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有害水華(HABs)監測/預警的新解決方案
日期:2017-05-22 17:30:08
伴隨著我(wo)國經(jing)濟(ji)快(kuai)(kuai)速發展的(de)同時,生(sheng)態環境(jing)持續惡化。近年來我(wo)國水(shui)(shui)體中有害藻華(hua)(Harmful Algal Blooms,HABs)(包括海(hai)洋赤潮和(he)淡水(shui)(shui)水(shui)(shui)華(hua))持續高頻(pin)次(ci)發生(sheng),已嚴重影響(xiang)到居民的(de)飲水(shui)(shui)安(an)全、水(shui)(shui)產養殖、水(shui)(shui)體景觀價值等方面,造(zao)成了巨(ju)大的(de)經(jing)濟(ji)損(sun)失。我(wo)國各(ge)級政府部門和(he)科研機(ji)構對水(shui)(shui)體中浮游(you)植物群落的(de)動態變(bian)化進(jin)行快(kuai)(kuai)速監測、對淡水(shui)(shui)藍藻水(shui)(shui)華(hua)和(he)海(hai)洋硅藻/甲(jia)藻赤潮進(jin)行早期預警(jing)的(de)需求越來越強烈。

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現有的方法及局限性

目前我國浮(fu)游植(zhi)物和有害藻(zao)華的監(jian)測主要采用顯微計數、葉(xie)綠(lv)素含量測定、衛(wei)星遙感、藻(zao)毒素監(jian)測等技術。

傳統顯微(wei)計數采集的(de)樣(yang)(yang)品需要經過魯格氏液、甲醛等固定(ding)液固定(ding),帶回實驗室沉淀濃縮后(hou)進行定(ding)性定(ding)量分析(xi),需要花費的(de)時間較長。傳統的(de)光學顯微(wei)鏡由于聚焦金和(he)景深的(de)限制,只(zhi)能測量很小體積的(de)樣(yang)(yang)品,且不(bu)能在水(shui)下(xia)原位測量。

葉(xie)綠素(su)含量測(ce)定是一種相(xiang)對(dui)較快速簡單的(de)(de)測(ce)量技(ji)術,但(dan)傳統的(de)(de)測(ce)量方法(fa)多(duo)為現場抽濾后帶回實驗室抽提,然后進行(xing)分(fen)(fen)光(guang)光(guang)度計分(fen)(fen)析(xi)、熒光(guang)分(fen)(fen)光(guang)光(guang)度計分(fen)(fen)析(xi)或(huo)高效液相(xiang)色普(pu)(HPLC)分(fen)(fen)析(xi),但(dan)這種技(ji)術需要(yao)1-2天才(cai)能(neng)獲得結果。這兩種方法(fa)均不能(neng)立即反映出水體中的(de)(de)藻類信息,而是要(yao)經過一段分(fen)(fen)析(xi)時(shi)間,從而降低了(le)生(sheng)物(wu)監測(ce)的(de)(de)時(shi)效性(xing),大大影響有害藻華的(de)(de)監測(ce)/預警(jing)。此外,葉(xie)綠素(su)含量測(ce)定也可用原位傳感器進行(xing)連續監測(ce),但(dan)這種方法(fa)多(duo)采用若丹明法(fa)(化學法(fa))校正數(shu)據,誤(wu)差大,且傳感器需要(yao)經常維(wei)護。

衛星(xing)遙(yao)感(gan)具備監(jian)測范圍廣(guang)、數據多、不受(shou)地理(li)位(wei)置和(he)人(ren)為條件限制等(deng)優點,但(dan)其容易(yi)受(shou)天氣條件影響,且往往需要藻類(lei)細胞累積到一定程(cheng)度(可能已經(jing)發生藻華)才能監(jian)測到,往往達不到預警的效果,而且購買(mai)衛星(xing)遙(yao)感(gan)數據費(fei)用高,分析復雜,因此衛星(xing)遙(yao)感(gan)多在(zai)專業(ye)機構進行。

