硅藻简介及其在水环境监测中的应用

硅藻简介及其在水环境监测中的应用
摘要：硅藻是广泛存在于水域中的一类微小植物，它们有硅质组成的细胞壁，能够在细胞死后长期存在，也是鉴定硅藻种类的重要依据。

环境可以对生物产生影响，而生物也可以改变和反映环境。

硅藻对水环境条件变化极其敏感，现已查明有相当多的硅藻种只能生存在狭小的水环境条件(温度、酸碱度、营养盐、金属离子浓度等)下，并发现了一些指示环境的硅藻代表种类。

因此,可以通过研究环境因子对硅藻群落的影响机制,建立硅藻组成与水环境状态之间的对应关系,最终用硅藻组成变化来指示相关环境因子,进而判断水质好坏。

本文提借鉴了八种以硅藻为指示生物的常用指数方法，运用数学公式用来定量分析和指示水体的健康状况。

此外还简要介绍了硅藻在其他方面的应用。

关键词：硅藻；水环境监测；指示生物；指数方法；富营养化
A Brief Introduction and Applications in Water
Environment Monitoring of Diatoms
Abstract: Diatoms are a class of small plants and widespread in the waters, they have cell walls composed of silica, which is also an important basis for identification of diatom species. Environment can have an impact on the biology, and organisms can also reflect the changes of environment .Diatoms are extremely sensitive to the changes of environmental conditions,a considerable number of species can only survive under special water environment conditions (temperature, pH, nutrients, metal ion concentration, etc.), and some diatoms are representative species as indications of the environment .Therefore, through the research on mechanism that environmental factors can influence diatom community ,to establish the corresponding relation between the state of diatom composition and water environment condition,we use the changes of the composition of diatoms to indicate related environmental factors, and then to evaluate the water quality. This article provides eight common methods with biotic index ,using mathematical formula to do quantitative analysis and to evaluate water health. In addition, it also briefly introduces other applications of diatoms.
Keywords: diatoms; water environment monitoring; indicator organism; index method; eutrophication
1 硅藻在生物学中的分类
硅藻是藻类中的一大类，隶属植物界硅藻门，它们由硅质细胞壁组成的上、下壳嵌套形成。

硅藻细胞壁，外层为硅质，内层为果胶质。

硅藻细胞壁上都具排列规则的花纹：点纹、线纹、孔纹、肋纹等[ 1 ]。

一般鉴定硅藻标本时，依据壳面观和带面观特征，主要是壳面观形状，壳缝纹饰及角或刺等[ 22]。

淡咸水中均有分布，营浮游或底栖生活。

它们可分为中心纲和羽纹纲。

中心纲（Centricae）
细胞壳面多有辐射状射线或边缘有装饰，内含多个叶绿体，无壳缝，可形成休眠孢子和游动精子，精子有单条华而不实的鞭毛，有性生殖为卵式生殖。

中心纲以细胞主体为一级分类特征，细胞突出物为二级分类特征[ 22 ]。

细胞圆盘形，鼓形，无角状突起——圆筛藻目(Consinodiscales)
细胞长圆柱形，小盒形，有角凸或刺突—长圆柱形，具长角/棘刺——根管藻目(Rhizoleniales)
小盒形，具两个以上明显的圆形隆起或角状突起，具长棘刺——盒形藻目(Biddulpiales) 羽纹纲（Pennatae）
细胞壳面呈羽纹状多无装饰，内含一到两个叶绿体，有壳缝，游动精子无鞭毛，有性生殖为接合生殖。

分类主要依据壳缝的形态和纹路[ 22 ]。

无真正壳缝，仅具假壳缝——无壳缝目(Araphidinales)
一面有壳缝，一面无或具假壳缝——单壳缝目(monoraphidinales)
两面都有壳缝，但壳缝不发达，很短，仅位于壳面两端的一侧——短壳缝目(Raphidinales) 两面都有壳缝，壳缝发达成线形——双壳缝目(Biraphidinales)
两面都有壳缝，壳缝为管壳缝——管壳缝目(Aulonoraphidinales)
2 硅藻的采集和鉴定
硅藻是水体中常见的一类植物，采集难度不大。

但由于它们有特殊的硅质外壳，加之种类繁多，鉴定难度较大，因此需要经过较负责的处理后才能在显微镜下进行分类鉴定[ 1 ]。

2.1硅藻的采集
浮游硅藻用浮游生物采集网（25号为64 μm ，自制网为20 μm ）在水体表层拖网，也可用采水器。

底栖硅藻采集时要靠近水体的底部，在浅的溪流中选取一定量底质刮取，也可以使用挂片悬浮于水中进行采集[ 22 ]。

2.2硅藻的鉴定观察
有的硅藻的纹饰大而明显，如羽纹藻、双菱藻等，在普通光学显微镜下基本可以看清，但大多需要处理后才能高倍显微镜（用100倍油镜或电子显微镜）进行观察鉴定和计数[ 2 ]。

