硅藻指数在水环境监测与评价中的应用分析

2023-08-24吴宇

皮革制作与环保科技 2023年13期

吴宇

（江西省景德镇生态环境监测中心，江西景德镇 333000）

引言

人类的广泛活动以及经济社会的快速发展给水环境带来了极大的压力与挑战，为了更加完善地推动水环境监测评价体系的建设，强化水环境保护针对性，相关单位和部门应当充分认识到硅藻在水环境监测工作当中所发挥出的指示性作用，并针对硅藻指数监测评价的注意事项进行梳理与分析，从而能够灵活便捷地针对当前水环境的表现状态做出分析，实现生态监测的高质量发展。

1 硅藻指数在水环境监测评价工作中的作用

1.1 分析水体水质变化历史

硅藻是一种生长于温热带水域的具有色素体的单细胞植物，其形态较为丰富，可分为中心硅藻纲以及羽纹硅藻纲等类别。在某一水体长时间的历史变化进程当中，硅藻的沉积状态能够较为直观地展现出水体内部的水质变化情况，针对水体在不同历史时期当中pH值、盐度、有机氮含量、溶解氧含量以及营养元素含量进行全面掌握，使监测部门能够借助硅藻指数构建水体水质历史数据库，针对水环境当中可能存在的污染现象进行全面溯源与追踪，强化水质监控以及水环境保护工作的针对性。

1.2 监测并评价当前水质状态

硅藻在水环境当中的生长状态受水质小环境的影响较为显著，因此依托水体当中的硅藻指数进行分析，能够对当前水体小环境状态做出针对性评价。第一，通过硅藻指数能够对水体流速情况做出评估和判断。水体流速状态的变化会对水环境当中硅藻的多样性造成一定的影响，一般来说，高流速水域当中，硅藻生长多样性指数较高，而低流速水域当中硅藻生长多样性指数则较低；第二，依托硅藻指数能够掌握水环境的平均温度状态。作为影响硅藻生长沉积的另一项重要因素，不同种属的硅藻能够适应的温度状态也存在一定的差异，例如新月菱形藻的生长适宜水温在35 ℃以下，而铲状菱形藻的生长适宜水温则在30 ℃以下[1]；第三，通过对水环境当中的硅藻指数展开分析，还有助于监测部门掌握水环境内部pH值的变化情况以及盐度值的变化情况，并为水环境评估治理工作的开展提供参考数据；第四，硅藻指数还与水环境内部的营养状态息息相关，通常来说，水环境营养含量越高，其内部硅藻生长多样化指数越高，而水体营养含量越低，硅藻生长多样化指数则越低。

1.3 掌握水环境内部生物分布情况

作为水环境微生物的一项重要代表，基于硅藻指数开展水环境监测与评价工作具有反应灵敏、成本低廉等优势和特点，因此通过对水环境内部硅藻指数进行分析，能够更加直观全面地掌握水环境内部的生物生长状态及其分布情况，更加细致地了解到人类活动以及日常生产生活对于水下生物造成的一系列影响，同时还能清晰感知水下污染的发展动向以及发展趋势，有效提升污染治理效果。

2 硅藻在水环境中的指示方法

随着技术的不断发展和进步，硅藻在水环境监测评价工作当中的应用价值得到了充分体现，相关技术人员应当针对硅藻在水环境当中的一系列指示方法进行深入探究和梳理，为后续工作的开展奠定基础。

2.1 硅藻属指数

基于上文能够得知，水环境当中生长的硅藻生物按照形态进行划分一般可分为中心硅藻纲以及羽纹硅藻纲等两个主要类别，而中心硅藻纲当中还涵盖了圆筛藻目、根管藻目、盒型藻目等，羽纹硅藻纲当中则下辖无壳藻目、单壳藻目、短壳藻目、双壳藻目等目类，这些硅藻目类适宜的生长环境各不相同，在水环境当中的表现也形成了一定的差异。为了更好地针对水体水质进行监测和评估，监测技术人员可采用硅藻属指数（GI）针对当下水环境状态进行相应分析，从而掌握水环境内部的污染发展状态。所谓硅藻属指数（GI），主要指的是不同种属硅藻生物在水环境当中的丰度比值，当硅藻属指数较高时，水体环境内部的污染状态则较为严重，而当硅藻属指数较低时，水环境内部的环境保持状态则较为良好。在水环境监测评价实践工作的开展过程当中能够发现，硅藻属指数（GI）的应用具有成本低廉，测定便捷等优势，但对于水环境特性则提出了一定的要求，一般可与其他硅藻指数进行配合运用。

