Flocculation dynamics of cell-associated suspended particulate matter

Luận án tiến sĩ về động lực học keo tụ của vật chất hạt lơ lửng liên kết tế bào. Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sinh vật đến quá trình keo tụ và vận chuyển vật chất.

• Tác giả: Thu Ha Nguyen
• Người hướng dẫn: Assoc. Federico Maggi
• Trường học: The University of Sydney
• Chuyên ngành: Civil Engineering
• Đề tài: Flocculation dynamics of cell-associated suspended particulate matter
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Sydney

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Lực Học Kết Tụ Ảnh Hưởng Vi Sinh Vật

Vận chuyển vật chất lơ lửng (SPM) đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình quy mô lớn, từ sự phân tán chất hữu cơ đến chu trình dinh dưỡng trong hệ sinh thái. Mặc dù các quá trình vi sinh vật quy mô nhỏ có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong cách SPM di chuyển, nhưng mức độ ảnh hưởng của vật chất sinh học gắn liền đến động lực học SPM vẫn chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu này tập trung vào việc định lượng tỷ lệ sinh khối gắn liền trên các tập hợp SPM và điều tra sự đóng góp của nó vào động lực học kết tụ SPM, từ đó kiểm soát các đặc tính hình học và vận chuyển của các tập hợp SPM. Sử dụng hệ thống Optical Measurement of Cell Colonization (OMCEC) và mô hình BFLOC2, nghiên cứu phân tích mối tương quan giữa các điều kiện môi trường, tỷ lệ sinh khối gắn liền, kích thước tập hợp và tốc độ lắng.

1.1. Tầm quan trọng của vận chuyển vật chất lơ lửng trong hệ sinh thái

Vận chuyển vật chất lơ lửng (SPM) có vai trò then chốt trong việc điều khiển các quá trình địa vật lý như phân tán và chìm của chất hữu cơ, chu trình dinh dưỡng, và sự ổn định của mạng lưới thức ăn. SPM ảnh hưởng đến quá trình bồi lắng và hình thái động lực học trong các hệ sinh thái nước. Hiểu rõ động lực học của SPM là rất quan trọng để quản lý và bảo vệ các nguồn tài nguyên nước. Sự tương tác giữa các thành phần cấu tạo nên SPM, bao gồm cả vi sinh vật, cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.

1.2. Vai trò của vi sinh vật trong động lực học kết tụ SPM

Vi sinh vật có thể ảnh hưởng đáng kể đến động lực học kết tụ SPM. Chúng tham gia vào các quá trình như kết tụ sinh học, bài tiết polyme ngoại bào (EPS), và phân hủy chất hữu cơ. Những hoạt động này có thể thay đổi kích thước, hình dạng và tốc độ lắng của các tập hợp SPM. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của vi sinh vật đến động lực học SPM vẫn còn là một lĩnh vực cần nghiên cứu thêm. Theo Nguyen, sự hiểu biết tốt hơn về sinh khối gắn liền có thể cải thiện các mô hình dự đoán.

II. Thách Thức Hiểu Rõ Ảnh Hưởng Của Vi Sinh Vật Đến Kết Tụ

Mặc dù đã có những nghiên cứu về ảnh hưởng của vi sinh vật đến động lực học của SPM, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc định lượng chính xác các tác động này. Sự phức tạp của các tương tác giữa vi sinh vật và các hạt SPM, cùng với sự biến đổi của các điều kiện môi trường, gây khó khăn cho việc phát triển các mô hình dự đoán chính xác. Cần có các phương pháp mới để đo lường và phân tích các quá trình kết tụ sinh học một cách hiệu quả hơn. Một trong những vấn đề lớn là sự không đồng nhất trong các tính chất hình học của các tập hợp khoáng chất liên kết với tế bào, chẳng hạn như kích thước và chiều fractal, được quan sát trong các thí nghiệm trước đó.

2.1. Sự phức tạp của tương tác vi sinh vật hạt SPM

Tương tác giữa vi sinh vật và các hạt SPM là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Bao gồm loại vi sinh vật, tính chất của hạt SPM, và các điều kiện môi trường. Vi khuẩn, tảo, nấm, và virus đều có thể tham gia vào quá trình kết tụ sinh học. Các yếu tố như độ mặn, nhiệt độ và sự hiện diện của chất dinh dưỡng cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình này. Các quần thể vi sinh vật có thể giao tiếp để điều chỉnh các hành vi của chúng như phát tán, tiết EPS, hoặc hình thành màng sinh học thông qua khả năng nhận biết số lượng tế bào.

