水庫富集藻類自動采集技術研發及應用

周新川

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水中常見的生物之一是藻類，水體中產生的藻類浮游植物種類較多，水體中藻類經過光合作用產生的有機物類型明顯多于其他水生植物[1- 2]。藻類為許多水生生物提供食物成為其生存的重要保障[3]。水域環境被污染后，水體中氮、磷含量的增多使得水體富營養化程度加重，加快藻類在水體中的生長速率，危害生態環境現象如赤潮或者水華就會出現在水域中，影響水域生態環境[2- 5]。藻類大量繁殖使水體富營養化導致出現危害生態環境現象的頻率也逐步加大，并成為當前水環境領域研究的難點[6- 9]。近些年來國內許多河流都發生了較為嚴重的水華和赤潮現象[10- 13]，嚴重影響了這些水域的生態環境和居民健康生活質量。水域自然生態環境不僅受水體富營養程度加劇影響，同時由于水體中的養分被大量繁殖的藻類所吸收，使得正常補給不能提供給水體中可凈化水環境的水生植物，而進一步加速了藻類在水體中的繁殖速率，水體中的魚類以含有毒素的藻類為食物影響其生育，并對人類健康產生間接威脅[14]。因此，水生態監測，尤其是對水體中藻類及時準確的監測迫在眉睫[15]。當前，國內水庫藻類主要通過虹吸裝置進行采集，這種方式存在低效率、易污染、難定容和操作繁瑣等問題[9]。為提高水庫藻類采集的標準和精度，本文針對水庫藻類自動采集進行研發，解決傳統藻類采集的缺點和局限。研究成果對于國內水庫藻類采集具有重要的應用和推廣價值。

1 藻類樣品采集

1.1 常規采集方式

依據SL 733—2016《內陸水域浮游植物監測技術規程》，藻類樣品的采集應充分考慮水體類型特點及監測的需求，選擇合適的采樣點，具有良好的代表性和整體性。

藻類定性樣品采集需用25號浮游生物網，網孔直徑64μm，浮游生物網通過可伸縮的采樣桿連接，網前端設有活塞。首先打開活塞清洗浮游生物網，將網口上端置入水面下0～0.3m處，擺動采樣桿做“∞”型循環拖動，約3～5min后將網慢慢提起，然后打開下端的活塞，收集網底濃縮的水樣至樣品瓶，約30～50mL定量樣品采集需用采樣器進行采集，在所測水層采水1000～2000mL。若透明度較高，浮游植物密度較低時，可增加采水量。

1.2 常規采集方式存在的問題

在進行藻類定性樣品采集的過程中，會遇到如下一些問題。

(1)需要大量人力。實際操作時，整個采樣網要全部浸入水體，采樣人員手握采樣桿做“∞”型循環拖動時會遇到水體很強的阻力。尤其是當采樣桿伸縮至較長時，力矩變長，拖動浮游生物網所需的力更大。連續操作3～5min，極大消耗采樣人員的體力。

(2)樣品缺乏一致性。按照標準常規方法，循環拖動時的長度、角度和速度都沒進行嚴格要求，時間也只是寬泛的3～5min，因此采集的過水體積存在較大差異。即使是定性分析，對結果也會產生偏差。

(3)采樣距離不足。受限于浮游植物網伸縮桿的長度，在岸邊采樣時采樣點距離水邊一般不足2m，常伴有沙石碎樹葉等雜質，不僅會堵塞活塞，對藻類監測結果也有影響。

(4)存在安全隱患。藻類定性采樣的地點不論是在岸邊還是船上，離水體都較近，連續長時間的用力“∞”型循環拖動，易發生墜水的意外。

(5)耗材成本高。一方面是為了便于操作伸縮桿都會采用輕質的材料，機械強度不高，常出現彎曲折損的現象；另一方面浮游生物網易破損，一個小的破洞會使整個網都將無法使用。2個方面都加大采樣的成本。

2 水庫富集藻類原位自動采集技術

2.1 設計原理

采用內孔直徑為0.064mm的25號浮游生物網按照SL 733—2016進行藻類樣品的定性采集，對全部種類的藻類浮游植物可進行有效采集和監測。在生物網孔物理截留和拖動過程中，藻類浮游植物的密度由于不斷濃縮富集而逐步增加，后續浮游植物受上一次浮游植物富集濃縮影響同樣可以起到截留作用。藻類定性樣品采集采用環快速濃縮器的設計思路，在定量樣品濃縮過程中采用25號浮游生物采集網并結合蠕動泵富集截留水樣中的藻類浮游植物。

