太湖流域着生硅藻的环境指示特征文献综述

文献综述

着生硅藻作为水体环境指示生物的研究进展

1、摘要

硅藻作为藻类的一个类别，其多样性、物种丰度、代表性物种情况均与环境状况密切相关。从硅藻在全球范围内的广泛应用可以看出，硅藻在河流健康评价中占有显著地位。国外关于硅藻在河流健康评价中的应用研究很多且日趋成熟，而硅藻在河流健康评价中的应用研究进展中我国的相关研究尚处于初级阶段，应用范围相对较窄。在美国、欧盟、澳大利亚等地区大量采用硅藻对水质进行评价并制定了相关的硅藻评价标准，而在中国的报道相对较少。本文就是通过分析国内外专家对于不同湖泊或流域中硅藻指示物种、硅藻指数运用以及硅藻与环境因子相关关系的情况，结合太湖流域的特点，展望着生硅藻作为环境指示物种的发展前景以及在太湖流域的应用前景。

关键词：硅藻硅藻指数硅藻指示物种环境因子数据分析

2、硅藻鉴定与分类

2.1硅藻鉴定与分类的研究进展

硅藻的分类从1788年Gmelin第一把看到的标本定位BacillariaParadoxaGmelin到现在已有200多年的历史。早期的分类主要根据光学显微镜下观察到的细胞形态特征，如Agardh（1824）发表的SystemaAlgarum，把硅藻作为一个目Diatomeae，目之下则根据外型分为三个科：Cymbelleae、Stylarieae和Fragilariaea，共9个属。比较重要的一个分类系统是Karsten（1928）重修订了Schutt的分类系统，把硅藻分为中心目和羽纹目，后者分为亚目（无壳缝）、亚目（有壳缝）、亚目（单壳缝）和亚目（双壳缝）。Karsten于1928年已将硅藻作为门，订为Bacillariophyta，只有一个纲Ditomales，纲里分为两目Centrals和Pennales，我国硅藻学者把它提升为纲，中心纲和羽纹纲两大类。纲下直接用目、科、属，不用群组之称（金德祥，1990）。

2.2目前硅藻鉴定与分类的方法

2.2.1硅藻分类基础资料

目前国内硅藻分类所用的分类基础资料有《中国淡水藻类系统，分类及生态》、《中国淡水藻志》、《硅藻门的分类系统》、《欧洲硅藻鉴定系统》等，目前国内将硅藻门分为中心纲（centric）和羽纹纲（pennate）两大纲，此门藻类有200多属。通过纲、目、科、属、种的分类方法将硅藻分类。其次，也可以将硅藻对于水体含盐度和温度相当敏感，据此可将硅藻划分淡水种、咸水种、半咸水种、冷水种、暖水种、广温种。

按照对营养状况可分为；Hustedt对于PH值将硅藻分为碱性、嗜碱性、中间型、嗜酸性和酸性生物型；对于重金属污染物可分为；

2.2.2硅藻的分类方法

1）显微图像自动识别2011年骆巧琦、李雪松等人根据硅藻显微图像的形状特点,提出了对其进行预处理、分割、形状特征提取和分类的自动识别方法。采用了基于累积直方图的双轮廓叠加法的图像分割方法,可以有效抑制光照强度不一致、不平衡的影响,并充分利用显微镜下硅藻图像的轮廓特点,获得较好分割效果.同时对硅藻图像提取几何描述全局特征及形状签名特征,最后采用了基于误差反向传播算法的多层前馈网络(BP网络)进行分类。实验表明,该方法对11种浮游硅藻(包括12类轮廓)的自动识别率达到96.6%。

2）电子显微镜自1943年Kolbe和G6lz开始用电子显微镜研究硅藻以来,首先是用透射电镜(TEM)观察硅藻的形体结构,这种研究从扩大视野和分辨率加深焦距等多方面,使人们对硅藻形体的认识日益深刻。60年代中又开始应用扫描电镜(SEM)研究硅藻,从表观上十分生动的描绘出硅藻壳体形态结构,又进一步丰富了人们的认识。

