生物特征與水污染關系的研究進展

邵星焱 金磊 張香港

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110000)

引言

隨著城市的快速發(fā)展，降水所攜帶的污染負荷、岸邊的垃圾、城鎮(zhèn)工企業(yè)事故排放、農田排水未經處理排入水體等都對水體造成了很大影響。這些水體中含有大量有機物、氮和磷，加上一些河流水動力不足等原因，造成很多河流出現(xiàn)季節(jié)性污染或者常年污染的問題。

流域環(huán)境評價是流域風險管理和水體治理的主要內容之一。目前廣泛采用以物理化學指標為主的評價方法，涉及微生物指標不多，而水體污染本質上是水中微生物、動植物受到了污染物的影響而發(fā)生了改變，導致水體由健康向不健康發(fā)展，甚至發(fā)臭發(fā)黑。通過水環(huán)境因子對生物個體生長及群落結構的影響研究，發(fā)現(xiàn)水體污染程度直接影響了生物生長和群落結構的發(fā)展。而生物群落結構和生物生長情況比水體物理化學指標反映水體污染情況更加直觀影響人們的感官感受，某些特殊生物對水環(huán)境更加敏感，因此，本文總結了幾種環(huán)境因子的改變對水中生物的影響，希望能夠為從生物多樣性方面評價水體污染情況提供理論參考。

1 污染水體的生物特征

水中能夠對環(huán)境產生明顯變化的微生物主要為浮游生物，主要分為2類，即浮游植物和浮游動物。浮游植物主要包括藍藻、綠藻、硅藻等；浮游動物主要包括枝角類、橈足類、輪蟲和原生動物。

1.1 浮游植物特征

有研究顯示，浮游植物對水中具有季節(jié)性特征。Sommer等[1]在研究Constance湖泊時發(fā)現(xiàn)，隨著春季水溫升高，以隱藻和硅藻為主的小型藻類植物開始大量繁殖。Hecky等[2]通過對加拿大一水域的浮游植物進調查發(fā)現(xiàn)，硅藻的季節(jié)性變化同硅酸鹽的季節(jié)性變化一致。季節(jié)性變化主要體現(xiàn)是水溫的差異，而營養(yǎng)鹽在反映水質好壞的同時，也與浮游植物存在一定相關關系，因此主要研究浮游植物與溫度、營養(yǎng)鹽的關系。

1.1.1 溫度對浮游植物的影響

溫度等因素會影響浮游植物的光合作用，進而影響到硅藻及隱藻的生長和繁殖，是影響浮游植物生長繁殖的重要因素。溫度受季節(jié)的影響明顯，不但會直接影響浮游植物的生長繁殖，還會通過影響水中的魚類、浮游動物的生長，引起對浮游植物群落結構的變化。Wildeand Edward[3]在南卡羅納附近黑水河的研究中發(fā)現(xiàn)，藍藻在溫度達到30℃以上時可成為優(yōu)勢種。夏季水溫較高，浮游植物密度增大。有學者提出溫度較高時更利于藻類的生長，也更利于藍藻形成優(yōu)勢種。鄧建明[4]等提出氣溫較高時更利于浮游植物的生長，藍藻和綠藻對溫度的適應范圍比較廣泛，而較高的氣溫也延長其生長時間。馬沛明等[5]在水庫浮游植物的研究中發(fā)現(xiàn)，夏季以藍藻綠藻為優(yōu)質種,而春季和冬季以隱藻和硅藻為優(yōu)勢種。

1.1.2 氮磷營養(yǎng)鹽對浮游植物的影響

趙思琪等[6]在武漢東湖研究中發(fā)現(xiàn)，隨著水體富營養(yǎng)化，浮游植物的優(yōu)勢種群由甲藻和硅藻變?yōu)榫G藻和藍藻，植物的多樣性指數也顯著降低。浮游植物的生物量和水中的TN濃度呈正相關趨勢，即以重污染優(yōu)勢種藍藻和綠藻的分布與TN濃度呈正相關趨勢，而硅藻門則與TN濃度呈負相關趨勢。TP濃度對于浮游植物的密度和種類組成幾乎沒有影響。Redfield[7]對浮游植物生長過程中營養(yǎng)鹽的研究中發(fā)現(xiàn)，N、P是重要的影響因素。