最简单的方法是把硅藻水样滴在载玻片上，然后在酒精灯上加热，破坏和去掉细胞内含物，然后加一滴水或稀甘油，即可观察，虽然这种方法不能把内含物去净，但比不处理时要好得多。

最好的处理方法是对硅藻细胞进行酸化处理，然后在高倍显微镜进行观察鉴定和计数：
1.水样摇匀后定量注入试管中
2.先加等量浓硫酸后滴加等量量浓硝酸
3.加热至样本变白液体无色，冷却后沉淀或离心
4.吸出上层清液，加入重铬酸钾饱和溶液
5.蒸馏水重复洗4~5次，每次换水时必须沉淀24h，或离心5min
6.用pH试纸测试，直至中性，吸出上清液，可加95%的酒精保存，以待观察。

7.欲作永久封片，可吸1滴标本液的标本于干净的盖玻片上，并在酒精灯上烤干，再加1
滴二甲苯于其上，随即加1滴加拿大树胶或苏合香脂等封片胶。

将有胶的一面反转，贴于载玻片上，待胶干后即可观察和长期保存。

3 生物的环境指示作用
根据生态学的基本原理：环境可以对生物产生影响，生物也可以改变和反映环境[ 3 ]。

水环境监测的主要目的是评价水体健康状况及水生态系统供养生物的能力。

而常规的化学监测手段难以从整体水平对水质进行客观监测和评价。

因此，需要发展快速、高效的生物监测技术, 实现由污染监测向生态监测的转型。

其中选取合适的环境指示生物很关键[ 4 ]。

3.1 为什么选择硅藻作为指示生物？
硅藻是一种光自养型藻类, 种类多、分布广的特点,且对水环境条件变化极其敏感,现已
查明有相当多的硅藻种只能生存在狭小的水环境条件(温度、酸碱度、营养盐、金属离子浓度等)下。

因此,可以通过研究环境因子对硅藻群落的影响机制,建立硅藻组成与水环境状态之间的对应关系,最终用硅藻组成变化来指示环境因子的改变情况,进而判断水质好坏。

一方面，污染物对硅藻的影响可发生在各个生物组建水平,如亚细胞和细胞结构、形态、生化和生理、种群数量、群落结构和功能等方面[5]。

另一方面，水环境化学状态的变化会使一些种类的增长受到限制,甚至消亡，如一些种类的生长增殖得以加速, 成为优势种，而使另一些种类退化甚至消失[ 6 ]。

因此,某一种类的消失或增殖都对应着环境条件某一方面的变化。

4 硅藻中的一些环境指示种
目前,硅藻群落组合特征在指示和监测湖泊营养演化方面的重要性已被古湖沼学研究结果所证实[ 7 ]。

2000年欧盟水框架指导委员会将硅藻推荐为水环境整治决策中确定营养水平的生物指标,法国则以硅藻生物指数为标准方法来监测水体质量[ 8 ]。

4.1 清洁指示种
微小曲壳藻(Achnanthes minutissima) 、圆瘤棒杆藻( Rhopalod iagibba) 、结膜窗纹藻( Epithem iaadnata) 、念珠等片藻(Diatom amoniliformis)等则生活在总磷浓度低的水体中, 指示贫营养状态[ 1 ]
4.2 污染指示种
沟链藻(Aulacoseira alpigea) 、梅尼小环藻(Cyrclotella meneghiniana ) 、极小异极藻( Gomphonem aparvkulum ) 、微型舟形藻(N avicula subminiscula) 、普通菱形藻(Nitzsch iacommunis) 、小型冠盘藻(S tephanodiscus parvus)等[ 1 ]。

4.3 特殊环境指示种：
如广缘小环藻则是酸化水体常见的硅藻种，箱形桥弯藻、尖针杆藻等为清洁带指示生物,对污染敏感。

亚平滑曲壳藻、冬季等片藻为中污带指示生物,具一定的耐污性。

微小异极藻、谷皮菱形藻为多污带指示生物,且耐污性强。

冬生等片藻和等片藻可作为净泉水的指示生物。

肘状针杆藻和草鞋形波缘藻分别是重金属锌和酚污染的指示生物。

普通等片藻为油污染的指示种[ 1 ]。

5 以硅藻为指示生物的各种指数方法
近30年来,大量以硅藻为指示生物的指数方法相继被提出并不断改进,如特殊污染敏感指数(SPI) 、水生环境腐殖度指数( SI) 、生物硅藻指数(BDI) 、硅藻模型相似性指数(DMA) 、硅藻属指数(GI) 、硅藻组合有机污染指数(DAI) 、富营养化硅藻指数(TDI) 、湖泊富营养化硅藻指数(TDIL)等,广泛应用于水体质量评价及水体富营养化程度判定[ 9 ]。

