生物特征与水污染关系的研究进展

邵星焱 金磊 张香港

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110000)

引言

随着城市的快速发展，降水所携带的污染负荷、岸边的垃圾、城镇工企业事故排放、农田排水未经处理排入水体等都对水体造成了很大影响。这些水体中含有大量有机物、氮和磷，加上一些河流水动力不足等原因，造成很多河流出现季节性污染或者常年污染的问题。

流域环境评价是流域风险管理和水体治理的主要内容之一。目前广泛采用以物理化学指标为主的评价方法，涉及微生物指标不多，而水体污染本质上是水中微生物、动植物受到了污染物的影响而发生了改变，导致水体由健康向不健康发展，甚至发臭发黑。通过水环境因子对生物个体生长及群落结构的影响研究，发现水体污染程度直接影响了生物生长和群落结构的发展。而生物群落结构和生物生长情况比水体物理化学指标反映水体污染情况更加直观影响人们的感官感受，某些特殊生物对水环境更加敏感，因此，本文总结了几种环境因子的改变对水中生物的影响，希望能够为从生物多样性方面评价水体污染情况提供理论参考。

1 污染水体的生物特征

水中能够对环境产生明显变化的微生物主要为浮游生物，主要分为2类，即浮游植物和浮游动物。浮游植物主要包括蓝藻、绿藻、硅藻等；浮游动物主要包括枝角类、桡足类、轮虫和原生动物。

1.1 浮游植物特征

有研究显示，浮游植物对水中具有季节性特征。Sommer等[1]在研究Constance湖泊时发现，随着春季水温升高，以隐藻和硅藻为主的小型藻类植物开始大量繁殖。Hecky等[2]通过对加拿大一水域的浮游植物进调查发现，硅藻的季节性变化同硅酸盐的季节性变化一致。季节性变化主要体现是水温的差异，而营养盐在反映水质好坏的同时，也与浮游植物存在一定相关关系，因此主要研究浮游植物与温度、营养盐的关系。

1.1.1 温度对浮游植物的影响

温度等因素会影响浮游植物的光合作用，进而影响到硅藻及隐藻的生长和繁殖，是影响浮游植物生长繁殖的重要因素。温度受季节的影响明显，不但会直接影响浮游植物的生长繁殖，还会通过影响水中的鱼类、浮游动物的生长，引起对浮游植物群落结构的变化。Wildeand Edward[3]在南卡罗纳附近黑水河的研究中发现，蓝藻在温度达到30℃以上时可成为优势种。夏季水温较高，浮游植物密度增大。有学者提出温度较高时更利于藻类的生长，也更利于蓝藻形成优势种。邓建明[4]等提出气温较高时更利于浮游植物的生长，蓝藻和绿藻对温度的适应范围比较广泛，而较高的气温也延长其生长时间。马沛明等[5]在水库浮游植物的研究中发现，夏季以蓝藻绿藻为优质种,而春季和冬季以隐藻和硅藻为优势种。

1.1.2 氮磷营养盐对浮游植物的影响

赵思琪等[6]在武汉东湖研究中发现，随着水体富营养化，浮游植物的优势种群由甲藻和硅藻变为绿藻和蓝藻，植物的多样性指数也显著降低。浮游植物的生物量和水中的TN浓度呈正相关趋势，即以重污染优势种蓝藻和绿藻的分布与TN浓度呈正相关趋势，而硅藻门则与TN浓度呈负相关趋势。TP浓度对于浮游植物的密度和种类组成几乎没有影响。Redfield[7]对浮游植物生长过程中营养盐的研究中发现，N、P是重要的影响因素。

1.1.3 温度及营养盐对浮游植物的共同影响

从夏春龙[8]在大伙房水库的研究可以推测，硅藻门在中等温度下更适合生长，而绿藻门更适合生长在偏高温度下的水体中。笪文怡等[9]在浮游植物群落的变化研究发现，2007年以前，蓝藻比例较低，千岛湖的主要优势种是小环藻属、隐藻属，2008—2011年，硅藻和蓝藻大量增加，主要的优势种是颤藻属、小环藻属和隐藻属，同时期浮游植物的丰富度较大，2013年开始，湖中氮磷含量增加，水量增加，浮游植物的丰富度明显降低，此时的蓝藻门的比例一直增加，并在2016—2017年达到了最高值，主要的优势种为小环藻属、栅藻属、鱼腥藻属等，且优势种类别增加。

夏季浮游植物密度普遍高于春季，而春秋季的多样性指数较高。以上是从营养水平来看，但从季节上来看，温度也影响着浮游植物群落的分布特征。Paerl等[10]指出，浮游植物的优势种随着水体中的氮磷等营养盐含量的增加，蓝藻门的群落逐渐更加占有优势。说明温度越低时，限制了浮游植物的生长，此时的生物多样性越高，水体越稳定，水质也越好，而温度越高时，浮游植物更趋向于单一种类，数量趋于增加，多样性指数降低，不利于水体稳定性发展，水质也越差，并且蓝藻门与浮游植物的丰度呈负相关。

总体来说，较高的温度更适合浮游植物生长，温度高时水中氮磷污染程度越高，蓝藻和绿藻的生物量越大，水体污染越严重，而温度低时水中氮磷污染程度较低，蓝藻和绿藻生物量降低，硅藻生物量增大，水体污染程度降低。氮、磷污染对水体中浮游植物生长的影响较大，且氮素对浮游植物的影响最大。绿藻和蓝藻的出现标志着水体污染严重，相比之下，硅藻的出现则标志着水体污染程度更低。