2.2. Khó khăn trong việc mô hình hóa động lực học kết tụ sinh học

Việc mô hình hóa động lực học kết tụ sinh học gặp nhiều khó khăn do sự phức tạp của các quá trình liên quan. Các mô hình cần phải tính đến các yếu tố như sự va chạm giữa các hạt, sự phát triển của vi sinh vật, sự bài tiết EPS, và sự phân hủy chất hữu cơ. Để xem xét nguồn gốc phức tạp của các tập hợp khoáng chất liên kết với tế bào, mô hình BFLOC2 được giới thiệu để dự đoán hình dạng tập hợp và tốc độ lắng trong các hiệu ứng đồng thời của các quá trình thủy động lực và sinh học. Do đó, việc phát triển các mô hình chính xác đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình này và khả năng thu thập dữ liệu thực nghiệm chi tiết.

III. Phương Pháp OMCEC Đo Lường Kết Tụ Sinh Học Hiệu Quả

Nghiên cứu này giới thiệu hệ thống Optical Measurement of Cell Colonization (OMCEC), một phương pháp mới để đo lường đồng thời thành phần, kiến trúc và tốc độ lắng của các tập hợp SPM riêng lẻ. OMCEC sử dụng hệ thống quang học độ phân giải cao và các thuật toán để phân tích quang phổ, định lượng các đặc tính hình học và phát hiện chuyển động. Hệ thống này đã được áp dụng cho các tập hợp khoáng chất liên kết với tế bào và vi nhựa liên kết với tế bào. OMCEC là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu động lực học kết tụ sinh học.

3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống OMCEC

Hệ thống OMCEC dựa trên phương pháp Particle Tracking Velocimetry (PTV) và sử dụng hệ thống quang học độ phân giải cao để thu thập hình ảnh của các hạt SPM đang lắng. Các hình ảnh này sau đó được phân tích bằng các thuật toán để xác định thành phần, kích thước, hình dạng và tốc độ lắng của các hạt. OMCEC sử dụng nhuộm huỳnh quang trên SPM khoáng để phát hiện sự khác biệt trong quang phổ phát xạ giữa sinh khối và khoáng chất. Phương pháp này cho phép đo lường các đặc tính của các tập hợp SPM một cách không xâm lấn và không phá hủy.

3.2. Ứng dụng của OMCEC trong nghiên cứu kết tụ sinh học

Hệ thống OMCEC đã được sử dụng để nghiên cứu kết tụ sinh học trong nhiều môi trường khác nhau. Nghiên cứu đã sử dụng OMCEC trên khoáng chất S.cerevisiae và cho thấy khả năng thuộc địa hóa tế bào tăng lên khi nồng độ chất dinh dưỡng tăng lên. Nó cũng đã được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của vi sinh vật đến động lực học của vi nhựa liên kết với tế bào. Các kết quả cho thấy rằng tỷ lệ sinh khối của các tập hợp vi nhựa có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước, hình dạng và tốc độ lắng của chúng. OMCEC có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác nhau đến kết tụ sinh học.

IV. Mô Hình BFLOC2 Dự Đoán Động Lực Học Kết Tụ và Vận Chuyển

Nghiên cứu này cũng giới thiệu mô hình BFLOC2, một mô hình toán học kết hợp giữa quá trình keo tụ do nhiễu loạn và quá trình thuộc địa hóa do mạng lưới thức ăn vi sinh vật để mô hình hóa sự hình thành các tập hợp khoáng chất liên kết với tế bào. Mô hình này có thể dự đoán kích thước, tỷ lệ sinh khối và tốc độ lắng của các tập hợp SPM trong các điều kiện môi trường khác nhau. BFLOC2 là một công cụ hữu ích để hiểu và dự đoán động lực học kết tụ sinh học.

