硅藻在水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)中的研究及應(yīng)用進(jìn)展

錢玉亭，左延婷，陳 超，孫紅芳，程 士*

(1.江陰市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 江陰 214400； 2.南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

水生生態(tài)系統(tǒng)在地球生物化學(xué)循環(huán)、能量平衡、氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著極其重要的作用，同時(shí)也在人類生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，是社會(huì)水循環(huán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。然而，隨著人類社會(huì)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境的干擾日益增加，除氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、COD、pH等常規(guī)污染物外，大量毒害有機(jī)污染物進(jìn)入水體[1]，嚴(yán)重影響社會(huì)水循環(huán)和人類生產(chǎn)生活。因此準(zhǔn)確、快速、全面地監(jiān)測(cè)水生生態(tài)系統(tǒng)的真實(shí)受污染水平和健康狀況對(duì)于水質(zhì)安全的評(píng)估和水生生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)具有重要意義。

早期的河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)多建立在對(duì)物理和化學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)上，具有瞬時(shí)性、片面性和單一性，而上世紀(jì)70年代后，有學(xué)者指出，生物指標(biāo)能夠整合一段時(shí)間內(nèi)污染因子對(duì)于水環(huán)境的脅迫效應(yīng)，這是理化指標(biāo)無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，因此理想的水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系應(yīng)當(dāng)綜合考慮物理、化學(xué)和生物指標(biāo)[2]。生物監(jiān)測(cè)是指通過(guò)考察生物(個(gè)體、種群或群落水平)對(duì)其所處環(huán)境變化的響應(yīng)來(lái)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(xué)角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供依據(jù)[3]。

硅藻作為水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級(jí)生產(chǎn)者，關(guān)于其在水生生物監(jiān)測(cè)中的研究已有較長(zhǎng)時(shí)間的歷史，并已經(jīng)被一些國(guó)家如英國(guó)、美國(guó)、南非等納入到水生生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系當(dāng)中[4]。本文闡述了硅藻在水環(huán)境健康評(píng)價(jià)中的優(yōu)勢(shì)，并綜述了硅藻在水生生物監(jiān)測(cè)中的研究及應(yīng)用進(jìn)展，指出硅藻指示水生態(tài)環(huán)境在從研究層面向應(yīng)用層面轉(zhuǎn)變的過(guò)程中存在的瓶頸，以期為相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方向和硅藻生物監(jiān)測(cè)體系的建立健全提供參考。

1 硅藻生物監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

硅藻系硅藻門低等單細(xì)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(kù)、濕地和紅樹林等，每年至少貢獻(xiàn)了全球20%的初級(jí)生產(chǎn)力[5]。硅藻作為一種具有很長(zhǎng)生物監(jiān)測(cè)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(cè)指標(biāo)[6]，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：(1)藻類位于食物鏈?zhǔn)级耍瑢?duì)水環(huán)境中的污染變化十分敏感，同時(shí)其生活史較短，因此能夠?qū)Νh(huán)境的變化做出相對(duì)快速的反應(yīng)。(2)固著型硅藻生活在水底巖石和沉積物上，或借助膠質(zhì)分泌物附著于水中大型植物體上，無(wú)法通過(guò)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(zhì)化外殼，分類特征明顯，且樣品標(biāo)本能夠保存很長(zhǎng)時(shí)間，不僅能夠指示當(dāng)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(duì)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(cè)中的作用

