浮游植物定量監(jiān)測方法改進

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

2007年5月太湖水富營養(yǎng)化嚴重，藍藻瘋長，生物死亡，敲響了江河湖泊保護的警鐘，“河長制”應運而生。2016年12月，中國中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)了《關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)斷面未達標，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)化評價的最重要指標，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)量變動與一些環(huán)境因素的變化有著密切關系，而且與水體富營養(yǎng)化密切相關[1]。浮游植物的監(jiān)測分為定性監(jiān)測和定量監(jiān)測。國內(nèi)外現(xiàn)有的檢測方法主要有個數(shù)計數(shù)法、葉綠素a法、溶解氧法、透光脈動檢測法。其中葉綠素a法、溶解氧法和透光脈動檢測法都是根據(jù)浮游植物自身和周圍環(huán)境的關聯(lián)性，建立起函數(shù)關系，間接地推算出浮游植物密度，存在著一定的偏差。個數(shù)計數(shù)法直接對藻類個體進行觀察，然后進行數(shù)理統(tǒng)計計算，此方法更具有準確性和直觀性。然而傳統(tǒng)的個數(shù)統(tǒng)計法在浮游植物定量檢測過程中存在著藻類沉降時間過長和對實驗環(huán)境要求嚴苛等缺點，本文針對此種缺點將傳統(tǒng)的定量檢測方法進行有效改進。

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)。采樣時將網(wǎng)口上端入水面下 0～0.3m處作“∞”形循回拖動，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水層采水1000～2000mL，若透明度較高、浮游植物生物量較低時，應酌情增加采水量到3000～5000mL。

將從野外采集并固定的定量水樣，在實驗室內(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，應進一步降低流速到10～20mL/min。整個虹吸過程不可擾動下層的沉淀物，一旦擾動，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，再進行樣品的進一步處理，主要依靠浮游植物的自身重量來產(chǎn)生富集濃縮效應，并且沉降期間不允許對水體樣品產(chǎn)生振動，以免影響濃縮效果。此種濃縮方法主要的缺陷有兩點：

a.濃縮時間過長，導致樣品從采集到檢測至少需要2天的間隔時間，降低了水質(zhì)監(jiān)測對數(shù)據(jù)時效性的要求，工作效率很低。

b.如果濃縮的過程中對沉降器產(chǎn)生振動干擾，則需要重新靜置48h，對實驗環(huán)境條件的要求過于嚴苛。

2 浮游植物定量監(jiān)測濃縮方法改進實驗

2.1 方法改進的思路

規(guī)程中規(guī)定浮游植物定性樣品采集應用到25號浮游生物采集網(wǎng)，其網(wǎng)孔直徑為0.064mm，可以采集需監(jiān)測水體中全部種類的浮游植物。定性采集用生物網(wǎng)的應用原理一方面是浮游生物網(wǎng)小孔徑對浮游植物產(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后續(xù)的浮游植物同樣產(chǎn)生截留作用。本實驗改進思路依據(jù)定性樣品采集的原理，將25號浮游生物采集網(wǎng)應用到定量樣品濃縮過程中，使一定量的待檢測水體中的浮游植物全部富集濃縮到生物網(wǎng)上。

2.2 實驗設計

2.2.1 定量濃縮過程

將定量采集的水樣，往復循環(huán)多次地通過不同層數(shù)的25號浮游生物網(wǎng)，為了避免水流循環(huán)沖洗對生物網(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，實驗中均采用從生物網(wǎng)單側(cè)循環(huán)進水進行富集濃縮過程。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行定容，搖勻后檢測。

2.2.2 實驗參數(shù)選定

影響浮游植物濃縮過程的關鍵指標是生物網(wǎng)的截留率，規(guī)范中已規(guī)定使用25號生物網(wǎng)，所以網(wǎng)孔直徑已確定。影響實驗結(jié)果的變量有兩個，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 實驗過程

以2018年9月第3周松樹水庫的水樣作為實驗水樣。除定量監(jiān)測實驗濃縮過程不一致，定量檢測的方式和計數(shù)方式均同《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術規(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)范中的濃縮方法測得的密度樣品作為標準樣品值。

