浮游植物定量監(jiān)測(cè)方法改進(jìn)

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

2007年5月太湖水富營養(yǎng)化嚴(yán)重，藍(lán)藻瘋長，生物死亡，敲響了江河湖泊保護(hù)的警鐘，“河長制”應(yīng)運(yùn)而生。2016年12月，中國中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長制的意見》。根據(jù)生態(tài)環(huán)保部2018年全國水質(zhì)通報(bào)中表述，全國水質(zhì)狀況穩(wěn)中向好，但是全國仍有近30%水質(zhì)斷面未達(dá)標(biāo)，湖庫富營養(yǎng)化問題仍亟待解決。浮游植物密度是湖庫富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)的最重要指標(biāo)，也直接影響著水體生態(tài)系統(tǒng)中其他水生生物的正常代謝，它們的種類和數(shù)量變動(dòng)與一些環(huán)境因素的變化有著密切關(guān)系，而且與水體富營養(yǎng)化密切相關(guān)[1]。浮游植物的監(jiān)測(cè)分為定性監(jiān)測(cè)和定量監(jiān)測(cè)。國內(nèi)外現(xiàn)有的檢測(cè)方法主要有個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)法、葉綠素a法、溶解氧法、透光脈動(dòng)檢測(cè)法。其中葉綠素a法、溶解氧法和透光脈動(dòng)檢測(cè)法都是根據(jù)浮游植物自身和周圍環(huán)境的關(guān)聯(lián)性，建立起函數(shù)關(guān)系，間接地推算出浮游植物密度，存在著一定的偏差。個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)法直接對(duì)藻類個(gè)體進(jìn)行觀察，然后進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，此方法更具有準(zhǔn)確性和直觀性。然而傳統(tǒng)的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)法在浮游植物定量檢測(cè)過程中存在著藻類沉降時(shí)間過長和對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)苛等缺點(diǎn)，本文針對(duì)此種缺點(diǎn)將傳統(tǒng)的定量檢測(cè)方法進(jìn)行有效改進(jìn)。

1 浮游植物的定性和定量樣品采集傳統(tǒng)方法

1.1 定性樣品的采集

定性樣品用25號(hào)浮游生物網(wǎng)采集，采集前打開活塞，清洗浮游生物網(wǎng)。采樣時(shí)將網(wǎng)口上端入水面下 0～0.3m處作“∞”形循回拖動(dòng)，約3～5min后將網(wǎng)慢慢提起，然后打開浮游生物網(wǎng)下端的旋塞，將網(wǎng)底濃縮的水樣放入標(biāo)本瓶中，取樣約30～50mL。

1.2 定量樣品的采集與濃縮

浮游植物定量樣品用采水器在所測(cè)水層采水1000～2000mL，若透明度較高、浮游植物生物量較低時(shí)，應(yīng)酌情增加采水量到3000～5000mL。

將從野外采集并固定的定量水樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)倒入沉淀器中靜置沉淀48h后，用虹吸管(直徑2mm左右為宜，插入水面的一端用25號(hào)篩絹封蓋)小心緩慢抽掉上清液，虹吸流速不能超過150mL/min，吸至澄清液1/3時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步降低流速到10～20mL/min。整個(gè)虹吸過程不可擾動(dòng)下層的沉淀物，一旦擾動(dòng)，則需要重新靜置沉淀。虹吸后余下20～25mL沉淀物轉(zhuǎn)入定量瓶中。用少許上清液沖洗容器幾次，沖洗液加到定量瓶中，最后定容至30mL。

1.3 定量監(jiān)測(cè)濃縮過程存在的問題

定量濃縮過程中需要將采集的樣品在沉淀器中靜置沉淀48h，再進(jìn)行樣品的進(jìn)一步處理，主要依靠浮游植物的自身重量來產(chǎn)生富集濃縮效應(yīng)，并且沉降期間不允許對(duì)水體樣品產(chǎn)生振動(dòng)，以免影響濃縮效果。此種濃縮方法主要的缺陷有兩點(diǎn)：

a.濃縮時(shí)間過長，導(dǎo)致樣品從采集到檢測(cè)至少需要2天的間隔時(shí)間，降低了水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效性的要求，工作效率很低。

b.如果濃縮的過程中對(duì)沉降器產(chǎn)生振動(dòng)干擾，則需要重新靜置48h，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件的要求過于嚴(yán)苛。

2 浮游植物定量監(jiān)測(cè)濃縮方法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.1 方法改進(jìn)的思路

