水環境監測和評價中的硅藻指數運用

王玉智

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000）

硅藻在江河、溪流中分布廣泛，是河流生態系統主要構成部分。硅藻為河流生態系統主要初級生產者，具有能量流動與物質循環的功能，并且能夠迅速的響應河流物理與化學的變化。目前，硅藻完整性指數體系（D-IBI）已經應用到河流生態評價中。在創建D-IBI 評價體系時，要利用復雜計算過程與篩選生物參數生成[1]。所以，如何降低計算難度，簡化計算步驟，使監測河流成本與時間得到降低，對于河流生態健康的監測具有重要意義。

1 硅藻在水環境監測中的優勢

硅藻為硅藻門棕色維生藻類，為具備硅質骨架的單細胞藻類，主要特點為數量大、種類多、分布廣，為河流生態系統藻類植物主要優勢類群。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影響到硅藻種類，過多的氮、磷對于藻類的生長是非常不利的。Kingsley 等人對河流底棲硅藻生物量、物種構成和環境因子相關性結果進行研究，硅藻群落結構的變化和溶解性磷含量具有密切關系。Ponader等人在研究新澤西河流中表示，硅藻屬于常規監測項目監測河流中的氮磷濃度。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養化指示種[1]。以此表示，硅藻能夠對水體營養情況良好指示[2]。

硅藻對于河流中的酸堿度、營養鹽類和重金屬污染等反應比較靈敏，被歐盟水框架委員會推薦成為整治水環境中對污染水確定的有效指示生物。硅藻生態類群和水體污染的情況具有對應關系，從20 世紀70 年代，硅藻就被應用到河流水質評價中，并且構成眾多河流硅藻生物評價指標與體系，硅藻生物指數IBD 與特定污染敏感指數IPS 為使用較為廣泛的硅藻評價指數，此指標都能夠對水域生物質量進行評價，實現河流水質變化的監測。水質監測指示生物優勢：①淡水和微咸水體區域物種比較豐富；②目前的優秀指示生物，都已經開發了指數計算和標準化的方法；③在其他生物檢測方法無法使用的地區中也能夠使用；④采樣比較簡單、快速且便宜；⑤除了顯微鏡設備之外，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境中也能夠使用；⑦淡水和微咸水體區域的物種比較豐富。

重金屬污染會影響硅藻生長，對于受到金屬污染的河流進行研究表示，硅藻所影響到環境退化不只是群落水平，改變硅藻在優勢種、物種等多樣性，還包括硅藻個體縮減、細胞膜形態的變化、細胞膜的變形等。Jonge 等人實現了重金屬污染導致的生物群落變化多元化分析，對比無脊柱動物與硅藻對于重金屬污染的反應。通過對比結果表示，硅藻群落能夠將水體受到重金屬的污染情況充分反應出來。Gold 等人研究表示，在人工基質轉移硅藻群落中，對重金屬污染對于河流短期影響進行評價。Lamai 等人研究結果表示，藻類對于鉛、鎘等生物積累存在時間與劑量效應，通過藻類能夠將重金屬污染的情況充分反應出來，并且在線監測重金屬污染[3]。使硅藻個體細胞膜變形的主要原因并不只是重金屬污染，其他理化因子也會改變硅藻形態，比如紫外線UV、光照強度、殺蟲劑、多環芳烴等有毒化合物。人們一直以為污染物能夠對自然藻類的結構與功能改變，相關研究表示，水體有機污染物濃度持續增加，會降低硅藻物種數量，增加細胞密度，降低多樣性指數[4]。

2 硅藻指數在水環境監測與評價中的使用

2.1 采樣點和時間

本研究在2019 年1 月～2019 年12 月采集硅藻樣品，取樣地為漳衛南運河，主要受到生活污染、工業廢水等污染。

2.2 采樣方法

硅藻采集方法以法國AFNOR（2000）T90-354 與歐洲NF NE 13946 硅藻常規采樣與預處理指導標準。硅藻采樣基質指的是地勢開闊處沒有樹蔭遮擋活水區和硅藻生物膜浸沒且可見的石塊，樣品使用一次性牙刷放置到樣品瓶中，每個樣品要收集5 塊石塊，混合樣使用甲醛固定。現場測定水體pH、電導率、溶解氧等物理參數，并且將水樣帶到實驗室測定化學參數，監測方法根據《水環境監測規范》（SL 219-1998）。