1.1.3 溫度及營養(yǎng)鹽對浮游植物的共同影響

從夏春龍[8]在大伙房水庫的研究可以推測，硅藻門在中等溫度下更適合生長，而綠藻門更適合生長在偏高溫度下的水體中。笪文怡等[9]在浮游植物群落的變化研究發(fā)現(xiàn)，2007年以前，藍藻比例較低，千島湖的主要優(yōu)勢種是小環(huán)藻屬、隱藻屬，2008—2011年，硅藻和藍藻大量增加，主要的優(yōu)勢種是顫藻屬、小環(huán)藻屬和隱藻屬，同時期浮游植物的豐富度較大，2013年開始，湖中氮磷含量增加，水量增加，浮游植物的豐富度明顯降低，此時的藍藻門的比例一直增加，并在2016—2017年達到了最高值，主要的優(yōu)勢種為小環(huán)藻屬、柵藻屬、魚腥藻屬等，且優(yōu)勢種類別增加。

夏季浮游植物密度普遍高于春季，而春秋季的多樣性指數較高。以上是從營養(yǎng)水平來看，但從季節(jié)上來看，溫度也影響著浮游植物群落的分布特征。Paerl等[10]指出，浮游植物的優(yōu)勢種隨著水體中的氮磷等營養(yǎng)鹽含量的增加，藍藻門的群落逐漸更加占有優(yōu)勢。說明溫度越低時，限制了浮游植物的生長，此時的生物多樣性越高，水體越穩(wěn)定，水質也越好，而溫度越高時，浮游植物更趨向于單一種類，數量趨于增加，多樣性指數降低，不利于水體穩(wěn)定性發(fā)展，水質也越差，并且藍藻門與浮游植物的豐度呈負相關。

總體來說，較高的溫度更適合浮游植物生長，溫度高時水中氮磷污染程度越高，藍藻和綠藻的生物量越大，水體污染越嚴重，而溫度低時水中氮磷污染程度較低，藍藻和綠藻生物量降低，硅藻生物量增大，水體污染程度降低。氮、磷污染對水體中浮游植物生長的影響較大，且氮素對浮游植物的影響最大。綠藻和藍藻的出現(xiàn)標志著水體污染嚴重，相比之下，硅藻的出現(xiàn)則標志著水體污染程度更低。

表1 浮游植物與水環(huán)境間變化特點

1.2 浮游動物特征

1.2.1 原生動物

Kodoid[11]對伊利諾斯河的研究表明，水滯留周期對浮游生物的產量有重要影響。Basu等[12]研究顯示，原生動物的變化情況除受到環(huán)境因子的影響外，在一定程度上還受到浮游植物的變化影響。纖毛綱和肉足綱在原生動物中是重要的組成部分，有研究顯示，水體中纖毛綱的相似性小于肉足綱，說明纖毛綱的敏感程度更大，對水質變化的反應更加靈敏。水質污染越嚴重，原生動物的種類和數量越低，多樣性指數小，水質類別越相近，其多樣性指數相關性越高。

1.2.2 輪蟲

Toni[13]研究發(fā)現(xiàn)，輪蟲的垂直移動受光照、甲殼類垂直移動等多個因素的影響。輪蟲在具有指示作用的浮游動物中占據重要地位，由于其生命周期短，對水質變化反應敏銳，所以被認為是良好的指示種。輪蟲的生長繁殖受溫度影響，水溫較低時則會限制輪蟲的生長，除溫度外，其對水中溶解氧也十分的敏感。并且可以用來作為水體污染程度指示種的種類有很多，如臂尾輪屬、龜甲輪屬、多肢輪屬和三肢輪屬等。有研究顯示，當水體污染程度越大時，水中DO含量減少，輪蟲也隨之減少。Pereira[14]研究發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)鹽污染程度較高的水體中，輪蟲的優(yōu)勢種有可能因為容易獲得食物和低氧的共同作用而發(fā)生變化。已有大量輪蟲群落結構特點對水質指示作用的研究，關于水中輪蟲種類和密度的研究也有報道，但對于輪蟲與不同污染程度水體關系的研究還鮮有報道。

