影响硅藻群落的环境机制及硅藻对水质指示作用的研究

杨硕 方晶 刘宇飞

摘 要：为了监测某流域水质情况，通常会使用物理和化学方法进行监测。然而，这些理化方法虽然明确表明了某一特定时间采样点的水质状况，却无法全面反映水质变化的总体情况。硅藻对污染物的敏感性使之能够及时准确、综合反映水域生态环境状况，所以经常被用作水质的生物指标。本文综述了硅藻在水质监测中的研究进展、影响硅藻群落的环境机制以及硅藻对水质的指示作用与不足，为综合监测和治理水环境提供一定的理论依据和支持。

关键词：水质污染;生物监测;硅藻指示作用

中图分类号：Q948.8文献标识码：A文章编号：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

物理化學监测方法为科学的水体管理提供了详尽具体的信息，所以被视作普遍性和基础性的监测手段。但是这些研究方法不能全面、综合地反映众多的环境因子，存在瞬时性、单一性以及片面性等缺点。按照美国1972年颁布的《水污染控制修正法》的规定，法案的目标是恢复与维持水体的化学、物理及生物的完整性。健康的河流生态系统应具有化学、物理以及生物3方面结构完整性，因此将传统理化指标与水生生物指标等综合监测与评价体系用于评价水生态环境质量显得尤为重要。

作为河流的主要初级生产者，硅藻主要附着在底部基质上，并且不同的硅藻具有不同的环境耐受性和喜好性。作为水体生态系统中的重要参与者，硅藻能准确而详细地反映水体在某段时期内的综合具体的情况，是非常有效的环境指示生物。

随着河流湖泊研究工作的深入开展，我国逐步建立起了比较成熟的，适用于我国湖泊的评价体系和方法。早期生物监测主要以单一的硅藻指数为主，齐雨藻等[1]采集珠江广州河段的9个采样点的附着硅藻群落，使用硅藻群集指数（DAIpo）和河流污染指数（RPId）分析各采样断面的水质，结果表明各采样点中度污染。辛晓云等[2]通过分析内蒙古岱海个采样点浮游硅藻群落的组成，并使用硅藻生物指数（Biological Index， BI）进行评价，结果表明岱海水质已受到轻微污染。李伟等[3]用优势种的污生谱、硅藻群集指数（DAIpo）以及均匀度指数E等指标对山西省历山自然保护区老摇河7个布点进行了综合监测与评估，结果表明老摇河水质受到轻度污染。

近十年在对水质进行监测中，开始将生物指标与理化指标相结合进行分析。李国忱等[4]对辽河上游12个采样点的着生硅藻进行了生物调查，同时测定了理化指标等水质参数。结果表明，硅藻多样性指数和敏感性硅藻百分比等最适合辽河上游的水质生物学评价。周景[5]等以漓江中上游为示范流域，研究硅藻的多项指数与我国现有河流物化监测的相关性，结果表明，TDI指数和PTI指数是潜在评价漓江水体生物学质量的硅藻指数。综上，硅藻指数种类多样，不同的指数侧重不同且各有优缺点，个别指数适合特定地域。

1 硅藻群落的物理影响机制

1.1 水文要素

水文要素是硅藻群落的重要因素之一，日光照射能够直接影响硅藻细胞的温度，进而决定硅藻的生长情况[6]。KINGSTON等[7]在研究的硅藻的时空分布中指出，在寒冷的南极洲和温带地区生长的硅藻种属及种类存在很大的差异。钱振明等[8]研究结果表明，在15～25 ℃硅藻的生长速率达到最大，低于10 ℃其生长速率缓慢，反之30 ℃高温下开始抑制细胞的生长。此外，流速过大会抑制硅藻的生长和繁殖，硅藻更适宜在低水平流速的水体流域生长[9]。

1.2 电导率

电导率通过影响硅藻的生长和分布反映着水体的优良。电导率主要受温度、溶解性总固体含量以及悬浮物含量等因素影响。一般情况下，电导率越高，水污染相对越严重[10]。研究表明，电导率与浮游植物物种之间存在显著的响应关系，其中与电导率相关性较高的浮游植物物种为齿牙栅藻、尖细栅藻以及羽纹藻[11]。POTAPOVA等[12]发现，电导率是影响河流中底栖硅藻分布的显著因子。

1.3 溶解氧

溶解氧的变化是衡量水体初级生产力高低的重要标志，更是研究水自净能力的一种依据。仅从单一指标来看，水中溶解氧值越高，表示水质越好，反之则水质较差。刘黎等[13]研究三峡水库蓄水期显著影响底栖硅藻群落结构的环境因子是浊度、水温、高锰酸盐指数以及溶解氧。郑钦华[14]在研究三沙湾海水增养殖区溶解氧的动态变化及有机污染状况中指出，溶解氧降低的变化趋势导致水质产生污染。

2 硅藻群落的物化学影响机制

2.1 pH

硅藻可以根据水体pH的变化迅速做出反应，pH的增加或降低会对硅藻的生长和繁殖产生很大的影响[15]。况琪军等[16]为研究水体酸化对藻类的影响，通过综合生态模拟试验进行了藻类生物测试，结果显示水体酸化对藻类的生长和繁殖有明显抑制作用。每种藻类的生长和繁殖都有其适宜的pH范围。水体中的含氧量与CO2含量会对藻类产生直接影响，pH变化会影响水体中藻类的生长繁殖速度进而影响水体中CO2浓度，导致藻类在进行光合作用时CO2的利用率降低。pH变化影响藻类细胞体内代谢活动过程中必要元素酶的活性，从而影响水体中营养物质的溶解度及分解率等理化过程，改变营养物质的供给。HARRISON等[17]根据pH将硅藻分为碱性硅藻、嗜碱性硅藻、中间型硅藻、嗜酸性硅藻以及酸性硅藻等类型。

