水庫富集藻類自動(dòng)采集技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

周新川

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水中常見的生物之一是藻類，水體中產(chǎn)生的藻類浮游植物種類較多，水體中藻類經(jīng)過光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物類型明顯多于其他水生植物[1- 2]。藻類為許多水生生物提供食物成為其生存的重要保障[3]。水域環(huán)境被污染后，水體中氮、磷含量的增多使得水體富營養(yǎng)化程度加重，加快藻類在水體中的生長速率，危害生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象如赤潮或者水華就會(huì)出現(xiàn)在水域中，影響水域生態(tài)環(huán)境[2- 5]。藻類大量繁殖使水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致出現(xiàn)危害生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象的頻率也逐步加大，并成為當(dāng)前水環(huán)境領(lǐng)域研究的難點(diǎn)[6- 9]。近些年來國內(nèi)許多河流都發(fā)生了較為嚴(yán)重的水華和赤潮現(xiàn)象[10- 13]，嚴(yán)重影響了這些水域的生態(tài)環(huán)境和居民健康生活質(zhì)量。水域自然生態(tài)環(huán)境不僅受水體富營養(yǎng)程度加劇影響，同時(shí)由于水體中的養(yǎng)分被大量繁殖的藻類所吸收，使得正常補(bǔ)給不能提供給水體中可凈化水環(huán)境的水生植物，而進(jìn)一步加速了藻類在水體中的繁殖速率，水體中的魚類以含有毒素的藻類為食物影響其生育，并對(duì)人類健康產(chǎn)生間接威脅[14]。因此，水生態(tài)監(jiān)測，尤其是對(duì)水體中藻類及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測迫在眉睫[15]。當(dāng)前，國內(nèi)水庫藻類主要通過虹吸裝置進(jìn)行采集，這種方式存在低效率、易污染、難定容和操作繁瑣等問題[9]。為提高水庫藻類采集的標(biāo)準(zhǔn)和精度，本文針對(duì)水庫藻類自動(dòng)采集進(jìn)行研發(fā)，解決傳統(tǒng)藻類采集的缺點(diǎn)和局限。研究成果對(duì)于國內(nèi)水庫藻類采集具有重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

1 藻類樣品采集

1.1 常規(guī)采集方式

依據(jù)SL 733—2016《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，藻類樣品的采集應(yīng)充分考慮水體類型特點(diǎn)及監(jiān)測的需求，選擇合適的采樣點(diǎn)，具有良好的代表性和整體性。

藻類定性樣品采集需用25號(hào)浮游生物網(wǎng)，網(wǎng)孔直徑64μm，浮游生物網(wǎng)通過可伸縮的采樣桿連接，網(wǎng)前端設(shè)有活塞。首先打開活塞清洗浮游生物網(wǎng)，將網(wǎng)口上端置入水面下0～0.3m處，擺動(dòng)采樣桿做“∞”型循環(huán)拖動(dòng)，約3～5min后將網(wǎng)慢慢提起，然后打開下端的活塞，收集網(wǎng)底濃縮的水樣至樣品瓶，約30～50mL定量樣品采集需用采樣器進(jìn)行采集，在所測水層采水1000～2000mL。若透明度較高，浮游植物密度較低時(shí)，可增加采水量。

1.2 常規(guī)采集方式存在的問題

在進(jìn)行藻類定性樣品采集的過程中，會(huì)遇到如下一些問題。

(1)需要大量人力。實(shí)際操作時(shí)，整個(gè)采樣網(wǎng)要全部浸入水體，采樣人員手握采樣桿做“∞”型循環(huán)拖動(dòng)時(shí)會(huì)遇到水體很強(qiáng)的阻力。尤其是當(dāng)采樣桿伸縮至較長時(shí)，力矩變長，拖動(dòng)浮游生物網(wǎng)所需的力更大。連續(xù)操作3～5min，極大消耗采樣人員的體力。

