全 文 ：第 35 卷第 10 期
2015年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.10
May,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:山西省自然科学基金项目(2011011036); 山西省社会发展科技攻关项目(20130313010鄄4)
收稿日期:2013鄄07鄄03; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄05鄄30
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xiesl@ sxu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201307031828
王捷, 冯佳, 谢树莲, 张建民, 程革, 连耀俊.汾河太原河段浮游植物多样性及微囊藻产异味物质成因.生态学报,2015,35(10):3357鄄3363.
Wang J, Feng J, Xie S L, Zhang J M, Cheng G, Lian Y J.Phytoplankton diversity and off鄄flavor鄄producing Microcystis in the Taiyuan region of the Fenhe
River.Acta Ecologica Sinica,2015,35(10):3357鄄3363.
汾河太原河段浮游植物多样性及微囊藻产异味物质
成因
王摇 捷1,2, 冯摇 佳1,2, 谢树莲1,2,*, 张建民1,2, 程摇 革1,2, 连耀俊1,2
1 山西大学生命科学学院, 太原摇 030006
2 太原市汾河景区管理委员会, 太原摇 030002
摘要:2012年 7月和 10月,对汾河太原河段浮游植物多样性及微囊藻产异味物质进行了调查研究,并对其水质进行了评价。 结
果显示:(1)共鉴定出浮游植物 6门 65属 126种,其中绿藻门种类最多,有 25属 57种,其次为硅藻门,有 26属 40种,蓝藻门有
9属 20种,其它门种类相对较少,包括裸藻门 2属 5种,甲藻门 2属 2种,隐藻门 1属 2种;(2)2012年 7月份的优势种为蓝藻门
的微小平裂藻(Merismopedia tenuissima)、不定微囊藻(Microcystis incerta),硅藻门的尖针杆藻(Synedra acus),绿藻门的四尾栅藻
(Scenedesmus quadricauda)、美丽网球藻(Dictyosphaerium pulchellum)和甲藻门的微小多甲藻(Peridinium pusillum),10 月份的优
势种为蓝藻门的微小平裂藻、阿氏浮丝藻(Planktothrix agardhii)、两栖颤藻(Oscillatoria amphibia),硅藻门的尖针杆藻,绿藻门的
四尾栅藻和隐藻门的啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa);(3)2012年 7月份和 10月份迎泽桥段浮游植物平均细胞密度分别为 188.28
伊106个 / L和 58.66伊106个 / L,南内环桥段浮游植物平均细胞密度分别为 83.78伊106个 / L 和 65.99伊106个 / L,表明水体为富营养
型;(4)Margalef多样性指数(D)为 2.04—2.68,Shannon鄄Wiener 多样性指数(H)为 0.49—1.00,Pielou 均匀度指数( J)为0.13—
0.26,数据分析显示汾河太原河段水质为中度污染至重污染;(5)通过对分离纯化的微囊藻挥发性异味物质的检测,8株微囊藻
中有 6株可产生明显的异味。 经过嗅味判断及与常见异味种类标准品的比对,确定这 6株微囊藻产生的异味物质主要为 茁鄄环
柠檬醛(茁鄄cyclocitral)。
关键词:汾河太原河段; 浮游植物; 多样性; 微囊藻; 异味物质; 水质评价
Phytoplankton diversity and off鄄flavor鄄producing Microcystis in the Taiyuan
region of the Fenhe River
WANG Jie1,2, FENG Jia1,2, XIE Shulian1,2,*, ZHANG Jianmin1,2, CHENG Ge1,2, LIAN Yaojun1,2
1 School of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
2 Management Committee of Taiyuan Scenic Segment of Fenhe River, Taiyuan 030002, China
Abstract: The Taiyuan region of the Fenhe River is a large park with a theme of “people, city, ecosystem and culture冶,
which promotes relaxation, vacationing and sightseeing. This portion of the river is approximately 12 km in length, 500 m in
width and covers an area of 600 hm2 . In recent years, the influx of domestic and industrial sewage in the upper reaches of
the Fenhe River has caused the self鄄cleaning capacity of the river to deteriorate, degraded the river忆s water quality and
enhanced eutrophication in the water body. Subsequently, sensitive species of phytoplankton have dramatically reduced,
resulting in a decline in the river忆 s diversity index and a more simplified community structure, which is prone to
cyanobacteria blooms. To date, more than 60% of the lakes in China have been subject to eutrophication and have suffered
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from cyanobacteria blooms. Microcystis is the most frequently reported cyanobacteria genus. It has long been a primary focus
of attention because of its potential to produce microcystins and to cause an undesirable taste and odor in freshwater sources.
