影響硅藻群落的環(huán)境機(jī)制及硅藻對水質(zhì)指示作用的研究

楊碩 方晶 劉宇飛

摘 要：為了監(jiān)測某流域水質(zhì)情況，通常會使用物理和化學(xué)方法進(jìn)行監(jiān)測。然而，這些理化方法雖然明確表明了某一特定時間采樣點(diǎn)的水質(zhì)狀況，卻無法全面反映水質(zhì)變化的總體情況。硅藻對污染物的敏感性使之能夠及時準(zhǔn)確、綜合反映水域生態(tài)環(huán)境狀況，所以經(jīng)常被用作水質(zhì)的生物指標(biāo)。本文綜述了硅藻在水質(zhì)監(jiān)測中的研究進(jìn)展、影響硅藻群落的環(huán)境機(jī)制以及硅藻對水質(zhì)的指示作用與不足，為綜合監(jiān)測和治理水環(huán)境提供一定的理論依據(jù)和支持。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)污染;生物監(jiān)測;硅藻指示作用

中圖分類號：Q948.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0132-04

Study on Environmental Mechanism Affecting Diatom Community

and Diatoms Indicating Effect on Water Quality

YANG Shuo FANG Jing LIU Yufei

（School of Geography and Environmental Science， Tianjin Normal University，Tianjin 300387）

Abstract： In order to monitor the water quality of a river basin， physical and chemical methods are usually used for monitoring. However， although these physical and chemical methods clearly indicate the water quality at the sampling point at a specific time， they cannot fully reflect the overall situation of water quality changes. The sensitivity of diatoms to pollutants enables them to accurately and comprehensively reflect the ecological environment of the water area， so they are often used as biological indicators of water quality. This article summarizes the research progress of diatoms in water quality monitoring， the environmental mechanisms affecting diatom communities， and the indicators and deficiencies of diatoms on water quality. Provide a certain theoretical basis and support for comprehensive monitoring and treatment of the water environment.

Keywords： water pollution;biomonitoring;diatom indicator

物理化學(xué)監(jiān)測方法為科學(xué)的水體管理提供了詳盡具體的信息，所以被視作普遍性和基礎(chǔ)性的監(jiān)測手段。但是這些研究方法不能全面、綜合地反映眾多的環(huán)境因子，存在瞬時性、單一性以及片面性等缺點(diǎn)。按照美國1972年頒布的《水污染控制修正法》的規(guī)定，法案的目標(biāo)是恢復(fù)與維持水體的化學(xué)、物理及生物的完整性。健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有化學(xué)、物理以及生物3方面結(jié)構(gòu)完整性，因此將傳統(tǒng)理化指標(biāo)與水生生物指標(biāo)等綜合監(jiān)測與評價體系用于評價水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯得尤為重要。

作為河流的主要初級生產(chǎn)者，硅藻主要附著在底部基質(zhì)上，并且不同的硅藻具有不同的環(huán)境耐受性和喜好性。作為水體生態(tài)系統(tǒng)中的重要參與者，硅藻能準(zhǔn)確而詳細(xì)地反映水體在某段時期內(nèi)的綜合具體的情況，是非常有效的環(huán)境指示生物。

隨著河流湖泊研究工作的深入開展，我國逐步建立起了比較成熟的，適用于我國湖泊的評價體系和方法。早期生物監(jiān)測主要以單一的硅藻指數(shù)為主，齊雨藻等[1]采集珠江廣州河段的9個采樣點(diǎn)的附著硅藻群落，使用硅藻群集指數(shù)（DAIpo）和河流污染指數(shù)（RPId）分析各采樣斷面的水質(zhì)，結(jié)果表明各采樣點(diǎn)中度污染。辛?xí)栽频萚2]通過分析內(nèi)蒙古岱海個采樣點(diǎn)浮游硅藻群落的組成，并使用硅藻生物指數(shù)（Biological Index， BI）進(jìn)行評價，結(jié)果表明岱海水質(zhì)已受到輕微污染。李偉等[3]用優(yōu)勢種的污生譜、硅藻群集指數(shù)（DAIpo）以及均勻度指數(shù)E等指標(biāo)對山西省歷山自然保護(hù)區(qū)老搖河7個布點(diǎn)進(jìn)行了綜合監(jiān)測與評估，結(jié)果表明老搖河水質(zhì)受到輕度污染。

近十年在對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測中，開始將生物指標(biāo)與理化指標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行分析。李國忱等[4]對遼河上游12個采樣點(diǎn)的著生硅藻進(jìn)行了生物調(diào)查，同時測定了理化指標(biāo)等水質(zhì)參數(shù)。結(jié)果表明，硅藻多樣性指數(shù)和敏感性硅藻百分比等最適合遼河上游的水質(zhì)生物學(xué)評價。周景[5]等以漓江中上游為示范流域，研究硅藻的多項指數(shù)與我國現(xiàn)有河流物化監(jiān)測的相關(guān)性，結(jié)果表明，TDI指數(shù)和PTI指數(shù)是潛在評價漓江水體生物學(xué)質(zhì)量的硅藻指數(shù)。綜上，硅藻指數(shù)種類多樣，不同的指數(shù)側(cè)重不同且各有優(yōu)缺點(diǎn)，個別指數(shù)適合特定地域。

