硅藻在水環(huán)境生物監(jiān)測中的研究及應用進展

錢玉亭，左延婷，陳 超，孫紅芳，程 士*

(1.江陰市環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 江陰 214400； 2.南京大學 環(huán)境學院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

水生生態(tài)系統(tǒng)在地球生物化學循環(huán)、能量平衡、氣候調節(jié)等方面發(fā)揮著極其重要的作用，同時也在人類生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，是社會水循環(huán)的起點和終點。然而，隨著人類社會工農業(yè)的發(fā)展，人類活動對水環(huán)境的干擾日益增加，除氮磷營養(yǎng)鹽、COD、pH等常規(guī)污染物外，大量毒害有機污染物進入水體[1]，嚴重影響社會水循環(huán)和人類生產(chǎn)生活。因此準確、快速、全面地監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)的真實受污染水平和健康狀況對于水質安全的評估和水生生態(tài)系統(tǒng)的保護具有重要意義。

早期的河流水質監(jiān)測多建立在對物理和化學指標的檢測上，具有瞬時性、片面性和單一性，而上世紀70年代后，有學者指出，生物指標能夠整合一段時間內污染因子對于水環(huán)境的脅迫效應，這是理化指標無法取代的優(yōu)勢，因此理想的水環(huán)境監(jiān)測體系應當綜合考慮物理、化學和生物指標[2]。生物監(jiān)測是指通過考察生物(個體、種群或群落水平)對其所處環(huán)境變化的響應來推斷河流、湖泊、溪流和濕地等系統(tǒng)的生態(tài)狀況，從生物學角度為環(huán)境質量的監(jiān)測和評價提供依據(jù)[3]。

硅藻作為水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，關于其在水生生物監(jiān)測中的研究已有較長時間的歷史，并已經(jīng)被一些國家如英國、美國、南非等納入到水生生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測體系當中[4]。本文闡述了硅藻在水環(huán)境健康評價中的優(yōu)勢，并綜述了硅藻在水生生物監(jiān)測中的研究及應用進展，指出硅藻指示水生態(tài)環(huán)境在從研究層面向應用層面轉變的過程中存在的瓶頸，以期為相關領域的基礎研究方向和硅藻生物監(jiān)測體系的建立健全提供參考。

1 硅藻生物監(jiān)測的優(yōu)勢

硅藻系硅藻門低等單細胞植物，廣泛分布于各種水環(huán)境中，例如海水、河溪、湖泊、水庫、濕地和紅樹林等，每年至少貢獻了全球20%的初級生產(chǎn)力[5]。硅藻作為一種具有很長生物監(jiān)測歷史的生物，已經(jīng)被明確列為歐盟《水框架指令》中的生物監(jiān)測指標[6]，其主要優(yōu)點在于：(1)藻類位于食物鏈始端，對水環(huán)境中的污染變化十分敏感，同時其生活史較短，因此能夠對環(huán)境的變化做出相對快速的反應。(2)固著型硅藻生活在水底巖石和沉積物上，或借助膠質分泌物附著于水中大型植物體上，無法通過遷移的方式避免水環(huán)境污染的危害，因此可以指示環(huán)境污染[7]。(3)硅藻具有硅質化外殼，分類特征明顯，且樣品標本能夠保存很長時間，不僅能夠指示當前水環(huán)境的污染程度，還能夠用于重建古環(huán)境的研究[8]，對于水環(huán)境污染隨年代變化的研究有重要意義。

2 硅藻在水環(huán)境生物監(jiān)測中的作用

2.1 硅藻在水體營養(yǎng)化水平監(jiān)測中的應用

早在上世紀九十年代，德國學者Schiefele和Kohmann[9]就創(chuàng)立了硅藻營養(yǎng)指數(shù)TDI(Trophic Diatom Index)來評價水體的營養(yǎng)化水平。英國學者M. G. Kelly等[10]依據(jù)Raund[11]提出的基于底棲硅藻的英國河流水系分區(qū)調查了英格蘭和蘇格蘭地區(qū)36條河流的的硅藻群落和營養(yǎng)水平，用TDI指標進行了評估，并在后來的研究中對其進行了修訂，該指標已經(jīng)被納入到英國河流監(jiān)測計劃中[12]。BDI(Biological Diatom Index)指數(shù)由法國學者[13]創(chuàng)立，后來Coste等人對其進行了修訂[14]，同樣被用來指示水體營養(yǎng)狀態(tài)。BDI的計算方式和對水體的分級與TDI有所不同，但兩種硅藻指數(shù)均被越來越多地應用到各國河流的營養(yǎng)狀態(tài)評估中，目前也是常用的評價水體營養(yǎng)化的硅藻指數(shù)[14-15]。此外，近年來也有學者根據(jù)流域本身的特性因地制宜地制定評估河流營養(yǎng)狀態(tài)的硅藻指數(shù)，例如西班牙學者Cristina Delgado等[16]重新創(chuàng)立了適用于加利西亞沿海河流的營養(yǎng)狀態(tài)評估指數(shù)MDIAT，并取得了較好的效果。