(2)樣品缺乏一致性。按照標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)方法，循環(huán)拖動(dòng)時(shí)的長度、角度和速度都沒進(jìn)行嚴(yán)格要求，時(shí)間也只是寬泛的3～5min，因此采集的過水體積存在較大差異。即使是定性分析，對(duì)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生偏差。

(3)采樣距離不足。受限于浮游植物網(wǎng)伸縮桿的長度，在岸邊采樣時(shí)采樣點(diǎn)距離水邊一般不足2m，常伴有沙石碎樹葉等雜質(zhì)，不僅會(huì)堵塞活塞，對(duì)藻類監(jiān)測結(jié)果也有影響。

(4)存在安全隱患。藻類定性采樣的地點(diǎn)不論是在岸邊還是船上，離水體都較近，連續(xù)長時(shí)間的用力“∞”型循環(huán)拖動(dòng)，易發(fā)生墜水的意外。

(5)耗材成本高。一方面是為了便于操作伸縮桿都會(huì)采用輕質(zhì)的材料，機(jī)械強(qiáng)度不高，常出現(xiàn)彎曲折損的現(xiàn)象；另一方面浮游生物網(wǎng)易破損，一個(gè)小的破洞會(huì)使整個(gè)網(wǎng)都將無法使用。2個(gè)方面都加大采樣的成本。

2 水庫富集藻類原位自動(dòng)采集技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)原理

采用內(nèi)孔直徑為0.064mm的25號(hào)浮游生物網(wǎng)按照SL 733—2016進(jìn)行藻類樣品的定性采集，對(duì)全部種類的藻類浮游植物可進(jìn)行有效采集和監(jiān)測。在生物網(wǎng)孔物理截留和拖動(dòng)過程中，藻類浮游植物的密度由于不斷濃縮富集而逐步增加，后續(xù)浮游植物受上一次浮游植物富集濃縮影響同樣可以起到截留作用。藻類定性樣品采集采用環(huán)快速濃縮器的設(shè)計(jì)思路，在定量樣品濃縮過程中采用25號(hào)浮游生物采集網(wǎng)并結(jié)合蠕動(dòng)泵富集截留水樣中的藻類浮游植物。

2.2 設(shè)計(jì)思路

快速濃縮作為蠕動(dòng)泵的循環(huán)動(dòng)力可以對(duì)流量進(jìn)行定時(shí)調(diào)節(jié)。濃縮器主體底座和瓶體相連接。采用圓柱形狀為上半部分底座，主體瓶體外直徑略低于圓柱內(nèi)直徑。底座上放置進(jìn)行濃縮實(shí)驗(yàn)的瓶體，采用防水密封圈在兩者接觸地方布設(shè)滲漏水樣。倒錐形為收集器下半部分底座，在圓形底座凹槽放置25號(hào)浮游植物網(wǎng)，浮游植物網(wǎng)通過底座凹槽進(jìn)行固定，以防生物網(wǎng)在水循環(huán)時(shí)攪動(dòng)。將實(shí)底玻璃材質(zhì)的空心管作為循環(huán)出水管放置在小于生物網(wǎng)直徑的底座凹槽下端，從而避免蠕動(dòng)泵在水循環(huán)過程中將生物網(wǎng)帶入，此外玻璃材質(zhì)的空心管也可作為廢液排放通道。止逆閥和排水閥在結(jié)束濃縮過程后排除水體。將瓶體底部的檢測液分離，采用原液對(duì)定量瓶進(jìn)行滴定并振蕩后，通過顯微鏡對(duì)藻類進(jìn)行檢測。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

浮游植物循環(huán)快速濃縮器裝置如圖1所示，具體設(shè)備見表1。

圖1 采集裝置結(jié)構(gòu)