In 2011, the section of river in Taiyuan was subject to an unprecedented cyanobacteria bloom over a large area. While the
affected waters spanned a length of several kilometers, the area between the Yingze Bridge and the Nanneihuan Bridge was
the most seriously affected. To control eutrophication and prevent the recurrence of blooms, phytoplankton diversity and the
presence of odorous compounds produced by Microcystis were investigated in the Taiyuan region of the Fenhe River. The
water quality assessment was based on data collected during July and October, 2012. A total of 126 phytoplankton species
belonging to 65 genera and 6 divisions were identified. Among these, the Chlorophyta was the most dominant division,
including 57 species from 25 genera, followed by Bacillariophyta, with 40 species from 26 genera, Cyanophyta with 20
species from 9 genera, Euglenophyta, with 5 species from 2 genera, Dinophyta with 2 species from 2 genera and
Cryptophyta, with 2 species from a single genus. The dominant species in July 2012 comprised Merismopedia tenuissima and
Microcystis incerta ( Cyanophyta ), Synedra acus ( Bacillariophyta ), Scenedesmus quadricauda and Dictyosphaerium
pulchellum (Chlorophyta), Peridinium pusillum (Pyrrophyta) . In October 2012, the prevalent species were Merismopedia
tenuissima, Planktothrix agardhii and Oscillatoria amphibia (Cyanophyta), Synedra acus (Bacillariophyta), Scenedesmus
quadricauda ( Chlorophyta ), Cryptomonas erosa ( Cryptophyta ) in October, 2012. The average cell densities of
phytoplankton were 188. 28 伊 106 cells / L and 58. 66 伊 106 cells / L at the Yingze Bridge area in July and October 2012,
respectively. Meanwhile, the average cell densities of phytoplankton were 83.78伊106cells / L and 65.99伊106 cells / L at the
Nanneihuan Bridge area in July and October, 2012, respectively. This indicated that the water body was eutrophic. The
Margalef index ranged from 2.04 to 2.68, and the Shannon鄄Wiener index ranged from 0.49 to 1.00 and the Pielou evenness
index ranged from 0.13 to 0.26 at this location. These three indices revealed that the water quality was medium to heavy
polluted. Eight purified Microcystis strains were isolated from the samples, and their volatile odorous compounds were
determined by gas chromatography and flavor analysis. Among these, six strains were found to produce the odorous
compound 茁鄄cyclocitral. The presence of these problematic species and the resulting compounds highlight the need to
improve the water quality in the Taiyuan section of the Fenhe River, to prevent the recurrence of blooms.
