水环境监测中硅藻指数运用

水环境监测中硅藻指数运用

[摘要]以漳卫南运河为研究对象,就硅藻种类对水环境状态的作用进行分析。首先,对水环境监测中硅藻的优势进行分析,分析国内外研究相关文献;其次,收集漳渭南运河2019年1月~2019年12月硅藻样品,通过法国AFNOR(2000)T90-354与欧洲NFNE13946硅藻常规采样与预处理指导标准采集,将水样到实验室测定化学参数测定水体pH、电导率、溶解氧等物理参数。通过研究表示,硅藻大部分都属于有效生态评价指数,河流生态系统健康评价的等级包括极好、好、中等、差、极差。

[关键词]水环境;监测评价;硅藻指数

硅藻在江河、溪流中分布广泛,是河流生态系统主要构成部分。硅藻为河流生态系统主要初级生产者,具有能量流动与物质循环的功能,并且能够迅速的响应河流物理与化学的变化。目前,硅藻完整性指数体系(D-IBI)已经应用到河流生态评价中。在创建D-IBI评价体系时,要利用复杂计算过程与筛选生物参数生成[1]。所以,如何降低计算难度,简化计算步骤,使监测河流成本与时间得到降低,对于河流生态健康的监测具有重要意义。

1硅藻在水环境监测中的优势

硅藻为硅藻门棕色维生藻类,为具备硅质骨架的单细胞藻类,主要特点为数量大、种类多、分布广,为河流生态系统藻类植物主要优势类群。硅藻直径大小不同,生命周期比较短,方便收集。水体中的磷、氮浓度和氮磷的比值会影响到硅藻种类,过多的氮、磷对于藻类的生长是非常不利的。Kingsley等人对河流底栖硅藻生物量、物种构成和环境因子相关性结果进行研究,硅藻群落结构的变化和溶解性磷含量具有密切关系。Ponader等人在研究新泽西河流中表示,硅藻属于常规监测项目监测河流中的氮磷浓度。Belling等人在研究中表示,极小异极藻与小舟行藻为热带河流富营养化指示种[1]。以此表示,硅藻能够对水体营养情况良好指示[2]。硅藻对于河流中的酸碱度、营养盐类和重金属污染等反应比较灵敏,被欧盟水框架委员会推荐成为整治水环境中对污染水确定的有效指示生物。硅藻生态类群和水体污染的情况具有对应关系,从20世纪70年代,硅藻就被应用到河流水质评价中,并且构成众多河流硅藻生物评价指标与体系,硅藻生物指数IBD与特定污染敏感指数IPS为使用较为广泛的硅藻评价指数,此指标都能够对水域生物质量进行评价,实现河流水质变化的监测。水质监测指示生物优势:①淡水和微咸水体区域物种比较丰富;②目前的优秀指示生物,都已经开发了指数计算和标准化的方法;③在其他生物检测方法无法使用的地区中也能够使用;④采样比较简单、快速且便宜;⑤除了显微镜设备之外,投资比较低;⑥能够在各淡水水体中使用,即便是重度污染与极端条件环境中也能够使用;⑦淡水和微咸水体区域的物种比较丰富。重金属污染会影响硅藻生长,对于受到金属污染的河流进行研究表示,硅藻所影响到环境退化不只是群落水平,改变硅藻在优势种、物种等多样性,还包括硅藻个体缩减、细胞膜形态的变化、细胞膜的变形等。Jonge等人实现了重金属污染导致的生物群落变化多元化分析,对比无脊柱动物与硅藻对于重金属污染的反应。通过对比结果表示,硅藻群落能够将水体受到重金属的污染情况充分反应出来。Gold等人研究表示,在人工基质转移硅藻群落中,对重金属污染对于河流短期影响进行评价。Lamai等人研究结果表示,藻类对于铅、镉等生物积累存在时间与剂量效应,通过藻类能够将重金属污染的情况充分反应出来,并且在线监测重金属污染[3]。使硅藻个体细胞膜变形的主要原因并不只是重金属污染,其他理化因子也会改变硅藻形态,比如紫外线UV、光照强度、杀虫剂、多环芳烃等有毒化合物。人们一直以为污染物能够对自然藻类的结构与功能改变,相关研究表示,水体有机污染物浓度持续增加,会降低硅藻物种数量,增加细胞密度,降低多样性指数[4]。

2硅藻指数在水环境监测与评价中的使用

2.1采样点和时间。本研究在2019年1月~2019年12月采集硅藻样品,取样地为漳卫南运河,主要受到生活污染、工业废水等污染。

2.2采样方法。硅藻采集方法以法国AFNOR(2000)T90-354与欧洲NFNE13946硅藻常规采样与预处理指导标准。硅藻采样基质指的是地势开阔处没有树荫遮挡活水区和硅藻生物膜浸没且可见的石块,样品使用一次性牙刷放置到样品瓶中,每个样品要收集5块石块,混合样使用甲醛固定。现场测定水体pH、电导率、溶解氧等物理参数,并且将水样带到实验室测定化学参数,监测方法根据《水环境监测规范》(SL219-1998)。

