太湖藍藻水華的自動監(jiān)測和手工監(jiān)測比對分析

鐘聲

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210019)

由富營養(yǎng)化引起的藍藻水華是當前我國乃至世界所面臨的重大環(huán)境議題，在全球氣溫升高的背景下，藍藻水華正在全球水體中快速擴張[1-2]。在我國“三湖一庫”等重要內(nèi)陸水體，藍藻水華常年發(fā)生[3-6]，直接威脅到區(qū)域內(nèi)居民的供水安全。對水華的監(jiān)測預警是判斷水華發(fā)展趨勢以及制定相應對策的重要前提，其作用在水源地飲用水安全保障中尤顯突出。

對藍藻水華的常規(guī)監(jiān)測手段主要有人工鏡檢法和色素定量法，根據(jù)檢測原理的不同，后者又可以分為分光光度法和熒光定量法。人工鏡檢法是最傳統(tǒng)的藻類定量方法，其優(yōu)點是結(jié)果直接，可以提供豐富的分類學和形態(tài)學信息，但其缺點也顯而易見，不僅過程耗時，且對操作人員業(yè)務(wù)水平的依賴程度高，因此難以滿足應急管理需求。色素定量法由于檢測周期短，在結(jié)果的時效性上遠勝于人工鏡檢法，尤其是熒光定量法近幾年來得到了快速發(fā)展，基于該原理開發(fā)的在線監(jiān)測儀器已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用[7-9]。但由于熒光定量法易受到藻種組成、藻團大小、環(huán)境條件等因素的影響，其結(jié)果的精確性和可靠性時常受到質(zhì)疑[10-12]。

人工鏡檢法和丙酮萃取分光光度法作為標準方法，其操作流程已規(guī)范化[13-14]，而基于熒光定量法的自動監(jiān)測方法目前仍無標準可參照。目前針對藻類定量方法之間的相關(guān)性研究多圍繞葉綠素a與藻密度展開[15-16]，鮮有涉及自動監(jiān)測方法的研究。由于太湖藍藻水華監(jiān)測任務(wù)時間周期長、工作量大，相關(guān)監(jiān)測和管理部門已將自動監(jiān)測方法常態(tài)化應用于水華監(jiān)測工作中[17]，因此將自動監(jiān)測方法與手工監(jiān)測方法進行比對，以檢驗其適用性是十分迫切且必要的。現(xiàn)通過對上述3種監(jiān)測方法(自動監(jiān)測法、人工鏡檢法和分光光度法)所測葉綠素濃度和藻密度指標進行相關(guān)性分析，著重考察和評估基于熒光定量法的常用藻類自動監(jiān)測儀器在夏季太湖藍藻水華監(jiān)測中的適用性。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)計及儀器

實驗設(shè)計：于2020年8月26日在太湖梅梁灣梅梁湖點位(東經(jīng)120.17306°,北緯31.46889°)打撈富集了高濃度藻液，用分光光度法對藻液初始濃度進行定量，所得葉綠素a質(zhì)量濃度為3 330 μg/L。按不同比例將原藻液進行稀釋，根據(jù)稀釋倍數(shù)，得到4種濃度區(qū)段的藻液，分別為低質(zhì)量濃度(1～30 μg/L)、中質(zhì)量濃度(30～100 μg/L)、較高質(zhì)量濃度(100～300 μg/L)以及高質(zhì)量濃度(100～600 μg/L)。每個濃度區(qū)段所包含的濃度梯度不少于5個，每個梯度設(shè)3組平行。于2020年8月20—27日在同點位每日采集1次水樣，帶回實驗室后進行分析。

實驗儀器：含6025型和6131型熒光傳感器的YSI-6600便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀(美國YSI公司)；含599102-01型雙通道熒光傳感器的EXO2便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀(美國YSI公司)。