3、着生硅藻作为环境指示生物

3.1.1着生硅藻作为指示物种的研究进展

1）影响硅藻指示物种分类的因素-营养状况

氮、磷浓度以及氮磷比对硅藻种类和群落的丰度有明显影响。过多的氮和磷都不适合藻类生长繁殖。对佛罗里达沼泽富营养化的研究表明，着生硅藻的多样性变化可以反映出氮、磷含量的变化。郭云利用加权平均回归方法，计算出底栖硅藻属种对总磷指标响应的生态最佳值和忍耐值，提取出的Nitzschiafrustulum(Ktz.)Grun.、NitzschiafonticolaGrun.、Nitzschiapalea(Ktz.)W.Sminth、SurirellaangustaKtz.NitzschiaamphibiaGrun.等17种硅藻是乌江中上游河流富营养化发生的指示性属种。.董旭辉,羊向东,王荣在对长江中下游地区45个湖泊表层沉积硅藻属种分布及多次季节性水样调查的基础上,研究了57个常见硅藻属种对总磷指标的生态学特征.利用加权平均回归方法,计算出常见属种对总磷指标响应的生态最佳值及忍耐幅度.根据生态学理论得出,属种Cyclotellameneghiniana、C.atomus、Stephanodiscusparvus、S.minutulus、Naviculasubminiscula是长江中下游湖泊富营养化发生的很好的指示性属种;而Aulacoseiraalpigea、Cyclostephanosdubius、C.tholiformis、C.invisitatus、Stephanodiscushantzschii、Naviculacirtrus、Nitzschiaagnita、N.subacicularis等则是潜在的湖泊富营养化的指示性属种。由此看来，硅藻能够较好地指示水体的营养状况。

2）影响硅藻指示物种分类的因素-水体酸化

硅藻对水体pH值的反应敏感，pH值变化会对硅藻群落的组成有很大影响。酸雨、酸性工业废水是河流水体酸化的主要原因。Carpenter和Waite指出：在水流速度较为平缓的水体中，酸碱度是影响硅藻种类是否存在的主要因素。Hustedt据此将硅藻分为碱性、嗜碱性、中间型、嗜酸性和酸性生物型。Harrison等研究证实，短缝藻属是嗜酸性硅藻，多分布于美国东南部pH值较低的河流中。Psener和Schmidt研究表明，分布于酸雨地区的硅藻群落可指示水体pH值的变化，广缘小环(Cyclotellabodanica)生态习性喜酸，其生长最佳pH值为5，是酸化水体常见的硅藻类型。Birks等研究证明，水体pH能通过底栖硅藻进行定量重组。贾兴焕等认为，近小头羽纹藻(Pinnulariasubcapitata)对酸性矿山废水的污染具有较强的耐受性，可用来作为指示种，其自养指数与pH存在显著差异。可见，硅藻对河流水体的酸化有很好的指示作用。

3）影响硅藻指示物种分类的因素-污染物

重金属污染是硅藻的生长与繁殖的重要因素之一。在重金属污染下，硅藻生长和硅壳形态会发生一系列不同的变化，硅藻也会对重金属发生生物吸附和生物累积以及对重金属表面络合和离子交换等生态适应机制，并且在重金属污染水体中硅藻起到指示作用和生态修复作用，为水生生态系统的重金属污染防治与预警技术提供科学依据。对受金属污染河流的大量研究分析，表明硅藻对环境受污染的反应不仅表现在群落水平上，使硅藻在物种多样性上发生变化，也表现在单个个体水平上，重金属的污染程度不仅影响硅藻的生长速率上，还会使得硅藻的细胞膜形态发生畸形。丁腾达、倪婉敏、张建铜研究认为：镉和锌是导致藻细胞畸形最有效的痕量元素，其对硅藻形态的影响已有很多研究报道。铜会导致柔弱菱形藻(Nitzschiadelicatissima)细胞含有双生瓣，镉(8.910－7molL－1)会导致微小异极藻(Gomphonemaparvulum)和谷皮菱形藻等瓣畸形，还能引起硅藻细胞的异常聚集硅藻细胞的形态损伤程度还与重金属浓度有关，随着重金属浓度上升，硅藻细胞损伤程度也越大。

部分用于指示水质状况的硅藻类别如下:

1)营养状况：

指示水体贫营养状态物种有窄异极藻（Gomphonemaangustum）、圆瘤棒杆藻（Rhopalodiagibba）、结膜窗纹藻（Epithemiaadnata)、念珠等片藻（Diatomamoniliformis）、淡栗色桥弯藻（Cymbellahelvetica)