4.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình BFLOC2

Mô hình BFLOC2 dựa trên các phương trình động lực học chất lỏng và các phương trình mô tả sự phát triển và tương tác của vi sinh vật. Mô hình này tính đến các yếu tố như sự va chạm giữa các hạt, sự phát triển của vi sinh vật, sự bài tiết EPS, sự phân hủy chất hữu cơ và các tương tác giữa các loài vi sinh vật khác nhau. BFLOC2 kết hợp keo tụ gây ra bởi nhiễu loạn và quá trình thuộc địa hóa do mạng lưới thức ăn vi mô.

4.2. Kết quả mô phỏng và so sánh với dữ liệu thực nghiệm

Mô hình BFLOC2 đã được sử dụng để mô phỏng động lực học kết tụ trong các điều kiện môi trường khác nhau. Các kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm thu được từ hệ thống OMCEC. Nghiên cứu cho thấy kích thước, tỷ lệ sinh khối và tốc độ lắng tối đa của các tập hợp khoáng chất liên kết với tế bào có thể xảy ra ở các điều kiện môi trường tối ưu khác nhau. Không giống như các tập hợp khoáng chất, kích thước tương đối tối đa của các tập hợp khoáng chất liên kết với tế bào có thể đạt được ở tốc độ cắt trung gian do các quá trình vi sinh.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Xử Lý Nước Thải và Môi Trường

Nghiên cứu về động lực học kết tụ sinh học có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tụ sinh học có thể giúp cải thiện hiệu quả của các phương pháp xử lý nước thải, loại bỏ chất ô nhiễm và bảo vệ các nguồn tài nguyên nước. Các kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng để ước tính hàm lượng sinh học dựa trên kích thước SPM, kích thước công suất và tốc độ lắng, có thể được đo bằng các phương pháp tại chỗ.

5.1. Cải thiện hiệu quả xử lý nước thải bằng kết tụ sinh học

Kết tụ sinh học có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước thải. Bằng cách tạo điều kiện cho sự hình thành các tập hợp lớn, kết tụ sinh học giúp các chất ô nhiễm dễ dàng lắng xuống và loại bỏ khỏi nước. Sự hình thành trầm tích có thể được mô tả tốt hơn, do đó đưa ra một dự đoán chính xác hơn về trầm tích và dòng chảy carbon xuống vùng nước sâu hơn và ngoài khơi hơn.

5.2. Đánh giá và quản lý rủi ro ô nhiễm vi nhựa

Nghiên cứu về động lực học kết tụ của vi nhựa liên kết với tế bào có thể giúp đánh giá và quản lý rủi ro ô nhiễm vi nhựa. Hiểu rõ cách vi sinh vật ảnh hưởng đến vận chuyển và lắng đọng của vi nhựa có thể giúp phát triển các biện pháp ngăn chặn và loại bỏ vi nhựa khỏi môi trường. Nghiên cứu này có thể cung cấp bằng chứng và công cụ để định lượng sự chìm và nổi của vi nhựa chịu tác động của quá trình bám bẩn sinh học, có thể được triển khai trong các mô hình vận chuyển vi nhựa để cho phép mô hình hóa ba chiều cả vi nhựa mật độ thấp và mật độ cao.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Sâu Hơn Về Động Lực Học Kết Tụ Vi Sinh Vật

Nghiên cứu về động lực học kết tụ vi sinh vật vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Cần có thêm các nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các cơ chế sinh học của quá trình kết tụ, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác nhau, và ứng dụng của kết tụ sinh học trong các lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn và các phương pháp xử lý hiệu quả hơn.

6.1. Nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu có thể ảnh hưởng đến động lực học kết tụ vi sinh vật bằng cách thay đổi nhiệt độ, độ mặn và sự hiện diện của chất dinh dưỡng trong môi trường nước. Cần có các nghiên cứu để hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu đến quá trình kết tụ và phát triển các biện pháp thích ứng phù hợp. Nhiệt độ ấm hơn và chất dinh dưỡng dư thừa có thể kích thích hoạt động của vi sinh vật, gây ra các vấn đề môi trường.