2.2 硅藻模型相似性指数

基于上文能够得知，在水环境的发展变化过程当中，其内部硅藻生物的生长分布状态与水体流速、水环境温度、水体pH值、水体盐度以及水环境营养元素含量等多项元素相关联，因此硅藻在不同地区水环境当中所呈现出的生长分布情况与理想状态下水环境当中硅藻生长情况也会展现出一定的差异。基于硅藻模型相似性指数，能够对水环境周边自然状态以及自然条件进行全面整合，并结合DMA模型针对理想情况下水环境变化情况以及硅藻的生长情况做出模拟和分析，使监测机构能够将理想值与实际值进行比对，进而掌握水环境的变化状态以及变化情况，从而为水环境治理与评估工作提供便利。硅藻模型相似性指数（DMA）监测应用过程中，其数据指标往往与水环境污染状态呈反比，当DMA指数较高时，理想状态下的硅藻生长分布情况与样本状态之间的相似度较高，当前水环境污染状态较轻，而当DMA指数较低时，理想状态下硅藻生长分布情况与样本状态之间的相似度较低，水污染现象较为明显。这一监测指示方法较为灵敏，最终的监测结果较为客观准确。但在组织进行环境监测工作之前，技术部门需要更加全面地针对水环境条件要素进行归纳与整合，这给DMA监测评价方法的推广与应用带来了一定的难度和挑战[2]。

2.3 生物硅藻指数

生物硅藻指数又称BDI指数，指的是一定水环境当中不同类别硅藻生物的分布情况以及出现频次，通过针对BDI指数进行分析，能够较为全面完整地了解当下水环境污染与发展状态，这一指示方法的环境适应能力较为充分，涵盖范围较为广泛，但具体的测定流程与测定方式较为繁琐，成本支出较大。

2.4 湖泊富营养化硅藻指数

对富营养化硅藻指数（TDIL）进行测定与分析，能够对水环境当中沉积的营养元素进行充分研究和判断，进而掌握水环境当中受污染情况。通常来说，TDIL指数与水环境当中的污染状态成正比，当指数表现越高时，水环境当中的污染现象越严重。具体指标分级以及状态分析情况如表1所示。

表1 湖泊富营养化硅藻指数（TDIL）的指标分级与对应状态

虽然湖泊富营养化硅藻指数的研究和分析具备较为完善的量化标准，但其对于复杂水系环境的适应能力较差，应用范围也较为狭小。

2.5 营养指数

在一些规模较小的湖泊水系当中，监测机构还可以采用营养指数对水环境面临的污染威胁以及污染风险进行针对性监控与评价。营养指数又称DI指数，指的是水环境当中营养元素的富集程度，指数分布于1.00～5.00之间，且与水环境当中营养元素的富集状态成正比，具体对应关系如表2所示。

表2 营养指数（DI）与水环境营养元素富集状态的对应关系

基于营养指数DI对水系环境当中的营养元素富集状态以及污染状态进行评估和分析，能够直观掌握较短周期内水环境的相关变化情况，但对于长时间的水环境变化情况监测评价存在一定的难度，最终的评价结果也可能存在一定的偏差。

3 基于硅藻指数进行水环境监测评价工作的注意事项

作为一项专业性与实践性较强的科研工作，基于硅藻指数针对特定水域开展水环境监测与评价工作具有较为复杂的流程和要求，因此相关监测机构及其技术人员应当做好相关注意事项的研究和分析工作，尽可能规避硅藻指数监测评价工作当中存在的风险与挑战，使最终的监测评价结果更加准确可靠[3]。

3.1 分析硅藻指数在水环境监测工作中的适用性

基于上文能够得知，在水环境监测评价工作当中常用的硅藻指数包括硅藻属指数（GI）、硅藻模型相似性指数（DMA）、生物硅藻指数（BDI）、湖泊富营养化硅藻指数（TDIL）以及营养指数（DI）等多项不同类别，这些类别对于水环境及其周边环境条件的适应能力存在一定的差异，因此为了更好地实现水环境监测评价工作目标以及工作要求，强化硅藻指数在水环境监测工作当中的应用效果，监测技术团队应当针对性分析不同硅藻指数在水环境监测工作当中的适用性，从而使最终获取到的指数数据能够较为准确客观地反映出现阶段水环境的污染情况，为水环境的治理与保护工作提供支持。经研究表明，以膨大桥弯藻、弧形峨眉藻等为代表的硅藻类别对于水环境当中中等营养富集程度以下的状态较为敏感，而以小片菱形藻为代表的硅藻类别则对于水环境当中的富营养状态较为敏感，相关技术团队在组织开展监测评价工作之前，应当针对水系周边环境条件进行初步分析，并结合实际情况优化对于硅藻指数的选定与运用，使其能够更好地在水环境监测评价工作当中发挥出针对性作用。