Key Words: Taiyuan region of the Fenhe River; phytoplankton; diversity; Microsystis; odorous compound; water
quality assessment
浮游植物是水生态系统中的初级生产者和溶解氧供应者,是水体中食物链和食物网的基础,维持着水生
态系统的平衡和健康[1鄄2]。 水环境的变化(尤其是温度和营养盐的变化)会直接影响浮游植物的生物量及群
落结构[3]。 目前,随着水体富营养化问题日趋严重,已出现敏感型浮游植物种类大量消失,多样性指数减小,
群落结构趋于简单,水质下降等问题[4]。 利用浮游植物评价水体营养水平已受到国内外广泛重视[5]。
水体富营养化引起的蓝藻水华是全球关注的重要环境问题[6]。 最常见的是微囊藻水华,在生长和分解
过程中能产生具有危害的微囊藻毒素(microcytins, MCs)和挥发性的异味代谢产物。 目前研究较多的藻源异
味物质是 2鄄甲基异茨醇(MIB)、土嗅素(geosmin)、茁鄄紫罗兰酮(茁鄄ionone)和 茁鄄环柠檬醛(茁鄄cyclocitral) [7鄄8]。 异
味的产生,导致饮用水质下降,增加了处理成本,对渔业经济造成不可估量的损失,也对风景区的美学价值带
来负面影响[9]。 我国的巢湖、东湖、滇池、太湖都发生过水体异味事件,导致当地饮用水危机[10鄄13]。 由于水体
异味生物源广泛、生物活动周期长和产异味类群定位困难,特别是藻源异味,在水环境评价及水处理中已受到
关注。
汾河太原河段集休闲、度假、观光旅游为一体,是一个以“人、城市、生态、文化冶为主题的大型公园,目前
全长 12 km,宽 500 m,占地 600 hm2 [14鄄15]。 2011年,该河段曾爆发罕见的大面积蓝藻水华,污染水域长达数公
里,尤以迎泽大桥到南内环桥段最严重。 因此,本文以这段水体为研究对象,分析了其浮游植物群落结构的时
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空变化,对其富营养化状况进行评价,并分离纯化水体中的微囊藻细胞,对其产异味物质进行分析,以期为汾
河太原河段富营养化调控和水华防治提供依据。
1摇 材料与方法
图 1摇 汾河太原河段采样点分布示意图
摇 Fig.1摇 Distribution of sampling sites in the Taiyuan region of the
Fenhe River
1.1摇 采样时间及位点
2012年 7月 3日和 26日、10 月 9 日和 26 日,在山
西省太原市汾河迎泽大桥和南内环桥段设采样位点
(图 1),共采样 4次。
1.2摇 样品采集与处理
按照有关文献[16]采集样品。 定量样品采集水样
l000 mL,放入贴有标签的标本瓶中,加入 l5 mL 鲁哥氏
剂(Lugol忆s)现场固定,在室内静置 48 h,再浓缩至 30
mL,摇匀后,取 0.1 mL 浓缩水样于浮游生物计数框中,
在 10伊40倍光学显微镜下计数[17鄄18]。 定性样品采集用
25号浮游生物网在水体中采集多次,置于两个 50 mL 采样瓶中,其中一个采样瓶中加入少量的福尔马林固
定,用于种类鉴定,另一个采样瓶中为活体水样,带回实验室后,采用经典的毛细管法,即巴斯德吸管制作的毛
细管(Pasteur Micropipette)在解剖镜下挑取单个微囊藻群体,ddH2O清洗 6—8次,最后放入含有 2 mL MA 培
养基[19]的 24孔培养平板中培养,4—5 周便可得到单克隆藻种。 纯化后的微囊藻藻种编号分别为 FH0001、
FH0002、FH0003、FH0004、FH0005、FH0006、FH0007、FH0008,保存于山西大学生命科学学院藻种库中。
1.3摇 藻类多样性指数、均匀度指数及优势度计算
Margalef多样性指数[20鄄21]为 D = (S-1) / lnN,式中 S为种类数,N为个体数;D值越大水质越清洁:0—1
为重度污染,l—2为严重污染,2—4为中度污染,4—6为轻度污染,大于 6为清洁水。
Shannon鄄Wiener多样性指数[20鄄21]为 H = -移 (n i / N) ln (ni / N),式中,H值越大水质越清洁:0—1为重
污染,1—3为中污染,大于 3为轻污染或无污染。