2.1 硅藻在水體營(yíng)養(yǎng)化水平監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

早在上世紀(jì)九十年代，德國(guó)學(xué)者Schiefele和Kohmann[9]就創(chuàng)立了硅藻營(yíng)養(yǎng)指數(shù)TDI(Trophic Diatom Index)來(lái)評(píng)價(jià)水體的營(yíng)養(yǎng)化水平。英國(guó)學(xué)者M(jìn). G. Kelly等[10]依據(jù)Raund[11]提出的基于底棲硅藻的英國(guó)河流水系分區(qū)調(diào)查了英格蘭和蘇格蘭地區(qū)36條河流的的硅藻群落和營(yíng)養(yǎng)水平，用TDI指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，并在后來(lái)的研究中對(duì)其進(jìn)行了修訂，該指標(biāo)已經(jīng)被納入到英國(guó)河流監(jiān)測(cè)計(jì)劃中[12]。BDI(Biological Diatom Index)指數(shù)由法國(guó)學(xué)者[13]創(chuàng)立，后來(lái)Coste等人對(duì)其進(jìn)行了修訂[14]，同樣被用來(lái)指示水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。BDI的計(jì)算方式和對(duì)水體的分級(jí)與TDI有所不同，但兩種硅藻指數(shù)均被越來(lái)越多地應(yīng)用到各國(guó)河流的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估中，目前也是常用的評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)化的硅藻指數(shù)[14-15]。此外，近年來(lái)也有學(xué)者根據(jù)流域本身的特性因地制宜地制定評(píng)估河流營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的硅藻指數(shù)，例如西班牙學(xué)者Cristina Delgado等[16]重新創(chuàng)立了適用于加利西亞沿海河流的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)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(cè)中的應(yīng)用

不同種硅藻對(duì)于pH的耐受不同，已有大量研究將硅藻用于評(píng)價(jià)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(guó)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(gè)湖泊的硅藻生態(tài)數(shù)據(jù)建立了pH預(yù)測(cè)模型，并認(rèn)為其能夠幫助湖泊管理者精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)湖泊pH值。

2.3 硅藻在水體重金屬污染水平監(jiān)測(cè)中的作用

一些研究表明，水體重金屬污染會(huì)影響硅藻的生長(zhǎng)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(shì)種和生物多樣性發(fā)生改變，還表現(xiàn)在個(gè)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(duì)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(diào)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(jié)構(gòu)，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(fù)，但同時(shí)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(duì)指示生物的研究外，近年來(lái)也有學(xué)者參考富營(yíng)養(yǎng)化硅藻指數(shù)的建立方法，建立了新型硅藻指數(shù)來(lái)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(shí)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(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，取得了滿意的效果。

2.4 硅藻在水體有機(jī)物污染水平監(jiān)測(cè)中的作用

藻類是毒害有機(jī)污染物毒理學(xué)研究中常用、有效的受試生物[26]，毒害有機(jī)污染物可能改變?cè)寮?xì)胞超微結(jié)構(gòu)，抑制藻類生長(zhǎng)，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(jī)污染物的指示生物具有一定的理論基礎(chǔ)。然而，關(guān)于硅藻對(duì)有機(jī)污染物尤其是毒害有機(jī)污染物的指示作用近年來(lái)才開始受到關(guān)注。Frédéric Rimet等[28]在人工動(dòng)態(tài)中宇宙中，探究了硅藻對(duì)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(jī)污染暴露后小型固著型硅藻和移動(dòng)能力極強(qiáng)的硅藻屬相對(duì)豐度增加，而大型硅藻(絲狀、鏈狀或群體型硅藻)的相對(duì)豐度則減少，因此提出硅藻對(duì)于有機(jī)污染水平具有指示作用。R. Polmear等[29]通過(guò)O'Brien Bay沉積物易位實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)。雖然硅藻對(duì)于一些有機(jī)污染物敏感，但是實(shí)際水環(huán)境中有機(jī)物種類繁多，呈現(xiàn)出復(fù)雜的復(fù)合污染效應(yīng)，定義所有硅藻物種對(duì)多種有機(jī)物的敏感性幾乎不可能[30]，而目前的研究沒(méi)有考慮混合毒性，因此也難以準(zhǔn)確有效地對(duì)毒害有機(jī)物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[31]。

3 硅藻在水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)應(yīng)用過(guò)程中的挑戰(zhàn)