3.2 严格控制取样研究流程与方法

作为直接影响硅藻指数监测评价结果的一项关键性要素，强化对取样研究流程以及取样方法的控制，能够针对性减少风险因素带来的影响，尽可能保障监测评价结果的合理性，提升硅藻指数应用效果。

首先，需要针对样品采集流程与要求进行规范。一般来说，水生硅藻的着生基质以天然基质为主，因此监测机构技术团队在进行采样的过程当中，应优先将水下石块、枯木或构筑物等物体作为取样目标，从而保障样品采集的规范有序，为接下来的分析处理工作奠定基础。在样品采集过程当中，为了提升样品质量，研究人员还需要采用福尔马林等试剂对硅藻样品进行保存，减少样品氧化或干燥等情况的发生，更好地满足基于硅藻指数进行的水环境监测与评价工作要求[4]。

其次，在进行分析验证之前，需要针对硅藻样品进行预处理，强化样品纯净度，减少样品内部杂质造成的影响。分析团队应当结合预期方案要求，将硅藻样品分别进行离心、消解、清洗、封片等工作，使硅藻样品能够满足观察计数技术流程的相关要求。

最后，需要针对样品的表现情况进行观察和分析。技术团队可结合硅藻样品的表现情况合理选择BX-53光学显微镜或SU8010 SEM电子扫描显微镜针对样品状态进行计数与鉴定，从而更加细致准确地掌握硅藻样品的种类及其在单位环境条件下的生长与分布情况，为实现水环境监测与评价工作目标提供支持。

3.3 测定环境因子

水环境当中影响硅藻生长分布的因子和要素较为丰富，其中涵盖了水环境流速、温度、pH值、溶解氧、电导率等多项指标内容，技术团队同样也需要基于目标水域进行水资源样品的采集和使用工作，并分别通过分光光度测定法以及高锰酸钾指数法等相关技术策略对水环境条件当中各项因子发展情况进行测定，从而强化水污染治理方案的针对性。

3.4 开展数据分析

在数据分析环节，涵盖了硅藻多样性指数、综合营养状态指数、聚类分析、加权回归分析等多项内容。

首先，需要借助香农多样性指数算法以及辛普森指数算法针对目标水域硅藻样品的生长多样性情况做出相应评价，具体公式为：

式中，H为一定水环境当中硅藻样品的香农多样性指数，ni为第i种硅藻类别的壳面数目，N为水环境内部样品采集目标点位硅藻壳面总数。D为硅藻样品的辛普森多样性指数，P为样品采集的硅藻个体总量。

其次，需要针对水环境当中目标点位的综合营养状态指数进行计算和分析，具体公式为：

式中，TLI代表目标水域基于硅藻指数进行判断的综合营养状态，Wi代表第i项指标的营养状态指数权重，rij代表样品指标与理想状态参数之间的联系系数，m表示指标总数量。

最后，技术团队还需要依托树状图分类法、McQuity平均链接法等技术手段以及技术方式针对样品分析结果展开聚类分析以及加权回归分析，使硅藻样品对于水环境的适应能力与耐受能力得到更加直观可靠的分析与评价，有效提升评价结果准确度。

3.5 基于理化指标进行总体评价

当数据分析完成后，监测团队以及技术团队需要基于理化指标针对水环境当中硅藻的生长分布情况以及水污染状态进行综合分析以及总体评价，从而更加准确地掌握水环境当中氮、磷、钾等不同类别营养元素的富集状态，使监测机构能够更加准确地针对水系内部可能产生的污染源头进行跟踪追溯，有效提升污染监测与评价工作水平[5]。

第一，需要基于样品总磷浓度情况对水域内部营养富集情况进行分析和验证，掌握不同样品采集点位当中的水环境营养状态，并将其纳入统一的监测平台当中，形成可视化的数据图表，直观展现各样品采集点位总磷浓度等级以及综合营养分布状态。

第二，需要借助硅藻样品监测分析结果得到不同点位水环境化学需氧量的发展变化情况，进而推导出水环境内部发展状态及其对于污染现象的抵抗能力，强化监测团队对于目标水域的总体分析水平。

第三，需借助TLI（综合营养状态指数）针对目标水域的污染情况做出评价和分析，结合不同位置样品总磷、总氮以及化学需氧量所表现出的差异性进行综合比对，使水环境当中各类营养元素的富集现象得到更加有效的梳理和分析，保障控制工作的针对性。