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有害水華(HABs)監(jiān)測/預警的新解決方案
日期:2017-05-22 17:30:08
伴隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展的同時,生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。近年來我國水體中有害藻華(Harmful Algal Blooms,HABs)(包括海洋赤潮和淡水水華)持續(xù)高頻次發(fā)生,已嚴重影響到居民的飲水安全、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水體景觀價值等方面,造成了巨大的經(jīng)濟損失。我國各級政府部門和科研機構對水體中浮游植物群落的動態(tài)變化進行快速監(jiān)測、對淡水藍藻水華和海洋硅藻/甲藻赤潮進行早期預警的需求越來越強烈。

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現(xiàn)有的方法及局限性

目前我國浮游植物和有害藻華的監(jiān)測主要采用顯微計數(shù)、葉綠素含量測定、衛(wèi)星遙感、藻毒素監(jiān)測等技術。

傳統(tǒng)顯微計數(shù)采集的樣品需要經(jīng)過魯格氏液、甲醛等固定液固定,帶回實驗室沉淀濃縮后進行定性定量分析,需要花費的時間較長。傳統(tǒng)的光學顯微鏡由于聚焦金和景深的限制,只能測量很小體積的樣品,且不能在水下原位測量。

葉綠素含量測定是一種相對較快速簡單的測量技術,但傳統(tǒng)的測量方法多為現(xiàn)場抽濾后帶回實驗室抽提,然后進行分光光度計分析、熒光分光光度計分析或高效液相色普(HPLC)分析,但這種技術需要1-2天才能獲得結果。這兩種方法均不能立即反映出水體中的藻類信息,而是要經(jīng)過一段分析時間,從而降低了生物監(jiān)測的時效性,大大影響有害藻華的監(jiān)測/預警。此外,葉綠素含量測定也可用原位傳感器進行連續(xù)監(jiān)測,但這種方法多采用若丹明法(化學法)校正數(shù)據(jù),誤差大,且傳感器需要經(jīng)常維護。

衛(wèi)星遙感具備監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)多、不受地理位置和人為條件限制等優(yōu)點,但其容易受天氣條件影響,且往往需要藻類細胞累積到一定程度(可能已經(jīng)發(fā)生藻華)才能監(jiān)測到,往往達不到預警的效果,而且購買衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)費用高,分析復雜,因此衛(wèi)星遙感多在專業(yè)機構進行。

藻毒素監(jiān)測目前主要采用HPLC和ELISA方法,兩種方法都可以精確的測量水體中的藻毒素含量,但都需要人工到現(xiàn)場采集樣品,帶回實驗室破碎細胞抽提毒素,過程復雜,速度慢,且不能長期自動連續(xù)監(jiān)測。即使兩次采樣都未檢測到毒素,但也不能保證兩次采樣的間隔期藻類沒有產(chǎn)毒,或毒素沒有釋放到水中。





方案的監(jiān)測功能



 l  利用浮游植物熒光儀PHYTO-PAM-Ⅱ現(xiàn)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(“生長潛能”)

 l  利用水質多參數(shù)儀及浮標監(jiān)測平臺快速或實時監(jiān)測水體富營養(yǎng)化趨勢

 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(shù)進行快速計數(shù),并獲知主要類群的細胞濃度、細胞大小、細胞形態(tài)學信息;獲知微囊藻、棕囊藻等的群體(囊)動力學變化情況;對于鏈狀藻類,可以測量每條鏈的細胞數(shù);對于硅藻、甲藻等形狀特殊的藻類,可根據(jù)浮游植物專家?guī)爝M行快速鑒定

 l  利用CytoSense-Online系統(tǒng)或在線監(jiān)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(xù)監(jiān)測

 l  利用產(chǎn)毒藻及藻毒素在線監(jiān)測系統(tǒng)ESP,在水下利用分子探針技術和免疫技術原位、長期監(jiān)測產(chǎn)毒藻和藻毒素的變化

 


新方案的預警功能

l  根據(jù)葉綠素a含量和細胞數(shù)變化趨勢進行預警

l  根據(jù)水質變化趨勢對富營養(yǎng)化水域進行監(jiān)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(huán)境條件(營養(yǎng)鹽、光照、溫度)適合時更容易發(fā)生藻華

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

l  根據(jù)產(chǎn)毒藻和藻毒素的變化(與供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖密切相關!!)進行預警





新方案所需設備及用途

1)浮游植物熒光儀PHYTO-PAM-Ⅱ

u  現(xiàn)場快速對水樣中的藍藻、綠藻、硅/甲藻、隱藻自動定性(分類)定量(測葉綠素a)