指示水体富营养状态物种的有：蔚蓝色双眉藻（Aulacoseiraalpigea）、普通菱形藻（Nitzschiacommunis）、梅尼小环藻（Cyclotellameneghiniana）、极小异极藻（Gomphonemaparvulum）、小舟形藻（Naviculasub．Minuscula）

2)水体酸化：

酸化水体常见物种：广缘小环藻（CyclotellabodanicaEul）

嗜酸性物种：细纹长蓖藻（Neidiumaffine）、短缝藻（Eunotiaexigua）

对酸性废水耐污性强:近小头羽纹藻（Pinnulariasubcapitata)

对水体pH敏感：梅尼小环藻（Cyclotellameneghiniana）

3)污染物：

Cu的指示种钝脆杆藻（Fragilariacapucina）、肿节曲壳（Aminutissimumnodusa）；Zn的指示种肘状针杆藻（Synedraulna）；

酚污染指示种草鞋形波缘藻（Cymatopleurasolea）；

废水指示种普通等片藻（Diatomavulgare）；

β-中污带指示种箱形桥弯藻（Cembellaamphicephla）；

清洁带指示种尖针杆藻（Synedraacusacus）；

α-中污带指示种冬季等片藻（Diatomahiemale）；

中污带指示种亚平滑曲壳藻（Achnanthessublaevis）；

3.1.2着生硅藻指示物种的国内外应用

在国内，20世纪70年代后，我国开始对各种湖泊河流环境质量进行广泛的藻类生物学调查与评价。从我国目前对硅藻的使用现状来看，研究者大多利用硅藻群落性特征变量如多样性、丰度、种群优势度等进行河流健康评价。如：硅藻的优势种群的分布与季节有关。裴国凤在滇池福保湾研究发现，东部沿岸区在调查期间的大多数月份是极小曲壳藻(Achnanthesminutissima)占绝对或主要优势,其相对丰富度最高可达79.5%;在1～7月份,西部沿岸区的优势种类主要是异极藻属(Gomphonemaspp.),污染最为严重的河口区是耐污性的具柄双眉(Amphorapediculus)和两栖菱形藻(Nitzschiaamphibia)占优势,而在调查的中后期,极小曲壳藻逐渐发展为这两区的优势种类；此外，在与环境参数也有相关的关系，李钟群白沙溪水体总体为α－中污水体；典型对应分析结果表明，氨氮、水温和ｐＨ是影响白沙溪附生硅藻群落分布的主要因素，硅藻群落结构随着这些环境因子的变化表现出一定的空间差异。顾咏洁和吕亚红对苏州河沉积物中硅藻的垂直分布研究表明，硅藻的优势种类以梅尼小环藻为主，数量居其次的有舟形藻属、异极藻属以及在大多数样品中出现的草鞋形波缘藻(Cymatopleurasolea)，它们都是苏州河代表性污染物五日生化需氧量(BOD5)、CODCr、氨氮(NH4-NH)、石油类和酚等的有效指示生物。董旭辉羊向东等人研究中，硅藻能很好地指示湖泊富营养化的发生.对长江中下游地区湖泊,属种CyclotellaMeneghiniana、C.atomus、Stephanodiscusparvus、S.minutulus、Naviculasubminiscula是水体富营养化发生的很好的指示性属种;而Aulacoseiraalpigea、Cyclostephanosdubius、C.tholiformis、C.invisitatus、Stephanodiscushantzschii、Naviculacirtrus、Nitzschiaagnita、N.subacicularis等则是潜在的富营养化发生的指示性属种。

3.2着生硅藻综合指数的研究及应用进展

3.2.1着生硅藻指数及计算方法

近年来，研究者们在全球范围内利用硅藻指数建立综合评价体系，并广泛应用于河流健康评价。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。

有的硅藻指数方法：邓培雁在东江用的七项硅藻指数中IPS、IBD、IDG、TDI、SLA、DESCY均基于Zelinka和Marvan经典方程:式中，ɑj为样品中物种的丰度;vj为物种j的指示值;sj为物种j的污染敏感度。

