻动态的时空时间分数传输-反应框架
为了以机械论的、传输一致且显式考虑毒素的方式表示蓝藻生物量和毒素动态，开发了一个耦合的四状态时间分数平流-扩散-反应（TF-ADR）模型，用于产毒微囊藻生物量、非产毒微囊藻生物量、细胞内微囊藻毒素和细胞外微囊藻毒素。这种形式的提出是基于这样一个事实：仅总蓝藻生物量并不能唯一确定毒素浓度。相反，毒素
环境强迫和空间分布的生长控制
2021年7月至12月的模拟捕捉到了控制庞特查特雷恩湖河口蓝藻生物量生长和毒素合成的环境驱动因素的强烈季节性变化。在整个研究区域，温度范围为7.3至30.5°C（平均22.7°C），太阳辐射（光）为14.4至333.7 W m?2（平均188.2 W m?2?1（平均0.119 mg N L?1?1（平均0.0117 mg P L?1
讨论
目前的建模框架通过将水动力传输与显式考虑毒素的TF-ADR公式相结合， advancement了现有的微囊藻毒素建模方法，能够在河口尺度的非结构化网格上解析产毒生物量、非产毒生物量、细胞内微囊藻毒素和细胞外微囊藻毒素。经验和统计方法，包括回归模型、贝叶斯模型、隐马尔可夫模型和叶绿素到毒素的预测系统，提供了有用的早期预警工具，但往往依赖于
结论
本研究的主要建模进展是一个显式考虑毒素的TF-ADR建模框架，它将水动力传输和时间分数记忆与产毒生物量、非产毒生物量、细胞内微囊藻毒素和细胞外微囊藻毒素的单独表示相结合。这种结构用基于过程的公式替换了预定的生物量到毒素转换，其中毒素动态源于产毒成分、环境和先前的合成控制等因素
CRediT作者贡献声明
Sayed Omar Hofioni：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原始草稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Zhiqiang Deng：撰写 - 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，概念化。Sibel Bargu：撰写 - 审稿与编辑，数据管理
未引用参考文献
bte Sukarji等人，2022年；NASA海洋生物学处理小组，2025年。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务或个人关系。
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。路易斯安那州立大学的高性能计算设施提供的计算资源，这些资源对该研究至关重要。作者还要感谢美国地质调查局（USGS）通过路易斯安那水资源研究所提供的资金支持。
Sayed Omar Hofioni|Zhiqiang Deng|Sibel Bargu