表1 浮游植物循環(huán)快速沉降器設(shè)備名稱

2.4 設(shè)計(jì)流程

(1)首先連接濃縮器進(jìn)水管、瓶體和蠕動(dòng)泵管，再連接底座出水管和蠕動(dòng)泵，此時(shí)底座和主體瓶體處于分離階段，關(guān)閉止逆閥和排水閥。將底座凹槽放入25號(hào)浮游植物網(wǎng)后，在底座上放置主體瓶體。

(2)將搖勻后的待測水體倒入主體瓶體，設(shè)定時(shí)間和水流循環(huán)流量，打開止逆閥，蠕動(dòng)泵開始工作。

(3)關(guān)閉蠕動(dòng)泵，關(guān)閉止逆閥，開啟排水閥，排空待檢測液體，將主體瓶體從底座上拿下來，在定量瓶中放入25號(hào)浮游植物網(wǎng),并將定量瓶按50mL刻度進(jìn)行原水定容。

(4)在振蕩器中放置容量瓶，振蕩5min，開始顯微鏡檢測。

(5)將高密度聚乙烯材料選為底座出水管和濃縮器底座的制作材料，其優(yōu)點(diǎn)在于重量低、抗壓、不易腐蝕且價(jià)格較低；將化學(xué)穩(wěn)定性高的聚四氟乙烯材料作為止逆閥和排水閥的制作材料；將硅膠管作為濃縮器進(jìn)水管的制作材料；將便于清洗的玻璃材質(zhì)作為濃縮器瓶體的制作材料。

2.5 技術(shù)優(yōu)勢

(1)自動(dòng)化操作。操作人員只需啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，水中的藻類便可逐漸富集在篩絹上，再對(duì)篩絹進(jìn)行反洗就可以收集到藻類定性樣品。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采樣，大大減少了人為操作。

(2)樣品統(tǒng)一性高。由于采用機(jī)械進(jìn)行采樣，蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速和時(shí)間的確定，可以保證采集的每個(gè)樣品所經(jīng)過的過水體積是一致的，保證了富集在篩絹上藻類的統(tǒng)一性。

(3)采樣位置更精確。該裝置中用于支撐采樣管的伸縮桿最大可伸長至5m，前端還設(shè)有下沉桿，采樣管進(jìn)水口固定在下沉桿上，便于采樣位置達(dá)到指定深度。

(4)操作安全。取消了操作人員擺動(dòng)采樣桿的過程，消除了操作的安全隱患。

(5)降低成本。為保證采集樣品的準(zhǔn)確性，篩絹每次更換新的，但是只需大概5cm×5cm大小的篩絹，用料約是原方法生物網(wǎng)的1/100，從而減少了消耗。電瓶循環(huán)充電，所需能源小。

3 技術(shù)比對(duì)

3.1 藻類監(jiān)測種類比對(duì)

對(duì)大連某水庫分別采用本文方法和常規(guī)監(jiān)測方法進(jìn)行水樣平行試驗(yàn)對(duì)比。采用40mL刻度對(duì)水樣進(jìn)行濃縮定容，采用相同試驗(yàn)條件進(jìn)行藻類種類的比對(duì)，采用長條計(jì)數(shù)法對(duì)藻類數(shù)量進(jìn)行分析，兩者采樣方法對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 本文方法與常規(guī)方法監(jiān)測結(jié)果對(duì)照

從對(duì)比結(jié)果可看出，本文方法和常規(guī)虹吸方法藻類密度分別為7.61×106個(gè)/L和7.89×106個(gè)/L。在沉降過程種本文方法有一定程度損耗，但符合監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范誤差允許范圍，并在藻類優(yōu)勢種類和類型上準(zhǔn)確度高于常規(guī)監(jiān)測方法。

3.2 藻類生物量采用比對(duì)

在大連地區(qū)6座水庫分別采用靜置沉降器和循環(huán)快速濃縮器對(duì)藻類生物量進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 靜置沉降器和循環(huán)快速濃縮器的藻類生物量對(duì)比