規(guī)程中規(guī)定浮游植物定性樣品采集應(yīng)用到25號(hào)浮游生物采集網(wǎng)，其網(wǎng)孔直徑為0.064mm，可以采集需監(jiān)測(cè)水體中全部種類的浮游植物。定性采集用生物網(wǎng)的應(yīng)用原理一方面是浮游生物網(wǎng)小孔徑對(duì)浮游植物產(chǎn)生的物理截留作用；另一方面是在“∞”形循回拖動(dòng)過程中，不斷富集濃縮的浮游植物密度越來越大，前一次富集濃縮的浮游植物對(duì)后續(xù)的浮游植物同樣產(chǎn)生截留作用。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路依據(jù)定性樣品采集的原理，將25號(hào)浮游生物采集網(wǎng)應(yīng)用到定量樣品濃縮過程中，使一定量的待檢測(cè)水體中的浮游植物全部富集濃縮到生物網(wǎng)上。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 定量濃縮過程

將定量采集的水樣，往復(fù)循環(huán)多次地通過不同層數(shù)的25號(hào)浮游生物網(wǎng)，為了避免水流循環(huán)沖洗對(duì)生物網(wǎng)上已富集濃縮的浮游植物產(chǎn)生沖刷作用，循環(huán)水流盡量小，實(shí)驗(yàn)中均采用從生物網(wǎng)單側(cè)循環(huán)進(jìn)水進(jìn)行富集濃縮過程。一定次數(shù)的富集濃縮過程后，將截留用的浮游植物網(wǎng)全部放置到定量瓶里面進(jìn)行定容，搖勻后檢測(cè)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選定

影響浮游植物濃縮過程的關(guān)鍵指標(biāo)是生物網(wǎng)的截留率，規(guī)范中已規(guī)定使用25號(hào)生物網(wǎng)，所以網(wǎng)孔直徑已確定。影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變量有兩個(gè)，分別為生物網(wǎng)的層數(shù)和水樣循環(huán)通過生物網(wǎng)的次數(shù)。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程

以2018年9月第3周松樹水庫的水樣作為實(shí)驗(yàn)水樣。除定量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)濃縮過程不一致，定量檢測(cè)的方式和計(jì)數(shù)方式均同《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 733—2016)中要求一致[2]，統(tǒng)一將濃縮后的水樣用原水樣定容到30mL，搖勻濃縮樣品后取樣通過顯微鏡觀察，以按照規(guī)范中的濃縮方法測(cè)得的密度樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣品值。

該濃縮方法的操作過程：將需要分析密度的水樣，以人工或者借助儀器的方式形成循環(huán)水的形式，反復(fù)規(guī)定次數(shù)地通過特定層數(shù)的浮游植物網(wǎng)進(jìn)行密度的富集濃縮，水循環(huán)的次數(shù)和浮游植物網(wǎng)的層數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需進(jìn)行確定。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

2.3.1 生物網(wǎng)過濾層數(shù)對(duì)密度的影響

實(shí)驗(yàn)分為5組，分別選用1層、2層、3層、4層、5層生物網(wǎng)進(jìn)行水樣的過濾，每組過濾20次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 20次過濾不同層數(shù)生物網(wǎng)監(jiān)測(cè)的藻類密度

依據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)中對(duì)質(zhì)量控制的要求，平行樣的檢測(cè)誤差要控制在30%以內(nèi)，否則要進(jìn)行重檢。由表1可知，當(dāng)層數(shù)大于等于3層時(shí)，采用該濃縮方法檢測(cè)的藻類密度與標(biāo)準(zhǔn)濃縮過程所檢測(cè)出的藻類密度的相對(duì)誤差均符合質(zhì)控要求。從質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)的相對(duì)誤差值和實(shí)驗(yàn)操作的簡易性考慮，選用4層生物網(wǎng)進(jìn)行下一個(gè)參數(shù)選定實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 過濾次數(shù)對(duì)密度的影響

實(shí)驗(yàn)共分為5組進(jìn)行，選擇以4層生物網(wǎng)作為生物網(wǎng)過濾層數(shù)，分別過濾10次、15次、20次、25次和30次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 4層生物網(wǎng)不同過濾次數(shù)監(jiān)測(cè)的藻類密度

由表2可知，當(dāng)生物網(wǎng)過濾層數(shù)達(dá)到4層時(shí)，10次及以上的過濾次數(shù)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)均符合質(zhì)控要求，根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的精確度要求，每次實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇過濾20次以上的過濾次數(shù)。