6.2. Phát triển công nghệ mới để giám sát và quản lý

Cần có các công nghệ mới để giám sát và quản lý động lực học kết tụ vi sinh vật một cách hiệu quả. Các công nghệ này có thể bao gồm các cảm biến trực tuyến để đo lường kích thước hạt, thành phần và tốc độ lắng, cũng như các hệ thống mô phỏng để dự đoán tác động của các hoạt động của con người đến quá trình kết tụ. OMCEC cung cấp phân tích và dự đoán tác động của thuộc địa hóa tế bào lên động lực học và vận chuyển của vật chất hạt lơ lửng trong nước tự nhiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Flocculation dynamics of cell-associated suspended particulate matter Thu Ha Nguyen School of Civil Engineering Faculty of Engineering The University of Sydney A thesis submitted to fulfil requirements for the degree of Doctor of Philosophy Supervisor: Assoc. Federico Maggi Auxiliary supervisors: Prof. John Patterson Dr. Fiona Tang 2020 Abstract Transport of suspended particulate matter (SPM) plays a vital role in controlling large-scale pro- cesses related to geophysical flows such as dispersal and sinking of organic matter and contaminants to offshore and deep waters, nutrient cycles, food web stability, morphodynamics and sedimen- tation in both limnetic and pelagic ecosystems.

Although it has been recognized that small-scale microbial processes can introduce substantial differences to the way in which SPM moves in natural waters, the extent to which the attached biological matter affects SPM dynamics is still not well characterized. This thesis focuses on quantifying the attached biomass fraction on SPM aggregates and investigating its contribution to SPM flocculation dynamics, which consequently control SPM aggregate geometrical properties and transport. A novel laboratory-based Optical Measurement of Cell Colonization (OMCEC) system and a microbiological-physical model (BFLOC2) are the main achievements of this thesis that allow the analyses of the correlations between environmental conditions, aggregate-attached biomass fraction, cell colonization patterns, aggregate size, fractal dimension and settling velocity. OMCEC is an experimental system that can simultaneously measure the material composition, geometric properties, and motion of individual suspended aggregates in a non-invasive and non- destructive way.

OMCEC consists of a full-color high-resolution optical system and real-time algorithms for (i) material segmentation based on light spectra emission analysis, (ii) quantification of various geometrical properties, and (iii) motion detection with micro particle tracking velocimetry (µPTV). OMCEC was applied herein on three types of aggregates: cell-associated minerals, cell- associated microplastics, and three-phase aggregates made of minerals, microplastics, and biological matter. OMCEC application on Saccharomyces cerevisiae-colonized minerals at four sucrose concentra- tions showed the likelihood of cell colonization to increase with increasing nutrient concentration. The attached biomass fraction was found to increase nonlinearly regarding an increase of aggregate size but almost constant with fractal dimension variation.

Cell distribution on mineral surfaces was then analyzed and classified into three colonization patterns: (i) scattered, (ii) well-touched, and (iii) poorly-touched, with the second being predominant. Cell clusters in the well-touched pattern were found to have lower fractal dimension than those in the other patterns. A strong correlation of colonization patterns with aggregate biomass fraction and properties suggests dynamic colonization iv mechanisms from cell attachment to minerals, to joining of isolated cell clusters, and finally cell growth over the entire aggregate. OMCEC application on microplastics (MPs) being colonized by natural biological matter from Hawkesbury River, NSW, Australia demonstrated that the biomass fraction of MP aggregates has substantial control over their size, shape and, most importantly, their settling velocity.

Polyurethane MP aggregates made of 80% biological matter had an average size almost double that of MP aggregates containing 5% biological matter and sank two times slower. Based on our experimental data, we introduce a settling velocity equation that accounts for the shape irregularity and fractal structure of MP aggregates. This equation can capture the settling velocity of both virgin MPs and cell-associated MP aggregates with 7% error and can be applied widely to predict the settling flux of MP aggregates made of different polymers and various types of biological matter. To consider the complex genesis of cell-associated mineral aggregates, the BFLOC2 model was introduced to predict aggregate geometry and settling velocity under simultaneous effects of hydrodynamic and biological processes.