輪蟲大多作為水質良好的指示物種，在污染水體中的研究還基本為空白，但也確實存在著少數以有機污染物和細菌等為食的耐污種，如萼花臂尾輪蟲和角突臂尾輪蟲，這2種輪蟲在輕度污染水體中也有發(fā)現(xiàn)。輪蟲隨水質的種類和數量變化與原生動物的趨勢相同，隨著水體污染越嚴重，輪蟲的種類數目越少，且水質類別越相近，水中輪蟲的相似性就越大。

熊金林[15]等研究結果顯示，浮游生物與水體污染的相關程度大小排序為原生動物<浮游植物<輪蟲。所以，輪蟲對水體污染的狀況最敏感，被認為是水質情況變化的良好指示種，而相比于浮游植物和輪蟲，原生動物受水質影響就比較小。

總體來說，浮游動物多樣性越大，水質越好，浮游動物多樣性越小，水質越差。原生動物中肉足綱的出現(xiàn)標志著水體污染嚴重，相比之下，纖毛綱的出現(xiàn)則標志著水體污染程度更低，且纖毛綱隨水質變化更加敏感。輪蟲作為對水質變化最敏感的浮游動物，其生長繁殖受低水溫和低溶解氧的限制，水溫越低、水中溶解氧越低，輪蟲多樣性越低，水質越差。

1.3 浮游生物特征

水中浮游植物、浮游動物是浮游生物的重要組成，浮游生物的群落分布不但兩者之間相互影響，也受周圍水環(huán)境的影響，浮游動物和水體的污染程度聯(lián)系密切。浮游生物的種群結構、群落組成，尤其是優(yōu)勢種的變化，能夠在一定程度上反映水體污染的情況。所以，浮游生物在水中的變化能夠有效反映水環(huán)境的變化。像上述這些在一定的地區(qū)范圍，能夠通過種類、數量、群落結構、特性等變化，對環(huán)境或環(huán)境中的某一因子作出指示的生物又稱為指示生物。

1.4 指示生物評價水質的特點

利用指示生物監(jiān)測水污染有很多優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的物理化學監(jiān)測方法相比，利用指示生物測評水質能夠連續(xù)監(jiān)測，污水中污染物質含量隨時間不斷變化，生活在污水中的生物持續(xù)地受到影響，能把一段時間內環(huán)境的變化反映出來；水污染生物在污水中會受到整個環(huán)境的影響，因此能夠更加全面、更加直接、更加真實地反映水體狀況；指示生物反應靈敏，其敏感程度有時比精密儀器或化學試劑更高，能更及時地通過監(jiān)測結果準確掌握水體實際情況。

但用水中生物來指示水體污染情況也有一些缺陷和不足，由于生物生活在自然環(huán)境中，所以不僅會受到污染物的影響，也會受到環(huán)境中其他因素的影響，很難統(tǒng)一指示的標準，即便是同一種生物在河流的上游和下游，數量及其分布也可能不同；生物是活體，所以即便是同一種生物的不同個體，對環(huán)境的敏感程度也是不同的；另外，從目前的研究現(xiàn)狀來看，學者僅僅能從生物的變化來對水質定性，并不能準確地定量分析。因此，把污染物的性質、濃度與指示生物的各方面變化特征結合起來，將是在水質監(jiān)測領域上的重大創(chuàng)新突破。

2 結論與展望

浮游生物受水體影響敏感程度大小為輪蟲>浮游植物>原生動物。

輪蟲在浮游動物中對水質變化最敏感，生長繁殖受溫度和溶解氧的限制，其中，溶解氧對其影響最大。溶解氧越低，輪蟲種類越少，水質越差。

浮游植物的群落結構對水質變化的響應主要體現(xiàn)在種類差異上，藍藻和綠藻往往出現(xiàn)在水質更差的水體中，而硅藻和隱藻往往出現(xiàn)在水質更好的水體中。環(huán)境中影響浮游植物生長的主要因素是溫度和氮磷營養(yǎng)鹽，低溫和低氮磷營養(yǎng)鹽有利于水質向較好方向改善，而高溫和高氮磷營養(yǎng)鹽的環(huán)境促進浮游植物的生長，故水質更差，且氮比磷的貢獻率更大。

原生動物中的纖毛綱往往出現(xiàn)在水質較好的水體中，肉足綱往往出現(xiàn)在水質較差的水體中，纖毛綱比肉足綱對水質的變化更加敏感。

浮游生物的種類、數量越多，生物多樣性越豐富，水體越穩(wěn)定，水質越好，反之則水質越差。