2.2 氮磷元素

水体中的氮和磷是藻类生长需要的关键元素，硅藻的种类和数量与主要的营养元素氮和磷密切相关，受水体磷元素的影响更为突出[18]。磷是硅藻生长的必要营养元素之一，其浓度变化会对水体种硅藻群落结构的变化和数量的增减产生直接影响。水体中磷元素的主要来源为生活污水（食物残渣、毛发便溺）、工业废水、农药残留以及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等[19]。此外，水体中的底泥在还原状态下会释放磷酸盐，从而使水体中磷元素的含量上升，加重水体恶化程度。

2.3 重金属

硅藻的生长状况与水体的重金属浓度有关。硅藻的生长和繁殖会受到重金属污染的影响，其中镉、铅、铜以及汞等会在藻细胞内大量富集进而干扰细胞正常的代谢过程，最终影响藻类的生长和繁殖[20]。重金属污染不仅抑制藻类的生长速率，而且会使其形态发生畸变。重金属污染程度越高，水体环境越不适宜硅藻的生长和繁殖，不仅抑制藻类的生长速率，而且会使其外部形态和内在结构发生畸变。PANDEY等[21]提出重金属（铜、锌、铅）在藻类细胞内蓄积，抑制其生长，导致细胞数量减少和硅藻的形态异常。在19个常见的硅藻类群中，15个有明显的视锥畸形。这种畸形经常发生在钝脆杆藻（Fragilaria capucina）、极小异极藻（Gomphonema parvulum）以及谷皮菱形藻（Nitzschia palea）中。

3 硅藻在水质监测中的指示作用

3.1 硅藻对水体富营养化的环境指示作用

硅藻对水体中的氮磷元素反应敏感，有些硅藻生长在富营养化水体中，如蔚蓝色双眉藻（Aulacoseira alpigea）、普通菱形藻（Nitzschia communis）、梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）、极小异极藻（Gomphonema parvulum）以及小舟形藻（Navicula  subminuscula）等硅藻均指示水体富营养状态。ZHANG等[22]对希腊的Dojran湖研究中發现硅藻浓度的增加表明湖泊富营养化的加速，KAARINA 等[23]研究了过去大约200年内芬兰湾水体富营养化对硅藻群落结构和物种丰度的影响。浮游硅藻丰度随水体富营养化和浊度的升高而显著增加。这些研究充分体现了硅藻对水体富营养化的环境具有良好的指示作用。指示水体富营养化的硅藻种如表1所示。

3.2 硅藻对水体酸化的环境指示作用

河流水体酸化主要受到酸雨和酸性废水的影响，由于硅藻对水体中pH的反应十分敏感，当水体酸化时，硅藻会由于不耐受性而死亡，耐受硅藻大量存活。例如，广缘小环藻（Cyclotella bodanica Eul）为酸化水体常见种;细纹长蓖藻（Neidium affine）和短缝藻（Eunotia exigua）为嗜酸性物种;近小头羽纹藻（Pinnularia subcapitata）对酸性废水耐污性强;梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）对水体pH敏感。水体pH是影响硅藻生存的重要因素。JUGGUNS 等[24]使用硅藻酸化指标评估河流的酸化状态，根据最适pH将硅藻类群划分为5个指标类别，并使用回归分析进行评估。BATTARBEE等[25]通过研究分析欧洲西北部和北美的采样点发现，水体在过去的150年中发生了快速酸化，酸化的第一个主要标志是pH低于5.5时，酸化会导致环境中水的典型物种减少，如中凸曲壳藻（Achnanthes microcephalaKütz）和细小桥弯藻（Cymbella gracilis）等，以及嗜酸性类群的扩张，如绒毛平板藻（Tabellaria flocculosa）等。在pH小于5.5的情况下，嗜酸性的物种变得很普遍。指示水体酸化的硅藻种如表2所示。

3.3 水体污染物

硅藻的生长还受到重金属因素的影响，硅藻群落能够很好地反映水体受重金属污染状况。钝脆杆藻（Fragilari）和肿节曲壳藻（Aminutissimum nodusa）为Cu的指示种;肘状针杆藻（Synedra ulna）为Zn的指示种;普通等片藻（Diatoma vulgare）为废水指示种;草鞋形波缘藻（Cymatopleura solea）为酚污染指示种。丁腾达等[26]指出某些典型硅藻已应用于指示水体重金属污染并阐述重金属污染下硅藻的生长趋势和硅壳形态的变化。LAMAI 等[27]研究表明，藻类对镉和铅的生物积累具有一定的剂量和时间效应，利用藻类不仅可以综合反映重金属污染状况，还可以实现对重金属污染的在线监测。指示水体污染物的硅藻种如表3所示。

4 结论

通过研究以上影响硅藻生长环境因子的各项指标来反映水环境污染状况。污染物进入水体后，藻类最先受到影响，但是不同藻类的耐受程度不同，有的藻类抗污性较强，有的藻类抗污性较弱，而有些藻类只有在某种特定的污染物存在时才会出现或大量繁殖，因此可以根据藻类的种类和数量等群落特征来判定水体的污染状况，利用藻类使之成为评价江河湖泊的水质状况和变化趋势的重要指标。但运用藻类进行生物学监测仍存在着许多不足之处，如监测时易受各种环境因素的影响等。因此，今后需要不断优化和完善藻类生物学监测方法，不断提供新的思路和技术手段。

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