影響硅藻群落的環境機制及硅藻對水質指示作用的研究

楊碩 方晶 劉宇飛

摘 要：為了監測某流域水質情況，通常會使用物理和化學方法進行監測。然而，這些理化方法雖然明確表明了某一特定時間采樣點的水質狀況，卻無法全面反映水質變化的總體情況。硅藻對污染物的敏感性使之能夠及時準確、綜合反映水域生態環境狀況，所以經常被用作水質的生物指標。本文綜述了硅藻在水質監測中的研究進展、影響硅藻群落的環境機制以及硅藻對水質的指示作用與不足，為綜合監測和治理水環境提供一定的理論依據和支持。

關鍵詞：水質污染;生物監測;硅藻指示作用

中圖分類號：Q948.8文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0132-04

Study on Environmental Mechanism Affecting Diatom Community

and Diatoms Indicating Effect on Water Quality

YANG Shuo FANG Jing LIU Yufei

（School of Geography and Environmental Science， Tianjin Normal University，Tianjin 300387）

Abstract： In order to monitor the water quality of a river basin， physical and chemical methods are usually used for monitoring. However， although these physical and chemical methods clearly indicate the water quality at the sampling point at a specific time， they cannot fully reflect the overall situation of water quality changes. The sensitivity of diatoms to pollutants enables them to accurately and comprehensively reflect the ecological environment of the water area， so they are often used as biological indicators of water quality. This article summarizes the research progress of diatoms in water quality monitoring， the environmental mechanisms affecting diatom communities， and the indicators and deficiencies of diatoms on water quality. Provide a certain theoretical basis and support for comprehensive monitoring and treatment of the water environment.

Keywords： water pollution;biomonitoring;diatom indicator

物理化學監測方法為科學的水體管理提供了詳盡具體的信息，所以被視作普遍性和基礎性的監測手段。但是這些研究方法不能全面、綜合地反映眾多的環境因子，存在瞬時性、單一性以及片面性等缺點。按照美國1972年頒布的《水污染控制修正法》的規定，法案的目標是恢復與維持水體的化學、物理及生物的完整性。健康的河流生態系統應具有化學、物理以及生物3方面結構完整性，因此將傳統理化指標與水生生物指標等綜合監測與評價體系用于評價水生態環境質量顯得尤為重要。

作為河流的主要初級生產者，硅藻主要附著在底部基質上，并且不同的硅藻具有不同的環境耐受性和喜好性。作為水體生態系統中的重要參與者，硅藻能準確而詳細地反映水體在某段時期內的綜合具體的情況，是非常有效的環境指示生物。

隨著河流湖泊研究工作的深入開展，我國逐步建立起了比較成熟的，適用于我國湖泊的評價體系和方法。早期生物監測主要以單一的硅藻指數為主，齊雨藻等[1]采集珠江廣州河段的9個采樣點的附著硅藻群落，使用硅藻群集指數（DAIpo）和河流污染指數（RPId）分析各采樣斷面的水質，結果表明各采樣點中度污染。辛曉云等[2]通過分析內蒙古岱海個采樣點浮游硅藻群落的組成，并使用硅藻生物指數（Biological Index， BI）進行評價，結果表明岱海水質已受到輕微污染。李偉等[3]用優勢種的污生譜、硅藻群集指數（DAIpo）以及均勻度指數E等指標對山西省歷山自然保護區老搖河7個布點進行了綜合監測與評估，結果表明老搖河水質受到輕度污染。

近十年在對水質進行監測中，開始將生物指標與理化指標相結合進行分析。李國忱等[4]對遼河上游12個采樣點的著生硅藻進行了生物調查，同時測定了理化指標等水質參數。結果表明，硅藻多樣性指數和敏感性硅藻百分比等最適合遼河上游的水質生物學評價。周景[5]等以漓江中上游為示范流域，研究硅藻的多項指數與我國現有河流物化監測的相關性，結果表明，TDI指數和PTI指數是潛在評價漓江水體生物學質量的硅藻指數。綜上，硅藻指數種類多樣，不同的指數側重不同且各有優缺點，個別指數適合特定地域。