总体而言,这些指数方法分为两类,一类为综合评价水体清洁状态的指数,另一类为评价水体富营养化程度的指数[ 10 ]。

5.1 富营养化硅藻指数 (TDI)(trophic diatom index)(Kelly & Whitton, 1995)
TD I通过统计硅藻种对富营养化的敏感程度来评价水体富营养状态
a: abundance or relative abudance
v: indicator value (1-3) (can omit this parameter)
i: pollution (nutrient) sensitivity (1-5)
TDI=[1,5]，最大值显示是富营养水体。

TDI/100指的是100进制的营养状态指数，利用Zelinka and Marvan方程得出加权平均敏感度(WMS: Weighted Mean Sensitivity)，然后通过公式TDI=(WMS*25)-25即可以得出来100进制的营养值。

由于指示种的赋值意义不是太大，因此可以将其忽落不计[ 11 ]。

公式：
5.2特殊污染敏感指数SPI (specific polluosensitivity index) or IPS (indices of pollosensitivity)
其中ａ代表丰度，v代表指示种权值，i代表对污染的敏感度。

超过1300种硅藻都可以使用此指数，最大值5显示是清洁水体[1-5] [ 12 ]。

DES/5 (Descy, 1979) ，此公式与SPI使用同样的计算公式，仅仅是specific sensitivities (i)和Indicator value (v) 有所不同。

5.3 斯氏指数（斯拉第赛克）SLA (Sladecek’s Index) (Sladecek, 1986)
而改良斯氏指数(SID) (saprobic index)(Rott et al., 1997) 改变各个物种的污水值。

其中ａ代表丰度，ｖ代表指示种权值，ｓ代表污水值
勒（克莱赫）－马（肯特）指数 LMI (Leclercq and Maquet Index) (Leclercq and Maquet, 1987) or L&M/5这个指数从Sladecek的SLA指数发展而来，只不过使用了不同的Saprobic value and indicator value。

以上各个指数反应的是有机污染(organic pollution) [ 13]。

5.4 硅藻属指数( a generic index of diatom assemblage, GI)
GI需鉴定曲壳藻属(Achnan thes) 、卵形藻属Cocconeis) 、小环藻属( Cyclotella ) 、桥弯藻属( Cym bella ) 、直链藻属(M elosira ) 、菱形藻属(N itzschia) 6个优势属,并计算出各自的丰度值, GI值即前三者与后三者的丰度比[ 12]。

前三者喜欢生活在清洁水体中,而后三者偏向于生活在受污染的水中。

因此,指数值越高说明水体受污染程度越轻,反之水体污染越严重[ 12 ]。

GI只适用于亚热带、热带地区河流水质综合评价,有明显的地域限制。

GI只需将硅藻鉴定到属这一级别,具有简单、便捷的优点,且与其他的硅藻水质指数之间存在着显著相关性，数据可信度较高。

5.5 硅藻模型相似性指数( diatom model affinity, DMA)
DMA通过模拟自然状态下的硅藻群落组成,计算现实水体的硅藻群落组成与模拟群落之间的相似程度来评价水体质量,其计算公式为：
m 为模拟群落中种i的百分比; r为现实群落中同一种的百分比; n为硅藻种数目。

相似百分比越高,表明水体所受污染越轻,反之水体污染越严重[ 14]。

DMA没有地域限制,但只适用于气候条件稳定的地区,主要用于监测点源排放的营养物和有机污染物,指数中建立的模拟硅藻群落只适用于特定地区。

在使用DMA之前,需要调查清楚整个地区未受人类活动干扰时水体中存活的硅藻种类和丰度,难度较大,为该方法的主要不足[ 15]。

相比其他生物指数,DMA适用于多变量分析,以及在不同等级尺度评价人类活动对水环境的干扰程度[ 16 ]。

5.6 生物硅藻指数(Biological Diatom Index,BDI)
Coste等提出的BD I依赖于838 种污染敏感度不同的关键种,通过计算各种类的丰度及在7级水质梯度中出现的概率,推导指数值,评价水体质量。