2.2 設計思路

快速濃縮作為蠕動泵的循環動力可以對流量進行定時調節。濃縮器主體底座和瓶體相連接。采用圓柱形狀為上半部分底座，主體瓶體外直徑略低于圓柱內直徑。底座上放置進行濃縮實驗的瓶體，采用防水密封圈在兩者接觸地方布設滲漏水樣。倒錐形為收集器下半部分底座，在圓形底座凹槽放置25號浮游植物網，浮游植物網通過底座凹槽進行固定，以防生物網在水循環時攪動。將實底玻璃材質的空心管作為循環出水管放置在小于生物網直徑的底座凹槽下端，從而避免蠕動泵在水循環過程中將生物網帶入，此外玻璃材質的空心管也可作為廢液排放通道。止逆閥和排水閥在結束濃縮過程后排除水體。將瓶體底部的檢測液分離，采用原液對定量瓶進行滴定并振蕩后，通過顯微鏡對藻類進行檢測。

2.3 設計結構

浮游植物循環快速濃縮器裝置如圖1所示，具體設備見表1。

圖1 采集裝置結構

表1 浮游植物循環快速沉降器設備名稱

2.4 設計流程

(1)首先連接濃縮器進水管、瓶體和蠕動泵管，再連接底座出水管和蠕動泵，此時底座和主體瓶體處于分離階段，關閉止逆閥和排水閥。將底座凹槽放入25號浮游植物網后，在底座上放置主體瓶體。

(2)將搖勻后的待測水體倒入主體瓶體，設定時間和水流循環流量，打開止逆閥，蠕動泵開始工作。

(3)關閉蠕動泵，關閉止逆閥，開啟排水閥，排空待檢測液體，將主體瓶體從底座上拿下來，在定量瓶中放入25號浮游植物網,并將定量瓶按50mL刻度進行原水定容。

(4)在振蕩器中放置容量瓶，振蕩5min，開始顯微鏡檢測。

(5)將高密度聚乙烯材料選為底座出水管和濃縮器底座的制作材料，其優點在于重量低、抗壓、不易腐蝕且價格較低；將化學穩定性高的聚四氟乙烯材料作為止逆閥和排水閥的制作材料；將硅膠管作為濃縮器進水管的制作材料；將便于清洗的玻璃材質作為濃縮器瓶體的制作材料。

2.5 技術優勢

(1)自動化操作。操作人員只需啟動蠕動泵，水中的藻類便可逐漸富集在篩絹上，再對篩絹進行反洗就可以收集到藻類定性樣品。實現了自動化采樣，大大減少了人為操作。

(2)樣品統一性高。由于采用機械進行采樣，蠕動泵的轉速和時間的確定，可以保證采集的每個樣品所經過的過水體積是一致的，保證了富集在篩絹上藻類的統一性。

(3)采樣位置更精確。該裝置中用于支撐采樣管的伸縮桿最大可伸長至5m，前端還設有下沉桿，采樣管進水口固定在下沉桿上，便于采樣位置達到指定深度。

(4)操作安全。取消了操作人員擺動采樣桿的過程，消除了操作的安全隱患。

(5)降低成本。為保證采集樣品的準確性，篩絹每次更換新的，但是只需大概5cm×5cm大小的篩絹，用料約是原方法生物網的1/100，從而減少了消耗。電瓶循環充電，所需能源小。

3 技術比對

3.1 藻類監測種類比對

對大連某水庫分別采用本文方法和常規監測方法進行水樣平行試驗對比。采用40mL刻度對水樣進行濃縮定容，采用相同試驗條件進行藻類種類的比對，采用長條計數法對藻類數量進行分析，兩者采樣方法對比結果見表1。

表1 本文方法與常規方法監測結果對照

從對比結果可看出，本文方法和常規虹吸方法藻類密度分別為7.61×106個/L和7.89×106個/L。在沉降過程種本文方法有一定程度損耗，但符合監測標準規范誤差允許范圍，并在藻類優勢種類和類型上準確度高于常規監測方法。

3.2 藻類生物量采用比對

在大連地區6座水庫分別采用靜置沉降器和循環快速濃縮器對藻類生物量進行比對，對比結果見表2。

表2 靜置沉降器和循環快速濃縮器的藻類生物量對比

由6座水庫靜置沉降器和循環快速濃縮器的藻類生物量監測量對比結果可看出，2種方法藻類密度的相對誤差均在30%以內，符合規程誤差允許范圍。沉降濃縮時間在循環快速濃縮器平均可加速約47h，浮游植物生物量監測的準確度較高。

3.3 藻類群落構成比對

對大連某飲用水源地分別采用靜置沉降器和浮游植物循環快速濃縮器進行優勢藻類組成及藻類密度的對比分析。采用長條計數法對藻類進行計數，對比結果見表3。2種方法優勢藻類組成監測結果較為一致，2種方法監測的優勢藻類均為束絲藻。采用循環快速濃縮器法監測浮游植物群落構成具有較好的可行性和準確率。

表3 采用靜置沉降法和循環快速濃縮法監測浮游植物數據對比結果

4 藻類自動采集技術在碧流河水庫應用

使用研發的水庫富集藻類原位自動采集技術，進行碧流河水庫藻類采集并對藻類浮游植物功能群及影響因子進行分析。大連地區的碧流河水庫是集防洪、供水為一體的大型綜合水庫，最大的水源地在大連地區。2018年5—10月通過船采方式對庫區內水樣進行藻類樣品采集。每周采集一次，S5- 1～S10- 4為其對應試驗編號，m和w分別代表月份和中第w個星期一。