While minerals can contribute to aggregate dynamics through collision, aggregation, and breakup, living microorganisms can colonize and establish food web interactions that involve growth and grazing, and modify the aggregate structure. Modeling of cell-associated mineral aggregate dynamics over a wide range of environmental conditions showed that maximum aggregate size, biomass fraction, and settling velocity could occur at different optimal environmental conditions. Unlike mineral aggregates, which have maximum size when shear rates tend to zero, a relative maximum size of cell-associated mineral aggregates can be reached at intermediate shear rates as a result of microbiological processes. The settling velocity was ultimately controlled by aggregate size, fractal dimension, and biomass fraction.

The innovative aspect of this thesis is the simultaneous quantification of composition, archi- tecture, and settling velocity of individual aggregates. Therefore, it puts forth the analysis and prediction of cell colonization impacts on dynamics and transport of suspended particulate matter in natural waters. The output of this thesis can be used in natural water monitoring programs to estimate the biological content based on SPM size, capacity dimension, and settling velocity, which can be measured using in-situ methods. Furthermore, the evidence and tools to quantify the sinking and floating of microplastic subjected to bio-fouling can be implemented in microplastics transport models to enable the three-dimension modeling of both low- and high-density microplastics.

The BFLOC2 model can be coupled to traditional sediment transport models to better describe the sediment formation dynamics, thus giving a more precise prediction of sedimentation and carbon flux to deep waters and offshore. v Statement of Originality This is to certify that to the best of my knowledge, the content of this thesis is my own work. This thesis has not been submitted for any degree or other purposes. I certify that the intellectual content of this thesis is the product of my own work and that all the assistance received in preparing this thesis and sources have been acknowledged.

Name: Thu Ha Nguyen Signature: (signed) Date: 30/01/2020 viii Authorship Attribution Statement Chapter 3 of this thesis was published in manuscripts [195, 197, 198]. I developed the method, conducted the experiments, and wrote the manuscripts. The settling column used in the system was designed and built by the co-authors (F. Chapter 4 of this thesis was published in manuscript [195].

I conducted the experiments, ana- lyzed the data, and wrote the manuscripts. Chapter 5 of this thesis was published in manuscript [198]. I conducted the experiments, ana- lyzed the data, developed the equation, and wrote the manuscripts. The field sampling was done by all authors with the support of New South Wales Office of Environment and Heritage (NSW-OEH).

Chapter 6 of this thesis was published in manuscript [196]. I developed the model, conducted the simulation, analyzed the data, and wrote the manuscripts. The source code of the BFLOC model, which is the based of the BFLOC2 model in the thesis, was developed by the co-author (F. List of publications: [195] Nguyen, T.

Optical measurement of cell col- onization patterns on individual suspended sediment aggregates. Micro food web networks on suspended sediment. OMCEC: A novel method for simultaneous detection of composition, geometry and motion of suspended particles. In Proceedings 16th International Conference on Environmental Science and Technology.

Sinking of microbial-associated mi- croplastics in natural waters. Nguyen) confirm that I am the first and the corresponding author of the publications listed above. Name: Thu Ha Nguyen Signature: (signed) Date: 30/01/2020 As supervisor for the candidature upon which this thesis is based, I can confirm that the au- thorship attribution statements above are correct. Federico Maggi Signature: (signed) Date: 30/01/2020 Table of contents Abstract iii Statement of Originality vii Authorship Attribution Statement ix List of figures xv List of tables xvii 1 Introduction 1 1.1 Suspended sediment and microbial colonization in natural waters .2 Anthropogenic perturbation on SPM dynamics .3 Aim and objectives .1 Formation dynamics of SPM aggregates .1 Hydrodynamic-induced aggregation .2 Biogenic-induced aggregation .3 Hydrodynamic-induced breakup .4 Biogenic-induced breakup .5 On-site micro food web network interactions .2 Geometrical and settling properties of SPM aggregates .1 Mineral SPM and cell-associated mineral SPM aggregates .2 Microplastic SPM and cell-associated microplastic SPM aggregates .3 Bridging the gap - Biological heterogeneity in cell-associated SPM aggregates .4 SPM architecture, motion, and composition measurements .1 SPM architecture and motion measurement methods .2 SPM composition measurement methods.

