水環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中的硅藻指數(shù)運(yùn)用

王玉智

（河北省滄州水文水資源勘測(cè)局，河北 滄州 061000）

硅藻在江河、溪流中分布廣泛，是河流生態(tài)系統(tǒng)主要構(gòu)成部分。硅藻為河流生態(tài)系統(tǒng)主要初級(jí)生產(chǎn)者，具有能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)的功能，并且能夠迅速的響應(yīng)河流物理與化學(xué)的變化。目前，硅藻完整性指數(shù)體系（D-IBI）已經(jīng)應(yīng)用到河流生態(tài)評(píng)價(jià)中。在創(chuàng)建D-IBI 評(píng)價(jià)體系時(shí)，要利用復(fù)雜計(jì)算過(guò)程與篩選生物參數(shù)生成[1]。所以，如何降低計(jì)算難度，簡(jiǎn)化計(jì)算步驟，使監(jiān)測(cè)河流成本與時(shí)間得到降低，對(duì)于河流生態(tài)健康的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

1 硅藻在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

硅藻為硅藻門(mén)棕色維生藻類(lèi)，為具備硅質(zhì)骨架的單細(xì)胞藻類(lèi)，主要特點(diǎn)為數(shù)量大、種類(lèi)多、分布廣，為河流生態(tài)系統(tǒng)藻類(lèi)植物主要優(yōu)勢(shì)類(lèi)群。硅藻直徑大小不同，生命周期比較短，方便收集。水體中的磷、氮濃度和氮磷的比值會(huì)影響到硅藻種類(lèi)，過(guò)多的氮、磷對(duì)于藻類(lèi)的生長(zhǎng)是非常不利的。Kingsley 等人對(duì)河流底棲硅藻生物量、物種構(gòu)成和環(huán)境因子相關(guān)性結(jié)果進(jìn)行研究，硅藻群落結(jié)構(gòu)的變化和溶解性磷含量具有密切關(guān)系。Ponader等人在研究新澤西河流中表示，硅藻屬于常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)河流中的氮磷濃度。Belling 等人在研究中表示，極小異極藻與小舟行藻為熱帶河流富營(yíng)養(yǎng)化指示種[1]。以此表示，硅藻能夠?qū)λw營(yíng)養(yǎng)情況良好指示[2]。

硅藻對(duì)于河流中的酸堿度、營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)和重金屬污染等反應(yīng)比較靈敏，被歐盟水框架委員會(huì)推薦成為整治水環(huán)境中對(duì)污染水確定的有效指示生物。硅藻生態(tài)類(lèi)群和水體污染的情況具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，從20 世紀(jì)70 年代，硅藻就被應(yīng)用到河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中，并且構(gòu)成眾多河流硅藻生物評(píng)價(jià)指標(biāo)與體系，硅藻生物指數(shù)IBD 與特定污染敏感指數(shù)IPS 為使用較為廣泛的硅藻評(píng)價(jià)指數(shù)，此指標(biāo)都能夠?qū)λ蛏镔|(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)河流水質(zhì)變化的監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)指示生物優(yōu)勢(shì)：①淡水和微咸水體區(qū)域物種比較豐富；②目前的優(yōu)秀指示生物，都已經(jīng)開(kāi)發(fā)了指數(shù)計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)化的方法；③在其他生物檢測(cè)方法無(wú)法使用的地區(qū)中也能夠使用；④采樣比較簡(jiǎn)單、快速且便宜；⑤除了顯微鏡設(shè)備之外，投資比較低；⑥能夠在各淡水水體中使用，即便是重度污染與極端條件環(huán)境中也能夠使用；⑦淡水和微咸水體區(qū)域的物種比較豐富。

重金屬污染會(huì)影響硅藻生長(zhǎng)，對(duì)于受到金屬污染的河流進(jìn)行研究表示，硅藻所影響到環(huán)境退化不只是群落水平，改變硅藻在優(yōu)勢(shì)種、物種等多樣性，還包括硅藻個(gè)體縮減、細(xì)胞膜形態(tài)的變化、細(xì)胞膜的變形等。Jonge 等人實(shí)現(xiàn)了重金屬污染導(dǎo)致的生物群落變化多元化分析，對(duì)比無(wú)脊柱動(dòng)物與硅藻對(duì)于重金屬污染的反應(yīng)。通過(guò)對(duì)比結(jié)果表示，硅藻群落能夠?qū)⑺w受到重金屬的污染情況充分反應(yīng)出來(lái)。Gold 等人研究表示，在人工基質(zhì)轉(zhuǎn)移硅藻群落中，對(duì)重金屬污染對(duì)于河流短期影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。Lamai 等人研究結(jié)果表示，藻類(lèi)對(duì)于鉛、鎘等生物積累存在時(shí)間與劑量效應(yīng)，通過(guò)藻類(lèi)能夠?qū)⒅亟饘傥廴镜那闆r充分反應(yīng)出來(lái)，并且在線監(jiān)測(cè)重金屬污染[3]。使硅藻個(gè)體細(xì)胞膜變形的主要原因并不只是重金屬污染，其他理化因子也會(huì)改變硅藻形態(tài)，比如紫外線UV、光照強(qiáng)度、殺蟲(chóng)劑、多環(huán)芳烴等有毒化合物。人們一直以為污染物能夠?qū)ψ匀辉孱?lèi)的結(jié)構(gòu)與功能改變，相關(guān)研究表示，水體有機(jī)污染物濃度持續(xù)增加，會(huì)降低硅藻物種數(shù)量，增加細(xì)胞密度，降低多樣性指數(shù)[4]。