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


2) Xylem便攜式水質多參數(shù)檢測儀

u  550A型便攜式溶解氧測量儀

u  ProODO光學溶解氧測量儀

u  YSI ProPlus型多參數(shù)水質測量儀

u  pH100A便攜式pH計


3)GreenEyes營養(yǎng)鹽原位監(jiān)測系統(tǒng)(EcoLABⅡ、Nulab4)

u  將濕化學法應用于野外

u  實時觀測水體氮、磷等藻類生長要素的變化


4) 海洋/淡水浮標生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

u  實現(xiàn)水文水質實時監(jiān)測

u  水體葉綠素及浮游植物在線監(jiān)測


5) CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀(CytoSense、CytoBuoy、CytoSub)

u  現(xiàn)場快速計數(shù)水體中浮游植物細胞總數(shù)

u  現(xiàn)場快速獲取浮游植物細胞類群信息(濃度、大小、類群、定種)

u  現(xiàn)場快速測量微囊藻、棕囊藻等細胞數(shù)以及“囊”的比例


6) 產(chǎn)毒藻及藻毒素在線監(jiān)測系統(tǒng)ESP

u  長期、自動、連續(xù)監(jiān)測產(chǎn)毒藻和/或藻毒素的變化

u  長期、自動、連續(xù)監(jiān)測特定藻、細菌、浮游動物等的變化

u  提供定制化分子探針組合套裝,完善解決客戶的特殊需求

u  監(jiān)測結果可無線傳輸?shù)桨渡匣?/span>

u  可水下原位工作(耐受50m水壓),也可在監(jiān)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


藻類的生長靠光合作用,藻華的爆發(fā)是在特定的環(huán)境條件下(富營養(yǎng)、高光、高溫)由藻類短期快速暴增造成的,這其間藻類必須具備極強的光合作用才能快速生長。

監(jiān)測葉綠素a含量可以了解目前水體中的藻類生物量,但這只代表歷史(如果營養(yǎng)鹽很低,即使當前藻類生物量高,也不具備發(fā)生藻華的可能);而監(jiān)測藻類的光合作

用活性可以了解藻類的“生長潛能”,結合其它環(huán)境條件可以預測未來(富營養(yǎng)條件且高光高溫下,即使當前藻類生物量不高,但只要光合作用活性強,就具有極大的

發(fā)生藻華的可能)。由于PHYTO-PAM-Ⅱ可以測量自然水樣中藍藻、綠藻和硅/甲藻、隱藻各自的光合作用,就可以對藻華發(fā)生時不同藻類類群進行分析。利用PHYTO-

PAM-Ⅱ測量不同藻類葉綠素a含量和光合作用活性的功能,可以長期監(jiān)測自然水體中浮游植物種群生物量的動力學變化和不同類群光合作用潛力的變化趨勢,這對于藻

華的預警具有重要參考價值。


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利用浮游植物流式細胞儀進行藻化預警的原理

藍藻水華多由微囊藻引起,而微囊藻形成水華的前提是藻細胞聚集形成群體(“囊”)并浮到水面。如果沒有群體細胞的形成,就不會形成水華。微囊藻的群體比較大,一般的流式細胞儀不能直接進樣測量,但CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀可以直接進樣測量,并且可以獲知群體細胞的粒徑大小和不同大小的群體所占的比例。從春季開始,定期監(jiān)測不同水層的微囊藻群體細胞的粒徑變化和所占比例的變化,就可以對微囊藻水華進行早期預警。當群體細胞占的比例越來越高并且從下層水面遷移時,就預示著形成水華的條件逐漸成熟了,可以啟動預警方案。

有些藍藻水華或海洋赤潮是由鏈狀細胞形成的。對這些細胞而言,細胞鏈的長度有助于藻增加浮力獲得充足的光照,如果營養(yǎng)鹽豐富、氣象條件合適,細胞鏈長的藻類就更可能形成水華。因此,利用CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀來測量細胞鏈的長度是可以用于水華預警的。

對于形狀特殊的赤潮硅藻和甲藻而言,利用CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀可以建立專家?guī)?,進而對自然水樣進行有害藻的快速篩選/預警。





有害藻華監(jiān)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(jiān)測技術、CytoBuoy系列浮游植物流式細胞儀和產(chǎn)毒藻及藻毒素在線監(jiān)測系統(tǒng)ESP在有害藻華的監(jiān)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(yǎng)鹽系統(tǒng)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(shù)監(jiān)測儀及浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)可快速、實時監(jiān)測水質水文要素的動態(tài)變化;CytoBuoy重在專門針對浮游植物的細胞計數(shù),且可直接測量微囊藻,對形狀特殊的藻可鑒定到種;ESP重在對于產(chǎn)毒藻和藻毒素進行長期、連續(xù)、在線監(jiān)測。四種計數(shù)都是前沿的技術,且儀器都是為了野外應用而設計,充分考慮到了現(xiàn)場監(jiān)測的困難。四種技術可分別用于有害藻華的監(jiān)測/預警,如果結合使用,對于監(jiān)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(huán)境的有害藻華監(jiān)測/預警都會發(fā)揮極大的助力作用。                                                                                                                                                









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