硅藻在水环境生物监测中的研究及应用进展

钱玉亭，左延婷，陈 超，孙红芳，程 士*

(1.江阴市环境监测站，江苏 江阴 214400； 2.南京大学 环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏 南京 210023)

水生生态系统在地球生物化学循环、能量平衡、气候调节等方面发挥着极其重要的作用，同时也在人类生产生活中扮演着重要的角色，是社会水循环的起点和终点。然而，随着人类社会工农业的发展，人类活动对水环境的干扰日益增加，除氮磷营养盐、COD、pH等常规污染物外，大量毒害有机污染物进入水体[1]，严重影响社会水循环和人类生产生活。因此准确、快速、全面地监测水生生态系统的真实受污染水平和健康状况对于水质安全的评估和水生生态系统的保护具有重要意义。

早期的河流水质监测多建立在对物理和化学指标的检测上，具有瞬时性、片面性和单一性，而上世纪70年代后，有学者指出，生物指标能够整合一段时间内污染因子对于水环境的胁迫效应，这是理化指标无法取代的优势，因此理想的水环境监测体系应当综合考虑物理、化学和生物指标[2]。生物监测是指通过考察生物(个体、种群或群落水平)对其所处环境变化的响应来推断河流、湖泊、溪流和湿地等系统的生态状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据[3]。

硅藻作为水生生态系统中重要的初级生产者，关于其在水生生物监测中的研究已有较长时间的历史，并已经被一些国家如英国、美国、南非等纳入到水生生态系统监测体系当中[4]。本文阐述了硅藻在水环境健康评价中的优势，并综述了硅藻在水生生物监测中的研究及应用进展，指出硅藻指示水生态环境在从研究层面向应用层面转变的过程中存在的瓶颈，以期为相关领域的基础研究方向和硅藻生物监测体系的建立健全提供参考。

1 硅藻生物监测的优势

硅藻系硅藻门低等单细胞植物，广泛分布于各种水环境中，例如海水、河溪、湖泊、水库、湿地和红树林等，每年至少贡献了全球20%的初级生产力[5]。硅藻作为一种具有很长生物监测历史的生物，已经被明确列为欧盟《水框架指令》中的生物监测指标[6]，其主要优点在于：(1)藻类位于食物链始端，对水环境中的污染变化十分敏感，同时其生活史较短，因此能够对环境的变化做出相对快速的反应。(2)固着型硅藻生活在水底岩石和沉积物上，或借助胶质分泌物附着于水中大型植物体上，无法通过迁移的方式避免水环境污染的危害，因此可以指示环境污染[7]。(3)硅藻具有硅质化外壳，分类特征明显，且样品标本能够保存很长时间，不仅能够指示当前水环境的污染程度，还能够用于重建古环境的研究[8]，对于水环境污染随年代变化的研究有重要意义。

2 硅藻在水环境生物监测中的作用

2.1 硅藻在水体营养化水平监测中的应用

早在上世纪九十年代，德国学者Schiefele和Kohmann[9]就创立了硅藻营养指数TDI(Trophic Diatom Index)来评价水体的营养化水平。英国学者M. G. Kelly等[10]依据Raund[11]提出的基于底栖硅藻的英国河流水系分区调查了英格兰和苏格兰地区36条河流的的硅藻群落和营养水平，用TDI指标进行了评估，并在后来的研究中对其进行了修订，该指标已经被纳入到英国河流监测计划中[12]。BDI(Biological Diatom Index)指数由法国学者[13]创立，后来Coste等人对其进行了修订[14]，同样被用来指示水体营养状态。BDI的计算方式和对水体的分级与TDI有所不同，但两种硅藻指数均被越来越多地应用到各国河流的营养状态评估中，目前也是常用的评价水体营养化的硅藻指数[14-15]。此外，近年来也有学者根据流域本身的特性因地制宜地制定评估河流营养状态的硅藻指数，例如西班牙学者Cristina Delgado等[16]重新创立了适用于加利西亚沿海河流的营养状态评估指数MDIAT，并取得了较好的效果。

2.2 硅藻在水体酸碱度水平监测中的应用

不同种硅藻对于pH的耐受不同，已有大量研究将硅藻用于评价河流水体的酸化程度。Aulacoseiragranulata[17]和Frustuliapseudomagaliesmontana[18]是碱性环境中的代表硅藻物种，Chaetoceros压缩变种可以指示法国东北部贫碱性湖泊水环境，而Pinnulariasubcapitata[19]、Probosciaalataf.gracillima[20]、Cyclotellabodanica[21]、StephanodiscusEhrenberg和Synedraacusvar[18]等硅藻种常出现在酸性环境中。此外，Brian K. Ginn等[22]基于北美东北部494个湖泊的硅藻生态数据建立了pH预测模型，并认为其能够帮助湖泊管理者精准地预测湖泊pH值。