2.2 硅藻在水體酸堿度水平監(jiān)測中的應用

不同種硅藻對于pH的耐受不同，已有大量研究將硅藻用于評價河流水體的酸化程度。Aulacoseiragranulata[17]和Frustuliapseudomagaliesmontana[18]是堿性環(huán)境中的代表硅藻物種，Chaetoceros壓縮變種可以指示法國東北部貧堿性湖泊水環(huán)境，而Pinnulariasubcapitata[19]、Probosciaalataf.gracillima[20]、Cyclotellabodanica[21]、StephanodiscusEhrenberg和Synedraacusvar[18]等硅藻種常出現(xiàn)在酸性環(huán)境中。此外，Brian K. Ginn等[22]基于北美東北部494個湖泊的硅藻生態(tài)數(shù)據(jù)建立了pH預測模型，并認為其能夠幫助湖泊管理者精準地預測湖泊pH值。

2.3 硅藻在水體重金屬污染水平監(jiān)測中的作用

一些研究表明，水體重金屬污染會影響硅藻的生長和生產(chǎn)，不僅表現(xiàn)在群落水平，使水環(huán)境中硅藻的優(yōu)勢種和生物多樣性發(fā)生改變，還表現(xiàn)在個體水平，造成硅藻的形態(tài)畸形。B. H. Hill等[23]研究表明Achnanthes和Fragilaria的相對豐度可以指示Eagle River受到的礦山金屬污染水平。Eduardo Ferreira da Silva等[24]調查了葡萄牙一處廢棄金屬礦地附近河流的沉積物重金屬污染水平和硅藻群落結構，發(fā)現(xiàn)，近礦地處存在極高的鋅、鉛、鎘污染，硅藻也極為罕見，而下游由于未受污染的沉積物的稀釋作用，重金屬污染水平下降，硅藻的生物豐富度和多樣性得以不同程度的恢復，但同時伴隨著不同種類不同程度的硅藻閥門畸形，例如Fragilariacapucinavar.rumpens,Fragilariacf.crotonensis和Achnanthidiumminutissimum等硅藻種。除了對指示生物的研究外，近年來也有學者參考富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)的建立方法，建立了新型硅藻指數(shù)來指示河流的重金屬污染水平。例如，M. R. Fernández等[25]依據(jù)西班牙Tinto River和 Odiel River實際的受重金屬污染情況和硅藻群落分布創(chuàng)立了ICM(金屬污染指數(shù))，并在Guadiamar River進行了應用驗證，取得了滿意的效果。

2.4 硅藻在水體有機物污染水平監(jiān)測中的作用

藻類是毒害有機污染物毒理學研究中常用、有效的受試生物[26]，毒害有機污染物可能改變藻細胞超微結構，抑制藻類生長，降低光和活性等[27]。因此，利用藻類作為水環(huán)境中毒害有機污染物的指示生物具有一定的理論基礎。然而，關于硅藻對有機污染物尤其是毒害有機污染物的指示作用近年來才開始受到關注。Frédéric Rimet等[28]在人工動態(tài)中宇宙中，探究了硅藻對除草劑(敵草隆)和殺菌劑(嘧菌酯和戊唑醇)污染的指示作用，發(fā)現(xiàn)有機污染暴露后小型固著型硅藻和移動能力極強的硅藻屬相對豐度增加，而大型硅藻(絲狀、鏈狀或群體型硅藻)的相對豐度則減少，因此提出硅藻對于有機污染水平具有指示作用。R. Polmear等[29]通過O'Brien Bay沉積物易位實驗發(fā)現(xiàn)，5年的石油烴暴露顯著改變了沉積物中底棲硅藻群落結構。雖然硅藻對于一些有機污染物敏感，但是實際水環(huán)境中有機物種類繁多，呈現(xiàn)出復雜的復合污染效應，定義所有硅藻物種對多種有機物的敏感性幾乎不可能[30]，而目前的研究沒有考慮混合毒性，因此也難以準確有效地對毒害有機物的生態(tài)風險進行評估[31]。