2 硅藻指數(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中的使用

2.1 采樣點(diǎn)和時(shí)間

本研究在2019 年1 月～2019 年12 月采集硅藻樣品，取樣地為漳衛(wèi)南運(yùn)河，主要受到生活污染、工業(yè)廢水等污染。

2.2 采樣方法

硅藻采集方法以法國(guó)AFNOR（2000）T90-354 與歐洲NF NE 13946 硅藻常規(guī)采樣與預(yù)處理指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。硅藻采樣基質(zhì)指的是地勢(shì)開(kāi)闊處沒(méi)有樹(shù)蔭遮擋活水區(qū)和硅藻生物膜浸沒(méi)且可見(jiàn)的石塊，樣品使用一次性牙刷放置到樣品瓶中，每個(gè)樣品要收集5 塊石塊，混合樣使用甲醛固定?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體pH、電導(dǎo)率、溶解氧等物理參數(shù)，并且將水樣帶到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定化學(xué)參數(shù)，監(jiān)測(cè)方法根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL 219-1998）。

2.3 結(jié)果討論

2.3.1 硅藻屬指數(shù)（GI）

硅藻指數(shù)是將指示物種概念作為基礎(chǔ)，根據(jù)藻類(lèi)生態(tài)習(xí)性和耐污性能夠展現(xiàn)環(huán)境污染程度，使其劃分成為寡污- 中污-耐污，從而指示環(huán)境有機(jī)污染程度。VanDam 以藻類(lèi)鹽度、腐殖度、需氧情況、鹽度等使56 屬的776 種常見(jiàn)硅藻評(píng)分與劃分，后期有大量方法根據(jù)此文獻(xiàn)計(jì)算硅藻指數(shù)。比如，在部分國(guó)家中都已經(jīng)創(chuàng)建監(jiān)測(cè)不同問(wèn)題的底棲硅藻指數(shù)，在世界各地河流水質(zhì)、生態(tài)評(píng)價(jià)中使用。目前，歐洲與北美洲已經(jīng)創(chuàng)建了一系列硅藻指數(shù)，對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)水平和污染情況評(píng)價(jià)。英國(guó)研究人員使河流硅藻指數(shù)理論在湖泊研究中使用，在此要注意在同個(gè)地區(qū)有時(shí)只需要一種或者幾種硅藻指數(shù)。比如，在對(duì)澳大利亞亞熱帶河流研究過(guò)程中，只需要使用TID 評(píng)價(jià)外界環(huán)境干擾比。在我國(guó)漢江上游流域河流研究中，此硅藻大部分都屬于有效生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的等級(jí)包括極好、好、中等、差、極差[5]。

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)的健康指標(biāo)等級(jí)體系

GI 需要對(duì)卵形藻屬、曲殼藻屬、菱形藻屬、小環(huán)藻屬等進(jìn)行鑒定，并且對(duì)各自豐度值計(jì)算，GI 值也就是優(yōu)勢(shì)屬的豐度比。指數(shù)值越高，表示水體受到污染程度越清。GI 只能夠在熱帶、亞熱帶地區(qū)的河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中使用，地域限制較為明顯。GI 只需要使硅藻鑒定屬級(jí)別，鑒定較為便捷、簡(jiǎn)單，并且和其他硅藻水質(zhì)的指數(shù)具有顯著相關(guān)性，數(shù)據(jù)存在較高可信度[6]。

2.3.2 硅藻模型相似性指數(shù)（DMA）

DMA 利用對(duì)自然狀態(tài)下硅藻群落進(jìn)行模擬構(gòu)成，對(duì)現(xiàn)實(shí)水體硅藻群落進(jìn)行計(jì)算，并且模擬群落的相似程度，對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