藻毒素監測(ce)目前主要采(cai)用(yong)HPLC和ELISA方(fang)法(fa),兩種方(fang)法(fa)都(dou)可以精確(que)的(de)測(ce)量(liang)(liang)水(shui)體(ti)中的(de)藻毒素含量(liang)(liang),但都(dou)需要人工(gong)到現(xian)場采(cai)集樣品(pin),帶回實驗(yan)室(shi)破碎細胞抽(chou)提毒素,過(guo)程(cheng)復(fu)雜,速度慢(man),且(qie)不能(neng)長期自(zi)動(dong)連續監測(ce)。即使兩次采(cai)樣都(dou)未(wei)檢測(ce)到毒素,但也不能(neng)保(bao)證兩次采(cai)樣的(de)間(jian)隔期藻類沒有(you)產毒,或毒素沒有(you)釋放到水(shui)中。





方(fang)案的監測功能



 l  利用浮游植物熒光儀PHYTO-PAM-Ⅱ現場測量藍藻、綠藻、硅/甲藻、隱藻的葉綠素a含量和總葉綠素a含量,以及它們的光合活性(“生長潛(qian)能”)

 l  利(li)用水(shui)質多參(can)數儀及浮(fu)標監測(ce)(ce)平(ping)臺快(kuai)速(su)或實時監測(ce)(ce)水(shui)體富營養化趨勢(shi)

 l  利用便攜式浮游植物流式細胞儀CytoSense或水下浮游植物流式細胞儀CytoSub對浮游植物細胞數進行快速計數,并獲知主要類群的細胞濃度、細胞大小、細胞形態學信息;獲知微(wei)囊(nang)藻(zao)、棕囊(nang)藻(zao)等的群(qun)體(囊(nang))動力學變化情況;對于鏈狀藻類,可以測量每條(tiao)鏈的細(xi)胞數;對于硅藻、甲藻等形狀特殊的藻類,可根據浮游植(zhi)物專家庫進(jin)行(xing)快速鑒定

 l  利用CytoSense-Online系統或在線監測型浮游植物流式細胞儀CytoBuoy對水體中的浮游植物進行長期連續監測

 l  利用產毒藻及藻毒素在線監(jian)測系統ESP,在水下利用分(fen)子探針技(ji)術和免疫技(ji)術原位(wei)、長(chang)期監(jian)測產毒藻和藻毒素的變化

 


新方案的預警功能

l  根據葉綠素a含量和細胞數變化趨勢進行預警

l  根據(ju)水質變化趨勢(shi)對富營(ying)養化水域進行監(jian)測

l  浮游植物的光合活性(“生長潛能”)預示著未來的生長潛力,光合活性高、耐強光的浮游植物在環境條件(營養鹽、光照、溫度)適合時更容易發生藻華

l  微囊藻、棕囊藻等帶囊的藻類,不形成囊不發生藻華,而利用CytoSense等可長期監測水體中微囊藻、棕囊藻等“囊”的變化,進行早期預警

l  根據產毒藻(zao)和藻(zao)毒素的變(bian)化(與供(gong)水(shui)、水(shui)產養殖(zhi)密切相關!!)進行預(yu)警





新方案所需設備及用途

1)浮游植物熒光儀PHYTO-PAM-Ⅱ

u  現場快速(su)對水樣中的藍藻(zao)、綠藻(zao)、硅(gui)/甲(jia)藻(zao)、隱藻(zao)自動定(ding)(ding)性(分類)定(ding)(ding)量(liang)(測(ce)葉綠素(su)a)

u  現場快速測量藍藻、綠藻、硅/甲藻、隱藻(zao)的光合活性(“生長潛能”)


2) Xylem便攜式水質多參數(shu)檢測儀

u  550A型便攜(xie)式(shi)溶解氧測量儀

u  ProODO光(guang)學溶解(jie)氧測量儀

u  YSI ProPlus型(xing)多參(can)數水質(zhi)測量儀

u  pH100A便(bian)攜(xie)式pH計


3)GreenEyes營養(yang)鹽原位監測系(xi)統(EcoLABⅡ、Nulab4)

u  將濕化學法應用(yong)于野(ye)外

u  實時觀測水體氮、磷等藻類(lei)生(sheng)長要素的變(bian)化


4) 海洋(yang)/淡水浮標生態監(jian)測系(xi)統

u  實現水(shui)文水(shui)質實時(shi)監測

u  水體葉(xie)綠(lv)素及浮游植(zhi)物在線監測(ce)