部分用于河流健康评价的硅藻指数如下：

1）运动性硅藻百分比，其是一项淤积指数，以舟形藻属(Navicula) 菱形藻属Nitzschia） 双菱藻属(Surirella)的相对丰度来表示；

2敏感性硅藻百分比=Σ(敏感性硅藻细胞数/藻类总细胞数)*100%，其中硅藻耐污值(1～4)大于等于3的是敏感性硅藻。较小等级的溪流本身初级生产力较低，这项度量对其尤为重要。

3）硅藻香农多样性指数(H)=－Σ(ni/N)ln(ni/N)，其中ni为种i的细胞数量，N为细胞的总数；

4）硅藻污染耐受指数(PTI)=Σniti/(N),其中ti为种i的耐污值(1～4)

5）硅藻属指数(GI)=［曲壳藻属(Achnanthessp) 卵形藻属(Cocconeissp) 小环藻属(Cyclotellasp)］相对丰度/［桥弯藻属(Cymbellasp) 直链藻属(Melosirasp．) 菱形藻属(Nitzschiasp)］相对丰度；

6）硅藻商=硅藻中心纲个体总数/硅藻羽纹纲个体总数；

7）富营养化硅藻指数(TDI)=(WMS25)－25，WMS=Σajvij/Σajvj，其中aj为种j的丰度;vj为种j的富营养化敏感指示值，在1～3之间变化;ij为种j的污染敏感度，在1～5之间变化。TDI主要用来评价淡水环境的富营养程度,适用于温带与热带区,但涉及的硅藻种类不够全面,需要不断补充新种类；

8）IDP硅藻指数=ΣIidpAj/ΣAj，其中Iidp为种j的特定值0～4，Aj为种j的相对丰度；

9）均匀度指数(E)=Sp/S，其中Sp为第p个采样点的硅藻种(属)数，S硅藻总种（属）数；

10）属的总数量=所鉴定到属的总数；

11）Descy指数(DI)由Descy在1979年开发的第一个硅藻生物指数；

12）特殊污染敏感指数(SPI)通过对硅藻特殊污染敏感种的耐污值计算，评价水体质量；

13）水生环境腐殖度指数(SI)通过计算各硅藻种类的腐殖度值来评价水体质量。

3.2.2着生硅藻综合指数在国内外的运用

在硅藻指数的利用方面，国内大部分研究者直接引用国外已建立的硅藻指数及评价方法来评价水流及湖泊的水质情况。杨中兰2012年分两次对抚仙湖进行了附生硅藻监测分析，并选用特定污染敏感指数(IPS)、硅藻生物指数(IBD)对水质进行了评价，实际监测中，共鉴定出附生硅藻45种。对特定污染敏感指数和硅藻生物指数的分析评价表明，抚仙湖基本属清洁水体，在一定程度上反映出抚仙湖水体的营养水平不高，与多年水质监测抚仙湖属贫营养水体相吻合；刘麟菲等人在2009年89月，对辽宁省太子河流域67个点位进行采样调查，以硅藻群落为研究对象，比较硅藻属级水平与种级水平相对多度、物种丰富度以及生物多样性指数间的相关性，并比较硅藻属级与种级属性与环境因子的相关性。而有些学者认为国内关于硅藻指数的适用性、评价方法的指示性与稳定性方面的报道较少。就像邓迪勇等人所描述的那样，以国外特征硅藻建立起来的完整性硅藻指数是否适合于我国特殊地理条件下生长的硅藻群落仍存在争论。将国外成熟的评价体系运用到国内河流健康评价时，研究者需要对所选用的硅藻种类及硅藻指数进行逐层筛选，最后得出适宜该区域水体健康评价的硅藻类群和生物指数。例如：邓培雁、雷远达等人2012年在东江流域使用了七项附着硅藻指数来评价水质，通过软件分析数据得出IBD和IDG硅藻指数最适合用于东江河流水质生物监测与评价。李国忱2010年9月对辽河上游12个采样点的着生硅藻进行了生物调查，同时测定了ρ(DO)、pH、ρ(TP)、ρ(TN)、ρ(NH3-N)、ρ(CODCr)和ρ(BOD5)等水质参数．共检测到硅藻16属，以针杆藻属(Synedrasp．)、舟形藻属(Naviculasp．)、异极藻属(Gomphonemasp．)、桥弯藻属(Cymbellasp．)为优势种．根据硅藻香农多样性指数确定了5个相对清洁采样点和7个受污染采样点，对10个硅藻生物指数进行了辨别力分析和Pearson相关分析。结果表明，硅藻香农多样性指数、敏感性硅藻百分比和IDP硅藻指数最适合辽河上游的水质生物学评价。