Pielou均匀度指数[20鄄21] J = H / lnS ,式中,H为 Shannon鄄Wiener多样性指数,S 为种类数;求得浮游植物
的均匀度指数 J值 0—0.3为重污染,0.3—0.5为中污染,0.5—0.8为轻污染或无污染。
优势度的计算方法按照 Mcnaughton优势度指数[20鄄21] Y = ni / N伊fi,求得浮游植物优势度指数,式中 ni为
第 i种的个体数,N为站位中浮游植物总个数,fi为第 i种在各站位中出现的频率。
1.4摇 微囊藻产异味物质检测
微囊藻藻株产生的异味物质通过顶空固相微萃取鄄气象色谱法(HS鄄SPME鄄GC)测定[10]。 准确吸取处于对
数生长期的微囊藻藻液 3 mL于 25 mL棕色螺口瓶中,补充超纯水至 10 mL,加入 3.0 g 经 550 益烘烤 6 h 的
NaCl和一个小的磁力搅拌器转子,将棕色螺口瓶置于磁力搅拌器上 60 益水浴预热 15 min,搅拌器转子转速
调为 500 rpm / min,固相微萃取装置固定于螺口瓶上方,将萃取头插入瓶内部顶空萃取 45 min,萃取结束后将
萃取头拔出,立即插入 GC进样口中进行解吸附与 GC分析。
分析所用仪器为 GC鄄2014C气相色谱仪,FID 检测器(岛津,日本),毛细管色谱柱为 GL TC series Wonda
Cap 5(0.25 mm伊30 m伊0.25 滋m),固相微萃取(SPME)装置、65 滋m 聚二甲基硅氧烷 /二乙烯基苯涂层纤维
(PDMS / DVB)萃取头和 25 mL 带 PTFE 涂层硅橡胶垫的棕色螺口瓶均为 Supelco誖 (Sigma鄄Aldrich 公司,美
国)产品。 茁鄄环柠檬醛(茁鄄cyclocitral)和 茁鄄紫罗兰酮(茁鄄ionone)标样购自 Sigma鄄Aldrich 公司,Geosmin 标准品
(100 滋g / mL)和 2鄄MIB标准品(2鄄甲基异茨醇,100 滋g / mL)为美国 Supelco誖 Sigma鄄Aldrich 公司试剂,NaCl 为
分析纯(上海国药)。
GC的分析条件[10]:载气高纯为高纯 N2(逸99.99%),恒压 150 KPa;H2恒压 45 KPa,空气恒压 40 KPa;无
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分流进样(splitless)模式,进样口温度 250 益,FID 检测器 270 益,毛细管柱温度程序为 60 益,2 min
5益 /
寅
min
200 益,2 min
20益 /
寅
min
250 益,2 min。
2摇 结果和分析
2.1摇 浮游植物区系组成及优势种
通过对采集样品的观察,共鉴定出浮游植物 126 种,隶属于 6 门 65 属,区系组成主要以绿藻、硅藻、蓝藻
为主,其中绿藻门种类最多,有 25 属 57 种,占总种数的 45.0%,其次为硅藻门,有 26 属 40 种,占总种数的
31.7%,蓝藻门有 9属 20种,占总种数的 15.9%,其它门种类相对较少,裸藻门 2 属 5 种,甲藻门 2 属 2 种,隐
藻门 1属 2种,共占总种数的 7.4%。
根据样点中浮游植物出现的频率和相对丰度,以优势度 Y>0.02来界定优势种。 经计算,两个样点 7 月份
的优势种为蓝藻门的微小平裂藻(Merismopedia tenuissima)、不定微囊藻(Microcystis incerta),硅藻门的尖针杆
藻(Synedra acus),绿藻门的四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、美丽网球藻(Dictyosphaerium pulchellum)和甲
藻门的微小多甲藻(Peridinium pusillum),10 月份的优势种为蓝藻门的微小平裂藻、阿氏浮丝藻(Planktothrix
agardhii)、两栖颤藻(Oscillatoria amphibia),硅藻门的尖针杆藻,绿藻门的四尾栅藻和隐藻门的啮蚀隐藻
(Cryptomonas erosa)。
2.2摇 浮游植物细胞密度
浮游植物细胞密度是反映水体富营养化程度的重要指标。 2012 年 7 月份和 10 月份迎泽桥段浮游植物
