應(yīng)用浮游植物熒光儀和化學(xué)分類法預(yù)測水庫水華風(fēng)險

余小青

（廈門市政南方海洋科技有限公司，福建 廈門 361000）

1 研究背景

我國有近10 萬座水庫，是世界上水庫數(shù)量最多的國家。近年來，由于地下水不足以及河流污染日趨嚴(yán)重，遠(yuǎn)離大城市的水庫成為重要的飲用水水源，且呈逐年增加的趨勢[1]。福建省擁有飲用水源地接近600 個，水庫型水源地就占到了50%多，閩南“金三角”廈門、漳州、泉州的飲用水源平均62%以上為水庫型。然而，現(xiàn)今供水水庫面臨的最突出問題即富營養(yǎng)化，嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展并威脅水生態(tài)健康與供水安全。水庫富營養(yǎng)化起因于人類活動導(dǎo)致氮（N）和磷（P）的過量輸入，嚴(yán)重的可產(chǎn)生水華、毒素、異味等。為了保障飲用水安全，保護(hù)飲用水水源生態(tài)健康，加強(qiáng)富營養(yǎng)化與浮游植物水華防治已刻不容緩[2]。

浮游植物是水庫生態(tài)系統(tǒng)的重要功能類群，對水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動起承上啟下的關(guān)鍵作用，另外在維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性方面也發(fā)揮著重要作用。同時，浮游植物又是敏感類群，是分析富營養(yǎng)過程可逆性的良好材料。國內(nèi)水庫監(jiān)測多采用理化參數(shù)分析，但是，大部分水華污染事故表明，常規(guī)理化參數(shù)在水華爆發(fā)前期不會發(fā)生明顯變化，難以起到預(yù)警作用。

因此，對水庫浮游植物進(jìn)行長期跟蹤研究和觀測能夠為水體富營養(yǎng)化治理、水華預(yù)警、生態(tài)保護(hù)、環(huán)境重建等提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)，在理論和實踐上均具有重要意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

2.1 水庫浮游植物群落研究需進(jìn)一步加強(qiáng)

水庫作為一種新型的水源地，在全球范圍內(nèi)成為重要的供水水體時間較短，盡管在水文、水動力等方面已經(jīng)積累大量數(shù)據(jù)，但是水庫微型生物多樣性與生態(tài)數(shù)據(jù)卻十分缺乏[1]。浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者，其作為食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在水體生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。另外，浮游植物作為生物監(jiān)測的對象之一，可以通過其種類組成、結(jié)構(gòu)、現(xiàn)存生物量指標(biāo)來綜合反映水質(zhì)的功能，而且自身的狀態(tài)也直接影響著水生生物的生存狀態(tài)。

浮游植物的光合作用和葉綠素?zé)晒馓匦允欠从掣∮沃参锷L狀態(tài)的最佳指標(biāo)，可以很好地反映出浮游植物對環(huán)境變化的響應(yīng)，對控制和預(yù)測水華具有重要的意義。通常，發(fā)生水華事件一般要具備兩個條件：1）水體中葉綠素a 的濃度要超過10 μg/L[3]；2）某一兩種浮游植物細(xì)胞數(shù)占的比例急劇上升，水體中生物多樣性指數(shù)大幅下降。因此，通過浮游植物群落豐度和光合活性的監(jiān)測能較直觀的預(yù)測水華的發(fā)生。

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)的化學(xué)分類法

浮游植物作為水庫生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其群落組成是評估水生態(tài)系統(tǒng)健康及水質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，對于水華防治來說意義重大?；谏氐幕瘜W(xué)分類法已廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境，但淡水環(huán)境的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步發(fā)展。葉綠素a 是浮游植物重要的生物標(biāo)志物，作為浮游植物生物量的指示物在世界范圍己被認(rèn)同和使用了超過80 年。浮游植物色素可被分為三種：葉綠素、類胡蘿卜素（胡蘿卜素及其降解產(chǎn)物）和藻膽蛋白（異藻藍(lán)蛋白、藻藍(lán)蛋白、藻紅蛋白等）。不同的浮游植物有其特征色素（見表1），因而能夠利用色素的生物標(biāo)志特性來研究和表征浮游植物群落結(jié)構(gòu)[4]。

表1 浮游植物的主要特征色素（引自Jeffery et al.1997）[4]

采用高效液相色譜（HPLC）將不同的色素分離，利用浮游植物和色素之間的化學(xué)分類學(xué)聯(lián)系來“解色素數(shù)據(jù)”。它能夠?qū)缀跛械母∮沃参镞M(jìn)行分類，可以通過特征色素的被檢出來判斷微型浮游植物的存在，也特別適合大批量樣品的快速分析，是目前對浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀分析的有效方法。Mackey等[5]開發(fā)了一種能利用計算機(jī)進(jìn)行自動計算、優(yōu)化處理的浮游植物色素分析程序（CHEMTAX），并將其運(yùn)用到了使用色素表征浮游植物群落結(jié)構(gòu)的研究中，使得浮游植物的化學(xué)分類法趨于成熟并被廣泛應(yīng)用到極地、大洋、近海、河口、湖泊等區(qū)域的浮游植物群落結(jié)構(gòu)研究中。近二十幾年來，HPLC/CHEMTAX 的應(yīng)用日益廣泛，并且經(jīng)眾多科學(xué)家將其與顯微鏡細(xì)胞計數(shù)、分光光度法和熒光法、流式細(xì)胞儀等方法的對比分析，均獲得了一定程度的一致性。

