201512河溪着生硅藻生物监测技术及方法.ppt

河流底栖硅藻生物监测技术与方法,水 利 部 中国科学院,水工程生态研究所,报告人: 马沛明 E-mail:pablomaming@ :2167565,武汉 2015 12,基本概念 技术方法,提 纲,基本概念,生物监测,生物监测是系统地利用生物反应以评价环境的变化，并把它的信息应用于环境质量控制的程序中去——《微型生物监测新技术》1990 利用生物个体、种群或群落的状况和变化及其对环境污染或变化所产生的反应，阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据——《生物监测》2006 生物监测具有综合性、长期性、积累性、灵敏性和经济性等优点,什么是藻类？,无根茎叶分化，能进行光合作用，生殖系统单细胞的植物衣藻,团藻,丝状藻,褐藻（海带）,藻类分类—基于形态学,Pigmentation 色素体叶绿素（a, b, c, d, ）类胡萝卜素（胡萝卜素，叶黄素）藻胆素（藻蓝素，藻红素） Cell wall 细胞壁 无细胞壁（裸藻） 纤维素细胞壁 （绿藻）硅质细胞壁 （硅藻） Flagellation 鞭毛无鞭毛、鞭毛的长度 Storage products 储藏物质淀粉（绿藻） 脂类（硅藻）,,我国学者一般采用11门1.蓝藻门，2.红藻门，3.隐藻门，4.甲藻门，5.金藻门，6.黄藻门，7.硅藻门，8.褐藻门，9.裸藻门，10.绿藻门，11.轮藻门,基于生境的藻类分类方法,浮游藻类(phytoplankton): 悬浮于水体着生藻类(periphyton): 着生于各种基质•附植藻类(epiphyton): 着生于植物表面•附石藻类(epilithon): 着生于石块•附着于沉积物表面的藻类(epipelion)•附着于动物表面的藻类(epizoon),epilithon,epiphyton,epipelion,硅藻种类丰富，分布广泛，全球约 250属，约100,000种(Mann & Droop 1996),而且河溪中附着生长的藻类以硅藻为主，种类占所有藻类的80%以上；,为什么选择硅藻？,为什么选择硅藻？,固着生长，不能通过迁移或其他形式来躲避污染或胁迫的危害；,为什么选择硅藻？,生命周期短，能快速对环境的变化作出相应；多样性高，几cm2基质上就可能出现几十上百种；,为什么选择硅藻？,硅藻对某些特殊污染物（如：除草剂）很敏感；,Solomon et al. (1996),为什么选择硅藻？,分类学和生态学历史数据和资料积累深厚，种群数据可提供广泛生态学信息,弯壳藻属,桥弯藻属,舟形藻属,为什么选择硅藻？,样片标本可永久保存，使资料的积累和检验成为可能,陈旭等，2010,为什么选择硅藻？,样品采集、处理便捷，标准化程度高，管理成本低；作为生物生态监测工具已许多国家和地区（欧盟各国、美国、新西兰、加拿大和南非等）接受；,硅藻与其他生物类群对比,Hering et al. (2006),技术方法,相关标准和方法,采样点设置,河流断面采样法Reach transect sampling protocol (WEMAP),目标生境采样法Target habitat sampling protocol (STAR),将每个断面采集的样品混合成为一个样本,仅将在急流中采集的样品混合成为一个样本,美国USEPA,欧盟WFD,着生硅藻生物监测流程,调查时间及频次,考虑在春末和秋初，河流水文条件稳定时期进行年度两次采样,,,,调查指标,,,野外调查及 室内检测,,,根据以下3条标准按优先次序选择采样生境：1）在水流速度为15cm/s左右区域选择石头、木头或植物等基质；2）流速小于15cm/s的区域寻找石头、木头或植物等基质；3）在缓流区采集软的底质样品。

将随机选取基质放置在白瓷盘，先用PVC管在基质表面印下圆形印迹小心刮下印迹内表层样品，再刷下更紧密附着样品，洗瓶将样品冲洗到烧杯，样品带回用酸氧化并做成永久封片，利用放大1000倍的显微镜观察鉴定分析与评价,,通过换算得到硅藻样品的密度、生物量以及各种的相对丰度，在此基础上计算各种硅藻相关的参数对河流生态健康进行评价,包括生物量和密度、多样性指数、功能群比例、敏感种类数和比例、耐受种类数和比例和其他硅藻生物指数等6大类指标,,着生硅藻,,样品采集,天然基质,人工基质,样品预处理和标本制作,酸化,水浴,离心,洗涤,上片,封片,整理,鉴定,样品预处理和标本制作,检测数据形式,样点,物 种,频数 丰度 相对丰度 细胞体积 …,河溪生物监测中的硅藻指数,物种丰富度、属总数等,指示种,多样性指数法,多样性指数是环保学者在评价水质时最常用的检测指标，主要以藻细胞密度和种群结构的变化为基本依据评价水体的污染程度 目前使用较多的多样性指数及其计算式有：Shannon-Weaver 指数Margalef指数Gleason指数Cdun指数上式中S为种类数，N为同一样品中的个体总数，ni为第i种的个体数 评价标准是：指数值越大，水质越好，即藻类的种类多样性指数越高，其群落结构越复杂，稳定性越强，水质越好。