3.1 時(shí)間異質(zhì)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(dòng)力等條件的改變都會(huì)對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Ning Chen等[37]調(diào)查表明長(zhǎng)江下游平原15條富營(yíng)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(lán)藻群體。F. Maraslioglu等[32]對(duì)土耳其一處水庫(kù)的底棲硅藻季節(jié)性變化的調(diào)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(xì)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(huì)對(duì)基于藻類群落的生物監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。Carmen L. Elias等[33]曾選擇一條化學(xué)污染隨時(shí)間變化較小的河流進(jìn)行硅藻指數(shù)季節(jié)適用性的驗(yàn)證，結(jié)果表明，硅藻群落結(jié)構(gòu)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(píng)價(jià)，因?yàn)樗鼘?duì)與溫度相關(guān)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(yíng)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(píng)價(jià)漢江的水質(zhì)效果較好，而雨季則與水體理化指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性較弱。可見，一些硅藻指數(shù)在應(yīng)用時(shí)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(guān)的理化指標(biāo)的季節(jié)性變化，盡可能避免季節(jié)性生物群落演替對(duì)生物監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

3.2 空間異質(zhì)性

實(shí)際上，雖然硅藻在全世界范圍內(nèi)分布十分廣泛，但硅藻的物種組成仍具有地域性特征。當(dāng)生物的移動(dòng)能力有限時(shí)，例如硅藻，尤其是底棲硅藻，群落結(jié)構(gòu)相似性將會(huì)隨距離的延長(zhǎng)而減弱，以至于最終物種進(jìn)化過(guò)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(huì)對(duì)基于同種指標(biāo)的生物監(jiān)測(cè)結(jié)果有一定的影響[36]。例如，專為巴西海域設(shè)計(jì)的水質(zhì)評(píng)價(jià)硅藻指數(shù)BIWQ與巴西河流的理化參數(shù)相關(guān)性很弱，不適宜作為河流硅藻評(píng)價(jià)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(duì)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(cè)到的“Nitzschiapalea”實(shí)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(lái)的營(yíng)養(yǎng)硅藻指數(shù)TDI能夠更準(zhǔn)確地指示里士滿河的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。Xiang Tan等[39]同樣發(fā)現(xiàn)了硅藻指數(shù)應(yīng)用中存在的類似的問(wèn)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(píng)價(jià)意大利河流和中國(guó)漢江的水質(zhì)，結(jié)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(zhì)的評(píng)價(jià)，這也說(shuō)明硅藻指數(shù)的應(yīng)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(jì)數(shù)技術(shù)的局限性