1.2 樣品分析及數(shù)據(jù)分析

樣品分析：參考文獻[18-19]對原藻液中藻種進行分類鑒定，分別用3種方法對配置好的不同濃度藻液進行定量分析，其中人工鏡檢法測定藻密度(D鏡檢)參考文獻[13]，丙酮萃取分光光度法測定葉綠素a濃度(Chl.a丙酮)參考文獻[14]。YSI葉綠素濃度、YSI藻密度(ChlYSI、DYSI)數(shù)據(jù)使用YSI-6600便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀測定，EXO葉綠素濃度、EXO藻密度(ChlEXO、DEXO)數(shù)據(jù)使用EXO2便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀測得。葉綠素儀器探頭測量范圍為0～400 μg/L，分辨率為0.1 μg/L；藻密度儀器探頭測量范圍為0～2×108個/L。

數(shù)據(jù)分析：利用Microsoft excel 2019進行數(shù)據(jù)整理，利用Origin 2019(OriginLab，美國)進行數(shù)據(jù)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 原藻液中藻種組成

夏季太湖梅梁湖水樣中的藻種組成鑒定結(jié)果見表1。由表1可見，微囊藻在夏季太湖梅梁湖水樣中為絕對優(yōu)勢種，占所有藻種的比例為90.9%，其中惠氏微囊藻占比最高，為33.2%，其余依次為銅綠微囊藻、水華微囊藻、挪氏微囊藻、水華長孢藻。在夏季太湖梅梁湖水樣中，水華藍藻主要為微囊藻屬和長孢藻屬。

表1 夏季太湖梅梁湖水樣中的藻種組成

2.2 自動監(jiān)測法與人工鏡檢法檢測結(jié)果的相關(guān)性

表2 自動監(jiān)測法與人工鏡檢法檢測結(jié)果的線性相關(guān)性

2.3 自動監(jiān)測法、人工鏡檢法與分光光度法檢測結(jié)果的相關(guān)性

表3 自動監(jiān)測法、人工鏡檢法與分光光度法檢測結(jié)果的線性相關(guān)性

2.4 自動監(jiān)測法與人工鏡檢法的線性擬合

在各藻液濃度區(qū)段，ChlYSI、ChlEXO與D鏡檢的回歸系數(shù)波動相對較小，變異系數(shù)分別為0.24和0.19，而其他指標間的回歸系數(shù)波動較大，變異系數(shù)均>0.5，見圖1(a)(b)。因此，可以在全濃度區(qū)段內(nèi)用人工鏡檢法測得的藻密度結(jié)果對兩款儀器測得的葉綠素濃度進行線性擬合。

圖1 自動監(jiān)測法與人工鏡檢法的線性擬合

ChlYSI、ChlEXO與D鏡檢的回歸方程見式(1)—(2)：

ChlYSI= 1.563×10-4×D鏡檢+3.232

(1)

ChlEXO= 1.585×10-4×D鏡檢+1.836

(2)

2.5 野外實際樣品的線性擬合

圖2 野外實際樣品的線性擬合

3 討論

YSI-6600型和EXO2型便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀是目前我國環(huán)境監(jiān)測部門使用較多的水質(zhì)參數(shù)測量儀器，前者的6025型和6131型傳感器以及后者的599102-01型雙通道傳感器均基于熒光測量技術(shù)，可直接檢測活體藻細胞中特定色素的熒光，從而實現(xiàn)對水體中藻類的定量檢測[20]，目前已被應用于太湖藍藻水華的自動在線監(jiān)測預警工作中[17]。

3.1 各方法指標間的相關(guān)性

兩款儀器測定的葉綠素(ChlYSI、ChlEXO)與人工鏡檢法測定的藻密度(D鏡檢)、分光光度法測定的葉綠素a(Chl.a丙酮)均存在顯著的線性正相關(guān)。值得注意的是，ChlYSI、ChlEXO與D鏡檢在所有濃度區(qū)段均存在較高的線性相關(guān)性。已有研究表明，對于以微囊藻為絕對優(yōu)勢種的水體，基于活體熒光定量法的儀器測量值與其他常規(guī)方法指標(如生物量、藻密度和葉綠素a)之間存在與本研究類似的高相關(guān)性，區(qū)別在于不同研究所涉及的藻密度存在差異[7, 21]。野外微囊藻通常以藻團形式存在，在人工鏡檢計數(shù)前，若不將藻團打散，檢測結(jié)果會出現(xiàn)嚴重偏差。盡管藻團同樣會對活體熒光定量結(jié)果產(chǎn)生不利影響[22]，但這種影響有限，不會對儀器測量結(jié)果的線性產(chǎn)生根本性影響。