在美国将硅藻作为评价河流环境的生物已经有相当长的时间，收集美国大部分溪流基础的硅藻参数基础上，对硅藻物种丰富度、优势种、生物量等进行系统分析，用于计算着生硅藻的生物完整性指数(P-IBI)，并比较分析该指数的适用性。另外，肯塔基州地区环境保护部门开发了一项硅藻生物评价指数(DBI)来评价该地区地表水生物的完整性。硅藻生物评价指数(DBI)由6个度量组成:Shannon多样性指数、硅藻丰度、Siltation沉积指数、硅藻污染耐受值(PTI)、脆杆藻丰富度以及桥弯藻丰富度。Sophia经过大量调查研究，发现了一种新的评价河流健康的生物指数DMA(diatommodelaffinity)。它作为一项参考指标通过计算硅藻群落相似性百分比来评价水质。同时，研究硅藻的学者们通过对着生藻类的数据分析，发现硅藻在某些地区的藻类群落中占主要地位，由此逐步建立并完善了硅藻的完整性指数，并用于该地区的河流健康评估。

在欧洲，评价欧洲溪流的健康状况也广泛使用着生硅藻，研究者也不断地提高硅藻采集及数据分析的方法。硅藻被用来支持环境方面的立法与规范制定。随着对硅藻环境指示作用的不断研究，有学者开发使用Zelinka和Marvan公式，充分考虑到抽样误差和群落各分类单元的变化，用于监测水体的富营养化状况。在此基础上，人们提出了一种标准化的方法，即生物硅藻指数(BDI)，并开发了河流硅藻监测的指导手册与相应标准，描述了现场采样、实验室分析、分类鉴定和计算方法等，利用物种群落组成、相对丰度和物理化学参数等来计算BDI分数值．利用BDI指数可以评价一个水域的生态质量状况并监测其时空变化。该指数目前已被纳入欧盟的水框架指令，经过研究人员的不断实践，改进的BDI-2006比最初版本更适合水框架指令的要求，适用性也更广泛。法国研究学者利用特殊污染敏感指数(SPI)、硅藻属指数(GDI)等6种硅藻指数对流域的水质进行健康评估，发现所使用的硅藻指数能很好地对该水域水质退化的有机污染程度进行评估。研究9种硅藻指数对水体污染状态的敏感度，硅藻生物指(biologicaldiatomindex)、硅藻属指数(genericdiatomindex)、Leclercq＆Maquet指数(indexofLeclercq＆Maquet)、Sldeek指数(Sldeekindex)是中度敏感性指数，发现欧洲指数(Europeanindex)、硅藻富营养化污染指数、腐殖度指数(Rottsaprobicindex)、特殊污染敏感指数(specificpollutionsensitivityindex)、硅藻营养指数(Trophicdiatomindex)是监测水质变迁的敏感性指数，并认为这9种硅藻指数并不是在一切的污染水体中都可以使用，这几种硅藻指数都要在其各自的使用范围内才能达到该有的效果。在使用时应根据这些指数的敏感性选择应用，进行水质评价。还有一些国家和地区，有研究者开发了类似河流无脊椎动物预测和分类系统(RIV-PACS)的硅藻群落预测模型，用于河流生态健康监测与评价。