1 硅藻群落的物理影響機制

1.1 水文要素

水文要素是硅藻群落的重要因素之一，日光照射能夠直接影響硅藻細胞的溫度，進而決定硅藻的生長情況[6]。KINGSTON等[7]在研究的硅藻的時空分布中指出，在寒冷的南極洲和溫帶地區生長的硅藻種屬及種類存在很大的差異。錢振明等[8]研究結果表明，在15～25 ℃硅藻的生長速率達到最大，低于10 ℃其生長速率緩慢，反之30 ℃高溫下開始抑制細胞的生長。此外，流速過大會抑制硅藻的生長和繁殖，硅藻更適宜在低水平流速的水體流域生長[9]。

1.2 電導率

電導率通過影響硅藻的生長和分布反映著水體的優良。電導率主要受溫度、溶解性總固體含量以及懸浮物含量等因素影響。一般情況下，電導率越高，水污染相對越嚴重[10]。研究表明，電導率與浮游植物物種之間存在顯著的響應關系，其中與電導率相關性較高的浮游植物物種為齒牙柵藻、尖細柵藻以及羽紋藻[11]。POTAPOVA等[12]發現，電導率是影響河流中底棲硅藻分布的顯著因子。

1.3 溶解氧

溶解氧的變化是衡量水體初級生產力高低的重要標志，更是研究水自凈能力的一種依據。僅從單一指標來看，水中溶解氧值越高，表示水質越好，反之則水質較差。劉黎等[13]研究三峽水庫蓄水期顯著影響底棲硅藻群落結構的環境因子是濁度、水溫、高錳酸鹽指數以及溶解氧。鄭欽華[14]在研究三沙灣海水增養殖區溶解氧的動態變化及有機污染狀況中指出，溶解氧降低的變化趨勢導致水質產生污染。

2 硅藻群落的物化學影響機制

2.1 pH

硅藻可以根據水體pH的變化迅速做出反應，pH的增加或降低會對硅藻的生長和繁殖產生很大的影響[15]。況琪軍等[16]為研究水體酸化對藻類的影響，通過綜合生態模擬試驗進行了藻類生物測試，結果顯示水體酸化對藻類的生長和繁殖有明顯抑制作用。每種藻類的生長和繁殖都有其適宜的pH范圍。水體中的含氧量與CO2含量會對藻類產生直接影響，pH變化會影響水體中藻類的生長繁殖速度進而影響水體中CO2濃度，導致藻類在進行光合作用時CO2的利用率降低。pH變化影響藻類細胞體內代謝活動過程中必要元素酶的活性，從而影響水體中營養物質的溶解度及分解率等理化過程，改變營養物質的供給。HARRISON等[17]根據pH將硅藻分為堿性硅藻、嗜堿性硅藻、中間型硅藻、嗜酸性硅藻以及酸性硅藻等類型。

2.2 氮磷元素

水體中的氮和磷是藻類生長需要的關鍵元素，硅藻的種類和數量與主要的營養元素氮和磷密切相關，受水體磷元素的影響更為突出[18]。磷是硅藻生長的必要營養元素之一，其濃度變化會對水體種硅藻群落結構的變化和數量的增減產生直接影響。水體中磷元素的主要來源為生活污水（食物殘渣、毛發便溺）、工業廢水、農藥殘留以及近代洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等[19]。此外，水體中的底泥在還原狀態下會釋放磷酸鹽，從而使水體中磷元素的含量上升，加重水體惡化程度。

2.3 重金屬

硅藻的生長狀況與水體的重金屬濃度有關。硅藻的生長和繁殖會受到重金屬污染的影響，其中鎘、鉛、銅以及汞等會在藻細胞內大量富集進而干擾細胞正常的代謝過程，最終影響藻類的生長和繁殖[20]。重金屬污染不僅抑制藻類的生長速率，而且會使其形態發生畸變。重金屬污染程度越高，水體環境越不適宜硅藻的生長和繁殖，不僅抑制藻類的生長速率，而且會使其外部形態和內在結構發生畸變。PANDEY等[21]提出重金屬（銅、鋅、鉛）在藻類細胞內蓄積，抑制其生長，導致細胞數量減少和硅藻的形態異常。在19個常見的硅藻類群中，15個有明顯的視錐畸形。這種畸形經常發生在鈍脆桿藻（Fragilaria capucina）、極小異極藻（Gomphonema parvulum）以及谷皮菱形藻（Nitzschia palea）中。