2.3结果讨论。2.3.1硅藻属指数(GI)。硅藻指数是将指示物种概念作为基础,根据藻类生态习性和耐污性能够展现环境污染程度,使其划分成为寡污-中污-耐污,从而指示环境有机污染程度。VanDam以藻类盐度、腐殖度、需氧情况、盐度等使56属的776种常见硅藻评分与划分,后期有大量方法根据此文献计算硅藻指数。比如,在部分国家中都已经创建监测不同问题的底栖硅藻指数,在世界各地河流水质、生态评价中使用。目前,欧洲与北美洲已经创建了一系列硅藻指数,对水体营养水平和污染情况评价。英国研究人员使河流硅藻指数理论在湖泊研究中使用,在此要注意在同个地区有时只需要一种或者几种硅藻指数。比如,在对澳大利亚亚热带河流研究过程中,只需要使用TID评价外界环境干扰比。在我国汉江上游流域河流研究中,此硅藻大部分都属于有效生态评价指数,河流生态系统健康评价的等级包括极好、好、中等、差、极差[5]。GI需要对卵形藻属、曲壳藻属、菱形藻属、小环藻属等进行鉴定,并且对各自丰度值计算,GI值也就是优势属的丰度比。指数值越高,表示水体受到污染程度越清。GI只能够在热带、亚热带地区的河流水质综合评价中使用,地域限制较为明显。GI只需要使硅藻鉴定属级别,鉴定较为便捷、简单,并且和其他硅藻水质的指数具有显著相关性,数据存在较高可信度[6]。2.3.2硅藻模型相似性指数(DMA)。DMA利用对自然状态下硅藻群落进行模拟构成,对现实水体硅藻群落进行计算,并且模拟群落的相似程度,对水体质量进行评价,计算公式为:相似百分比=ni=1Σmin(m,r)式中:m指的是模拟群落百分比;n指的是硅藻种数目;r指的是显示群落同种百分比。相似百分比越高,说明水体受到的污染越轻。DMA并没有地域限制,但是只能够在具有稳定气候条件的地区中使用,实现点源排放有机污染物与营养物的监测,在指数中创建模拟硅藻群落只能够在指定地区中使用。在DMA使用之前要对地区没有受到人类活动干扰时候的水体存活硅藻种类进行调查,具有较大的难度,此方法存在使用不足。和其他生物指数对比,DMA能够在多变量分析中使用,并且应用到不同等级尺度中,对人类活动干扰水环境的程度进行评价。对其硅藻生物类群分布进行分析,前三个断面优势硅藻种都为喜好高氧饱和度,大部分断面没有检测出喜好低氧饱和度的硅藻种群,表示前三个断面的水质良好,水体溶解氧含量比较高,所以硅藻以喜好很高氧饱和度种群占据优势。2.3.3生物硅藻指数(BDI)Cpste等人提出了生物硅藻指数,将838种不同污染敏感度的关键种作为基础,利用各种类丰度和7级水质梯度中的概率进行计算,实现指数值的推导,对水体质量进行评价,计算过程为:BDI=1×F(1)+2×F(2)+3×F(3)+4×F(4)+5×F(5)+6×F(6)+7×F(7)公式中的F(i)指的是给定种x在i级水质中的概率,通过以下公式实现计算:式中:Ax指的是种x丰度;Px(i)指的是i级水体中的种x存在概率;Vx指的是种x生态幅大小;n指的是丰都>0.75%的属种数量。Px(i)的计算公式为:式中:Pclass(i)指的是i级水质环境的概率;N(i)指的是i级水质的水量;A(i)指的是堆积丰度,Nsites(i)指的是i级水质采样点数目[7]。漳卫南运河的生物硅藻分布情况可知,全年水体均以碱性和中性硅藻类群为主。2.3.4湖泊富营养化硅藻指数(TDIL)TDIL为将浮游硅藻作为基础的,对于总磷浓度生态忍耐值、最佳值特征的指数方法,利用水体生态位置的计算,对湖泊富营养化程度进行评价,计算公式为:式中:ak、sk、vk分别指的是k的丰度、敏感度、营养指数。TDIL值的变化范围为0~5。值越高,表示水体情况越好,富营养化程度比较轻。TDIL只能够在高盐度、水浅、低海拔和高营养物的湖泊中使用,无法在淡水湖泊中使用,目前只是在小范围中使用,方法的可靠性需要在更大范围中验证[8]。通过硅藻生物类型的分布可知,都是以自养硅藻为主。

3结语

硅藻能够通过不同层次将环境变化与胁迫反应出来,河流生态系统中的底栖硅藻能够改变不同尺度干扰产生的影响。此特点也是通过硅藻在河流水环境和生态健康评价中使用的前提,所以逐渐成为环境和生态系统监测、评价生物指标。但是,在世界范围中使用硅藻指数的适用性硅藻指数,在使用其他流域前要对其进行验证。通过本文研究表示,硅藻指数法作为水环境生物监测过程中的全新方法,其应用前景较为广阔,但是还存在部分的问题,比如硅藻分类和鉴定体系不完善、季节变化对硅藻指数方法稳定性造成威胁等。所以,在今后研究中就要对此方面进行深度分析。

作者:王玉智 单位:河北省沧州水文水资源勘测局