生物監(jiān)測(cè)應(yīng)用的推廣，離不開監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確的獲取以及合理的成本，這也對(duì)生物鑒定計(jì)數(shù)技術(shù)提出了相應(yīng)的要求。除了原核生物，形態(tài)學(xué)概念在生物物種分類中應(yīng)用最廣泛，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，硅藻復(fù)雜的細(xì)胞壁一直是劃分其物種類別的依據(jù)[40-41]。顯微鏡鑒別計(jì)數(shù)是最傳統(tǒng)也是目前應(yīng)用最廣泛的硅藻鑒別計(jì)數(shù)技術(shù)，包括光學(xué)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(dú)特的細(xì)胞外殼結(jié)構(gòu)，需要在鑒定前對(duì)硅藻進(jìn)行去除有機(jī)物的預(yù)處理(鹽酸洗滌或過(guò)氧化氫溶液洗滌)，再進(jìn)行封片[42-44]，該過(guò)程操作復(fù)雜，耗時(shí)極長(zhǎng)，且進(jìn)行物種形態(tài)學(xué)分類對(duì)鑒定者的圖庫(kù)儲(chǔ)備和鑒別經(jīng)驗(yàn)有極高的要求，存在人為誤差，無(wú)法保證生物監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，雖然這種誤差可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大量的訓(xùn)練加以控制，但會(huì)造成大量的資源消耗[45]。近年來(lái)，DNA宏條形碼技術(shù)在物種鑒定方面的發(fā)展迅速。簡(jiǎn)而言之，該技術(shù)基于不同物種之間DNA序列的差異，通過(guò)DNA條形碼與參考數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)物種的鑒別[46]，省時(shí)省力，節(jié)約成本，該技術(shù)已被應(yīng)用到水生生物的鑒定上，其在硅藻生物監(jiān)測(cè)中的作用也開始受到關(guān)注。Valentin Vasselon等[47]比較了5中硅藻DNA提取方法對(duì)DNA宏條形碼高通量測(cè)序結(jié)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(xué)方法得出的相應(yīng)指數(shù)高度相關(guān)。Frédéric Rimet等[48]也對(duì)比了DNA宏基因組測(cè)序方法和傳統(tǒng)分類學(xué)方法測(cè)出的硅藻群落生物多樣性，發(fā)現(xiàn)兩種方法得出的結(jié)果高度相關(guān)，甚至分子學(xué)方法測(cè)出的生物多樣性要略高于分類學(xué)方法，這可能得益于分子學(xué)方法可以檢測(cè)到形態(tài)學(xué)上不好鑒定的稀有物種，這突出了DNA宏基因組測(cè)序技術(shù)在生物監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)。然而，該技術(shù)對(duì)所使用的生物DNA條碼庫(kù)的完整性有著極高的要求。Valentin Vasselon等[49]在對(duì)馬約特島的河流監(jiān)測(cè)研究中發(fā)現(xiàn)，只有13%的硅藻種被DNA宏基因組測(cè)序鑒定方法和形態(tài)學(xué)鑒定方法所共享，其中一個(gè)很大的原因可能是DNA參考數(shù)據(jù)庫(kù)的不完整(82%形態(tài)學(xué)鑒定的物種基因不在參考數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi))，這對(duì)于DNA分子技術(shù)在生物監(jiān)測(cè)中的推廣應(yīng)用是一大挑戰(zhàn)。S. F. Rivera等[50]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，他們?cè)诶玫讞柙錎NA宏基因組測(cè)序方式對(duì)布爾熱湖進(jìn)行生態(tài)評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，該方法得出的生態(tài)狀況相較于傳統(tǒng)分類學(xué)方法有較大差異，差異最主要的誘因還是DNA參考庫(kù)的不完整性，但是一旦這種限制被打破，DNA宏基因組測(cè)序在生物監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用還是十分有前景的。

4 結(jié)語(yǔ)

硅藻因其分布廣泛，生命周期較短，對(duì)水體環(huán)境變化敏感等特點(diǎn)，在生物監(jiān)測(cè)體系中占有重要地位，國(guó)外已經(jīng)建立了很多硅藻指數(shù)來(lái)量化其對(duì)水體各類污染的指示作用，甚至將一些硅藻指數(shù)納入國(guó)家河流監(jiān)測(cè)體系，而我國(guó)相關(guān)研究尚處于初級(jí)水平，還停留在直接利用國(guó)外指標(biāo)評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)河流的水平。當(dāng)然，進(jìn)一步推廣硅藻生物監(jiān)測(cè)的應(yīng)用并完善生物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)還需要解決以下問(wèn)題：(1)復(fù)合污染下硅藻評(píng)價(jià)方式的可行性研究。目前，河湖的污染狀態(tài)多呈現(xiàn)出復(fù)合型污染，除了pH、COD和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽外，還存在大量毒害有機(jī)污染物，利用硅藻生物監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)某一種污染物的水平已經(jīng)滿足不了當(dāng)前河湖監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)于復(fù)合型污染河流中硅藻監(jiān)測(cè)的可行性有待研究。(2)針對(duì)生物群落季節(jié)性演替和地域性特征，硅藻指標(biāo)在使用時(shí)需要考慮季節(jié)和地域適用性，應(yīng)開展不同地區(qū)及不同季節(jié)下硅藻水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究，以流域?yàn)閱挝唤⒌赜蛐缘墓柙逶u(píng)價(jià)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(jià)、快速、精確的藻類鑒定計(jì)數(shù)方法，為硅藻生物監(jiān)測(cè)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。(4)搭建全國(guó)范圍內(nèi)公開的水生生物信息平臺(tái)，加強(qiáng)水生動(dòng)植物圖譜庫(kù)、基因庫(kù)的信息交流，推進(jìn)水生生物監(jiān)測(cè)的發(fā)展。