表1 浮游植物与水环境间变化特点

1.2 浮游动物特征

1.2.1 原生动物

Kodoid[11]对伊利诺斯河的研究表明，水滞留周期对浮游生物的产量有重要影响。Basu等[12]研究显示，原生动物的变化情况除受到环境因子的影响外，在一定程度上还受到浮游植物的变化影响。纤毛纲和肉足纲在原生动物中是重要的组成部分，有研究显示，水体中纤毛纲的相似性小于肉足纲，说明纤毛纲的敏感程度更大，对水质变化的反应更加灵敏。水质污染越严重，原生动物的种类和数量越低，多样性指数小，水质类别越相近，其多样性指数相关性越高。

1.2.2 轮虫

Toni[13]研究发现，轮虫的垂直移动受光照、甲壳类垂直移动等多个因素的影响。轮虫在具有指示作用的浮游动物中占据重要地位，由于其生命周期短，对水质变化反应敏锐，所以被认为是良好的指示种。轮虫的生长繁殖受温度影响，水温较低时则会限制轮虫的生长，除温度外，其对水中溶解氧也十分的敏感。并且可以用来作为水体污染程度指示种的种类有很多，如臂尾轮属、龟甲轮属、多肢轮属和三肢轮属等。有研究显示，当水体污染程度越大时，水中DO含量减少，轮虫也随之减少。Pereira[14]研究发现，在营养盐污染程度较高的水体中，轮虫的优势种有可能因为容易获得食物和低氧的共同作用而发生变化。已有大量轮虫群落结构特点对水质指示作用的研究，关于水中轮虫种类和密度的研究也有报道，但对于轮虫与不同污染程度水体关系的研究还鲜有报道。

轮虫大多作为水质良好的指示物种，在污染水体中的研究还基本为空白，但也确实存在着少数以有机污染物和细菌等为食的耐污种，如萼花臂尾轮虫和角突臂尾轮虫，这2种轮虫在轻度污染水体中也有发现。轮虫随水质的种类和数量变化与原生动物的趋势相同，随着水体污染越严重，轮虫的种类数目越少，且水质类别越相近，水中轮虫的相似性就越大。

熊金林[15]等研究结果显示，浮游生物与水体污染的相关程度大小排序为原生动物<浮游植物<轮虫。所以，轮虫对水体污染的状况最敏感，被认为是水质情况变化的良好指示种，而相比于浮游植物和轮虫，原生动物受水质影响就比较小。

总体来说，浮游动物多样性越大，水质越好，浮游动物多样性越小，水质越差。原生动物中肉足纲的出现标志着水体污染严重，相比之下，纤毛纲的出现则标志着水体污染程度更低，且纤毛纲随水质变化更加敏感。轮虫作为对水质变化最敏感的浮游动物，其生长繁殖受低水温和低溶解氧的限制，水温越低、水中溶解氧越低，轮虫多样性越低，水质越差。

1.3 浮游生物特征

水中浮游植物、浮游动物是浮游生物的重要组成，浮游生物的群落分布不但两者之间相互影响，也受周围水环境的影响，浮游动物和水体的污染程度联系密切。浮游生物的种群结构、群落组成，尤其是优势种的变化，能够在一定程度上反映水体污染的情况。所以，浮游生物在水中的变化能够有效反映水环境的变化。像上述这些在一定的地区范围，能够通过种类、数量、群落结构、特性等变化，对环境或环境中的某一因子作出指示的生物又称为指示生物。

1.4 指示生物评价水质的特点

利用指示生物监测水污染有很多优势，与传统的物理化学监测方法相比，利用指示生物测评水质能够连续监测，污水中污染物质含量随时间不断变化，生活在污水中的生物持续地受到影响，能把一段时间内环境的变化反映出来；水污染生物在污水中会受到整个环境的影响，因此能够更加全面、更加直接、更加真实地反映水体状况；指示生物反应灵敏，其敏感程度有时比精密仪器或化学试剂更高，能更及时地通过监测结果准确掌握水体实际情况。

但用水中生物来指示水体污染情况也有一些缺陷和不足，由于生物生活在自然环境中，所以不仅会受到污染物的影响，也会受到环境中其他因素的影响，很难统一指示的标准，即便是同一种生物在河流的上游和下游，数量及其分布也可能不同；生物是活体，所以即便是同一种生物的不同个体，对环境的敏感程度也是不同的；另外，从目前的研究现状来看，学者仅仅能从生物的变化来对水质定性，并不能准确地定量分析。因此，把污染物的性质、浓度与指示生物的各方面变化特征结合起来，将是在水质监测领域上的重大创新突破。

2 结论与展望

浮游生物受水体影响敏感程度大小为轮虫>浮游植物>原生动物。

轮虫在浮游动物中对水质变化最敏感，生长繁殖受温度和溶解氧的限制，其中，溶解氧对其影响最大。溶解氧越低，轮虫种类越少，水质越差。

浮游植物的群落结构对水质变化的响应主要体现在种类差异上，蓝藻和绿藻往往出现在水质更差的水体中，而硅藻和隐藻往往出现在水质更好的水体中。环境中影响浮游植物生长的主要因素是温度和氮磷营养盐，低温和低氮磷营养盐有利于水质向较好方向改善，而高温和高氮磷营养盐的环境促进浮游植物的生长，故水质更差，且氮比磷的贡献率更大。

原生动物中的纤毛纲往往出现在水质较好的水体中，肉足纲往往出现在水质较差的水体中，纤毛纲比肉足纲对水质的变化更加敏感。

浮游生物的种类、数量越多，生物多样性越丰富，水体越稳定，水质越好，反之则水质越差。