不同的多样性指数各有其优缺点和适用范围，在实际应用多样性指数进行水质评价时，应该选择至少2种，以确保评价结果的可信度硅藻指数法1979年由Descy提出，目前所使用的硅藻指数大多建立在Zelinka等提出的以下方程基础上：,式中，aj为样品中物种j的丰度；vj为指示值；sj为物种j的污染敏感度硅藻指数法,0环境梯度,数量,ABCDEF,磷浓度,物种,1）硅藻属指数 (a generic index of diatom assemblage,GI),GI需鉴定喜欢生活在清洁水体中的曲壳藻属(Achnanthes)、卵形藻属(Cocconeis)、小环藻属(Cyclotella) ，与偏向于生活在受污染的水中桥弯藻属(Cymbella) 、直链藻属(Melosira)、菱形藻属(Nitzschia)6个优势属，并计算出各自的丰度值，GI值即前三者与后三者的丰度和之比 指数值越高说明水体受污染程度越轻，反之水体污染越严重 GI有明显的地域限制，只适用于亚热带、热带地区河流水质综合评价由于GI只需将硅藻鉴定到属这一级别，具有简单、便捷的优点，且与DAI、SI、TDI等其他硅藻指数之间存在着显著相关性，数据可信度较高。

2）硅藻营养指数 ( trophic diatom index，TDI),TDI通过统计硅藻种对富营养化的敏感程度来评价水体富营养状态，计算公式如下： TDI=（WMS*25-)25,WMS( a weighted mean sensitivity，加权平均敏感度)计算公式如下：,TDI值在1～100之间，对应营养物浓度由低到高的变化式中，αj为样品中种j的丰度；vj为种j的指示值，在1～3之间变化，3表示种j对富营养化敏感，1表示种j对富营养化不敏感；ij为种j的污染敏感度，在1～5之间变化，1表示种j适合生活在寡营养状态，5表示种j喜好在富营养状态下生存3）营养指数 ( diatom index or trophic index，DI),DI为一种通过权重来评价水体富营养化程度的指数，计算公式如下：,式中，N i 为种i的丰度；Gi 为种i的权重；Ti 为种i的营养状态；n为硅藻种总数DI值在1～5之间变化,DI值与湖泊营养程度的对应关系见右表：DI主要用于小型湖泊的短期监测，可得到水体营养状态空间的高分辨率变化情况，但不适用于水体的长期监测4）硅藻模型相似性指数 （diatom model affinity，DMA）,DMA通过模拟自然状态下的硅藻群落组成，计算现实水体的硅藻群落组成与模拟群落之间的相似程度来评价水体质量，其计算公式为：式中，m为模拟群落中种i的百分比；r为现实群落中同一种的百分比；n为硅藻种类数目。

相似百分比越高，表明水体所受污染越轻，反之水体污染越严重 DMA没有地域限制，但只适用于气候条件稳定的地区，主要用于监测点源排放的营养物和有机污染物，指数中建立的模拟硅藻群落只适用于特定地区该方法的主要不足是，在使用DMA之前，需要调查清楚整个地区未受人类活动干扰时水体中硅藻种类和丰度，难度较大目前国外常用的硅藻指数还有：特异性污染敏感指数（specific polluosensitivity index，IPS)、欧共体硅藻指数(European Economic Community，CEE)、水生环境腐殖度指数( SI)、硅藻组合有机污染指数( DAI) 、富营养化硅藻指数EPI-D ( Eutrophication Pollution Index using diatoms)等5）其他硅藻指数,其他硅藻相关的评价方法,多元分析的方法,样点,样点,样点,Axis II,,原始数据,物种,距离矩阵,聚类分析,排序,其他硅藻相关的评价方法,底栖藻类生物完整性指数（P-IBI）是一种多指标方法（multimetrics）, 需要筛选出6～10个从不同方面体现硅藻集群环境响应的参数，对这些参数进行标准化和加和，对河流健康的综合评价；这样一个综合的统计量对于管理者和普通公众简单直观。