5) CytoBuoy系列浮游植物(wu)流(liu)式(shi)細胞儀(CytoSense、CytoBuoy、CytoSub)

u  現場快速(su)計數水體(ti)中浮(fu)游植物細胞總數

u  現場快速獲取浮游植(zhi)物(wu)細胞類群信(xin)息(濃度、大小、類群、定種)

u  現(xian)場快速(su)測量微囊(nang)藻、棕囊(nang)藻等細胞數以及(ji)“囊(nang)”的(de)比例


6) 產毒(du)藻及藻毒(du)素在線監測系統ESP

u  長期(qi)、自動、連續監測(ce)產毒藻(zao)和/或藻(zao)毒素的變化

u  長期(qi)、自動、連續監測特定藻、細菌、浮游動物(wu)等的變化

u  提供(gong)定(ding)制(zhi)化分子探(tan)針(zhen)組合套(tao)裝(zhuang),完(wan)善解決客戶的特殊需求

u  監測結果可無線傳(chuan)輸(shu)到(dao)岸上(shang)基(ji)站

u  可水下原位工作(耐受50m水壓),也可在監測平臺或水站房中工作

u  可在水下采集并保存樣品,等回收后在實驗室



利用浮游植物光合活性進行藻化預警的原理


藻(zao)類的(de)(de)生長靠(kao)光合(he)作用,藻(zao)華的(de)(de)爆發是在特定(ding)的(de)(de)環境(jing)條(tiao)件下(富營養、高(gao)光、高(gao)溫(wen))由(you)藻(zao)類短期快速暴增造成的(de)(de),這其間藻(zao)類必須具備極強的(de)(de)光合(he)作用才能快速生長。

監測(ce)葉綠素a含(han)量(liang)可(ke)以了解目前(qian)(qian)水體中的藻類生物量(liang),但這(zhe)只代表歷史(如果營(ying)養鹽很(hen)低,即使當前(qian)(qian)藻類生物量(liang)高,也不具備發(fa)生藻華的可(ke)能);而監測(ce)藻類的光合作

用活性可以(yi)了(le)解藻(zao)類的“生長潛能”,結合(he)其(qi)它環境條件可以(yi)預測(ce)未來(富營養條件且高(gao)光高(gao)溫下,即使當前藻(zao)類生物量不高(gao),但只要光合(he)作用活性強,就(jiu)具(ju)有極大的

發生藻華的可能(neng))。由(you)于PHYTO-PAM-Ⅱ可(ke)以(yi)(yi)測量自然水樣中藍藻(zao)(zao)(zao)、綠(lv)藻(zao)(zao)(zao)和硅(gui)/甲藻(zao)(zao)(zao)、隱(yin)藻(zao)(zao)(zao)各自的光合作(zuo)用,就可(ke)以(yi)(yi)對藻(zao)(zao)(zao)華發生時不同(tong)藻(zao)(zao)(zao)類類群進行分析(xi)。利用PHYTO-

PAM-Ⅱ測(ce)量不同(tong)藻類(lei)葉綠(lv)素a含量和光合(he)作用(yong)活(huo)性的(de)功能,可以長期(qi)監測(ce)自然水體中浮(fu)游(you)植(zhi)物種(zhong)群生物量的(de)動力學(xue)變(bian)化和不同(tong)類(lei)群光合(he)作用(yong)潛(qian)力的(de)變(bian)化趨勢,這對(dui)于藻