由6座水庫靜置沉降器和循環(huán)快速濃縮器的藻類生物量監(jiān)測量對(duì)比結(jié)果可看出，2種方法藻類密度的相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，符合規(guī)程誤差允許范圍。沉降濃縮時(shí)間在循環(huán)快速濃縮器平均可加速約47h，浮游植物生物量監(jiān)測的準(zhǔn)確度較高。

3.3 藻類群落構(gòu)成比對(duì)

對(duì)大連某飲用水源地分別采用靜置沉降器和浮游植物循環(huán)快速濃縮器進(jìn)行優(yōu)勢藻類組成及藻類密度的對(duì)比分析。采用長條計(jì)數(shù)法對(duì)藻類進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)比結(jié)果見表3。2種方法優(yōu)勢藻類組成監(jiān)測結(jié)果較為一致，2種方法監(jiān)測的優(yōu)勢藻類均為束絲藻。采用循環(huán)快速濃縮器法監(jiān)測浮游植物群落構(gòu)成具有較好的可行性和準(zhǔn)確率。

表3 采用靜置沉降法和循環(huán)快速濃縮法監(jiān)測浮游植物數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

4 藻類自動(dòng)采集技術(shù)在碧流河水庫應(yīng)用

使用研發(fā)的水庫富集藻類原位自動(dòng)采集技術(shù)，進(jìn)行碧流河水庫藻類采集并對(duì)藻類浮游植物功能群及影響因子進(jìn)行分析。大連地區(qū)的碧流河水庫是集防洪、供水為一體的大型綜合水庫，最大的水源地在大連地區(qū)。2018年5—10月通過船采方式對(duì)庫區(qū)內(nèi)水樣進(jìn)行藻類樣品采集。每周采集一次，S5- 1～S10- 4為其對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)，m和w分別代表月份和中第w個(gè)星期一。

4.1 碧流河水庫浮游植物功能群劃分

碧流河水庫常見浮游植物有22屬，隸屬6個(gè)門，碧流河水庫藻類浮游植物常見種類及出現(xiàn)頻率見表4。

由表4可知，出現(xiàn)頻率為100%的分別為針桿藻、小環(huán)藻、衣藻和柵藻，頻率為96.2%為隱藻和束絲藻，碧流河水庫最常見的優(yōu)勢種類為束絲藻和針桿藻。對(duì)碧流河水庫監(jiān)測的22個(gè)藻類進(jìn)行功能群的劃分，功能群分布如圖2所示。

表4 碧流河水庫藻類浮游植物常見種類及出現(xiàn)頻率

由圖2可看出，Group 3數(shù)量最多且大于50%，其代表是以束絲藻為主的具有偽空胞的大型絲藻。這類束絲藻具有體型大、生長慢、無沉降損失等特點(diǎn)，光照和總磷是主要驅(qū)動(dòng)因子；其中占比38.4%的為Group 6，碧流河水庫的主要功能群由Group 3和Group 6組成。這類功能群包含無鞭毛有硅質(zhì)外壁的硅藻門，沉降速率高，可產(chǎn)生休眠孢子沉于底泥中。一些中到大型的藻類由Group 4和Group 5中的代表組成，資源獲取能力和沉降速率中等，雖然個(gè)體大，但密度并不占優(yōu)勢。Group 1中以小型藻類為主，如衣藻等，其占比不足1%，這類功能群具有生長快，對(duì)營養(yǎng)吸收迅速等特點(diǎn)，總磷總氮等營養(yǎng)鹽對(duì)其具有顯著影響。這一定程度反映出碧流河水庫氮磷濃度不高變化不大。此外，最適合在清潔水體生存的，以金藻為代表的Group 2類功能群并沒有檢測到，這說明了水質(zhì)未達(dá)到低營養(yǎng)級(jí)。