式中：m 指的是模擬群落百分比；n 指的是硅藻種數(shù)目；r 指的是顯示群落同種百分比。相似百分比越高，說(shuō)明水體受到的污染越輕。

DMA 并沒(méi)有地域限制，但是只能夠在具有穩(wěn)定氣候條件的地區(qū)中使用，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源排放有機(jī)污染物與營(yíng)養(yǎng)物的監(jiān)測(cè)，在指數(shù)中創(chuàng)建模擬硅藻群落只能夠在指定地區(qū)中使用。在DMA使用之前要對(duì)地區(qū)沒(méi)有受到人類(lèi)活動(dòng)干擾時(shí)候的水體存活硅藻種類(lèi)進(jìn)行調(diào)查，具有較大的難度，此方法存在使用不足。和其他生物指數(shù)對(duì)比，DMA 能夠在多變量分析中使用，并且應(yīng)用到不同等級(jí)尺度中，對(duì)人類(lèi)活動(dòng)干擾水環(huán)境的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)其硅藻生物類(lèi)群分布進(jìn)行分析，前三個(gè)斷面優(yōu)勢(shì)硅藻種都為喜好高氧飽和度，大部分?jǐn)嗝鏇](méi)有檢測(cè)出喜好低氧飽和度的硅藻種群，表示前三個(gè)斷面的水質(zhì)良好，水體溶解氧含量比較高，所以硅藻以喜好很高氧飽和度種群占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 生物硅藻指數(shù)（BDI）

Cpste 等人提出了生物硅藻指數(shù)，將838 種不同污染敏感度的關(guān)鍵種作為基礎(chǔ)，利用各種類(lèi)豐度和7 級(jí)水質(zhì)梯度中的概率進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)指數(shù)值的推導(dǎo)，對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算過(guò)程為：

公式中的F（i）指的是給定種x 在i 級(jí)水質(zhì)中的概率，通過(guò)以下公式實(shí)現(xiàn)計(jì)算：

式中：Ax指的是種x 豐度；Px（i）指的是i 級(jí)水體中的種x 存在概率；Vx指的是種x 生態(tài)幅大?。籲 指的是豐都＞0.75%的屬種數(shù)量。

Px（i）的計(jì)算公式為：

式中：Pclass（i）指的是i 級(jí)水質(zhì)環(huán)境的概率；N（i）指的是i 級(jí)水質(zhì)的水量；A（i）指的是堆積豐度，Nsites（i）指的是i 級(jí)水質(zhì)采樣點(diǎn)數(shù)目[7]。

漳衛(wèi)南運(yùn)河的生物硅藻分布情況可知，全年水體均以堿性和中性硅藻類(lèi)群為主。

2.3.4 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化硅藻指數(shù)（TDIL）

TDIL 為將浮游硅藻作為基礎(chǔ)的，對(duì)于總磷濃度生態(tài)忍耐值、最佳值特征的指數(shù)方法，利用水體生態(tài)位置的計(jì)算，對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

式中：ak、sk、vk分別指的是k 的豐度、敏感度、營(yíng)養(yǎng)指數(shù)。TDIL 值的變化范圍為0～5。值越高，表示水體情況越好，富營(yíng)養(yǎng)化程度比較輕。

表2 為T(mén)DIL 值的分級(jí)和營(yíng)養(yǎng)化程度。

表2 TDIL 值的分級(jí)和營(yíng)養(yǎng)化程度

TDIL 只能夠在高鹽度、水淺、低海拔和高營(yíng)養(yǎng)物的湖泊中使用，無(wú)法在淡水湖泊中使用，目前只是在小范圍中使用，方法的可靠性需要在更大范圍中驗(yàn)證[8]。通過(guò)硅藻生物類(lèi)型的分布可知，都是以自養(yǎng)硅藻為主。

3 結(jié)語(yǔ)

硅藻能夠通過(guò)不同層次將環(huán)境變化與脅迫反應(yīng)出來(lái)，河流生態(tài)系統(tǒng)中的底棲硅藻能夠改變不同尺度干擾產(chǎn)生的影響。此特點(diǎn)也是通過(guò)硅藻在河流水環(huán)境和生態(tài)健康評(píng)價(jià)中使用的前提，所以逐漸成為環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)生物指標(biāo)。但是，在世界范圍中使用硅藻指數(shù)的適用性硅藻指數(shù)，在使用其他流域前要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)本文研究表示，硅藻指數(shù)法作為水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)過(guò)程中的全新方法，其應(yīng)用前景較為廣闊，但是還存在部分的問(wèn)題，比如硅藻分類(lèi)和鑒定體系不完善、季節(jié)變化對(duì)硅藻指數(shù)方法穩(wěn)定性造成威脅等。所以，在今后研究中就要對(duì)此方面進(jìn)行深度分析。