3 硅藻在水質監測中的指示作用

3.1 硅藻對水體富營養化的環境指示作用

硅藻對水體中的氮磷元素反應敏感，有些硅藻生長在富營養化水體中，如蔚藍色雙眉藻（Aulacoseira alpigea）、普通菱形藻（Nitzschia communis）、梅尼小環藻（Cyclotella meneghiniana）、極小異極藻（Gomphonema parvulum）以及小舟形藻（Navicula? subminuscula）等硅藻均指示水體富營養狀態。ZHANG等[22]對希臘的Dojran湖研究中發現硅藻濃度的增加表明湖泊富營養化的加速，KAARINA 等[23]研究了過去大約200年內芬蘭灣水體富營養化對硅藻群落結構和物種豐度的影響。浮游硅藻豐度隨水體富營養化和濁度的升高而顯著增加。這些研究充分體現了硅藻對水體富營養化的環境具有良好的指示作用。指示水體富營養化的硅藻種如表1所示。

3.2 硅藻對水體酸化的環境指示作用

河流水體酸化主要受到酸雨和酸性廢水的影響，由于硅藻對水體中pH的反應十分敏感，當水體酸化時，硅藻會由于不耐受性而死亡，耐受硅藻大量存活。例如，廣緣小環藻（Cyclotella bodanica Eul）為酸化水體常見種;細紋長蓖藻（Neidium affine）和短縫藻（Eunotia exigua）為嗜酸性物種;近小頭羽紋藻（Pinnularia subcapitata）對酸性廢水耐污性強;梅尼小環藻（Cyclotella meneghiniana）對水體pH敏感。水體pH是影響硅藻生存的重要因素。JUGGUNS 等[24]使用硅藻酸化指標評估河流的酸化狀態，根據最適pH將硅藻類群劃分為5個指標類別，并使用回歸分析進行評估。BATTARBEE等[25]通過研究分析歐洲西北部和北美的采樣點發現，水體在過去的150年中發生了快速酸化，酸化的第一個主要標志是pH低于5.5時，酸化會導致環境中水的典型物種減少，如中凸曲殼藻（Achnanthes microcephalaKütz）和細小橋彎藻（Cymbella gracilis）等，以及嗜酸性類群的擴張，如絨毛平板藻（Tabellaria flocculosa）等。在pH小于5.5的情況下，嗜酸性的物種變得很普遍。指示水體酸化的硅藻種如表2所示。

3.3 水體污染物

硅藻的生長還受到重金屬因素的影響，硅藻群落能夠很好地反映水體受重金屬污染狀況。鈍脆桿藻（Fragilari）和腫節曲殼藻（Aminutissimum nodusa）為Cu的指示種;肘狀針桿藻（Synedra ulna）為Zn的指示種;普通等片藻（Diatoma vulgare）為廢水指示種;草鞋形波緣藻（Cymatopleura solea）為酚污染指示種。丁騰達等[26]指出某些典型硅藻已應用于指示水體重金屬污染并闡述重金屬污染下硅藻的生長趨勢和硅殼形態的變化。LAMAI 等[27]研究表明，藻類對鎘和鉛的生物積累具有一定的劑量和時間效應，利用藻類不僅可以綜合反映重金屬污染狀況，還可以實現對重金屬污染的在線監測。指示水體污染物的硅藻種如表3所示。

4 結論

通過研究以上影響硅藻生長環境因子的各項指標來反映水環境污染狀況。污染物進入水體后，藻類最先受到影響，但是不同藻類的耐受程度不同，有的藻類抗污性較強，有的藻類抗污性較弱，而有些藻類只有在某種特定的污染物存在時才會出現或大量繁殖，因此可以根據藻類的種類和數量等群落特征來判定水體的污染狀況，利用藻類使之成為評價江河湖泊的水質狀況和變化趨勢的重要指標。但運用藻類進行生物學監測仍存在著許多不足之處，如監測時易受各種環境因素的影響等。因此，今后需要不斷優化和完善藻類生物學監測方法，不斷提供新的思路和技術手段。

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