3 硅藻在水環(huán)境生物監(jiān)測應用過程中的挑戰(zhàn)

3.1 時間異質性

自然環(huán)境中存在著植物的季節(jié)性演替，溫度、光照、水動力等條件的改變都會對藻類群落結構產(chǎn)生影響。Ning Chen等[37]調查表明長江下游平原15條富營養(yǎng)化河流中的浮游藻類冬季主要為大型硅藻，而夏季主要是藍藻群體。F. Maraslioglu等[32]對土耳其一處水庫的底棲硅藻季節(jié)性變化的調查發(fā)現(xiàn)，Naviculacryptocephala、N.hungaricavar.capitata、N.pupula、N.schonfeldii和Amphoraovalis等硅藻種全年占優(yōu)，而N.hungaricavar.capitata(高占細胞總密度的63%)只在10月份占優(yōu)。藻類群落的季節(jié)性變化可能會對基于藻類群落的生物監(jiān)測結果產(chǎn)生影響。Carmen L. Elias等[33]曾選擇一條化學污染隨時間變化較小的河流進行硅藻指數(shù)季節(jié)適用性的驗證，結果表明，硅藻群落結構隨季節(jié)有著顯著的變化，但是硅藻指數(shù)IPS可以用于所有季節(jié)的河流評價，因為它對與溫度相關的參數(shù)變化不敏感。而Xiang Tan等[34]的研究則表明生物硅藻指數(shù)(IBD)、富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)(EPI)和Watanabe指數(shù)等起源歐洲的硅藻指數(shù)在枯水期評價漢江的水質效果較好，而雨季則與水體理化指標的關聯(lián)性較弱?？梢姡恍┕柙逯笖?shù)在應用時需要考慮該指數(shù)本身所包含的硅藻種類及與其指示作用相關的理化指標的季節(jié)性變化，盡可能避免季節(jié)性生物群落演替對生物監(jiān)測結果的影響。

3.2 空間異質性

實際上，雖然硅藻在全世界范圍內分布十分廣泛，但硅藻的物種組成仍具有地域性特征。當生物的移動能力有限時，例如硅藻，尤其是底棲硅藻，群落結構相似性將會隨距離的延長而減弱，以至于最終物種進化過程中產(chǎn)生生殖隔離，在大的空間尺度上，純空間因素能夠解釋20～30%的物種組成差異[35]。物種在不同的地理區(qū)域有特殊的生態(tài)需求，這可能會對基于同種指標的生物監(jiān)測結果有一定的影響[36]。例如，專為巴西海域設計的水質評價硅藻指數(shù)BIWQ與巴西河流的理化參數(shù)相關性很弱，不適宜作為河流硅藻評價指數(shù)，盡管該指數(shù)中所涉及的硅藻種都是分布廣泛的，但是在前人研究中Nitzschiapalea是中度耐污染藻，而Taurai Bere等在對巴西河流的研究中發(fā)現(xiàn)，Nitzschiapalea廣泛分布于重度污染的水體中，這可能歸因于不同地理位置觀測到的“Nitzschiapalea”實際上是不同的物種[37]。Sue Oeding等[38]研究表明，建立的地域性里士滿河硅藻指數(shù)(RRDI)相比于外來的營養(yǎng)硅藻指數(shù)TDI能夠更準確地指示里士滿河的營養(yǎng)狀態(tài)。Xiang Tan等[39]同樣發(fā)現(xiàn)了硅藻指數(shù)應用中存在的類似的問題，他們用起源于加拿大或澳大利亞等地的14種硅藻指數(shù)分別評價意大利河流和中國漢江的水質，結果發(fā)現(xiàn)在兩地的河流中，并不是所有的指數(shù)都適用于河流水質的評價，這也說明硅藻指數(shù)的應用需要考慮物種和環(huán)境變量的地域性差異。