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，反復規(guī)定次數(shù)地通過特定層數(shù)的浮游植物網(wǎng)進行密度的富集濃縮，水循環(huán)的次數(shù)和浮游植物網(wǎng)的層數(shù)根據(jù)實驗所需進行確定。

2.3 實驗結(jié)果比對

2.3.1 生物網(wǎng)過濾層數(shù)對密度的影響

實驗分為5組，分別選用1層、2層、3層、4層、5層生物網(wǎng)進行水樣的過濾，每組過濾20次，實驗結(jié)果見表1。

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

依據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術規(guī)程》(SL 733—2016)中對質(zhì)量控制的要求，平行樣的檢測誤差要控制在30%以內(nèi)，否則要進行重檢。由表1可知，當層數(shù)大于等于3層時，采用該濃縮方法檢測的藻類密度與標準濃縮過程所檢測出的藻類密度的相對誤差均符合質(zhì)控要求。從質(zhì)控數(shù)據(jù)的相對誤差值和實驗操作的簡易性考慮，選用4層生物網(wǎng)進行下一個參數(shù)選定實驗。

2.3.2 過濾次數(shù)對密度的影響

實驗共分為5組進行，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，實驗數(shù)據(jù)見表2。

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

由表2可知，當生物網(wǎng)過濾層數(shù)達到4層時，10次及以上的過濾次數(shù)所檢測的數(shù)據(jù)均符合質(zhì)控要求，根據(jù)對實驗的精確度要求，每次實驗應選擇過濾20次以上的過濾次數(shù)。

2.3.3 最優(yōu)實驗條件參數(shù)

通過對生物網(wǎng)層數(shù)和過濾次數(shù)的選擇驗證實驗可知，改進后的檢測浮游植物密度實驗濃縮過程中，應用的水樣藻類密度為969.6萬個/L時，應選擇生物網(wǎng)層數(shù)大于等于3層和過濾次數(shù)大于等于20次的實驗條件進行浮游植物的富集濃縮。由實驗原理可知，當檢測樣品濃度越大時，生物自身的截留作用越強。所以，當待檢測樣品濃度大于此次實驗的藻密度時，可適當減少生物網(wǎng)的層數(shù)或過濾次數(shù)；當待檢測樣品濃度小于此次實驗的藻密度時，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驗參數(shù)，以達到簡化實驗過程的同時又確保實驗數(shù)據(jù)準確性的目的。

3 快速濃縮方法應用實例比對

采用此浮游植物快速濃縮方法，在10月第3周分別針對大連市松樹水庫、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行藻類密度監(jiān)測比對實驗。采用傳統(tǒng)沉降方法監(jiān)測的藻類密度作為標準值。實驗過程：首先采用規(guī)程中的方法檢測出各個水庫的藻類密度，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)兩個參數(shù)多次優(yōu)化，以達到最優(yōu)實驗條件。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)測數(shù)據(jù)比對

由實驗結(jié)果可知，當監(jiān)測的藻類密度不同時，所需的生物網(wǎng)層數(shù)和過濾次數(shù)也需要相應的優(yōu)化，使實驗結(jié)果同標準藻類密度的相對誤差符合規(guī)程要求。由5座水庫的實驗比對結(jié)果可知，優(yōu)化過參數(shù)的快速濃縮法可以應用于不同密度梯度的浮游植物藻類定量監(jiān)測過程。

4 浮游植物定量監(jiān)測濃縮過程改進實驗的意義

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

b.由對比實驗可知，采用通過25號浮游植物網(wǎng)截留的方式進行定量監(jiān)測過程中對密度的富集濃縮，其監(jiān)測的藻類數(shù)據(jù)符合質(zhì)控要求，說明該實驗具有可操作性并且監(jiān)測數(shù)據(jù)具有準確性。

c.由快速濃縮實驗所獲得的實驗結(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)測在河長制實施過程中的作用

河長制主要任務中，有兩項為加強水污染防治和水生態(tài)修復。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，當藻類密度突破閾值后會發(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)測有助于及時地動態(tài)掌握水體營養(yǎng)狀態(tài)和優(yōu)勢種群演化情況，盡量避免水華事件的發(fā)生；當水華發(fā)生時對優(yōu)勢種群快速的確定，可及時為水華的針對性治理提供依據(jù)。