2.3 浮游植物的葉綠素?zé)晒馓匦?/h3>

浮游植物的光合作用是指葉綠體中的葉綠素吸收光，并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。它主要包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段，是浮游植物最基本的生理過程。葉綠素吸收的光能最終以3 種形式存在：光合作用、葉綠素的自發(fā)熒光和熱耗散。光合作用利用到的能量只是葉綠素吸收光能的其中一部分，不能被利用的部分光能則會以熱能和葉綠素自發(fā)熒光的形式散發(fā)出去。由于這三部分能量之間存在著相互競爭的關(guān)系，因此，葉綠素自發(fā)熒光的變化能夠反映出浮游植物光合作用的變化。當(dāng)光合作用速率高時，葉綠素放出的熒光較弱，光合作用速率低時，放出的熒光較強(qiáng)。因此，葉綠素?zé)晒馓匦允欠从橙~綠體狀態(tài)以及光合作用效率的重要參數(shù)。

葉綠素的熒光隨時間變化的曲線被稱為葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)特性能夠反映出光合作用過程的豐富信息，包括光能的吸收與轉(zhuǎn)換、能量的傳遞與分配、反應(yīng)中心的狀態(tài)等。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)以植物體內(nèi)葉綠素為探針，可以對光合器官進(jìn)行無損傷探測，獲得原位信息，是研究和探測浮游植物的營養(yǎng)狀況、生理狀況、病害狀況和受脅迫程度的新型活體測定和診斷方法，具有快速、靈敏、對細(xì)胞無損傷的優(yōu)點。大量研究表明，當(dāng)植物受到脅迫時，光化學(xué)反應(yīng)下降，而熱耗散和葉綠素?zé)晒庑问降暮纳⒃黾?，因此葉綠素?zé)晒獾淖兓梢苑从掣∮沃参锸苊{迫的情況[6]。在熒光分析中最常用的參數(shù)是Fv/Fm值，F(xiàn)v/Fm=（Fm-F0）/Fm是光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的最大光化學(xué)產(chǎn)量，反映了PSⅡ的最大光能轉(zhuǎn)化效率。在非脅迫條件下此參數(shù)變化很小，但在脅迫條件下，比如高光強(qiáng)、病蟲害、鹽脅迫、水脅迫等，F(xiàn)v/Fm變化較大，因此它也是反映浮游植物生長環(huán)境良好與否的一個重要參數(shù)。

2.4 浮游植物分類熒光儀的應(yīng)用

基于熒光參數(shù)與葉綠素含量在一定范圍內(nèi)成正比，通過校正可測出葉綠素含量的原理，浮游植物分類熒光儀利用調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測量水體中藍(lán)藻、硅/甲藻和綠藻的葉綠素的含量，以及水體中這些浮游植物光合作用的速率，進(jìn)而反映出浮游植物細(xì)胞的“生長潛能”等。

德國Walz 公司生產(chǎn)的浮游植物熒光儀Phyto-PAM（Phytoplankton Pulse-Amplitude-Modulatio）采用脈沖-振幅-調(diào)制技術(shù)，利用4 種不同波長（藍(lán)色470 nm、綠色520 nm、淺紅色645 nm 和深紅色665 nm）的led 作為光源，發(fā)射微秒級的測量光脈沖，利用光電倍增管作為檢測器，獲得4 種波長的光激發(fā)出的半同步的熒光信號。結(jié)合不同浮游植物門類的參考光譜（reference spectrum）進(jìn)而區(qū)分不同藻類的光合活性和葉綠素含量。Phyto-PAM 可根據(jù)浮游植物不同門類的捕光色素對光譜的吸收特性，自動對自然水樣中的藍(lán)藻、硅/甲藻和綠藻進(jìn)行定性分類；基于熒光參數(shù)與葉綠素含量在一定范圍內(nèi)成正比，通過校正可定量測量藍(lán)藻、硅/甲藻和綠藻各自的葉綠素a 濃度以及水樣的總?cè)~綠素a 濃度；通過水樣中藍(lán)藻、綠藻、硅/甲藻的熒光參數(shù)特性，計算藻細(xì)胞的光合作用活性及“生長潛能”。因此，Phyto-PAM 可用于快速無損地測定不同門類的浮游植物（如藍(lán)藻、硅/甲藻和綠藻）的光合生產(chǎn)、光能利用效率等，并可用于確定水體中不同門類浮游植物的葉綠素含量。在過去的十幾年里，廣泛的應(yīng)用于河流，湖泊，海洋等水體浮游植物光合作用的研究中。