19 xii Table of contents 2. 21 3 Optical Measurement Of Cell Colonization (OMCEC) System 23 3.3 Biological matter sources .3 OMCEC optical system and image acquisition .4 OMCEC coupling to a fully controlled settling column .5 Image processing algorithms .1 Image pre-processing .3 Image post-processing .6 OMCEC example results. 39 4 Cell-associated mineral SPM aggregates 41 4.2 Experiments, image processing, and analyses with OMCEC .3 Classification of aggregate types and cell colonization patterns .1 Sucrose concentration effects on cell colonization .2 Biomass fraction and aggregate geometrical properties .3 Biomass fraction and cell colonization patterns .4 Cell colonization mechanisms .5 Cell colonization patterns and aggregate geometrical properties .6 Interplay between geometric properties. 55 Table of contents xiii 5 Cell-associated microplastic SPM aggregates 57 5.2 Experiments, image processing, and analyses with OMCEC .3 Terminal velocity equation .4 Reynolds number and vertical mass flux .1 Cell colonization on MP aggregates .2 Biological fraction and MP aggregate geometrical properties .3 Biological fraction and MP aggregate settling .4 Modeling the settling velocity of MP aggregates .5 Biological fraction and MP aggregate capacity dimension .6 Terminal velocity of low- and high-density MPs .7 Mass flux of low- and high-density MPs.

72 6 Modeling of cell-associated SPM aggregate formation dynamics 73 6.1 Model calibration against mineral SPM .2 Model calibration against biological SPM .3 Model calibration and validation against cell-associated SPM .4 Aggregate composition response to environmental conditions .5 Aggregate size, capacity dimension, and settling velocity response to envi- ronmental conditions .6 Constituent aggregate volumes response to environmental conditions .7 Aggregate genesis dynamics response to environmental conditions. 92 xiv Table of contents 7 Conclusions and recommendations 95 7.1 Thesis accomplishments and conclusions .2 Thesis applications and recommendations. 97 References 99 Appendix A Data of cell-associated mineral experiments 121 Appendix B Data of cell-associated microplastic experiments 157 List of Symbols 171 Acknowledgements 179 List of figures 2.1 Conceptual SPM formation dynamics in natural waters .2 Control factors of SPM settling velocity .1 OMCEC flow chart .2 Emission spectra of materials used in OMCEC .3 Mineral staining procedure .6 OMCEC image processing flowchart.8 OMCEC error corrections .9 OMCEC example results .1 Examples of material map analyses.2 Classification tree of aggregate types and cell colonization patterns .3 Examples of classified aggregate types and cell colonization patterns .4 Effects of nutrient concentrations on cell colonization .5 Aggregate geometrical properties versus biomass fraction .6 Cell colonization patterns versus biomass fraction .7 Cell colonization patterns versus aggregate geometric properties .8 Interplay between geometric properties .1 Example microscope images .2 Samples of cell-associated MP aggregates acquired with OMCEC .3 MP aggregate size analyses .4 MP aggregate shape analyses .5 MP aggregate experimental settling velocity analyses .6 Terminal velocity equation validation and aggregate capacity dimension estimation 67 5.7 Analyses of low- and high-density MPs associated with biological matter. 69 xvi List of figures 6.3 Aggregate composition response to environmental conditions .4 Aggregate architecture and motion response to environmental conditions .5 Aggregate size response to shear rates .6 Aggregate constituent volumes response to environmental conditions .7 Aggregate genesis dynamics response to environmental conditions.

90 List of tables 4.1 Specifications of samples used for OMCEC testing .2 Results of the one-way analysis of variance (ANOVA) tests for the null hypothesis that the bin-averaged aggregate capacity dimension d, biological phase capacity dimension db , cell cluster count Nc , and cell cluster area over aggregate area ab /A values are invariant over ranges of the aggregate size L and d for each cell colo- nization pattern. Green, turquoise, and red colors indicate that the null hypothesis is rejected (i.01 ) for the scattered, well- and poorly-touched clustered patterns, respectively, while the grey color confirms the null hypothesis (i.1 Parameters used for settling velocity in Eq. Parameters in brackets were estimated from calibration, while the others were measured from experiments, assumed, and retrieved from the manufacture data sheet.1 List of parameters used in BFLOC2 for mineral and biological calibrations, cell- associated mineral validation, and cell-associated mineral analyses described in Section 6. Parameters in brackets were estimated from experiments, while the others were assigned from the experimental inputs and previous literature.

81 xviii List of tables A.