1 硅藻群落的物理影響機(jī)制

1.1 水文要素

水文要素是硅藻群落的重要因素之一，日光照射能夠直接影響硅藻細(xì)胞的溫度，進(jìn)而決定硅藻的生長情況[6]。KINGSTON等[7]在研究的硅藻的時空分布中指出，在寒冷的南極洲和溫帶地區(qū)生長的硅藻種屬及種類存在很大的差異。錢振明等[8]研究結(jié)果表明，在15～25 ℃硅藻的生長速率達(dá)到最大，低于10 ℃其生長速率緩慢，反之30 ℃高溫下開始抑制細(xì)胞的生長。此外，流速過大會抑制硅藻的生長和繁殖，硅藻更適宜在低水平流速的水體流域生長[9]。

1.2 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率通過影響硅藻的生長和分布反映著水體的優(yōu)良。電導(dǎo)率主要受溫度、溶解性總固體含量以及懸浮物含量等因素影響。一般情況下，電導(dǎo)率越高，水污染相對越嚴(yán)重[10]。研究表明，電導(dǎo)率與浮游植物物種之間存在顯著的響應(yīng)關(guān)系，其中與電導(dǎo)率相關(guān)性較高的浮游植物物種為齒牙柵藻、尖細(xì)柵藻以及羽紋藻[11]。POTAPOVA等[12]發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率是影響河流中底棲硅藻分布的顯著因子。

1.3 溶解氧

溶解氧的變化是衡量水體初級生產(chǎn)力高低的重要標(biāo)志，更是研究水自凈能力的一種依據(jù)。僅從單一指標(biāo)來看，水中溶解氧值越高，表示水質(zhì)越好，反之則水質(zhì)較差。劉黎等[13]研究三峽水庫蓄水期顯著影響底棲硅藻群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子是濁度、水溫、高錳酸鹽指數(shù)以及溶解氧。鄭欽華[14]在研究三沙灣海水增養(yǎng)殖區(qū)溶解氧的動態(tài)變化及有機(jī)污染狀況中指出，溶解氧降低的變化趨勢導(dǎo)致水質(zhì)產(chǎn)生污染。

2 硅藻群落的物化學(xué)影響機(jī)制

2.1 pH

硅藻可以根據(jù)水體pH的變化迅速做出反應(yīng)，pH的增加或降低會對硅藻的生長和繁殖產(chǎn)生很大的影響[15]。況琪軍等[16]為研究水體酸化對藻類的影響，通過綜合生態(tài)模擬試驗進(jìn)行了藻類生物測試，結(jié)果顯示水體酸化對藻類的生長和繁殖有明顯抑制作用。每種藻類的生長和繁殖都有其適宜的pH范圍。水體中的含氧量與CO2含量會對藻類產(chǎn)生直接影響，pH變化會影響水體中藻類的生長繁殖速度進(jìn)而影響水體中CO2濃度，導(dǎo)致藻類在進(jìn)行光合作用時CO2的利用率降低。pH變化影響藻類細(xì)胞體內(nèi)代謝活動過程中必要元素酶的活性，從而影響水體中營養(yǎng)物質(zhì)的溶解度及分解率等理化過程，改變營養(yǎng)物質(zhì)的供給。HARRISON等[17]根據(jù)pH將硅藻分為堿性硅藻、嗜堿性硅藻、中間型硅藻、嗜酸性硅藻以及酸性硅藻等類型。

2.2 氮磷元素

水體中的氮和磷是藻類生長需要的關(guān)鍵元素，硅藻的種類和數(shù)量與主要的營養(yǎng)元素氮和磷密切相關(guān)，受水體磷元素的影響更為突出[18]。磷是硅藻生長的必要營養(yǎng)元素之一，其濃度變化會對水體種硅藻群落結(jié)構(gòu)的變化和數(shù)量的增減產(chǎn)生直接影響。水體中磷元素的主要來源為生活污水（食物殘渣、毛發(fā)便溺）、工業(yè)廢水、農(nóng)藥殘留以及近代洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等[19]。此外，水體中的底泥在還原狀態(tài)下會釋放磷酸鹽，從而使水體中磷元素的含量上升，加重水體惡化程度。

2.3 重金屬

硅藻的生長狀況與水體的重金屬濃度有關(guān)。硅藻的生長和繁殖會受到重金屬污染的影響，其中鎘、鉛、銅以及汞等會在藻細(xì)胞內(nèi)大量富集進(jìn)而干擾細(xì)胞正常的代謝過程，最終影響藻類的生長和繁殖[20]。重金屬污染不僅抑制藻類的生長速率，而且會使其形態(tài)發(fā)生畸變。重金屬污染程度越高，水體環(huán)境越不適宜硅藻的生長和繁殖，不僅抑制藻類的生長速率，而且會使其外部形態(tài)和內(nèi)在結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。PANDEY等[21]提出重金屬（銅、鋅、鉛）在藻類細(xì)胞內(nèi)蓄積，抑制其生長，導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量減少和硅藻的形態(tài)異常。在19個常見的硅藻類群中，15個有明顯的視錐畸形。這種畸形經(jīng)常發(fā)生在鈍脆桿藻（Fragilaria capucina）、極小異極藻（Gomphonema parvulum）以及谷皮菱形藻（Nitzschia palea）中。