4.1 碧流河水庫浮游植物功能群劃分

碧流河水庫常見浮游植物有22屬，隸屬6個門，碧流河水庫藻類浮游植物常見種類及出現頻率見表4。

由表4可知，出現頻率為100%的分別為針桿藻、小環藻、衣藻和柵藻，頻率為96.2%為隱藻和束絲藻，碧流河水庫最常見的優勢種類為束絲藻和針桿藻。對碧流河水庫監測的22個藻類進行功能群的劃分，功能群分布如圖2所示。

表4 碧流河水庫藻類浮游植物常見種類及出現頻率

由圖2可看出，Group 3數量最多且大于50%，其代表是以束絲藻為主的具有偽空胞的大型絲藻。這類束絲藻具有體型大、生長慢、無沉降損失等特點，光照和總磷是主要驅動因子；其中占比38.4%的為Group 6，碧流河水庫的主要功能群由Group 3和Group 6組成。這類功能群包含無鞭毛有硅質外壁的硅藻門，沉降速率高，可產生休眠孢子沉于底泥中。一些中到大型的藻類由Group 4和Group 5中的代表組成，資源獲取能力和沉降速率中等，雖然個體大，但密度并不占優勢。Group 1中以小型藻類為主，如衣藻等，其占比不足1%，這類功能群具有生長快，對營養吸收迅速等特點，總磷總氮等營養鹽對其具有顯著影響。這一定程度反映出碧流河水庫氮磷濃度不高變化不大。此外，最適合在清潔水體生存的，以金藻為代表的Group 2類功能群并沒有檢測到，這說明了水質未達到低營養級。

圖2 碧流河水庫藻類浮游植物各功能群組成

4.2 碧流河水庫藻類浮游植物密度分析

通過測定，9月第1周為碧流河水庫藻類浮游植物密度最高值，1.1611×107個/L為碧流河水庫藻類浮游植物密度均值，不同監測期藻類浮游植物密度如圖3所示。

圖3 碧流河水庫浮游植物功能群密度變化

4.3 環境因子與浮游植物的相關性

將碧流河水庫浮游植物分組后，進行趨勢對應分析，響應值為1.159，由于得出物種的單峰響應值小于3，線性響應，因此對浮游植物密度采樣點環境因子進行冗余分析，結果如圖4所示。

圖4 碧流河水庫浮游植物密度與環境因子RDA排序

碧流河水庫藻類總數受溫度影響最大，夏季的高溫天氣是導致藻類大量繁殖的主要原因。小型藻為Group 1主要組成，小型藻吸收氮磷速率快，隨著氮磷的增加數量急劇增長。大型藻主要為Group 3、Group 5和Group 7，數量與溫度和高錳酸鹽呈正相關，與總磷和透明度呈負相關，而總氮和葉綠素則對其影響不大。Group 3以沉降慢及大體型的束絲藻為主，是降低水體透明度的主要因素。硅藻和中大型的綠藻是Group 4和Group 6主要種類，和葉綠素正相關性較高。降低水體透明度不會因Group 6藻類密度增加而降低。Group 4與氮磷呈負相關，由于攝取氮磷能力有限，高營養鹽的條件并不適宜這類功能群生長。由上述分析可知，藻類總數會受溫度直接影響，隨著溫度升高藻類生長更加旺盛。大型絲狀藻類是Group 3主要形態且數量最大，由于具有較大比面積和較差的沉降速率，在水體表面大量繁殖，明顯降低水體透明度。Group 3功能群會更多被水中的有機物利用。硅藻門和中大型綠藻門為Group 4和Group 6主要形態，細胞結構為膠質和色素體，隨著2個功能群的增多葉綠素明顯升高。Group 1以小型藻為主，小型藻由于對氮磷敏感而加劇繁殖，優勢藻對Group 3和Group 6影響不顯著，這主要是因為碧流河水庫作為飲用水源地，為二類水質，庫區內氮磷濃度較低，降低了水體藻類繁殖速率。

5 結論

(1)富集藻類采集裝置相比于常規的虹吸沉降方式，可有效避免繁瑣的虹吸過程。在監測誤差滿足規范要求的基礎上，操作難度低，實驗流程影響因素少，可準確定容，且具有較高的監測效率，藻類監測在水庫、飲用水源地具有較好的應用前景。

(2)6月為碧流河水庫針桿藻快速生長期，藻類密度加劇的主因為溫度，當溫度驟升時可采用本文研發的裝置加大監測頻次，及時監測藻類變化情況。束絲藻水華較易在9月初發生，建議7、8兩月嚴格控制水體中有機質的含量，尤其是農業面源污染。

(3)藻類自動采集技術雖然解決了藻類沉降過程中繁瑣的虹吸以及處理效率低的問題，但仍需沉降靜置48h，不能滿足藻類快速監測的要求，后續應重點研發藻類快速監測的儀器和關鍵技術。