计算过程如下：BD I = 1 ×F(1) + 2×F(2) + 3 ×F(3) + 4 ×F(4)+5 ×F( 5) + 6 ×F(6) + 7 ×F(7)式中F( i) 为给定种x在i级水质中出现的概率,可由下式计算:
式中, Ax 为种x的丰度; Px ( i)为i级水体中种x存在的概率; Vx 为种x的生态幅大小; n为丰度>0. 75%的属种数量。

式中, Pclass( i)为i级水质环境中各种存在的概率; N ( i)为i级水质中各种出现的数量; A( i) 为各种的堆积丰度; N sites( i)为i级水质中采样点的数目。

BD I涉及的硅藻种类丰富,包括不同pH 值、盐度及热带地区水体中生存的硅藻种类和一些常见种类的异常形态] ,因而适用范围广,涵盖温带、热带地区,可用于酸化严重、盐度高的水体,且对营养物质及有机污染物变化有明显指示作用[ 17 ]。

另外,BD I还包含14种水质参数 ,为目前最稳定的指数之一,已被法国当作标准方法定期监测水体质量[ 20 ] 。

但是BD I指数需将硅藻鉴定到种,工作繁琐,难度大,对操作人员素质要求高。

5.7 湖泊富营养化硅藻指数( Trophic Diatom Index for Lakes, TDIL)
基于浮游硅藻呈现出来的对总磷浓度生态最佳值和忍耐值特征的指数方法,主要通过计算水体生态位值来评价湖泊富营养化程度。

计算公式如下：
式中, ak 为种k的丰度; sk 为种k的敏感度; vk为种k的营养指数。

TD IL值在0～5之间变化,值越高,说明水体生态状况越好,富营养化程度越轻[ 21 ]。

TD IL值分级及营养化程度见下表：
TD IL只适用于海拔低、水浅、盐度及营养物本底值高的湖泊,不适用于淡水湖泊,目前仅在较小范围内应用,方法可靠性还有待于在更大范围内验证[ 18 ]。

5.8. 营养指数( diatom index or trophic index,DI)
D I为一种通过权重来评价水体富营养化程度的指数,计算公式如下
式中, N i 为种i的丰度; Gi 为种i的权重; Ti 为种i的营养状态; n为硅藻种总数。

D I值在1 ～5之间变化,与湖泊营养程度的对应关系见下表：
D I主要用于小型湖泊的短期监测,可得到水体营养状态空间的高分辨率变化情况,与大型水生植物指数法得到的结果有较好的相关性[,但不适用于水体的长期监测[ 19 ]。

6 硅藻在其他方面的应用
因为硅藻在水体中广泛和大量的分布，加上它们具有能够长久保存的玻璃状的硅质外壳，使他成为在研究化石和活体生物方面的理想工具，并且可以得到广泛的应用[8]。

‘硅藻得到广泛应用的例子包括：环境指示物、石油勘探、法庭检验、古湖沼学、生物地理学等。

然而，它们最为重要的应用表现在分析生态环境方面，诸如气候变化、土地酸化和水体富营养化等问题[8]。

结论：水环境化学监测结果随时间会发生起伏变化,其主要原因是部分化合物发生分解、
沉积等反应,以及降雨、蒸发等引起污染物浓度变化[ 1 ]。

这一系列复杂变化给采用化学方法监测水体质量带来了困难,而且每个化学指标所反映的仅仅是采样这一时间点的情况[ 2 - 4 ] ,因而常规的化学监测手段难以从整体水平对水质进行客观监测和评价[ 4 ] 。

水环境监测的主要目的是评价水体健康状况及水生态系统供养生物的能力[ 5 ] ,需要发展快速、高效的生物监测技术, 实现由污染监测向生态监测的转型[ 6 ]。

硅藻为单细胞藻类群落,对水体温度、pH值、电导率、营养盐浓度等变化极敏感[ 7 ] ,在判别水体污染程度、评价水体富营养状态等方面具有广泛的应用价值[ 8 ] ,在欧洲、美洲、亚洲、非洲均有相关报道[ 2 - 3, 9 - 12 ] 。

目前,硅藻群落组合特征在指示和监测湖泊营养演化方面的重要性已被古湖沼学研究结果所证实[ 13 ] , 2000年欧盟水框架指导委员会将硅藻推荐为水环境整治决策中确定营养水平的生物指标[ 12, 14 ],法国以硅藻生物指数为标准方法监测水体质量[ 12 ] ,而国内的相关报道较少[ 15 - 16 ]。

文章介绍了将硅藻应用于水环境监测与评价的基本原理,阐述了有代表性的硅藻指数法的计算过程、适用条件等,以期为国内开展相关研究及完善水环境监测体系提供依据。

此外，硅藻在环境指示、石油勘探、法庭检验、古湖沼学、生物地理学等方面也有广泛的应用价值。

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