平均细胞密度分别为 188.28伊106个 / L和 58.66伊106个 / L,南内环桥段浮游植物平均细胞密度分别为 83.78伊
106个 / L和 65.99伊106个 / L。 从表 1可以看出,7月份和 10月份,迎泽桥段和南内环桥段,均以蓝藻门细胞密
度最大,占总量的 50%以上。 7月初白天气温在 26 益以上,迎泽大桥段和南内环桥段浮游植物细胞密度高达
194.30伊106个 / L和 105.40伊106个 / L,而 10月底气温已降到 13 益左右,浮游植物细胞密度也降低,为 56.81伊
106个 / L和 37.57伊106个 / L。
表 1摇 汾河太原河段浮游植物细胞密度(伊106个 / L)
Table 1摇 Phytoplanktonic cell density in the Taiyuan region of the Fenhe River
门类
Division
7月 3日 July 3
迎泽大桥 南内环桥
7月 26日 July 26
迎泽大桥 南内环桥
10月 9日 October 9
迎泽大桥 南内环桥
10月 26日 October 26
迎泽大桥 南内环桥
蓝藻门 Cyanophyta 132.80 61.85 150.75 34.85 42.38 82.75 44.80 28.08
绿藻门 Chlorophyta 33.75 23.95 14.85 14.45 8.75 5.33 7.50 5.33
硅藻门 Bacillariophyta 26.85 19.40 16.40 12.65 9.00 1.75 4.38 4.08
甲藻门 Pyrrophyta 0.45 0.00 0.00 0.10 0.00 0.00 0.00 0.08
隐藻门 Cryptophyta 0.35 0.20 0.10 0.10 0.25 4.42 0.00 0.00
裸藻门 Euglenophyta 0.10 0.00 0.15 0.00 0.13 0.17 0.13 0.00
总计 Total 194.30 105.40 182.25 62.15 60.51 94.40 56.81 37.57
2.3摇 浮游植物多样性
浮游植物多样性对于群落结构的稳定性起着重要作用,它反映了群落特有的物种组成和个体密度特征,
与物种丰富度和均匀度指数密切相关[22鄄23]。 Margalef多样性指数 D值介于 2.04—2.68 之间,7 月份平均值为
2.26,10月份平均值为 2.60。 Shannon鄄Wiener多样性指数 H值介于 0.49—1.00 之间,7 月份平均值为 0.85,10
月份平均值为 0.69。 Pielou均匀度指数 J 值介于 0.13—0.26 之间,7 月份平均值为 0.23,10 月份平均值为
0.18。
2.4摇 微囊藻产异味物质检测结果
对分离纯化的微囊藻挥发性异味物质的检测结果表明,8 株微囊藻中有 6 株(FH0001、FH0002、FH0003、
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FH0004、FH0005、FH0006)可产生明显的异味。 经过嗅味判断及与常见异味种类标准品的比对,确定这 6 株
微囊藻产生的异味物质主要为 茁鄄环柠檬醛(茁鄄cyclocitral),其他三类淡水水体常见的异味物质(Geosmin,2鄄
MIB 和 茁鄄紫罗兰酮)均未检出。 GC的分析结果显示,6株产异味微囊藻的主要挥发性物质具有同 茁鄄环柠檬醛
标样一致的色谱学行为。 在上述分析条件下其色谱主峰的保留时间与 茁鄄环柠檬醛标样相同(图 2)。 结合对
藻株气味的嗅味判别(烟草味)可以确定这些微囊藻藻株产生的主要异味物质为 茁鄄环柠檬醛。
图 2摇 微囊藻藻株溶解性异味化合物与其标准样品的气相色谱图
Fig.2摇 Gas chromatography(GC)chromatograms of soluble compounds in Microcystis strains and the standard sample
3摇 讨论
3.1摇 汾河太原河段浮游植物群落特征
浮游植物是水体主要的初级生产者,其群落结构组成和分布对水生态环境起着重要的指示作用,而浮游
植物群落结构、优势种类及其变化反映了水体的富营养化程度[24鄄26]。 一般认为,蓝藻为优势类群指示水体呈
