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)*