2.3.3 最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)

通過對(duì)生物網(wǎng)層數(shù)和過濾次數(shù)的選擇驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，改進(jìn)后的檢測(cè)浮游植物密度實(shí)驗(yàn)濃縮過程中，應(yīng)用的水樣藻類密度為969.6萬個(gè)/L時(shí)，應(yīng)選擇生物網(wǎng)層數(shù)大于等于3層和過濾次數(shù)大于等于20次的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行浮游植物的富集濃縮。由實(shí)驗(yàn)原理可知，當(dāng)檢測(cè)樣品濃度越大時(shí)，生物自身的截留作用越強(qiáng)。所以，當(dāng)待檢測(cè)樣品濃度大于此次實(shí)驗(yàn)的藻密度時(shí)，可適當(dāng)減少生物網(wǎng)的層數(shù)或過濾次數(shù)；當(dāng)待檢測(cè)樣品濃度小于此次實(shí)驗(yàn)的藻密度時(shí)，可增加生物網(wǎng)的層數(shù)或過濾次數(shù)，從而優(yōu)化不同濃度梯度下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以達(dá)到簡化實(shí)驗(yàn)過程的同時(shí)又確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的目的。

3 快速濃縮方法應(yīng)用實(shí)例比對(duì)

采用此浮游植物快速濃縮方法，在10月第3周分別針對(duì)大連市松樹水庫、劉大水庫、碧流河水庫、英那河水庫和朱偎水庫5座飲用水源地型水庫進(jìn)行藻類密度監(jiān)測(cè)比對(duì)實(shí)驗(yàn)。采用傳統(tǒng)沉降方法監(jiān)測(cè)的藻類密度作為標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)驗(yàn)過程：首先采用規(guī)程中的方法檢測(cè)出各個(gè)水庫的藻類密度，然后根據(jù)藻類密度的大致范圍，嘗試將生物網(wǎng)層數(shù)和過濾次數(shù)兩個(gè)參數(shù)多次優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。具體結(jié)果見表3。

表3 5座水庫采用快速濃縮法與傳統(tǒng)沉降法浮游植物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)的藻類密度不同時(shí)，所需的生物網(wǎng)層數(shù)和過濾次數(shù)也需要相應(yīng)的優(yōu)化，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)藻類密度的相對(duì)誤差符合規(guī)程要求。由5座水庫的實(shí)驗(yàn)比對(duì)結(jié)果可知，優(yōu)化過參數(shù)的快速濃縮法可以應(yīng)用于不同密度梯度的浮游植物藻類定量監(jiān)測(cè)過程。

4 浮游植物定量監(jiān)測(cè)濃縮過程改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的意義

a.根據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)中對(duì)定量濃縮過程的要求，樣品從野外采集回到實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過48h靜置沉降過程才能對(duì)浮游植物密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。改進(jìn)后的濃縮過程極大地縮短了沉降時(shí)間，并且實(shí)驗(yàn)過程受環(huán)境干擾程度極小，有利于確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

b.由對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，采用通過25號(hào)浮游植物網(wǎng)截留的方式進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)過程中對(duì)密度的富集濃縮，其監(jiān)測(cè)的藻類數(shù)據(jù)符合質(zhì)控要求，說明該實(shí)驗(yàn)具有可操作性并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性。

c.由快速濃縮實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可為新型快速浮游植物沉降器的研發(fā)提供原理和數(shù)據(jù)支撐。

5 藻類監(jiān)測(cè)在河長制實(shí)施過程中的作用

河長制主要任務(wù)中，有兩項(xiàng)為加強(qiáng)水污染防治和水生態(tài)修復(fù)。水體中高密度的藻類存在是水體富營養(yǎng)化的一種表象特征，當(dāng)藻類密度突破閾值后會(huì)發(fā)生水華現(xiàn)象。水華是水體污染、水生態(tài)破壞的一種極端現(xiàn)象。水體藻類密度的快速監(jiān)測(cè)有助于及時(shí)地動(dòng)態(tài)掌握水體營養(yǎng)狀態(tài)和優(yōu)勢(shì)種群演化情況，盡量避免水華事件的發(fā)生；當(dāng)水華發(fā)生時(shí)對(duì)優(yōu)勢(shì)種群快速的確定，可及時(shí)為水華的針對(duì)性治理提供依據(jù)。