2.3 結果討論

2.3.1 硅藻屬指數（GI）

硅藻指數是將指示物種概念作為基礎，根據藻類生態習性和耐污性能夠展現環境污染程度，使其劃分成為寡污- 中污-耐污，從而指示環境有機污染程度。VanDam 以藻類鹽度、腐殖度、需氧情況、鹽度等使56 屬的776 種常見硅藻評分與劃分，后期有大量方法根據此文獻計算硅藻指數。比如，在部分國家中都已經創建監測不同問題的底棲硅藻指數，在世界各地河流水質、生態評價中使用。目前，歐洲與北美洲已經創建了一系列硅藻指數，對水體營養水平和污染情況評價。英國研究人員使河流硅藻指數理論在湖泊研究中使用，在此要注意在同個地區有時只需要一種或者幾種硅藻指數。比如，在對澳大利亞亞熱帶河流研究過程中，只需要使用TID 評價外界環境干擾比。在我國漢江上游流域河流研究中，此硅藻大部分都屬于有效生態評價指數，河流生態系統健康評價的等級包括極好、好、中等、差、極差[5]。

表1 河流生態系統的健康指標等級體系

GI 需要對卵形藻屬、曲殼藻屬、菱形藻屬、小環藻屬等進行鑒定，并且對各自豐度值計算，GI 值也就是優勢屬的豐度比。指數值越高，表示水體受到污染程度越清。GI 只能夠在熱帶、亞熱帶地區的河流水質綜合評價中使用，地域限制較為明顯。GI 只需要使硅藻鑒定屬級別，鑒定較為便捷、簡單，并且和其他硅藻水質的指數具有顯著相關性，數據存在較高可信度[6]。

2.3.2 硅藻模型相似性指數（DMA）

DMA 利用對自然狀態下硅藻群落進行模擬構成，對現實水體硅藻群落進行計算，并且模擬群落的相似程度，對水體質量進行評價，計算公式為：

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

DMA 并沒有地域限制，但是只能夠在具有穩定氣候條件的地區中使用，實現點源排放有機污染物與營養物的監測，在指數中創建模擬硅藻群落只能夠在指定地區中使用。在DMA使用之前要對地區沒有受到人類活動干擾時候的水體存活硅藻種類進行調查，具有較大的難度，此方法存在使用不足。和其他生物指數對比，DMA 能夠在多變量分析中使用，并且應用到不同等級尺度中，對人類活動干擾水環境的程度進行評價。對其硅藻生物類群分布進行分析，前三個斷面優勢硅藻種都為喜好高氧飽和度，大部分斷面沒有檢測出喜好低氧飽和度的硅藻種群，表示前三個斷面的水質良好，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優勢。

2.3.3 生物硅藻指數（BDI）

Cpste 等人提出了生物硅藻指數，將838 種不同污染敏感度的關鍵種作為基礎，利用各種類豐度和7 級水質梯度中的概率進行計算，實現指數值的推導，對水體質量進行評價，計算過程為：

公式中的F（i）指的是給定種x 在i 級水質中的概率，通過以下公式實現計算：

式中：Ax指的是種x 豐度；Px（i）指的是i 級水體中的種x 存在概率；Vx指的是種x 生態幅大小；n 指的是豐都＞0.75%的屬種數量。

Px（i）的計算公式為：

式中：Pclass（i）指的是i 級水質環境的概率；N（i）指的是i 級水質的水量；A（i）指的是堆積豐度，Nsites（i）指的是i 級水質采樣點數目[7]。

漳衛南運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群為主。

2.3.4 湖泊富營養化硅藻指數（TDIL）

TDIL 為將浮游硅藻作為基礎的，對于總磷濃度生態忍耐值、最佳值特征的指數方法，利用水體生態位置的計算，對湖泊富營養化程度進行評價，計算公式為：

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

表2 為TDIL 值的分級和營養化程度。

表2 TDIL 值的分級和營養化程度

TDIL 只能夠在高鹽度、水淺、低海拔和高營養物的湖泊中使用，無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證[8]。通過硅藻生物類型的分布可知，都是以自養硅藻為主。

3 結語

硅藻能夠通過不同層次將環境變化與脅迫反應出來，河流生態系統中的底棲硅藻能夠改變不同尺度干擾產生的影響。此特點也是通過硅藻在河流水環境和生態健康評價中使用的前提，所以逐漸成為環境和生態系統監測、評價生物指標。但是，在世界范圍中使用硅藻指數的適用性硅藻指數，在使用其他流域前要對其進行驗證。通過本文研究表示，硅藻指數法作為水環境生物監測過程中的全新方法，其應用前景較為廣闊，但是還存在部分的問題，比如硅藻分類和鑒定體系不完善、季節變化對硅藻指數方法穩定性造成威脅等。所以，在今后研究中就要對此方面進行深度分析。