Phyto-PAM 不僅可以對水體樣品的藻類進(jìn)行定性分類，鑒別出所含的藍(lán)藻、硅/甲藻和綠藻，還可以定量測量出水體所含的葉綠素a 含量，就可以對水華發(fā)生時不同浮游植物類群進(jìn)行分析。此外，通過測定葉綠素?zé)晒?，可以得到Fo、Fm、Fv、Fv/Fm、PSⅡ、rETR 等熒光參數(shù)，并可以用于測量水樣的光響應(yīng)曲線。Phyto-PAM 的優(yōu)點在于：簡單、快速，測量一個樣品只需20 s 即可；可以現(xiàn)場測量，及時拿到數(shù)據(jù)，沒有延遲性；除了總?cè)~綠素a 數(shù)據(jù)外，還有藍(lán)藻、綠藻、硅/甲藻的葉綠素a 數(shù)據(jù)。由于測量快速，可以大大增加采樣站位數(shù)和水體的分層數(shù)。相對于傳統(tǒng)方法來說，可以大大提高數(shù)據(jù)對水體的代表性。暗適應(yīng)15 min 后測量的Fv/Fm值是PSⅡ的最大量子產(chǎn)量，很好的反映了藻細(xì)胞的潛在最大光合能力（光合效率），是反映藻細(xì)胞生理的最核心指標(biāo)。就藻細(xì)胞的生長而言，在細(xì)胞數(shù)暴增之前，F(xiàn)v/Fm肯定要先升高；當(dāng)植物受到脅迫時，F(xiàn)v/Fm顯著下降。以前利用傳統(tǒng)的測量方法研究光合作用最快也要1 d～2 d 才能得出結(jié)果，降低了生物監(jiān)測的時效性。

3 水庫水華預(yù)警研究建議

富營養(yǎng)化水庫浮游植物水華預(yù)警的研究是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要各種各樣的技術(shù)和方法。化學(xué)分類法中的利用HPLC/CHEMTAX 測定分析浮游植物的光合色素為快速準(zhǔn)確捕捉富營養(yǎng)化過程中浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化提供了良好的技術(shù)方法，是目前對浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀分析的有效方法。利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測量水體中浮游植物的光合作用活性，可以反映浮游植物的光能吸收和光化學(xué)反應(yīng)等光合作用的原初反應(yīng)過程，可以研究環(huán)境因子對浮游植物光合作用和生長的影響，可以長期監(jiān)測自然水體中不同類群浮游植物光合作用潛力的變化趨勢，為深入研究浮游植物光合作用對富營養(yǎng)化的響應(yīng)提供有力的技術(shù)支撐，這對于水華的預(yù)警預(yù)測具有很大的參考價值。

水華的爆發(fā)是在富營養(yǎng)、高光、高溫等特定的環(huán)境條件下，浮游植物的光合作用速率高，藻細(xì)胞短期快速暴增而形成的。水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測中，除了水質(zhì)理化指標(biāo)外，只關(guān)注葉綠素a 含量可以了解的是當(dāng)前水體中浮游植物的生物總量；而關(guān)注浮游植物的光合作用活性可以了解浮游植物的生長潛能。如果水體中營養(yǎng)鹽含量較低，富營養(yǎng)化指數(shù)不高，即使當(dāng)前浮游植物生物量高，也不具備發(fā)生水華的可能；但如果在富營養(yǎng)條件且高光高溫下，即使當(dāng)前浮游植物生物量不高，而浮游植物的光合作用活性強(qiáng)，就具有極大的發(fā)生水華的可能。對淡水環(huán)境監(jiān)測而言，更應(yīng)關(guān)注藍(lán)藻水華。利用HPLC 化學(xué)分類法及Phyto-PAM 可以快速測量分析水中浮游植物的優(yōu)勢種是否是藍(lán)藻，并可對水體中藍(lán)藻的生長趨勢進(jìn)行預(yù)測，是有效預(yù)防藍(lán)藻水華的手段之一。

因此，應(yīng)用基于HPLC 的化學(xué)分類法及調(diào)制葉綠素?zé)晒夥治鍪侄潍@得水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)勢浮游植物的熒光特性，將水庫富營養(yǎng)化、浮游植物群落結(jié)構(gòu)、浮游植物光合作用三者關(guān)聯(lián)起來，從生態(tài)角度綜合分析水庫浮游植物對富營養(yǎng)化的響應(yīng)，是水庫水華預(yù)警研究和運(yùn)用的一個重點方向。

針對水庫富營養(yǎng)化嚴(yán)重的問題，開展水庫水華風(fēng)險預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究，為水庫水安全保障提供技術(shù)支持，具有十分重要的現(xiàn)實意義。建議，首先可對水庫平水期和枯水期的生物、化學(xué)、物理性質(zhì)認(rèn)定，以識別水庫營養(yǎng)鹽水平、優(yōu)勢浮游植物及其光合活性；其次，優(yōu)選水庫富營養(yǎng)化的關(guān)鍵參數(shù)，鑒定水庫水華風(fēng)險級別；最后，基于水庫富營養(yǎng)化特征、浮游植物優(yōu)勢類群及光合活性特征，建立水庫水華風(fēng)險綜合預(yù)警技術(shù)。