2.3 硅藻在水体重金属污染水平监测中的作用

一些研究表明，水体重金属污染会影响硅藻的生长和生产，不仅表现在群落水平，使水环境中硅藻的优势种和生物多样性发生改变，还表现在个体水平，造成硅藻的形态畸形。B. H. Hill等[23]研究表明Achnanthes和Fragilaria的相对丰度可以指示Eagle River受到的矿山金属污染水平。Eduardo Ferreira da Silva等[24]调查了葡萄牙一处废弃金属矿地附近河流的沉积物重金属污染水平和硅藻群落结构，发现，近矿地处存在极高的锌、铅、镉污染，硅藻也极为罕见，而下游由于未受污染的沉积物的稀释作用，重金属污染水平下降，硅藻的生物丰富度和多样性得以不同程度的恢复，但同时伴随着不同种类不同程度的硅藻阀门畸形，例如Fragilariacapucinavar.rumpens,Fragilariacf.crotonensis和Achnanthidiumminutissimum等硅藻种。除了对指示生物的研究外，近年来也有学者参考富营养化硅藻指数的建立方法，建立了新型硅藻指数来指示河流的重金属污染水平。例如，M. R. Fernández等[25]依据西班牙Tinto River和 Odiel River实际的受重金属污染情况和硅藻群落分布创立了ICM(金属污染指数)，并在Guadiamar River进行了应用验证，取得了满意的效果。

2.4 硅藻在水体有机物污染水平监测中的作用

藻类是毒害有机污染物毒理学研究中常用、有效的受试生物[26]，毒害有机污染物可能改变藻细胞超微结构，抑制藻类生长，降低光和活性等[27]。因此，利用藻类作为水环境中毒害有机污染物的指示生物具有一定的理论基础。然而，关于硅藻对有机污染物尤其是毒害有机污染物的指示作用近年来才开始受到关注。Frédéric Rimet等[28]在人工动态中宇宙中，探究了硅藻对除草剂(敌草隆)和杀菌剂(嘧菌酯和戊唑醇)污染的指示作用，发现有机污染暴露后小型固着型硅藻和移动能力极强的硅藻属相对丰度增加，而大型硅藻(丝状、链状或群体型硅藻)的相对丰度则减少，因此提出硅藻对于有机污染水平具有指示作用。R. Polmear等[29]通过O'Brien Bay沉积物易位实验发现，5年的石油烃暴露显著改变了沉积物中底栖硅藻群落结构。虽然硅藻对于一些有机污染物敏感，但是实际水环境中有机物种类繁多，呈现出复杂的复合污染效应，定义所有硅藻物种对多种有机物的敏感性几乎不可能[30]，而目前的研究没有考虑混合毒性，因此也难以准确有效地对毒害有机物的生态风险进行评估[31]。

3 硅藻在水环境生物监测应用过程中的挑战

3.1 时间异质性

自然环境中存在着植物的季节性演替，温度、光照、水动力等条件的改变都会对藻类群落结构产生影响。Ning Chen等[37]调查表明长江下游平原15条富营养化河流中的浮游藻类冬季主要为大型硅藻，而夏季主要是蓝藻群体。F. Maraslioglu等[32]对土耳其一处水库的底栖硅藻季节性变化的调查发现，Naviculacryptocephala、N.hungaricavar.capitata、N.pupula、N.schonfeldii和Amphoraovalis等硅藻种全年占优，而N.hungaricavar.capitata(高占细胞总密度的63%)只在10月份占优。藻类群落的季节性变化可能会对基于藻类群落的生物监测结果产生影响。Carmen L. Elias等[33]曾选择一条化学污染随时间变化较小的河流进行硅藻指数季节适用性的验证，结果表明，硅藻群落结构随季节有着显著的变化，但是硅藻指数IPS可以用于所有季节的河流评价，因为它对与温度相关的参数变化不敏感。而Xiang Tan等[34]的研究则表明生物硅藻指数(IBD)、富营养化硅藻指数(EPI)和Watanabe指数等起源欧洲的硅藻指数在枯水期评价汉江的水质效果较好，而雨季则与水体理化指标的关联性较弱。可见，一些硅藻指数在应用时需要考虑该指数本身所包含的硅藻种类及与其指示作用相关的理化指标的季节性变化，尽可能避免季节性生物群落演替对生物监测结果的影响。

3.2 空间异质性

实际上，虽然硅藻在全世界范围内分布十分广泛，但硅藻的物种组成仍具有地域性特征。当生物的移动能力有限时，例如硅藻，尤其是底栖硅藻，群落结构相似性将会随距离的延长而减弱，以至于最终物种进化过程中产生生殖隔离，在大的空间尺度上，纯空间因素能够解释20～30%的物种组成差异[35]。物种在不同的地理区域有特殊的生态需求，这可能会对基于同种指标的生物监测结果有一定的影响[36]。例如，专为巴西海域设计的水质评价硅藻指数BIWQ与巴西河流的理化参数相关性很弱，不适宜作为河流硅藻评价指数，尽管该指数中所涉及的硅藻种都是分布广泛的，但是在前人研究中Nitzschiapalea是中度耐污染藻，而Taurai Bere等在对巴西河流的研究中发现，Nitzschiapalea广泛分布于重度污染的水体中，这可能归因于不同地理位置观测到的“Nitzschiapalea”实际上是不同的物种[37]。Sue Oeding等[38]研究表明，建立的地域性里士满河硅藻指数(RRDI)相比于外来的营养硅藻指数TDI能够更准确地指示里士满河的营养状态。Xiang Tan等[39]同样发现了硅藻指数应用中存在的类似的问题，他们用起源于加拿大或澳大利亚等地的14种硅藻指数分别评价意大利河流和中国汉江的水质，结果发现在两地的河流中，并不是所有的指数都适用于河流水质的评价，这也说明硅藻指数的应用需要考虑物种和环境变量的地域性差异。