相比ChlYSI和ChlEXO，Chl.a丙酮在低濃度區(qū)段與D鏡檢的線性相關(guān)性較差。由于分光光度法測定葉綠素a前，需要采取樣品過濾、破碎、萃取等一系列預處理步驟，勢必會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差和損耗。在本研究設(shè)置的低濃度區(qū)段中，有3個濃度梯度低于文獻[14]中的測定下限(8 μg/L)。有研究表明，熒光法定量的靈敏度要高于分光光度法，且檢測限低于分光光度法[23]。因此，對于低濃度藻液，兩款儀器檢測結(jié)果的精密度和穩(wěn)定性會更高。

對同期同點位野外樣品采用3種方法檢測，結(jié)果表明，ChlYSI與D鏡檢、Chl.a丙酮的相關(guān)性總體趨勢與梯度稀釋實驗結(jié)果保持一致，但相關(guān)程度較弱?？赡艿脑蚴牵瑢嶒炛惺褂眉兯♂?，且藻類種群基本保持不變，相比之下，在藻類垂向遷移、風浪擾動等作用下，野外水體情況復雜，且藻類群落變化較大。

3.2 藻液濃度對回歸系數(shù)的影響

本研究中高濃度區(qū)段是由較高濃度區(qū)段的7個梯度增加3個高濃度梯度構(gòu)成，盡管配置的最高藻液梯度未超出熒光傳感器的測量范圍，但增加的3個梯度分別使兩款儀器的線性回歸系數(shù)(D鏡檢-ChlYSI、D鏡檢-ChlEXO)增大了50.14%和40.23%。由于高濃度藻液會吸收大量的激發(fā)光而導致熒光的非線性響應[24]，因此，應慎重使用高濃度野外樣品對儀器進行校準和系數(shù)標定，這些高濃度值會產(chǎn)生很強的“杠桿效應”[25]，導致回歸系數(shù)發(fā)生較大變化。

由于藍藻的漂移積聚，在夏季太湖某些水域，葉綠素a濃度會達到相當高的水平，如本研究中藍藻樣品采集點位，表層Chl. a丙酮有時>2 000 μg/L，遠超本研究所設(shè)濃度梯度的最大值。盡管在高濃度范圍內(nèi)，D鏡檢仍可能會與ChlYSI、ChlEXO存在一定的線性相關(guān)性，但由于其回歸系數(shù)較其他濃度區(qū)段會發(fā)生較大變化，因此，須針對此濃度區(qū)段單獨設(shè)置梯度來構(gòu)建兩者之間的相關(guān)性，以提高回歸模型的預測準確性。

4 結(jié)論

(1)針對夏季太湖水樣研究發(fā)現(xiàn)，在采用人工梯度稀釋的各藍藻濃度區(qū)段內(nèi)，ChlYSI、ChlEXO與D鏡檢均具有很高的線性相關(guān)性。

(2)ChlYSI、ChlEXO與D鏡檢在各藍藻濃度區(qū)段的回歸系數(shù)變化相對較小，而其他指標間的回歸系數(shù)變化較大。對同期同點位的野外實際樣品進行檢測，其結(jié)果的總體趨勢與梯度稀釋實驗結(jié)果保持一致。因此，在藻類種群和聚集形態(tài)相對穩(wěn)定的監(jiān)測點位，可以根據(jù)本研究構(gòu)建的回歸方程[式(1)—(2)]預測ChlYSI、ChlEXO對應的D鏡檢。

(3)建立了自動監(jiān)測法(儀器熒光法)和人工鏡檢法的定量關(guān)系，可指導夏季太湖藍藻水華的監(jiān)測預警。但還須對其他季節(jié)和更多點位的樣本開展進一步研究，才能得出更全面、可靠的結(jié)論。