富营养化状态,绿藻为优势种指示水体呈中营养化状态,而硅藻为优势种显示水体呈贫营养化状态[1]。 2012
年 7月和 10月共 4次调查结果表明,汾河太原河段水体浮游植物以绿藻、硅藻、蓝藻为主,绿藻种类最多,硅
藻和蓝藻次之,但蓝藻门细胞密度最高,占绝对优势,表明该区段水体已呈富营养化状态。 这和之前对该区段
的调查结果相似[15,27]。 在两个季节中优势种群也有一定的变化,7月份除了蓝藻门、绿藻门、硅藻门的一些种
类为优势种外,甲藻门的微小多甲藻也为优势种,而 10 月份隐藻门的啮蚀隐藻成为了优势种。 钱奎梅等[28]
运用浮游植物优势种和生物量的变化研究了太湖富营养化进程。 对汾河景区水体富营养化的进一步研究中,
也可运用浮游植物优势种和生物量的变化进行调查。
3.2摇 微囊藻产异味物质
由藻源异味物质引起的水体异味问题已经成为了严重的环境问题,饮用水和水产品中的异味物质也逐渐
受到人们的重视,因此,对水体尤其是饮用水源的环境监测变得非常重要。 异味包括嗅觉异味和味觉异味,其
中嗅觉异味包括土霉味( earthy / musty / moldy)、芳香味( fragrant / vegetable / fruit / flowery)、草木味( grassy / hay /
straw / woody)、鱼腥味(fishy / rancid)、沼气味(marshy / swampy)、化学药品味(chemical / hydrocarbon)、氯化物味
(chlorineous / ozonous)及药味(medicinal / phenolic)等 8 类[29]。 水体中藻类产生的异味性次生代谢物种类繁
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多,最常见的是具有土霉味的 2鄄甲基异莰醇(2鄄methylisobomeol,2鄄MIB) 和土嗅素(geosmin,GSM),此外,还有
茁鄄环柠檬醛 ( 茁鄄cyclocitra1)、 茁鄄紫罗兰酮 ( 茁鄄ionone)、香叶基丙酮 ( neryl acetone)和 2,4鄄癸二烯醛 ( 2, 4鄄
decadiena1)等[30]。 Juttner的研究表明,茁鄄环柠檬醛主要是由微囊藻所产生,在发生微囊藻水华的水体中,会
有高浓度的 茁鄄柠檬醛存在[31]。 李林等研究表明,武汉大莲花湖 茁鄄环柠檬醛与微囊藻日变化显著相关[32]。 本
研究发现,6株微囊藻产生的异味物质均为 茁鄄环柠檬醛,这种异味物质可能会给汾河太原河段造成嗅味问题,
进而影响该段的整体水质[29,33]。
3.3摇 汾河太原河段水质评价
浮游植物生物多样性指数是湖泊水质监测的重要指标,广泛应用于水体环境质量评价中[26,34]。 浮游植
物的优势种和细胞密度通常也可以反映水体的富营养化程度。 蓝藻多是耐污性比较强的种类,其细胞密度急
剧增加并最终成为优势类群是水体富营养化的重要表征之一,即蓝藻细胞密度越高,水体富营养化程度越
严重[35]。
本文的研究数据显示,汾河太原河段浮游植物 Margalef 多样性指数 D 值较低,指示水体为中度污染,
Shannon鄄Wiener多样性指数 H值介于 0—1之间,表明浮游植物群落结构简单且不稳定,对环境变化敏感,为
重污染水体,Pielou均匀度指数 J值介于 0—0.3之间,表明浮游植物群落中各物种个体数目分配不均匀,优势
种明显,为重污染水体。 综合分析,汾河景区段水质为中度污染至重污染。 据有关文献,浮游植物细胞密度小
于 30伊104个 / L时水体为贫营养型,30伊104—100伊104个 / L 时为中营养型,大于 100伊104个 / L 时为富营养状
态[36]。 2012年 7月和 10月,汾河景区段的浮游植物细胞密度均大于 100伊104个 / L,并且蓝藻门的细胞密度
最大,占总量的 50 誠以上,表明水体为富营养状态。 出现这种情况的主要原因是由于气温的升高,上游生活
污水和工业废水的排入,导致景区水自净能力降低,水质恶化,水体富营养化程度加重。
致谢:中国科学院水生生物研究所李仁辉研究员对本文写作给予帮助,中国科学院武汉植物园王中杰助理研
究员完成对异味物质的测定,特此致谢。
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