3.3着生硅藻与环境因子之间的研究进展

3.3.1着生硅藻指数与环境因子之间研究进展

随着对硅藻研究工作的深入，研究者利用统计学方法将硅藻与环境因子结合起来，建立了一系列辨别硅藻群落的函数和数学模型，使硅藻在监测水体水质变化方面的准确性大大提高。国内外分析硅藻指数之间以及其与环境因子之间关系，一般采用主成分分析方法(PCA)、Pearson相关分析法、敏感性分析有箱线图（box-plot）、辨别力分析、加权平均回归法。例如：王翠红对汾河水库3条主要水源河的11个样点95个着生硅藻进行DCCA排序,这11个样点可分为4组,分别指示水质属于-中污带、-中污带、寡污带和清带,DCCA第一轴可反映水体污染程度,第二轴反映河流的流速.DCCA排序表明,COD与水体污染状况关系最大.物种多样性研究采用9个多样性指数,各多样性指数随水体污染等级加大而呈现下降的趋势。2001年王苏民等人在《青藏高原现代湖泊硅藻与环境研究中的应用》一文中，利用一种新的多变量分析工具一一典型对应分析(CCA),有效地揭示了青藏高原45个湖泊表层沉积硅藻种群与水环境之间的关系。分析表明,水深和盐度是影响青藏高原硅藻分布的两个重要的环境要素梯度,水深梯度主要与轴1相关,矿化度,cl离子,Mg离子，和钾离子则与前两个轴均相关,代表了盐度变化的方向。硅藻一环境模式的确定,为硅藻一环境指标的定量化研究提供了重要依据。在2014年文宏展等人采用相关分析法、主成分分析法、最优分割分类法、箱须图法、逐步判别分析法和双向指示种分类法等数学方法研究研究分析了十六个硅藻指数在龙江与柳江中段水质监测中的适用性。三次四组不同水质类别中,IPS和TDI指数与样点的箱须图都表现出合理的趋势,而且IPS和TDI间、与环境因子及其他硅藻指数间的相关性良好。表明IPS和TDI适合进行龙江与柳江中段的水质生物监测评价。

3.3.2着生硅藻物种与环境因子之间研究进展

藻类处于河流生态系统食物链的始端。作为初级生产者，其生活周期短，对污染物反应灵敏，不同水体具有特定的种类组成，其群落的性质和数量会随着水化学成分而改变。因此，常被用作水质监测和评价的重要参数。硅藻是光合自养真核藻类，为天然水体的重要成分，可以存活在绝大多数水环境生态条件下，具有种类多、分布广等的特点，且对水环境条件如水体温度、pH值、电导率、营养盐浓度等的变化极其敏感。目前，硅藻已被广泛应用于水体营养状况、水体酸化以及污染物等水质监测问题的研究。栾卓对松花江哈尔滨段水域的硅藻植物群落进行简要分析,结合8个环境变量溶解氧(DO),氨氮(AN),酸碱度(pH),水温(WT),生物需氧量(BOD),化学需氧量(COD),总磷(TP),总氮(TN)与硅藻种类多度和丰度的之间关系,运用回归统计对硅藻植物群落与环境因素进行相关分析,初步建立多元逐步回归方程,预测硅藻植物与环境变化情况。

4、着生硅藻对于太湖流域环境指示意义

在硅藻指数方面，自从1979年Descy将硅藻指数法引入水质评价以来,各国学者已经提出了数十种硅藻指数法,用于监测水体质量及评价富营养化程度,为完善水环境监测与水质评价指标体系提供了一种科学、可靠的方法。硅藻指数法作为水环境生物监测的一种新方法,具有广阔的应用前景；在硅藻指示物种方面，硅藻群落作为水体生态系统的重要组成，对水质及生态环境状况的变化均非常敏感，通过观察水体中硅藻的类别判断出水体的营养类型、酸碱度以及重金属的污染程度，也将硅藻与水生植物及动物放为一块作为鉴定水体污染程度的指示生物，类似地也具有长远的发展空间。根据进出太湖流域水体的硅藻特征以及各个季节所对应的优势种群筛选出适合这些太湖河流的硅藻指数，并对于太湖流域的硅藻要进行大规模地分类且建立太湖流域硅藻分类体系，完善太湖流域硅藻的基础资料，从而有利于在太湖流域的硅藻指示物种及硅藻指数的大规模运用，使得这项新技术在太湖流域不仅仅借用欧洲、美国等其他国家河流的硅藻完整性指数，而要通过自身太湖的特点建立太湖硅藻的完整性指数以及适宜的水质评价标准。

5、结语

本文大致分析了着生硅藻在国内外的运用以及在太湖流域运用的展望，本文旨在进一步地促进硅藻在国内的鉴定与分类；建立完整性硅藻指数；通过硅藻指示物种监测水质，而分析出流域各方面的情况。

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