3 硅藻在水質(zhì)監(jiān)測中的指示作用

3.1 硅藻對水體富營養(yǎng)化的環(huán)境指示作用

硅藻對水體中的氮磷元素反應(yīng)敏感，有些硅藻生長在富營養(yǎng)化水體中，如蔚藍(lán)色雙眉藻（Aulacoseira alpigea）、普通菱形藻（Nitzschia communis）、梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）、極小異極藻（Gomphonema parvulum）以及小舟形藻（Navicula? subminuscula）等硅藻均指示水體富營養(yǎng)狀態(tài)。ZHANG等[22]對希臘的Dojran湖研究中發(fā)現(xiàn)硅藻濃度的增加表明湖泊富營養(yǎng)化的加速，KAARINA 等[23]研究了過去大約200年內(nèi)芬蘭灣水體富營養(yǎng)化對硅藻群落結(jié)構(gòu)和物種豐度的影響。浮游硅藻豐度隨水體富營養(yǎng)化和濁度的升高而顯著增加。這些研究充分體現(xiàn)了硅藻對水體富營養(yǎng)化的環(huán)境具有良好的指示作用。指示水體富營養(yǎng)化的硅藻種如表1所示。

3.2 硅藻對水體酸化的環(huán)境指示作用

河流水體酸化主要受到酸雨和酸性廢水的影響，由于硅藻對水體中pH的反應(yīng)十分敏感，當(dāng)水體酸化時，硅藻會由于不耐受性而死亡，耐受硅藻大量存活。例如，廣緣小環(huán)藻（Cyclotella bodanica Eul）為酸化水體常見種;細(xì)紋長蓖藻（Neidium affine）和短縫藻（Eunotia exigua）為嗜酸性物種;近小頭羽紋藻（Pinnularia subcapitata）對酸性廢水耐污性強(qiáng);梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）對水體pH敏感。水體pH是影響硅藻生存的重要因素。JUGGUNS 等[24]使用硅藻酸化指標(biāo)評估河流的酸化狀態(tài)，根據(jù)最適pH將硅藻類群劃分為5個指標(biāo)類別，并使用回歸分析進(jìn)行評估。BATTARBEE等[25]通過研究分析歐洲西北部和北美的采樣點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，水體在過去的150年中發(fā)生了快速酸化，酸化的第一個主要標(biāo)志是pH低于5.5時，酸化會導(dǎo)致環(huán)境中水的典型物種減少，如中凸曲殼藻（Achnanthes microcephalaKütz）和細(xì)小橋彎藻（Cymbella gracilis）等，以及嗜酸性類群的擴(kuò)張，如絨毛平板藻（Tabellaria flocculosa）等。在pH小于5.5的情況下，嗜酸性的物種變得很普遍。指示水體酸化的硅藻種如表2所示。

3.3 水體污染物

硅藻的生長還受到重金屬因素的影響，硅藻群落能夠很好地反映水體受重金屬污染狀況。鈍脆桿藻（Fragilari）和腫節(jié)曲殼藻（Aminutissimum nodusa）為Cu的指示種;肘狀針桿藻（Synedra ulna）為Zn的指示種;普通等片藻（Diatoma vulgare）為廢水指示種;草鞋形波緣藻（Cymatopleura solea）為酚污染指示種。丁騰達(dá)等[26]指出某些典型硅藻已應(yīng)用于指示水體重金屬污染并闡述重金屬污染下硅藻的生長趨勢和硅殼形態(tài)的變化。LAMAI 等[27]研究表明，藻類對鎘和鉛的生物積累具有一定的劑量和時間效應(yīng)，利用藻類不僅可以綜合反映重金屬污染狀況，還可以實現(xiàn)對重金屬污染的在線監(jiān)測。指示水體污染物的硅藻種如表3所示。

4 結(jié)論

通過研究以上影響硅藻生長環(huán)境因子的各項指標(biāo)來反映水環(huán)境污染狀況。污染物進(jìn)入水體后，藻類最先受到影響，但是不同藻類的耐受程度不同，有的藻類抗污性較強(qiáng)，有的藻類抗污性較弱，而有些藻類只有在某種特定的污染物存在時才會出現(xiàn)或大量繁殖，因此可以根據(jù)藻類的種類和數(shù)量等群落特征來判定水體的污染狀況，利用藻類使之成為評價江河湖泊的水質(zhì)狀況和變化趨勢的重要指標(biāo)。但運(yùn)用藻類進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測仍存在著許多不足之處，如監(jiān)測時易受各種環(huán)境因素的影響等。因此，今后需要不斷優(yōu)化和完善藻類生物學(xué)監(jiān)測方法，不斷提供新的思路和技術(shù)手段。

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