3.3 藻类鉴别计数技术的局限性

生物监测应用的推广，离不开监测数据的快速、准确的获取以及合理的成本，这也对生物鉴定计数技术提出了相应的要求。除了原核生物，形态学概念在生物物种分类中应用最广泛，几个世纪以来，硅藻复杂的细胞壁一直是划分其物种类别的依据[40-41]。显微镜鉴别计数是最传统也是目前应用最广泛的硅藻鉴别计数技术，包括光学显微镜、扫描电镜和原子力显微镜等，但是，为了观察到硅藻独特的细胞外壳结构，需要在鉴定前对硅藻进行去除有机物的预处理(盐酸洗涤或过氧化氢溶液洗涤)，再进行封片[42-44]，该过程操作复杂，耗时极长，且进行物种形态学分类对鉴定者的图库储备和鉴别经验有极高的要求，存在人为误差，无法保证生物监测结果的精度，虽然这种误差可以通过长时间大量的训练加以控制，但会造成大量的资源消耗[45]。近年来，DNA宏条形码技术在物种鉴定方面的发展迅速。简而言之，该技术基于不同物种之间DNA序列的差异，通过DNA条形码与参考数据库比对可实现对物种的鉴别[46]，省时省力，节约成本，该技术已被应用到水生生物的鉴定上，其在硅藻生物监测中的作用也开始受到关注。Valentin Vasselon等[47]比较了5中硅藻DNA提取方法对DNA宏条形码高通量测序结果的影响，发现均不影响OTUs丰富度，且分子方法鉴定硅藻得出的SPI硅藻指数与形态学方法得出的相应指数高度相关。Frédéric Rimet等[48]也对比了DNA宏基因组测序方法和传统分类学方法测出的硅藻群落生物多样性，发现两种方法得出的结果高度相关，甚至分子学方法测出的生物多样性要略高于分类学方法，这可能得益于分子学方法可以检测到形态学上不好鉴定的稀有物种，这突出了DNA宏基因组测序技术在生物监测应用方面的优势。然而，该技术对所使用的生物DNA条码库的完整性有着极高的要求。Valentin Vasselon等[49]在对马约特岛的河流监测研究中发现，只有13%的硅藻种被DNA宏基因组测序鉴定方法和形态学鉴定方法所共享，其中一个很大的原因可能是DNA参考数据库的不完整(82%形态学鉴定的物种基因不在参考数据库内)，这对于DNA分子技术在生物监测中的推广应用是一大挑战。S. F. Rivera等[50]的研究也证实了这一点，他们在利用底栖硅藻DNA宏基因组测序方式对布尔热湖进行生态评估时发现，该方法得出的生态状况相较于传统分类学方法有较大差异，差异最主要的诱因还是DNA参考库的不完整性，但是一旦这种限制被打破，DNA宏基因组测序在生物监测方面的应用还是十分有前景的。

4 结语

硅藻因其分布广泛，生命周期较短，对水体环境变化敏感等特点，在生物监测体系中占有重要地位，国外已经建立了很多硅藻指数来量化其对水体各类污染的指示作用，甚至将一些硅藻指数纳入国家河流监测体系，而我国相关研究尚处于初级水平，还停留在直接利用国外指标评价国内河流的水平。当然，进一步推广硅藻生物监测的应用并完善生物监测网络还需要解决以下问题：(1)复合污染下硅藻评价方式的可行性研究。目前，河湖的污染状态多呈现出复合型污染，除了pH、COD和氮磷营养盐外，还存在大量毒害有机污染物，利用硅藻生物监测评价某一种污染物的水平已经满足不了当前河湖监测的需求，对于复合型污染河流中硅藻监测的可行性有待研究。(2)针对生物群落季节性演替和地域性特征，硅藻指标在使用时需要考虑季节和地域适用性，应开展不同地区及不同季节下硅藻水质监测与评价研究，以流域为单位建立地域性的硅藻评价指数。(3)优化完善现有藻类鉴定方法或开发新型廉价、快速、精确的藻类鉴定计数方法，为硅藻生物监测的推广应用提供技术支撑。(4)搭建全国范围内公开的水生生物信息平台，加强水生动植物图谱库、基因库的信息交流，推进水生生物监测的发展。