3.3 藻類鑒別計數(shù)技術的局限性

生物監(jiān)測應用的推廣，離不開監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速、準確的獲取以及合理的成本，這也對生物鑒定計數(shù)技術提出了相應的要求。除了原核生物，形態(tài)學概念在生物物種分類中應用最廣泛，幾個世紀以來，硅藻復雜的細胞壁一直是劃分其物種類別的依據(jù)[40-41]。顯微鏡鑒別計數(shù)是最傳統(tǒng)也是目前應用最廣泛的硅藻鑒別計數(shù)技術，包括光學顯微鏡、掃描電鏡和原子力顯微鏡等，但是，為了觀察到硅藻獨特的細胞外殼結構，需要在鑒定前對硅藻進行去除有機物的預處理(鹽酸洗滌或過氧化氫溶液洗滌)，再進行封片[42-44]，該過程操作復雜，耗時極長，且進行物種形態(tài)學分類對鑒定者的圖庫儲備和鑒別經(jīng)驗有極高的要求，存在人為誤差，無法保證生物監(jiān)測結果的精度，雖然這種誤差可以通過長時間大量的訓練加以控制，但會造成大量的資源消耗[45]。近年來，DNA宏條形碼技術在物種鑒定方面的發(fā)展迅速。簡而言之，該技術基于不同物種之間DNA序列的差異，通過DNA條形碼與參考數(shù)據(jù)庫比對可實現(xiàn)對物種的鑒別[46]，省時省力，節(jié)約成本，該技術已被應用到水生生物的鑒定上，其在硅藻生物監(jiān)測中的作用也開始受到關注。Valentin Vasselon等[47]比較了5中硅藻DNA提取方法對DNA宏條形碼高通量測序結果的影響，發(fā)現(xiàn)均不影響OTUs豐富度，且分子方法鑒定硅藻得出的SPI硅藻指數(shù)與形態(tài)學方法得出的相應指數(shù)高度相關。Frédéric Rimet等[48]也對比了DNA宏基因組測序方法和傳統(tǒng)分類學方法測出的硅藻群落生物多樣性，發(fā)現(xiàn)兩種方法得出的結果高度相關，甚至分子學方法測出的生物多樣性要略高于分類學方法，這可能得益于分子學方法可以檢測到形態(tài)學上不好鑒定的稀有物種，這突出了DNA宏基因組測序技術在生物監(jiān)測應用方面的優(yōu)勢。然而，該技術對所使用的生物DNA條碼庫的完整性有著極高的要求。Valentin Vasselon等[49]在對馬約特島的河流監(jiān)測研究中發(fā)現(xiàn)，只有13%的硅藻種被DNA宏基因組測序鑒定方法和形態(tài)學鑒定方法所共享，其中一個很大的原因可能是DNA參考數(shù)據(jù)庫的不完整(82%形態(tài)學鑒定的物種基因不在參考數(shù)據(jù)庫內)，這對于DNA分子技術在生物監(jiān)測中的推廣應用是一大挑戰(zhàn)。S. F. Rivera等[50]的研究也證實了這一點，他們在利用底棲硅藻DNA宏基因組測序方式對布爾熱湖進行生態(tài)評估時發(fā)現(xiàn)，該方法得出的生態(tài)狀況相較于傳統(tǒng)分類學方法有較大差異，差異最主要的誘因還是DNA參考庫的不完整性，但是一旦這種限制被打破，DNA宏基因組測序在生物監(jiān)測方面的應用還是十分有前景的。

4 結語

硅藻因其分布廣泛，生命周期較短，對水體環(huán)境變化敏感等特點，在生物監(jiān)測體系中占有重要地位，國外已經(jīng)建立了很多硅藻指數(shù)來量化其對水體各類污染的指示作用，甚至將一些硅藻指數(shù)納入國家河流監(jiān)測體系，而我國相關研究尚處于初級水平，還停留在直接利用國外指標評價國內河流的水平。當然，進一步推廣硅藻生物監(jiān)測的應用并完善生物監(jiān)測網(wǎng)絡還需要解決以下問題：(1)復合污染下硅藻評價方式的可行性研究。目前，河湖的污染狀態(tài)多呈現(xiàn)出復合型污染，除了pH、COD和氮磷營養(yǎng)鹽外，還存在大量毒害有機污染物，利用硅藻生物監(jiān)測評價某一種污染物的水平已經(jīng)滿足不了當前河湖監(jiān)測的需求，對于復合型污染河流中硅藻監(jiān)測的可行性有待研究。(2)針對生物群落季節(jié)性演替和地域性特征，硅藻指標在使用時需要考慮季節(jié)和地域適用性，應開展不同地區(qū)及不同季節(jié)下硅藻水質監(jiān)測與評價研究，以流域為單位建立地域性的硅藻評價指數(shù)。(3)優(yōu)化完善現(xiàn)有藻類鑒定方法或開發(fā)新型廉價、快速、精確的藻類鑒定計數(shù)方法，為硅藻生物監(jiān)測的推廣應用提供技術支撐。(4)搭建全國范圍內公開的水生生物信息平臺，加強水生動植物圖譜庫、基因庫的信息交流，推進水生生物監(jiān)測的發(fā)展。