圖2 碧流河水庫藻類浮游植物各功能群組成

4.2 碧流河水庫藻類浮游植物密度分析

通過測定，9月第1周為碧流河水庫藻類浮游植物密度最高值，1.1611×107個(gè)/L為碧流河水庫藻類浮游植物密度均值，不同監(jiān)測期藻類浮游植物密度如圖3所示。

圖3 碧流河水庫浮游植物功能群密度變化

4.3 環(huán)境因子與浮游植物的相關(guān)性

將碧流河水庫浮游植物分組后，進(jìn)行趨勢對(duì)應(yīng)分析，響應(yīng)值為1.159，由于得出物種的單峰響應(yīng)值小于3，線性響應(yīng)，因此對(duì)浮游植物密度采樣點(diǎn)環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 碧流河水庫浮游植物密度與環(huán)境因子RDA排序

碧流河水庫藻類總數(shù)受溫度影響最大，夏季的高溫天氣是導(dǎo)致藻類大量繁殖的主要原因。小型藻為Group 1主要組成，小型藻吸收氮磷速率快，隨著氮磷的增加數(shù)量急劇增長。大型藻主要為Group 3、Group 5和Group 7，數(shù)量與溫度和高錳酸鹽呈正相關(guān)，與總磷和透明度呈負(fù)相關(guān)，而總氮和葉綠素則對(duì)其影響不大。Group 3以沉降慢及大體型的束絲藻為主，是降低水體透明度的主要因素。硅藻和中大型的綠藻是Group 4和Group 6主要種類，和葉綠素正相關(guān)性較高。降低水體透明度不會(huì)因Group 6藻類密度增加而降低。Group 4與氮磷呈負(fù)相關(guān)，由于攝取氮磷能力有限，高營養(yǎng)鹽的條件并不適宜這類功能群生長。由上述分析可知，藻類總數(shù)會(huì)受溫度直接影響，隨著溫度升高藻類生長更加旺盛。大型絲狀藻類是Group 3主要形態(tài)且數(shù)量最大，由于具有較大比面積和較差的沉降速率，在水體表面大量繁殖，明顯降低水體透明度。Group 3功能群會(huì)更多被水中的有機(jī)物利用。硅藻門和中大型綠藻門為Group 4和Group 6主要形態(tài)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)為膠質(zhì)和色素體，隨著2個(gè)功能群的增多葉綠素明顯升高。Group 1以小型藻為主，小型藻由于對(duì)氮磷敏感而加劇繁殖，優(yōu)勢藻對(duì)Group 3和Group 6影響不顯著，這主要是因?yàn)楸塘骱铀畮熳鳛轱嬘盟吹?，為二類水質(zhì)，庫區(qū)內(nèi)氮磷濃度較低，降低了水體藻類繁殖速率。

5 結(jié)論

(1)富集藻類采集裝置相比于常規(guī)的虹吸沉降方式，可有效避免繁瑣的虹吸過程。在監(jiān)測誤差滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，操作難度低，實(shí)驗(yàn)流程影響因素少，可準(zhǔn)確定容，且具有較高的監(jiān)測效率，藻類監(jiān)測在水庫、飲用水源地具有較好的應(yīng)用前景。

(2)6月為碧流河水庫針桿藻快速生長期，藻類密度加劇的主因?yàn)闇囟龋?dāng)溫度驟升時(shí)可采用本文研發(fā)的裝置加大監(jiān)測頻次，及時(shí)監(jiān)測藻類變化情況。束絲藻水華較易在9月初發(fā)生，建議7、8兩月嚴(yán)格控制水體中有機(jī)質(zhì)的含量，尤其是農(nóng)業(yè)面源污染。

(3)藻類自動(dòng)采集技術(shù)雖然解決了藻類沉降過程中繁瑣的虹吸以及處理效率低的問題，但仍需沉降靜置48h，不能滿足藻類快速監(jiān)測的要求，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)藻類快速監(jiān)測的儀器和關(guān)鍵技術(shù)。