華的預警(jing)具有重要參考(kao)價值。


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利用浮游植物流式細胞儀進行藻化預警的原理

藍藻水(shui)華(hua)多(duo)由微(wei)(wei)囊(nang)(nang)(nang)藻引起,而微(wei)(wei)囊(nang)(nang)(nang)藻形(xing)成水(shui)華(hua)的(de)前(qian)提(ti)是藻細胞(bao)(bao)(bao)聚(ju)集(ji)形(xing)成群(qun)(qun)體(“囊(nang)(nang)(nang)”)并(bing)浮(fu)到水(shui)面。如果沒有(you)群(qun)(qun)體細胞(bao)(bao)(bao)的(de)形(xing)成,就(jiu)不(bu)會(hui)形(xing)成水(shui)華(hua)。微(wei)(wei)囊(nang)(nang)(nang)藻的(de)群(qun)(qun)體比較(jiao)大(da),一(yi)般的(de)流式細胞(bao)(bao)(bao)儀不(bu)能直接(jie)進(jin)樣(yang)測量(liang),但CytoBuoy系列浮(fu)游植物流式細胞(bao)(bao)(bao)儀可(ke)(ke)以(yi)直接(jie)進(jin)樣(yang)測量(liang),并(bing)且可(ke)(ke)以(yi)獲知群(qun)(qun)體細胞(bao)(bao)(bao)的(de)粒徑大(da)小和不(bu)同大(da)小的(de)群(qun)(qun)體所占(zhan)的(de)比例(li)。從春季開始(shi),定期監測不(bu)同水(shui)層(ceng)的(de)微(wei)(wei)囊(nang)(nang)(nang)藻群(qun)(qun)體細胞(bao)(bao)(bao)的(de)粒徑變(bian)化和所占(zhan)比例(li)的(de)變(bian)化,就(jiu)可(ke)(ke)以(yi)對微(wei)(wei)囊(nang)(nang)(nang)藻水(shui)華(hua)進(jin)行早(zao)期預警。當(dang)群(qun)(qun)體細胞(bao)(bao)(bao)占(zhan)的(de)比例(li)越來越高并(bing)且從下(xia)層(ceng)水(shui)面遷移時,就(jiu)預示著形(xing)成水(shui)華(hua)的(de)條件逐漸成熟了,可(ke)(ke)以(yi)啟動(dong)預警方案。

有些藍(lan)藻水華或海洋赤潮是由鏈(lian)狀細(xi)胞(bao)(bao)形(xing)成的(de)。對這些細(xi)胞(bao)(bao)而言,細(xi)胞(bao)(bao)鏈(lian)的(de)長度有助(zhu)于藻增加(jia)浮力獲得充足的(de)光照(zhao),如果營養鹽豐富、氣象(xiang)條(tiao)件合適,細(xi)胞(bao)(bao)鏈(lian)長的(de)藻類就更可能形(xing)成水華。因(yin)此,利用CytoBuoy系列(lie)浮游植物流式(shi)細(xi)胞(bao)(bao)儀來測量細(xi)胞(bao)(bao)鏈(lian)的(de)長度是可以(yi)用于水華預(yu)警的(de)。

對于形狀特(te)殊的赤潮硅藻和甲(jia)藻而言,利用CytoBuoy系列浮游植物流式細胞(bao)儀可以建立專家(jia)庫,進而對自然水樣(yang)進行有害藻的快速(su)篩(shai)選(xuan)/預警。





有害藻華監測/預警展望

綜上所述,浮游植物熒光儀PHYTO-PAM-Ⅱ、水質便攜/在線監測技術、CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀和產毒藻及藻毒素在線監測系統ESP在有害藻華的監測/預警方面具有非常大的應用潛力:PHYTO-PAM-Ⅱ重在自動分類的基礎上同時了解生物量和光合活性(“生長潛能”);水下原位營養鹽系統將濕化學方法應用于野外,實時觀測水體氮、磷等藻類生長要素的變化,水質多參數監測儀及浮標在線監測系統可快速、實時監測水質水文要素的動態變化;CytoBuoy重在專門針對浮游植物(wu)的(de)細胞計數,且可直(zhi)接測量微(wei)囊藻(zao)(zao),對形狀(zhuang)特殊的(de)藻(zao)(zao)可鑒定到(dao)種(zhong);ESP重在對于(yu)產毒藻(zao)(zao)和藻(zao)(zao)毒素進行(xing)長期、連(lian)續、在線監測。四種(zhong)計數都是(shi)前沿的(de)技術(shu),且儀器(qi)都是(shi)為(wei)了野(ye)外應用而設計,充分考慮到(dao)了現場(chang)監測的(de)困難。四種(zhong)技術(shu)可分別用于(yu)有害藻華的監測/預警,如果結合使用,對于監測/預警的效果會更好。相信四種技術對于我們淡水與海洋的環境的有害藻華監測/預警都會發揮極大的助力作用。                                                                                                                                                









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